無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計

       0 引 言

      在某紅外圖像傳輸系統(tǒng)中，存在多信道通信狀況，需將紅外圖像及其他信息通過空中信道傳回指控平臺，以進行戰(zhàn)場狀態(tài)預估、目標選擇和控制指令的發(fā)送。在戰(zhàn)時的無線信道中總是存在著噪聲、干擾、多徑衰落等各種影響，這就要求傳輸系統(tǒng)設(shè)計時既要采用有效的數(shù)據(jù)壓縮方法來降低傳輸碼率，盡量節(jié)省傳輸信道帶寬，同時又要引入差錯控制方式來抵制信道噪聲的干擾。

　　本文考慮了系統(tǒng)的綜合要求：系統(tǒng)容量、作用距離、收發(fā)時延及算法實現(xiàn)復雜度，采用了8倍圖像壓縮、RS編碼加交織的方式進行了無線鏈路的設(shè)計，采用大規(guī)模FPGA完成發(fā)送端及接收端的算法實現(xiàn)，并通過試驗驗證設(shè)計指標滿足系統(tǒng)要求。

　　1 無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計

　　1．1 系統(tǒng)特點

　　系統(tǒng)容量有限 實際使用環(huán)境中圖像發(fā)送端和接收端都處于空中平臺中，考慮系統(tǒng)中有多個數(shù)據(jù)流通信，圖像實際使用帶寬過大，一方面影響整個系統(tǒng)容量，另外會帶來接收端諸多問題，為滿足實際工程應(yīng)用，必須控制每組信道的使用帶寬，故而需將圖像壓縮后傳輸。

　　實時性 由于圖像發(fā)送和接收的實時性要求高，使用體積有限，故而選擇的圖像壓縮和解壓縮算法必須高效、易于實現(xiàn)，同時時延小。

　　高保真圖像顯示 由于接收端需要對圖像進行分辨從而做出正確的選擇，因而圖像壓縮算法必須選用高保真的壓縮算法。

　　干擾信道環(huán)境 使用環(huán)境為戰(zhàn)時復雜的電磁環(huán)境，信道中存在著各種噪聲、突發(fā)干擾和隨機干擾。

　　1．2 系統(tǒng)方案

　　由于系統(tǒng)容量要求，采用頻分體制完成多個信道的同時工作，同時將紅外圖像壓縮后傳輸以減小每個信道使用帶寬。

　　考慮到使用環(huán)境的體積有限，實時性及高保真要求，選擇多分辨率重采樣圖像壓縮算法解決方案，壓縮采用硬件實現(xiàn)，解壓縮使用軟件在計算機內(nèi)處理后顯示。

　　由于實際信道存在突發(fā)干擾和隨機干擾，而壓縮后的圖像數(shù)據(jù)非常敏感，一個誤碼就能導致一幀數(shù)據(jù)的重放失敗，影響接收端使用，故必須使用糾錯編碼來抵制信道中的干擾。選擇糾錯編碼不僅需考慮面臨的干擾形式還必須考慮編解碼實現(xiàn)的難易度、效率、時延。通過對比和仿真，采用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中通用的RS編碼并進行交織以提高系統(tǒng)抗干擾能力。同時選擇合適的發(fā)送天線，合理分配各組件增益，根據(jù)系統(tǒng)使用需求，使用控制電路完成對發(fā)射信號的發(fā)送控制。無線信道圖像傳輸系統(tǒng)原理框圖見圖1。

　　1．2．1 發(fā)送端設(shè)計

　　發(fā)送端包括三部分：綜合基帶、發(fā)射機和天線。綜合基帶是其中的關(guān)鍵部件，完成對圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、編碼和交織，完成對狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、編碼，完成對傳送數(shù)據(jù)的組幀輸出及對發(fā)射信號的發(fā)送控制�？紤]功耗、體積和實際耗費資源，選擇一片大規(guī)模FPGA完成所有信號處理。

　　發(fā)射機完成數(shù)據(jù)調(diào)制、放大輸出。

　　天線完成微波信號的輻射。

　　1．2．2 接收端設(shè)計

　　接收端包括四部分：接收天線、信號處理機、接收處理組件。

　　接收天線完成微波信號的接收。

　　信號處理機完成圖像數(shù)據(jù)的解交織、解碼和狀態(tài)數(shù)據(jù)的解碼，同時完成解碼數(shù)據(jù)的組幀和USB數(shù)據(jù)同步、緩存及數(shù)據(jù)輸出�？紤]功耗、耗費資源和處理時延，采用一片大規(guī)模FPGA加FIFO及接口芯片完成相應(yīng)處理。

　　接收處理組件完成數(shù)據(jù)的接收、存盤、圖像數(shù)據(jù)提取、解壓縮和顯示及狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取和顯示。解壓縮采用軟件實現(xiàn)，解壓縮軟件嵌入到指控平臺接收端的接收軟件中，在接收信號的同時完成壓縮圖像的解碼和實時顯示。

　　1．3 關(guān)鍵技術(shù)

　　1．3．1 天線設(shè)計

　　由于發(fā)送端設(shè)備位于導彈上，接收端設(shè)備位于飛機上，故而存在收發(fā)天線失配問題，設(shè)計時接收端天線采用圓極化形式，發(fā)送端天線采用一對垂直分布的線極化天線，這樣將極化損耗降到最低，有利于接收端的接收。同時考慮通信時抗干擾問題，發(fā)送端天線采用后向天線圖形式，為增加抗干擾性，還要求發(fā)送端天線具有一定的增益。圖2為發(fā)送天線仿真圖。

　　1．3．2 信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù)

　　由于紅外導引頭的圖像格式不是