靶船視頻圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)＊

白龍江 王 磊 劉苗輝

（91550部隊95分隊 大連 116023)

1 引言

隨著我軍武器裝備的不斷發(fā)展，對海上靶場綜合試驗?zāi)芰μ岢隽烁叩囊蟆２坏缶哂腥獭⑷旌蚝透呔葴y量控制能力，還要求具備可視化指揮和可視化信息處理等綜合試驗?zāi)芰Α＝ㄔO(shè)靶船實況觀測系統(tǒng)，可以將視頻圖像及時傳送試驗指揮控制中心。其目的是：用于可視化指揮；用于直觀、有效地快速檢靶，以利于快速得出試驗初步結(jié)論；可觀察導(dǎo)彈在靶船前和靶船后的飛行狀態(tài)，用于武器性能的技術(shù)分析。

視頻圖像傳輸是整個系統(tǒng)的重要組成部分，也是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，決定了整個系統(tǒng)建設(shè)的成敗，在海面環(huán)境下，選擇有效、合理，具有較高可靠性的圖像傳輸技術(shù)方案是非常重要的。

2 視頻圖像傳輸環(huán)境分析

2.1 設(shè)計指標要求

1)視頻圖像傳輸距離大于××公里；

2)圖像標準 MPEG－2；

3)視頻圖像傳輸帶寬大于2M；

4)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的安全性和可靠性。

2.2 海上傳輸環(huán)境分析

視頻圖像傳輸技術(shù)是靶船實況觀測系統(tǒng)建設(shè)中的難點，而圖像微波信號傳輸最嚴酷的路徑是跨越海面。多徑反射造成的電波隨機衰落十分嚴重，當傳輸帶寬較寬時更容易出現(xiàn)頻率選擇性衰落，海面易出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。這些因素都是靶船圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計的障礙。

在實際使用中，由于海上客觀條件的限制，視頻信號在傳輸過程中受到諸多因素的影響，主要有：

1)發(fā)射端天線高度較低，跨海傳播時，視頻信號的多路徑效應(yīng)影響較大；

2)海水對電磁波的吸收較為明顯，導(dǎo)致視頻信號衰減較大；

3)海面電磁環(huán)境復(fù)雜，民用頻道干擾嚴重；

4)海上武器試驗對保密性要求較高。

3 圖像傳輸設(shè)計與實現(xiàn)

為克服上述因素對視頻信號傳輸質(zhì)量的影響，在視頻圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中，進行以下信道調(diào)制技術(shù)選擇以及相關(guān)計算。

3.1 2CPFSK信道編碼的選擇

信道編碼可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，解決可靠性（抗干擾)問題。加入檢錯糾錯功能，可降低傳輸中的誤碼率。誤碼的處理技術(shù)有糾錯、交織、線性內(nèi)插等。常見的信道編碼方式有：QPSK（相移鍵控調(diào)制)、QAM（正交幅度調(diào)制)、VSB（殘留邊帶調(diào)制)、COFDM（多載波頻分復(fù)用調(diào)制)等。

對不同的信號傳輸方式可以采取不同的信道編碼，數(shù)字衛(wèi)星廣播要求傳輸信道的信噪比低，常采用正交相移鍵控調(diào)制（QPSK)；地面無線發(fā)射的數(shù)字電視廣播多采用殘留邊帶調(diào)制（VSB)和編碼正交頻分調(diào)制（COFDM)，VSB抗多徑傳播效應(yīng)好（即消除重影效果好)，COFDM抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好。地面HFC網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視廣播多采用正交幅度調(diào)制（QAM)，此方式調(diào)制效率高，但是對傳輸信道的信噪比要求較高，在海上的電磁環(huán)境下難以保證。

系統(tǒng)要求圖像為 MPEG－2圖像壓縮標準，信息傳輸速率2Mbps，信道傳輸信息速率較高，設(shè)計宜選用頻帶利用率高、帶外衰減快、對非線性不敏感的調(diào)制方式。

綜上所述，采用2CPFSK（連續(xù)相位頻移鍵控)調(diào)制方式可以適合本系統(tǒng)信道要求。2CPFSK屬于QPSK的改進調(diào)制方式，2CPFSK調(diào)制具有以下幾個特點：信號的調(diào)制包絡(luò)恒定；具有較好的頻帶功率利用率；具有潛在的二重頻率分集作用，因此具有較好的抗多徑衰落性能；受信道非線性影響小，抗限幅能力強；調(diào)制解調(diào)器簡單，設(shè)備體積、重量小，更適合機動設(shè)備。

基于以上特點，采用2CPFSK作為本系統(tǒng)信道編碼調(diào)制方式。

3.2 鏈路參數(shù)計算

3.2.1 無線電視距

圖像傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路屬微波視距通信，其作用距離應(yīng)在無線電視距范圍內(nèi)。按照標準大氣折射來計算（K＝4/3)，則視線傳播距離公式為

式中：h1、h2為天線高度，單位m；d0為視線距離，單位km。

表1給出地面天線不同高度時，岸－船圖像傳輸時所對應(yīng)的最大視線距離。

表1 視線距離

由此可見當?shù)孛嫣炀€高度大于xx米，船載天線高度x米時，地面到船載的視線距離可以達到最遠工作距離xx公里。

3.2.2 接收機靈敏度的選擇

對于數(shù)字通信系統(tǒng)，通信質(zhì)量是用系統(tǒng)誤碼性能來衡量的。信道采用了1/2卷積編碼，Viterbi譯碼措施，接收端在鑒頻器輸入載噪比C/N超過門閾電平后，采用軟判決，編碼增益為5dB。信道采用相位連續(xù)的2CPFSK調(diào)制體制。

根據(jù)公式，折合到接收機輸入端的噪聲功率N為

式中：K 是波爾茲曼常數(shù)；T噪聲溫度；B等效帶聲帶寬；NF噪聲系數(shù)。2CPFSK在調(diào)制指數(shù)h＝0.715時，B·T＝1.1。則B＝1.1/T＝1.1fm，其中fm為調(diào)制碼速率。

接收機的接收功率是由折合到接收機輸入端的噪聲功率N和解調(diào)器對C/N要求決定的，因此接收機靈敏度Pr為

式中：C/N為解調(diào)器輸入載噪比

其中：Eb/N0為歸一化比特信噪比；G為信道編碼增益；R為信道編碼速率。

為了降低設(shè)備的復(fù)雜度，設(shè)計時采用了普通的非相干解調(diào)器，在C/N 為8dB時鑒頻器可以正常工作。根據(jù)2CPFSK非相干解調(diào)誤碼率與Eb/N0對應(yīng)的曲線，可以得到：1×10－6誤碼率對應(yīng)Eb/N0為18dB，由此計算出接收機靈敏度見表2。

表2 接收機靈敏度計算表

3.2.3 鏈路的電平分配

空間傳播損耗的計算，公式如下：

其中：f工作頻率（MHz)d作用距離（km)

按f＝xxxx MHz，d＝xxkm計算，此時海面?zhèn)鞑ヂ窂綋p耗Lp＝xxxdB

傳輸鏈路的電平分配表 （略)。

3.3 系統(tǒng)衰落概率計算

對于2Mbps碼速率的數(shù)字微波系統(tǒng)，系統(tǒng)中斷主要由電波衰落時的熱噪聲引起的。系統(tǒng)瞬時中斷率和衰落儲備的關(guān)系為

其中：Fd：平衰落深度；f：工作頻率（GHz)；d：傳播距離（km)；C：與地形有關(guān)的因數(shù)；K：與氣象條件有關(guān)的因數(shù)。

A、B、K：常數(shù)，各國取值不一樣，對于跨海鏈路，取KC＝2.63×10－6，A ＝1，B ＝3.2當 衰 落 儲 備 量Fd ＝16.7dB，由式（4)可以計算出系統(tǒng)瞬時中斷率Pd ＝0.0057。此時通信傳輸無誤碼率時間概率P＝1－Pd＝0.9943（BER ≤10－6)。

4 抗多徑傳輸?shù)钠渌夹g(shù)

圖像傳輸系統(tǒng)視距鏈路在海上應(yīng)用，多徑衰落現(xiàn)像更加明顯，同時還與天線架設(shè)高度等因素有關(guān)，在多徑衰落最深的地方，可能造成無線電信號傳輸質(zhì)量變差或者短時中斷。為了保證系統(tǒng)試驗任務(wù)的全過程中信號質(zhì)量處于良好狀態(tài)，提高傳輸?shù)目煽啃裕仨毺岣咝盘柕碾娖絻洌拍鼙ＷC作用距離范圍內(nèi)信號傳輸質(zhì)量。對付多徑衰落靠單純提高發(fā)射功率的辦法是不經(jīng)濟的。最有效的方法是采用分集接收，它可以大大減小深衰落出現(xiàn)的概率，從而節(jié)省衰落儲備。

為了減小多徑衰落的影響，并結(jié)合以往工程的經(jīng)驗，還可以采取以下幾種措施：

1)在滿足使用要求的前提下，盡量使接收天線波束變窄，提高系統(tǒng)電平儲備。

2)收天線具有0.5°以上的仰角，有利于避免衰落的影響。

3)收、發(fā)天線采用圓極化方式，抑制多徑信號的影響。

4)在系統(tǒng)作用距離內(nèi)，合理選擇收、發(fā)天線的高度，減少反射點反射到接收點的信號電平。

5 應(yīng)用實例

5.1 系統(tǒng)概述

靶船實況觀測系統(tǒng)包括全景相機過靶實況觀測、常規(guī)相機過靶實況觀測分系統(tǒng)和視頻圖像傳輸三個部分。

全景相機過靶實況觀測部分主要由全景視覺取景分系統(tǒng)和視頻數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)通訊分系統(tǒng)等組成；常規(guī)相機過靶實況觀測系統(tǒng)則由地面站控制與顯示系統(tǒng)、靶載圖像采集與記錄系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成；視頻圖像傳輸系統(tǒng)由船載無線傳輸發(fā)射設(shè)備、地面無線傳輸接收設(shè)備組成。

在武器試驗中，靶船設(shè)備對視頻圖像采集與處理，經(jīng)過海上無線電傳輸、岸站接收處理，然后經(jīng)陸上光纖網(wǎng)傳輸至指揮控制中心，如圖1所示。

圖1 靶船實況傳輸示意圖

5.2 圖像傳輸系統(tǒng)組成

圖像傳輸系統(tǒng)由船載發(fā)射設(shè)備、地面接收設(shè)備兩部分組成。

1)船載發(fā)射設(shè)備包括圖像壓縮編碼器、加密設(shè)備（保密機)、信道編碼器、發(fā)射調(diào)制器、功率放大器、發(fā)射天線和電源組成，如圖2所示。

圖2 船載發(fā)射設(shè)備組成框圖

2)地面接收設(shè)備包括接收天線、高頻頭、圖像接收機、伺服系統(tǒng)、信道解碼器、解密設(shè)備（保密機)、圖像解碼器等組成，如圖3所示。

圖3 地面接收設(shè)備組成框圖

5.3 信道的編碼、解碼過程

信道編碼的功能是對經(jīng)過加密的圖像信號進行卷積編碼。因為信道傳輸圖像序列信息速率較高，信道電平比較緊張，海上無線信道誤碼率較高，必須采取差錯控制措施。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，利用糾錯碼進行差錯控制的方式有反饋重傳、前向糾錯和混合糾錯等幾種。其中，反饋重傳和混合糾錯方式均需要反饋信道，要求發(fā)端重傳出錯的數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。圖像傳輸系統(tǒng)是實時采集連續(xù)不斷傳輸?shù)模诠ぷ髌陂g，一直有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生和傳輸，不宜重傳出錯的數(shù)據(jù)。因此，建議采取前向糾錯方式。

按照糾錯碼對信息元處理方式的不同，前向糾錯可分為分組碼和卷積碼，在圖像傳輸系統(tǒng)中使用卷積碼是比較好的選擇。應(yīng)用卷積編碼、維特比譯碼算法的最大似然譯碼有很多優(yōu)點。它能使設(shè)備大大簡化同時又能得到最大似然譯碼的全部優(yōu)點。采用軟判決譯碼時，可獲得約5dB的編碼增益。當碼的約束長度較短時，譯碼器很簡單，且可以工作于較高的數(shù)據(jù)速率。

現(xiàn)在卷積碼的譯碼主要采用維特比譯碼算法。當數(shù)據(jù)速率較低時，用軟件即可實現(xiàn)，而且有可工作于較高數(shù)據(jù)速率的成熟集成電路可供使用。本系統(tǒng)采用約束長度為7、編碼效率為1/2的卷積糾錯碼，收端采用維特比譯碼。在3比特軟判決譯碼條件下，理論上比未編碼可獲得約5dB的編碼增益。

信道解碼主要由位同步提取和維特比譯碼兩部分組成，其組成框圖如圖4所示。由接收機送來的基帶數(shù)據(jù)首先經(jīng)過整形電路，整形后的數(shù)據(jù)送位同步提取環(huán)路。位同步提取電路采用全數(shù)字鎖相環(huán)，位同步環(huán)輸出的位同步信號送維特比譯碼器。

圖4 信道解碼組成框圖

對R＝1/2，K＝7的卷積碼采用維特比譯碼，在BER＝10－5時的編碼增益約5dB。維特比譯碼器采用Q1900K芯片完成，這是一片大規(guī)模單片集成電路，使用簡單。它需要輸入波特時鐘、數(shù)據(jù)時鐘及接收數(shù)據(jù)，輸出是解碼后數(shù)據(jù)和時鐘。

6 結(jié)語

為了克服海面多徑反射造成的電波隨機衰落以及頻率選擇性衰落和海面易出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，保障傳輸指標的要求，海上視頻圖像傳輸應(yīng)當選擇合理的信道編碼體制，并進行正確的鏈路參數(shù)計算；還可以考慮采用天線圓極化方式、空間分集、頻率分集等技術(shù)手段，以保證視頻圖像在海上傳輸?shù)闹笜撕涂煽啃浴?/p>

通過實踐證明：在海上環(huán)境采用2CPFSK信道編碼技術(shù)，傳輸誤碼率低、可靠性高，具有較高的抗干擾性和保密性，完全滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求。

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