基于無人機的無線圖像傳輸系統構建研究

王 佩， 榮 昶， 賈 斐， 介 璽

(1. 石家莊陸軍指揮學院 五大隊， 河北 石家莊 050084； 2. 石家莊陸軍指揮學院軍事訓練系, 河北 石家莊 050084; 3. 西安電子科技大學 研究生院， 陜西 西安 710000)

基于無人機的無線圖像傳輸系統構建研究

王 佩1， 榮 昶2， 賈 斐2， 介 璽3

(1. 石家莊陸軍指揮學院 五大隊， 河北 石家莊 050084； 2. 石家莊陸軍指揮學院軍事訓練系, 河北 石家莊 050084; 3. 西安電子科技大學 研究生院， 陜西 西安 710000)

主要研究了利用無人機進行無線圖像傳輸中的幾種信道衰落問題，提出了運用空時編碼技術抵抗信道衰落、提高信道容量的一種新編碼方式。試驗表明，它可以使頻率的利用率顯著提高，有效解決廣域空間實驗過程中無線圖像傳輸的質量問題。

無線圖像傳輸； 無人機； 空時編碼

對于軍隊院校來講,由于一些實驗場區地域比較廣、通信傳輸距離比較長,依靠預置的有線通信難以解決數據、圖像、視頻等傳輸問題,現有的無線傳輸手段容易受到地形、環境、天候等不良因素影響，不能保證信號質量,因此探索新的圖像傳輸方式、研究新的圖像傳輸技術已經成為實驗室建設的重要內容。隨著無人機技術的迅猛發展,其作為通信載體所體現的優越性越來越突出,以前涉及外場實驗的高危實驗項目如新裝備試驗、火力毀傷試驗、爆破試驗等,由于無人機通信系統的應用,為解決實驗地域廣闊、地理環境復雜、氣象條件不佳、獲得實驗現場數據困難等問題提供了條件。

1 現狀分析

圖像信息可以非常直觀的反應現場的真實情況,以輔助實驗人員對試驗過程作出精確決策。以有線傳輸的模擬信號為主的圖像傳輸方式,抗干擾能力差,容易失真,保密性差、機動性差。近年來,由于實驗項目、指揮控制的需要,對利用無線通信傳輸圖像的要求越來越高,為此,有的實驗室專門構建了自己的移動通信網絡。然而,對于實驗范圍較大、涉及多個場區時,現有的無線網絡布設不靈活,傳輸距離短、構設成本高的問題就突出暴露出來。再者,對于臨機在陌生地域進行的相關實驗,由于受現有通信帶寬、頻率、現行通信設備參數的限制,很難解決視頻圖像等信息傳輸問題。因此,迫切需要研制一套機動性強、便于部署、性能良好、覆蓋面積廣、壓縮比高的、性價比高的無線圖像傳輸系統。基于小型無人機的特點,可以充分利用其優越的機動性、良好的空間視角、較長的續航能力,以獲取實驗過程中的音頻、視頻、圖像信息,解決目前高危實驗項目、特殊實驗要求以及現場指揮控制的難題。

2 系統組成與結構

2.1 系統構想

根據需求分析的結果,本文構建了基于無人機的無線圖像傳輸系統。在圖像采集端采用數字視頻壓縮技術。首先將視頻信息轉換成數字信號,然后采用視頻壓縮算法對數字信號進行高比率的壓縮,達到降低信源碼率、節省信道帶寬的目的,實現高速傳輸。經市場調研,H.264標準是一種高性能的視頻編解碼技術,具有低碼率、高質量、差錯恢復能力強、廣闊的應用范圍和對各種網絡的友好性等特點,適合于無線通信的要求[1-2]。因此,擬在圖像采集端選用H.264視頻壓縮算法對拍攝圖像進行壓縮。

在信道傳輸上采用移動無線傳輸方式,無線圖傳方式具有傳輸距離遠、靈活性高和機動性好的特點,可以輕松地進入人員無法進入的地區,傳回視頻圖像信號。經過研究,采用700 MHz的數字超短波傳輸,采用QPSK調制,選用nRF905無線收發模塊。該模塊成本低廉,技術成熟,功耗較低,通信距離也可以滿足設計要求[3]。

系統整體結構見圖1。機載攝像機獲取高質量的視頻信號,經預處理和圖像編碼,送往無線通信系統,對圖像編碼數據進行信道編碼后送往調制器,通過信道變頻放大處理,由天線完成發射。接收系統實現相反的過程,最終在顯示器上顯示視頻信息[4]。

圖1 無人機數字圖像傳輸系統整體結構

圖1中,圖像處理、編解碼技術,調制解調技術以及信道發射接收技術都比較成熟,本文研究的重點是分析信道中的特性,以及如何克服信道中的衰落和多徑引起的失真。隨著科技的進步和人們對圖像質量要求的提高,信道編碼技術也成為無線圖像傳輸系統研究的重點。經過研究,MIMO信道可以提高頻道利用率、節省帶寬,在MIMO系統中采用空時編碼已經成為克服衰落、減小失真、傳輸高質量圖像信息的先進技術,符合設計要求[5-6]。

2.2 空時編碼模型

采用空時編碼,有N根發送天線、M根接收天線的通信系統模型見圖2。

圖2 通信系統

(1)

圖3 發送天線數n=2時,信道容量與接收天線數的關系

圖4 接收天天數m=1時,信道容量發送天線數的關系

圖5中,假設發送天線數n=2,則在接收天線m分別為2、4時,采用空時分組碼的信號在瑞利衰落和萊斯衰落下的性能好過未編碼系統,說明了其具有很強的抗衰落性能。所以系統根據實際需求選擇發射分集,分集數為2。

圖5 發送天線數n=2,接收天線m=2、4時萊斯和瑞利衰落的信道容量比較

2.3 編碼性能比較

在圖6中,簡要繪制了在QPSK調制方式下,高斯白噪聲和用兩種空時編碼情況下的BER-SNR曲線圖(BER為誤碼率),由圖可知：在低SNR下全速率是一個重要因素,而全分集在高SNR下是一個很好的選擇；在誤碼率達到10-6時,采用空時編碼一般能夠改善13 dB左右。

圖6 在空時編碼和高斯白噪聲下的BER-SNR曲線比較

3 可行性分析

3.1 傳輸速率R和帶寬B

系統機載部分圖像編解碼的工作流程是在采集圖像數據后,首先經過預處理,然后將數據流送至H.264標準中進行壓縮算法處理,得到壓縮后的視頻圖像碼流再送至信道進行調制編碼后發送出去；地面站設備接收后再解碼還原圖像,最終在顯示器上顯示拍攝信息[10]。

系統支持PAL制真彩圖像,采用的格式為VGA/CIF,這是因為小型無人機是在高空進行拍攝,所以圖像質量要盡可能高,格式所支持的分辨率包括640像素×480/352像素×288像素，圖像采用24位真彩,采集格式為4∶2∶2,幀速設為30幀/s。CIF格式見圖7。

圖7 CIF格式

則編碼壓縮前的數據量為

R1=[640×480+2(352×288)]像素/幀×

30幀/s×8位/像素=116.72 Mbit/s

H.264的壓縮比最高可以達到900∶1,考慮到無人機在空中的飛行速度,所以本文把壓縮比設定為600∶1,則編碼壓縮后的數據量就降低到R2：

R2=R1/600=199.2 kbit/s

又因信道糾錯編碼采用RS+3/4級聯卷積碼,所以信道傳輸速率R為

R=265.6 kbit/s

對于二進制數據帶寬B和傳輸速率R,根據奈奎斯特采樣定理有：

2R≤B

考慮到信道的利用率和圖像質量的要求,所以信道帶寬選取1MHz。

信號調制方面,因為信號主要在野外空曠的環境中應用,受到的外界干擾較小,所以調制帶寬設置為500kHz,提高占用帶寬有利于提高信噪比,從而降低接收機的靈敏度要求。這樣總帶寬為1.5MHz,現在的科技水平完全可以達到。

3.2 傳輸距離D

空地無線通信的距離計算公式為

PR=PT-32.44-20lgD-20lgf-LT-

LR+GT+GR

(2)

其中:PR是接收機靈敏度、PT是發射功率,單位都為dBm;f是發射頻率,單位為MHz;LT是機載天線損耗,LR是地面饋線損耗;GT是機載天線增益,GR是地面天線增益。

設自由空間的傳輸損耗為Los/dB,Los/dB=PT+GT+GR-LT-LR-PR。所以有

Los/dB = 32.44+20lgD/km+20lgf/MHz

(3)

這是理想狀態下的通信距離公式,實際應用中肯定會低于這個理想值,因為無線通信過程中還要受到各種因素的影響,比如多徑、衰落、大氣等造成的損耗,設其為Lf。將上述因素考慮到公式中,就可以近似得到通信距離[11]。

某型機載超短波無線通信電臺的數據參數：工作頻率為256.8 MHz,發射功率為13 dBm,天線增益為40 dB,損耗為3～5 dB,接收信號靈敏度為-90 dBm。由此可得：

Los/dB=13+40-5+90=138

傳輸距離設為40km,代入式(3)中,計算得Los/dB=32.44+32.04+48.19=112.67。所以Lf/dB=138-112.67=25.33。

除此之外,信號在大氣中的散射,天線方向跟蹤誤差損耗,降雨、大霧等都會對信號能量造成一定程度的影響和干擾,但是影響不大,在這里忽略不計。

在本文設計的無線圖像傳輸系統中,具體參數：天線工作頻率f=700 MHz,地面站天線為全向天線,增益為3 dB,機載天線也是全向天線,發射功率為15 W,換算成dBm等于41.76 dB,機載天線增益為10 dB,天線損耗為5 dB,靈敏度為-95 dBm。因此有

Los/dB=41.76+3+10-5+95-25.33=119.43

上述數據代入式(3)得：

119.43/dB=32.44+20loD/km+20lg700/MHz

計算得傳輸距離D=31.62 km,符合設計要求[12]。

為了保證系統可靠性以及誤碼率的要求,在設計時要充分考慮各種因素(雷雨、風、霧、強磁場等),系統增益應該留有一定的設計余量。將傳輸距離D和系統設計參數代入到式(2)中可得：

PR/dB=41.76-32.44-20lg31.62-

20lg700-5+10+0=-72.58

地面站接收機靈敏度為-95dBm,有約22dB左右的余量,說明系統設計是可行的。

4 結語

本文基于小型無人機良好的機動性,設計了一套供實驗教學所使用的數字化無線圖像傳輸系統,提出了運用空時編碼技術抵抗信道衰落、提高信道容量的一種新編碼方式。利用無人機傳輸圖像不僅在軍隊院校實驗室中有著廣泛應用,而且還能在抗洪搶險、地震救援、海事救援等應急救援現場及時傳回視頻圖像信息,能夠輔助指揮員用最短的時間做出正確的決策,對于提高我軍非戰爭行動能力、履行搶險救援任務具有重要意義。

)

[1] 韋崇嶺,裴海龍.基于無人機平臺H264視頻傳輸系統的設計與實現[J].計算機測量與控制,2012(1):210-211.

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Research onconstruction of wireless image transmission system based on UAV

Wang Pei1， Rong Chang2， Jia Fei2， Jie Xi3

(1. Fifth Brigade, Shijiazhuang Army Command College, Shijiazhuang 050084, China; 2. Military Training Department, Shijiazhuang Army Command College, Shijiazhuang 050084, China; 3. Graduate School, Xi’an University of Electronic Science and Technology, Xi’an 710000, China)

The main research is carried out on the problems about the fading of several signal channels in the wireless image transmission by using UAV (unmanned aerial vehicle), and a new coding method is proposed by using the space-time coding technology to resist the signal channels’ fading and increase the channels’ capacity. The test shows that it can significantly improve the utilization ratio of the frequency, and effectively solve the quality problem of the wireless image transmission in the process of the experiment for the wide area space.

wireless image transmission; unmanned aerial vehicle (UAV); space-time coding

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.024

2016-11-21

全國教育科學國防軍事教育學科“十二五”規劃教育部重點課題(DRA110425)

王佩(1986—)，男，河北海興，碩士研究生，主要從事指揮信息技術研究.

E-mail：uptime@126.com

V243

A

1002-4956(2017)4-0094-05