一種基于升空平臺的圖像中繼傳輸系統設計

華陰兵器試驗中心 周天敬 陳岳承 傅慶豐

本文針對機動裝備試驗中需要快速建立可覆蓋全試驗場的現場檢控圖像傳輸需求，提出建立采用頻域均衡技術的高速視頻中繼傳輸體制的圖像中繼傳輸系統，實現各關鍵部位現場試驗監控圖像與指揮控制中心之間的遠距離實時傳輸。

1 引言

實時圖像在很多情況是一種直接的決策參考依據，因此在開展試驗、大型活動時，圖像傳輸都是通信保障必備的選項。國內大型靶場經過多年建設均已形成較完備的通信傳輸體制，通常采取線纜、光纖、衛通、微波等多種通信方式將各處的測量設備、監控設備、保障設備等與指揮控制中心緊密聯系起來，試驗中監控圖像傳輸保障能力能夠滿足相應武器試驗決策指揮的要求。但是隨著武器裝備信息化的普及以及戰場打擊的范圍不斷擴大，武器裝備的試驗與測試范圍越來越大，類似于高海拔、低氣壓、山區叢林、荒漠戈壁以及特殊環境、特種靶標中靶情況等，必須在特定的區域才能完成，需進行外場試驗。為了掌控進程，新試驗方式對現場監控圖像的遠距離傳輸能力提出了新要求。武器系統外場機動試驗具有任務多樣、地址隨機、布站靈活、自然環境惡劣以及電磁環境復雜等特點，考慮總體成本和維護難度，在外場建設大型固定通信設施是不可行的。

本文提出一種基于升空平臺的圖像中繼傳輸新方法，能覆蓋一定規模的特種試驗場，有效擴大視頻監控信息的傳輸距離，實現機動測試中，同時對不同區域、多個監控圖像的遠距離連續監控。

圖1 圖像中繼傳輸系統組成示意圖

2 系統構成

系統主要由空中中繼傳輸設備、指揮控制中心通信終端、多個測量站通信終端、被試裝備通信終端和升空平臺組成，以空中中繼傳輸設備為中心形成一個公共、靈活、可擴展平臺，實現覆蓋一定區域的通信網絡。系統組成如圖1所示。其中升空平臺是整個系統的支撐基礎，空中中繼傳輸設備是系統的核心。目前國內技術成熟的升空平臺主要有氣球、飛艇、無人機、直升機等。由于外場試驗持續時間、保障地域的不確定，以及費用、安全性等方面的考慮，可采用的升空平臺主要有氣球或飛艇。空中中繼傳輸設備需要具有工作時間長、覆蓋面積大、能耗低、滿足電磁兼容性要求和便于部署等特點。空中通信設備主要由小型化的高速數據中繼傳輸模塊、擴頻中繼傳輸模塊、交換模塊和天線等組成。當采用飛艇、無人機、直升機等具有復雜電路設計的裝備作為升空平臺時，為保證系統的安全性、穩定性和可靠性，空中通信設備還需要考慮和平臺的通信、控制設備的電磁兼容性。地面測量站、指揮控制中心、被試裝備處的通信終端包括高速數據收發信機和擴頻收發信機以及天線等組成。

3 工作原理

系統通過空中通信中繼傳輸設備將不同位置的地面測量站通信終端、被試裝備通信終端與指揮控制中心組成一個內部通信網絡。其中，指揮控制中心的控制指令數據通過中繼傳輸設備中的擴頻中繼傳輸設備向地面各測量站、被試裝備發送控制指令數據，建立TDMA高速無線數據網絡，彩用時隙分配的方式工作。各測量站、被試裝備的監控圖像通過高速數據中繼傳輸設備傳回指揮控制中心為試驗指揮決策人員提供直觀的依據。為減輕中繼設備重量，高速中繼設備采用收發共用天線的模式，控制指令和試驗圖像采用不同的通信頻率。當通信帶寬滿足多路視頻傳輸要求時，圖像傳輸設備工作在同一頻點，當所需傳輸的視頻圖像較多通信帶寬不夠時，需將監控圖像分成不同組別，地面各測量站與被試裝備等分別采用各自分配的通信頻率工作。

4 關鍵技術

4.1 升空平臺選擇

為適應不同試驗靈活選址要求，升空平臺應選擇可快速轉移、搭建和拆收的成熟設備，綜合平衡試驗成本、升空高度、載荷量、滯空時間和系統兼容性等因素。可以考慮采用充氦氣飛艇，飛艇利用氣體產生浮力，動力裝置保障水平飛行和轉向，消耗能源少、載重能力強、滯空時間長。

4.2 中繼傳輸技術體制

視頻圖像信號的數據速率高，信號帶寬寬，在各測量站到指揮控制中心的無線傳輸過程中多徑干擾嚴重，通過中繼平臺組成的無線通信網絡后，系統技術體制選擇受到的制約因素多，需要綜合考慮電波傳輸特性、與頻率有關的天線增益、噪聲的影響以及系統和平臺其他系統的相互干擾等問題。在系統設計過程中，需考慮總體組成結構、寬帶無線數據組網協議、信號傳輸波形的影響等，可以采用TDMA無線組網體制，簡化系統設計，增強系統的電磁兼容性。鏈路建立后還需要考慮鏈路的動態保持。由于被試裝備節點處通信終端的快速移動會引起網絡時延的變化，這需要在TDMA網絡同步、時隙分配、信號幀結構設計方面進行預先設計。中繼傳輸需要多個天線在不同頻段工作，受升空平臺空間限制，天線的電磁兼容性要求高，可采用相控陣天線，通過程控方式實現多波束協同工作。

4.3 抗干擾高效編碼擴頻技術

正交編碼擴頻技術是在編碼擴頻的基礎上，利用載波的正交性，采用多載波方式進行數據傳輸。本文采用PN碼與WALSH碼復合使用，將PN碼優良的相關特性和WALSH碼的正交性相結合，組成多進制復合編碼擴頻系統，可在不降低系統抗干擾能力的情況下，減少擴頻信號帶寬占用，提高數據傳輸效率。為了得到足夠大的處理增益，擴頻因子應盡可能大，但是隨著擴頻因子的增大，系統占用的帶寬也隨之增大，在頻譜資源十分緊張的情況下，要占用過寬的頻帶往往是不現實的。為了解決擴頻系統占用頻帶過寬、減小外部干擾影響與增加信息傳輸速率的矛盾，可以采用多進制編碼擴頻技術。圖2是多進制編碼擴頻原理框圖。

圖2 多進制編碼擴頻原理框圖

4.4 頻域均衡技術

對于高速監視圖像信號的傳輸，多路監視視頻數據傳輸需要較高的數據傳輸速率，但是無線接入和傳輸的速率提高需要較大的傳輸帶寬，會造成嚴重的時間色散，電波在空間傳輸過程中衰落大，多徑干擾影響圖像的有效傳輸距離。采用基帶頻率均衡算法，可在頻域調理信號，達到頻域分集信號能量的作用，減少多徑效應引起的頻率選擇性衰落，有效擴大傳輸距離。頻域均衡技術在發射端主要是數據幀結構設計。通過設計專門的信號序列組合，使信號中包含多種信息，有利于接收端完成信號的捕獲、同步跟蹤、FFT運算、信道估計等，能有效減弱碼間干擾與多徑干擾。圖像數據經過采集后先進行分塊處理，然后與信號到達檢測、定時捕獲與信道估計的數據輔助塊一起進行數據組幀，形成在信道傳輸的數據結構。在接收端，只考慮基帶頻域均衡處理。首先是檢測信號能量，獲取到達時刻，完成同步操作，然后對數據進行處理，最后經過時頻變換得到接收信息。由于數據帶寬有限，目前單天線模式下僅能支持3路視頻數據中繼傳輸，當監視視頻圖像較多時，需要采用多天線的模式擴展系統的圖像傳輸能力。

4.5 小型低功耗中繼設備設計

由于升空平臺在體積、重量、功耗、電磁兼容性等方面對載荷要求較為嚴格，同時為減小系統設計的復雜度，可以采用FDM體制分頻工作，控制指令數據與圖像中繼相互獨立，分別采用擴頻抗干擾技術和頻域均衡技術，收發分時工作，簡化射頻單元。其次印刷電路板（PCB）布線設計需要預先進行仿真設計。數據速率較低時，印刷電路板布線的時延、串擾等寄生效應相對于信號而言是可以忽略不計的，同時數字器件之間一般也不存在阻抗匹配的問題。然而當數據或時鐘速率超過50MHz時，這些影響都變得十分可觀而不容忽視。在布局布線前進行信號完整性仿真，并生成控制布局布線的各種限制規則；然后按仿真生成的規則進行細致反復的布局；布線完成后還需進行信號完整性驗證。

5 結束語

基于升空平臺的圖像中繼傳輸系統，以中繼設備為中心，形成了一個公共靈活可擴展的體系，能實現覆蓋特定范圍的網絡通信，滿足復雜地形、特殊地域的大范圍快速組網通信要求。系統除應用于無固定通信設施的裝備試驗區試驗監控圖像傳輸，還可以為各類搶險救災、長距離演練、大范圍集體活動等提供應急通信保障。