鐵路應急通信無線圖像傳輸系統的研究與實現

謝 輝

在應急搶險救援作業中,人們希望其通信傳輸系統能夠以無線的方式實現一定區域范圍內的點對多點雙工通信,并可實時傳送高清晰度圖像、語音、指令和數據。系統在保證非常好的圖像傳輸質量和可靠性的同時,又要保證區域內的節點數量保持在一定的規模,這就對通信系統提出了更為苛刻的要求。在這樣的背景下,采用 COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing——編碼正交頻分復用)調制技術的無線圖像傳輸系統越來越多地作為戰場通信手段、安防監控手段以及應急指揮手段,應用在軍隊、公安、武警、國安等國家要害部門,并在人防應急、城管執法、環保監控、消防應急、水利防汛、電力搶險、鐵路搶險、海事執法、海監巡查、海關邊防、碼頭監控、森林防火、油田防盜等行業領域得到廣泛應用。

在突發事故現場,僅僅依靠個人,或是一個單位、一個部門的力量來協調組織應對恐怕是難以勝任的。在突發事件面前,須根據現場實時動態,掌握各方面信息,綜合分析判斷事件現場形勢后才能對各個單位做出正確的調配;在應對突發事件的現場,須由當地政府機構中的應急救援指揮中心來組織專業化的應急救援隊伍,調動各有關行業的人力、物力資源共同參與救援,協同作戰,才能快速取得成效。這其中最為關鍵的一環,就是必須讓后方的協調指揮人員和決策團體能夠及時、準確、直觀地了解并掌握前方各個節點現場當前的狀況以及事件可能的發展動向,從而做出正確的決策并實施相應的部署。因此,直觀且覆蓋全局的多路視頻圖像傳送替代傳統的步話機語音通信,已經成為發展的必然趨勢。

1 無線圖像傳輸系統的特點

無線圖像傳輸系統既可實現高清晰度圖像即拍即傳,又能及時同步地傳輸現場的視頻圖像、數據信息,并可實現語音交互。系統融合了數字圖像處理技術、無線網絡通信技術、嵌入式系統技術等多種前沿科技,基于無線網絡,實現了高清晰度圖像采集、處理、傳輸和應用的一體化過程,是一種低成本、易部署、易操作的現場實時高清晰度無線數據傳輸解決方案。該系統采用智能化 COFDM技術,是目前世界上最具發展潛力的調制技術,對高層建筑及山體具有良好的繞射和穿透能力。

隨著國際通信技術的迅猛發展,COFDM調制技術也不斷優化,其基本原理就是將高速數據流通過串并轉換,分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸。各子載波并行傳輸,減小了對單個載波的依賴性,其抗多徑衰落能力、抗碼間干擾 (ISI)能力、抗多普勒頻移能力等都得到了顯著提高。這使得在 “高速運動中”和 “非視通條件下”實現高質量實時圖像和數據傳輸成為可能。COFDM無線圖像傳輸系統的突出優越性具體表現如下。

1.信息量大、現場感強,可準確地記錄瞬間發生的事件。系統可以在很短時間內通過視覺通道獲取比語音通話多得多的信息量,尤其是在緊急情況下,它可使不在現場的后方指揮人員有親臨現場之感。指揮者通過圖像通信對現場情況可獲得“一目了然”的直觀掌握,大大增強了對現場突發情況的感知能力,使其能夠利用自己的視覺來觀察、判斷現場實況,加之同步傳輸的語音報告和解釋,從而使指揮員快速準確地做出判斷和進一步的行動方案。

在后方指揮中心集中的指揮人員,以及相關的參謀人員或各路專家,在共同觀看前方現場實時傳遞回來的圖像信息時,可以集中大家智慧,群策群力,在最短的時間內匯集最優秀的處置建議,使盡快找到最佳方案成為可能。

2.圖像信息便于記錄和保存,且不失真。無線圖像傳輸的記錄方式是由磁帶或硬盤錄制,具有簡便、快捷、不失真,可隨時回放以供給后續人員研究討論等特點;而語音通話的記錄則需要整理成文字,不同的語種之間需要翻譯,帶有濃重的個人判斷色彩,不可避免會產生失真現象。前方現場實況使用無線圖像傳輸系統實時傳遞,會避免因逐級語言報告過程中由于人的理解偏差而產生的失真現象。

2 無線圖像傳輸系統組成及原理

2.1 無線圖像傳輸系統的組成

無線圖像傳輸系統的設備主要由發射機、接收機和天線系統三部分組成。發射機系統主要由視頻圖像采集、MPEG圖像編碼、COFDM編碼、加密控制、基帶處理電路、功率放大器、混頻、高放、濾波及電源等部分組成。接收機系統則由接收天線、信號放大器、濾波器、控制電路及電源等部分組成。天線系統包括發射天線及接收天線 2個部分。

發射機端將攝像機采集到的視頻信號經過 A/D轉換、視頻采集編碼、加密、COFDM編碼調制后,再經過 D/A轉換然后上變頻到指定的頻點上,經過高頻功率放大后由天線發射出去。接收端則將高增益的接收天線接收到的信號,送到接收機進行下變頻、COFDM解調、解密、視頻解碼,然后輸出視頻信號,最后通過監控屏幕顯示出來。

2.2 無線圖像傳輸系統工作原理

無線視頻圖像傳輸系統一般由發射機、接收機以及天線系統三部分構成。其中發射機系統主要由數據采集處理、基帶處理和射頻微波等部分組成。發射機系統的工作原理如圖 1所示。

1.數據采集處理部分。前端視頻攝像機采集到的模擬圖像以及模擬音頻信號,經過前端 A/D數字化處理之后,由 DSP/FPGA將數字信號編碼壓縮成為 MPEG-2/4或者是H.264格式。包括電腦發送的 RS-232數據或指令,以及 GPS數據都可以連同經過處理好的數字視頻信號,一起經過TS流復用器,將前端經過壓縮、編碼和復用后得到的多個傳輸流,根據用戶需要合成為一路傳輸流,并送入后續的基帶處理部分。

圖 1 發射機系統詳細的工作原理框圖

2.基帶處理部分。基帶處理部分將對上述信號傳輸流進行進一步的處理,添加抗干擾、抗多徑、糾錯、加密等各種附加信息,然后再對該數據流進行 COFDM調制。

3.射頻微波部分。在發射機系統中,經過基帶處理過的信號,須再次經過 D/A轉換,再經過上變頻器、濾波器和高線性功放,最后通過天線發射出去。

發射機系統是整個寬帶微波傳輸系統的關鍵,其技術難點在于,數據流經過 COFDM調制和 D/A轉換后,需要在指定帶寬上,特別是在微波寬頻段上實現混頻和濾波。因此對混頻器和濾波器的性能有較高的要求,尤其對其后端的功率放大器的平坦度有極高要求。相對于無線視頻圖像傳輸系統的發射機系統而言,接收機系統由于是小功率系統,又因為其本振可以是點頻,所以相對簡單。接收機系統先將微波信號經過下變頻和 A/D轉換,使信號成為 36 MHz/70 MHz的中頻載波,后端再用 DSP/FPGA直接對 36MHz/70 MHz的中頻載波進行處理,從而將視頻圖像信號轉換成監控器可讀的普通視頻信號。

3 無線圖像傳輸系統應用

在無線視頻圖像傳輸整體系統當中,發射機系統無疑是最為重要的一個組成部分,而發射機的射頻微波部分毫無疑問又是整個系統的關鍵,也是在技術實現上難度最高的一環。由發射機的工作原理可知,射頻微波部分主要由功率放大器、濾波器和上變頻器組成,這些微波器件決定了發射機系統工作的頻段范圍和工作帶寬。根據有關單位的要求,應急系統多用于 300～400 MHz之間的頻段上,工作帶寬多為 8 MHz,把工作在較低頻段上的窄帶寬無線圖像傳輸系統稱之為“通用無線圖像傳輸系統”,可以實現點對點、點對多點的視頻傳輸,具備實時視頻監控功能。它使得監控指揮和協同成為可能,可廣泛應用于鐵路應急、油田大規模聯防監控、電力系統大規模搶修、森林防火等復雜條件下的應用場合。

在進行鐵路應急救援時,在突發事件現場,通過身背的單兵發射機,將圖像發射到綜合接入平臺或者身后的通信指揮車上,把前方各路傳回的圖像、數據、語音實時地傳到指揮中心。系統傳回的現場多路圖像,幾乎覆蓋現場范圍每一個場景。在應急指揮端,主管部門領導可以坐在指揮中心,直接看到各區域內的現場實時情況,如親臨其境,真正做到監管到位,從而可以及時了解重大事件現場實況,并進一步做出準確的分析判斷,提高決策系統的快速準確性,增強快速反應能力、指揮能力和突發事件的處置能力。

4 總結

基于 COFDM技術的無線圖像傳輸系統,通過先進的無線傳輸技術,為鐵路應急指揮系統提供了可靠的無線傳輸通道,由此來保障鐵路的安全運行。

[1] 程勝,杜鵑,丁煒.無線局域網及其發展趨勢 [J].電信網技術,2003,(06).

[2] 顧學邁,丁楠.衛星通信常用數字調制方式自動識別算法研究[J].哈爾濱工業大學學報,2007,(01)

[3] 劉劍,黃國策,宋愛民.寬帶衛星通信概述[J].數據通信,2003,(01).

[4] 張乃通,汪洋.對發展衛星通信的思考[J].數字通信,2005,(10).

[5] 張更新,甘仲民.淺論我國衛星移動通信系統的發展思路和策略[J].數字通信,2005,(07).

(責任編輯:張 利)