無人機數(shù)字視頻圖像傳輸技術

蔣文豐,萬永倫

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著越來越重要的角色。與有人駕駛飛機相比,無人機可以做大過載機動,不受限制地改變飛行姿態(tài),具有較好的隱身性,深入敵后危險地帶不用擔心人員傷亡問題[1]。無人機投入作戰(zhàn)使用的最大優(yōu)勢一直體現(xiàn)在情報偵察上,視頻圖像信號是無人機的主要偵察信息[2],也是無人機測控系統(tǒng)的重要組成部分。目前國內(nèi)外大多數(shù)無人機視頻圖像傳輸系統(tǒng)采用模擬方式,該方式易受復雜環(huán)境干擾,而數(shù)字傳輸抗干擾能力強,圖像傳輸質(zhì)量不易受環(huán)境干擾,加密方便,保密性高,便于集成化且易于與外界直接通信[3],更適合于無人機視頻圖像傳輸。本文研究了無人機測控系統(tǒng)數(shù)字視頻圖像傳輸系統(tǒng)中固定速率圖像編碼數(shù)據(jù)在信道編碼器中的處理過程。

2 視頻圖像的數(shù)字化傳輸方案

無人機數(shù)字視頻圖像傳輸系統(tǒng)整體結(jié)構如圖1所示,機載攝像機獲取高質(zhì)量的視頻信號,經(jīng)預處理和圖像編碼,送往無線通信系統(tǒng),對圖像編碼數(shù)據(jù)進行信道編碼后送往調(diào)制器,通過信道變頻放大處理,由天線完成發(fā)射。接收系統(tǒng)實現(xiàn)相反的過程,最終在顯示器上顯示視頻信息。

由于復雜戰(zhàn)場環(huán)境存在強電磁干擾、噪聲及障礙物等,無人機無線信道誤碼率高,故需對編碼后圖像數(shù)據(jù)進行糾錯編碼,使其可靠傳輸。CCSDS(The Consultative Committee for Space Data Systems)標準給出了能有效提高無線鏈路傳輸可靠性的編碼體制,標準中推薦了采用RS(255,223)編碼和卷積編碼級聯(lián)的數(shù)據(jù)編碼方案[4]。在標準中,規(guī)定了RS編碼的交織深度可選擇為I=1,2,3,4,5,其中1表示無交織,I越大糾錯能力越強,但是相應的系統(tǒng)越復雜,占用的資源越多,I=4是目前大多數(shù)無線通信系統(tǒng)常用的設置[5]。

圖1 無人機數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)Fig.1 Digital video image transmission system for the UAV

本文將要討論的基于RS+卷積級聯(lián)編碼數(shù)字圖像傳輸方案如圖2所示。首先對圖像編碼數(shù)據(jù)緩存,然后按照CCSDS標準對每幀數(shù)據(jù)進行分組、補零后進行RS編碼,編碼數(shù)據(jù)剔除補零位,將原始數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)重新組合成幀,新數(shù)據(jù)幀插入幀頭后進入下一步處理。由于RS編碼是以字節(jié)為單位,因此需要進行并串轉(zhuǎn)換,并串轉(zhuǎn)換后的bit信息流進入卷積編碼。RS+卷積級聯(lián)編碼體制能在低仰角及遇到信道突發(fā)衰落時顯著改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,這給傳輸系統(tǒng)及地面設備的設計帶來了高度的靈活性。

圖2 信道編碼處理過程Fig.2 Schematic diagram of the channel encoding

3 數(shù)字系統(tǒng)速率匹配

由于RS是塊編碼體制,要想譯碼必須找到編碼數(shù)據(jù)塊的起始和終止位,對RS編碼后數(shù)據(jù)進行幀頭信息的插入是為了在接收端定位編碼數(shù)據(jù)塊。接收系統(tǒng)搜索卷積譯碼器的輸出數(shù)據(jù)流來判定幀頭,以定位編碼塊數(shù)據(jù)。由于信道誤碼的存在,接收系統(tǒng)有一定的概率漏檢測幀頭信息,漏檢測幀頭信息會導致整幀數(shù)據(jù)的丟失,此時系統(tǒng)誤碼率要大于漏檢測幀頭信息概率。假設信道誤碼率為P,幀頭的長度為M(以字節(jié)為單位),那么漏檢測幀頭信息概率η=1-(1-P)8M。表1給出了幾組映射關系,從中可以看出漏檢測幀頭信息概率比信道誤碼率高一個數(shù)量級,使得RS編碼獲得的增益無法得到,需要一種能夠在幀頭信息位出錯時能正常定位編碼數(shù)據(jù)塊的機制。

表1 η與信道誤碼率P和幀頭長度M的關系Table 1 The relationship between ηand P,M

3.1 幀同步環(huán)

由上面的分析可知,如果只采用檢測幀頭信息的方法來定位RS編碼塊數(shù)據(jù),漏檢測幀頭信息會丟失整幀數(shù)據(jù)。當幀數(shù)據(jù)中有幀頭信息或者由于誤碼導致出現(xiàn)錯誤的幀頭信息時,單純的檢測幀頭信息的方法也會造成錯誤,導致數(shù)據(jù)丟失。這里定義正確檢測到幀頭信息為真同步,檢測到錯誤的幀頭信息(包括檢測到數(shù)據(jù)中的幀頭信息和誤碼產(chǎn)生的幀頭信息)為假同步,而漏檢測幀頭信息為漏同步。

為了對抗假同步和漏同步,正確地定位RS編碼塊數(shù)據(jù),本文設計了一種能有效識別真同步、假同步和漏同步3種情況的幀同步環(huán)結(jié)構,其結(jié)構如圖3所示。其工作模式有4種:搜索、捕獲驗證、鎖定和保持鎖定。幀同步器最初處于搜索狀態(tài),這時觸發(fā)器D1的輸出為高電平,Q為低電平。當幀頭檢測器檢測到幀頭信息輸出第一個同步指示信號時,幀同步環(huán)初始化進入捕獲驗證狀態(tài)。捕獲驗證的目的是鑒定識別器輸出的第一個同步指示的真假。鑒定的依據(jù)是:真同步具有固定的周期,而假同步?jīng)]有。如果鑒定結(jié)果為真,幀同步環(huán)進入鎖定狀態(tài),反之回到搜索狀態(tài)。識別器輸出的第一個同步指示使幀同步計數(shù)器歸零,然后將幀同步計數(shù)器的輸出與識別器輸出相與,若同步指示為真,則與門C有輸出。但考慮到噪聲的影響,在為真的情況下,不一定每幀都有輸出;同理,在為假的情況下,不一定每幀都無輸出,所以要連續(xù)監(jiān)視K-1幀,其間如果同步指示為真的個數(shù)大于等于m-1(K≥m),則幀同步環(huán)進入鎖定狀態(tài)。

圖3 幀同步環(huán)結(jié)構Fig.3 Structure of the frame synchronization loop

電路的具體工作過程為:第一個同步指示通過與門B使幀同步計數(shù)器歸零,同時觸發(fā)D2,其Q端輸出上升沿使K-1計數(shù)器、m-1計數(shù)器歸零,同時關閉B門,此時幀同步環(huán)進入捕獲驗證狀態(tài)。幀同步計數(shù)器輸出周期性的脈沖信號,與識別器輸出的同步指示在與門C中相與[6]。如果在K-1計數(shù)器記滿之前m-1計數(shù)器先記滿,表示符合鎖定條件,這時m-1計數(shù)器輸出信號使D1翻轉(zhuǎn),幀同步環(huán)進入鎖定狀態(tài),幀同步脈沖輸出;如果在K-1幀內(nèi)m-1計數(shù)器無輸出,表示不符合鎖定條件,K-1計數(shù)器輸出使觸發(fā)器D2復位,幀同步器又回到搜索狀態(tài)。進入鎖定狀態(tài)后,D1觸發(fā)器輸出為低電平,與門E、G輸出為低,m-1、K-1計數(shù)器停止計數(shù),幀同步環(huán)進入保持鎖定狀態(tài),按固定周期輸出幀同步脈沖。在保持鎖定狀態(tài)下,幀同步器需進行鎖定保持檢驗,以便在載波或位同步失鎖時,轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)。檢驗鎖定是否繼續(xù)保持由N計數(shù)器完成,在鎖定狀態(tài)下,當與門C無輸出時,表示識別器漏失同步,N計數(shù)器即開始計數(shù),當連續(xù)N幀漏失同步時,N計數(shù)器記滿,輸出信號使D1、D2觸發(fā)器復位,幀同步環(huán)重新進入搜索狀態(tài)。

幀同步環(huán)的功能是在幀頭信息出錯的情況下能夠利用同步脈沖完成編碼數(shù)據(jù)塊的定位,但是它要求輸入的數(shù)據(jù)具有如圖4所示的格式,即任意相鄰的兩幀間不能插入多余數(shù)據(jù)。

圖4 源數(shù)據(jù)流格式Fig.4 The format of the source data

3.2 速率匹配

假設機載圖像處理系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)之間的信息傳輸采用8 bit位寬的并行接口,幀長為L(字節(jié)),幀頭長度為M(字節(jié)),讀時鐘fin由無線傳輸系統(tǒng)提供,無線傳輸系統(tǒng)工作時鐘為fsys,卷積編碼采用(7,1/2),那么系統(tǒng)最終的圖像傳輸比特流數(shù)據(jù)率為

由于視頻圖像的數(shù)據(jù)量大,而且實時性要求高,RS+卷積編碼工作一般采用FPGA實現(xiàn),在FPGA數(shù)字系統(tǒng)中fout由DDS產(chǎn)生,對于32位的DDS有:

式中,φ為相位因子, fout為數(shù)字系統(tǒng)通過DDS產(chǎn)生的時鐘,?·」為下取整符號。由于 φ是整數(shù),不能保證 fout=fout,一般情況下都有 foutfout,此時要求在數(shù)據(jù)不足時插入廢幀,以保證幀同步環(huán)的數(shù)據(jù)流要求。插入廢幀要求底層協(xié)議做重復幀丟幀處理,這除了會造成系統(tǒng)不兼容的問題外,還會引入延時,嚴重時會出現(xiàn)圖像停頓的現(xiàn)象。按照CCSDS標準,對于一個252 byte的編碼數(shù)據(jù)塊,在I=4時,252 byte數(shù)據(jù)被分為四路數(shù)據(jù),每路數(shù)據(jù)補0后形成223 byte數(shù)據(jù)幀進入編碼器,編碼器后面的電路抽取每路前63 byte源數(shù)據(jù)和后32 byte效驗數(shù)據(jù)形成380 byte數(shù)據(jù),此380 byte數(shù)據(jù)加上幀頭(一般為4 byte)一共384 byte。如果在5MHz帶寬的系統(tǒng)中傳輸,會帶來1.23ms的延時;在1MHz帶寬的系統(tǒng)中傳輸,會帶來6.15ms的延時。

從系統(tǒng)兼容性和減少延時的角度看,插入廢幀是不允許的,需要一種能進行速率匹配的機制。由于圖像數(shù)據(jù)速率恒定,圖2中緩存模塊之前的數(shù)據(jù)流也應該速率恒定,盡管RS編碼后數(shù)據(jù)對緩存模塊的寫入是按塊突發(fā)寫入的,但是相鄰兩塊之間寫入的時間間隔是恒定的,而緩存模塊數(shù)據(jù)的讀取時鐘為 fout/16,因此可以在每次突發(fā)寫緩存時獲取緩存中剩余數(shù)據(jù)量N來判斷 fout與 fout之間的大小關系。如果N持續(xù)下降,表示 fout>fout,為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性,將φ修改為φ-1,降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率,N的下限為「L×8×4/(φ+1)?bit(「·?為上取整符號),此下限保證下一次判決前,不會因為 φ=φ+1而導致數(shù)據(jù)不足。當 φ=φ-1時,N會持續(xù)增加,需要給出一個上限,否則緩存會溢出,同時出現(xiàn)圖像延時和丟幀。假設fsys=60MHz,φ在±1間的變動會導致發(fā)送頻率 fsys×2/232≈0.0294 Hz的變化,這個頻率跳變不會給接收系統(tǒng)的位環(huán)帶來大的影響,實際上可以通過DDS產(chǎn)生 fout的倍數(shù)頻率,通過分頻得到 fout,這樣可以得到更小的跳變頻率。可以計算出大約每272.12 s(1×8/0.0294=272.12),由頻率因子 φ的變化引起發(fā)送數(shù)據(jù)一個字節(jié)的變化,因此N的上限比下限多一個字節(jié)不會引起頻率的頻繁跳變,而且不會帶來明顯的傳輸延時。

4 測試分析

定義N的上下限差值為數(shù)據(jù)變化容量,圖5是數(shù)據(jù)變化容量為5個字節(jié)時,系統(tǒng)在8 h內(nèi)緩存模塊剩余數(shù)據(jù)量N的變動情況。從圖中可看出變化對N的影響。此系統(tǒng)在數(shù)據(jù)率為5.12Mbit/s、信號強度為-102dBm時,實測系統(tǒng)誤碼率為5×10-7,能滿足大部分無線圖像傳輸系統(tǒng)的要求。目前,采用該方案的圖像傳輸系統(tǒng)設備已成功運用在某型浮空器和兩種無人直升機系統(tǒng)上,已完成試飛。

圖5 剩余數(shù)據(jù)量N變化過程Fig 5 The change process of the remained data quantity N

上面討論的系統(tǒng)由無線傳輸系統(tǒng)提供讀時鐘fin給圖像處理系統(tǒng),設計時可以很方便地計算出 φ-1和 φ+1,但是在很多系統(tǒng)中fin由圖像處理系統(tǒng)提供,大部分情況下圖像處理系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)的時鐘系統(tǒng)是不相關的,此種情況下需要一種自校正系統(tǒng)來捕獲φ-1和φ+1。圖6給出了一種捕獲方法的流程圖。

圖6 自校正捕獲過程Fig.6 The process of self-revising and capturing

自校正捕獲過程首先完成初值設置和系統(tǒng)初始化,當系統(tǒng)檢測到緩存中剩余數(shù)據(jù)量N變大時,設置up-flag為true,并修改 φ為φ+1;相反,當系統(tǒng)檢測到緩存中剩余數(shù)據(jù)量N變小時,設置down-flag為true,并修改 φ為φ-1。當系統(tǒng)檢測到N的變化狀態(tài)發(fā)生突變時,系統(tǒng)完成捕獲,并由當前的 φ計算出φ-1和 φ+1。

5 結(jié)束語

中、高速無線通信系統(tǒng)中一般采用FPGA處理編譯碼,此時會碰到碼速率的轉(zhuǎn)換問題,由于FPGA數(shù)字系統(tǒng)的離散特性,精確的匹配時鐘很難辦到。當源數(shù)據(jù)中允許插入無效數(shù)據(jù)時,不需要進行速率匹配;當源數(shù)據(jù)為連續(xù)數(shù)據(jù)流,且不允許中斷和插入無效數(shù)據(jù)時,就需要進行速率匹配。本文針對CCSDS標準下的RS+卷積級聯(lián)編碼傳輸體制,分析了其速率匹配問題,提出了相應的解決方法。實踐證明,該方法可以有效地解決用FPGA實現(xiàn)RS+卷積級聯(lián)編碼的速率匹配問題,是一種可行的系統(tǒng)方案。

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