圖像遙測傳輸系統的設計與實現

武征，李樹國

（中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島 125000）

圖像遙測傳輸系統的設計與實現

武征，李樹國

（中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島 125000）

紅外圖像傳輸的速率可高達十幾Mbps，現有的設備不能解決低帶寬導致傳輸誤碼率高的問題。設計了一種融合圖像數據壓縮、信道交織編碼和數字MSK調制技術的圖像遙測傳輸系統，解決了以現有低帶寬設備實現高速率傳輸的問題。通過采用Xilinx公司的Spartan3E系列FPGA XC3S500E作為數據采集控制器，以ARM（S3C2440A）實現圖像算法處理器，構建PCM/FM遙測系統硬件平臺。最后在硬件平臺上驗證系統性能，通過測試系統傳輸誤碼率證明了方案的可行性。

遙測傳輸；圖像數據壓縮；交織編碼；FPGA

目前，隨著監視評估導彈技術以及圖像制導技術的快速發展，與此類產品相關的研發以及試驗的應用也愈來愈多，例如：紅外圖像信號的傳輸、遙測遙控等［1］。對于圖像信息，它不僅能夠正確的分析制導導彈在飛行過程中導引頭出現的異常狀態的圖像信息，為其提供直觀可靠的數據，而且能夠對導彈的有些故障進行準確的分析并且將其定位，圖像信息比依靠現有的遙測數據分析容易多。由于圖像信號幀率高，遙測碼速率很高，通常，無法直接用現有的PCM/FM遙測系統傳輸，美國“靶場先進遙測計劃（ARTM）”項目，在保證當前PCM/FM遙測傳輸系統效率和可靠性的前提下，以通過減少可用頻譜或增大傳輸數據率為代價，實現圖像信息的穩定可靠傳輸。與此同時，ARTM也在通過深入研究先進的遙測調制體制（如：FQPSK專利技術），以進一步提高遙測遙控和信息傳輸能力，目前國內也正在積極開展這方面的研究工作。本文設計了一種基于FPGA和ARM的紅外圖像遙測發送系統，以頻帶較窄的調制體制最小移頻鍵控（MSK）技術為核心［2，3］，對現有系統進行改進設計與整合，達到提高S波段遙測遙控傳輸效率的目的，系統實現對紅外圖像信息進行高速率、低誤碼傳輸。通過對無人飛行器圖像信息進行壓縮與信道編碼、MSK調制，以滿足信道對數據傳輸速率的要求，保證實現紅外圖像的高速率的穩定遙測。

1 圖像遙測系統關鍵模塊設計

1.1 圖像數據采集壓縮設計

紅外圖像信號速率為十幾Mbps，目前，國內的導彈遙測以及現有的設備對于這樣高的數據速率都無法進行傳輸。因此，一定要降低數據速率，降低數據速率的有效途徑是對圖像信號進行壓縮處理［4］，要實現這一目的，一定要先將模擬信號進行數字化處理，采用SAA7113H增強型可編程圖像輸入處理芯片，即可將模擬信號轉換成數字信號。SAA7113H所具有的特點包括：IIC總線接口、4路模擬輸入、對于50Hz或60Hz的場頻能夠進行自動的檢測、在PAL和NTSC制式之間自動切換以及多種數據格式輸出模式等特點。通過IIC總線編程SAA7113H可設定其特定的工作模式以及讀取狀態。

SAA7113H采用CMOS工藝，通過IIC總線與PC或DSP相連所構成的應用系統，它是一款功能強大且操作簡單的9位圖像輸入處理芯片。SAA7113H內部包含兩路模擬處理通道，能實現對信號源的選擇、A/D轉換、抗混疊濾波、時鐘發生（CGC）、自動鉗位、自動增益控制（AGC）、多制式解碼、亮度/對比度/飽和度控制（BCS）和多標準VBI數據解碼。

由于圖像信息數據量大，對數據存儲和傳輸設備提出了更高的要求，同時，現有設備的低帶寬限制條件，要求在保留原始圖像重要信息的前提下，盡可能的降低數據量，本文采用ADV612專用小波壓縮芯片對圖像信息進行實時壓縮，ADV612不僅能夠獲得較高的圖像質量，而且能夠達到較高的壓縮比。壓縮算法由ADV612完成，通過FPGA配置ADV612相關寄存器參數完成對芯片控制，圖1所示為FPGA配置ADV612仿真時序圖。

圖1 FPGA配置ADV612仿真時序圖

1.2 信道交織編碼設計

為了提高系統的抗干擾能力，降低數字信號在傳輸過程中的誤碼率，保證壓縮的圖像數據經解壓后具有較高的圖像質量。在保持原有設備的復雜度和相應的信息傳輸效率一定的情況下，系統對于數字圖像信息的傳輸質量進行了有效的提高，本文主要采用的技術是：一種奇偶校驗乘積碼的交織編碼技術［5］。

在信道編碼中采用交織技術，其存在的優點：能夠打亂碼字比特之間的相關性，將信道傳輸過程中的成群突發錯誤轉換為隨機錯誤，這樣就可以將整個通信系統的可靠性進行提高。交織編碼設計方法主要是：將二維的奇偶監督碼（方陣碼）加入圖像壓縮后的數據之中，并經螺旋交織編碼，即壓縮后的數據嚴格按照行地址寫入，同時能夠沿對角線地址進行準確的讀出。它的工作原理是：控制器能夠從FIFO中讀入16個字節的圖像壓縮數據，從而組成了1616數據矩陣，然后對每一列每一行進行奇偶校驗，如果突發誤碼的長度在15個字節以下，可以進行正確的檢測誤碼位置，同時能夠將誤碼進行正確的糾正。交織編碼并不是唯一的一種編碼方式，然而對于交織編碼，能夠很好的適用于具有突發干擾情況下的系統中。實驗結果表明：當誤碼率相近時，經過交織編碼設計方法后信號質量提高了1～2dB。在相同信噪比條件下，經交織編碼技術處理后圖像質量對比如下圖2所示，其中，圖2（a）是經過交織編碼后的圖像，2（b）是未經過交織編碼的圖像。

圖2 交織編碼圖象對比

通常，實現圖像壓縮與信道編碼會采用軟件算法來實現，本系統采用硬件方式實現，利用了硬件實現占用空間小以及運算速度快的特點，為解決圖像信息處理提供了一種新的思路。

1.3 數字MSK調制器設計

圖像遙測常常需要使用S波段［6］，通過將圖像數據與遙測數據進行融合傳輸，數據速率可達到2Mbps，數據格式采用NRZ-L碼格式輸出。對于導彈遙測傳輸而言，數據速率達到2Mbps即為高速率數據。但是，現有系統帶寬滿足不了傳輸如此高速率的數據。例如，如果采用典型的PCM/FM系統進行數據傳輸，當采用預調濾波器（Fc=0.7Rb），頻偏比h=0.7（頻偏fd=0.35Rb）時，接收機所需要的中頻帶寬（BIF）為：

Carson法則下帶寬：

NTIA法則下帶寬：

然而，目前可利用的遙測站接收機最大帶寬只能達到3.3MHz，達不到圖像傳輸帶寬要求。如果采用增加系統帶寬方式來滿足圖像傳輸要求，在同樣發射功率前提下，會降低系統的傳輸距離或傳輸可靠性。因此，要采用頻率利用率高的調制體制來解決這一問題。

本系統應用了一種基于VHDL編碼的數字MSK調制技術。MSK（最小頻移鍵控，Minimum Frequency Shift Keying）是一種特殊的改進型數字調制方式，該調制方式能以最小的調制指數（0.5）獲得正交信號，所具有的優點主要表現在：有包絡恒定、相位連續、頻帶利用率高的優點。

1.3.1 數字MSK調制器建模原理

MSK是2FSK的一種特殊情況，即相位連續的2FSK信號，其表達式為

其中：kTb≤t≤(k+1)Tb，式中，uk表示第k個碼元中的信息，其值取+1或者-1，?k表示第k個碼元的相位常數，Tb為比特寬度。

如果初始相位為零，則?k取值為0或π。通過式（1）可以推導出其正交表達式為：

本文設計的數字MSK調制器是從相位約束條件出發，采用數字電路里常用的分頻、計數、反相、選通模塊構成。每個模塊通過VHDL硬件描述語言進行描述，便于模塊間連接。數字MSK調制器的原理框圖如圖3所示。

圖3 數字MSK調制器原理框圖

本結構在設計時所采用的算法比較特殊，該算法主要用來計算分頻器1的分頻系數M、分頻器2的系數N以及計數器的Q值，以此來保證調制指數為0.5。

定義Rbc為載波信號傳輸速率，Rb為基帶信號傳輸速率，可推導出：

Rb1表示載波f1的傳輸速率；

Rb2表示載波f2的傳輸速率。

1.3.2 數字MSK調制器設計與仿真

針對數字MSK調制器的建模原理及模型的結構框圖，通過采用VHDL硬件描述語言進行模塊編寫，完成每個模塊代碼編寫后，采用自頂向下設計思想對模塊進行連接整合。通過編寫測試激勵文件，在Modelsim SE平臺上進行仿真驗證，得到仿真結果如圖4所示。

圖4 數字MSK調制器功能仿真時序圖

如仿真時序圖所示，當CpSl_Rst_Ni復位信號為高時（低有效），在高速系統時鐘CpSl_Clk_i控制下，檢測CpSl_Start_i調制開始信號，將輸入到模塊的基帶信號CpSl_InData_i進行MSK調制輸出，得到調制輸出信號CpSl_Msk_o。從仿真時序圖中可以看出，數字調制MSK信號包絡恒定，相位連續，具有模擬MSK調制的特點。通過進一步驗證，通過解調模塊可恢復出原有基帶信號，解調輸出信號為CpSl_DeMsk_o。

2 系統硬件設計

紅外圖像遙測系統主要完成圖像的采集、壓縮、算法處理與發送。其包含的功能模塊主要有：圖像采集與緩存單元、壓縮處理單元、中央處理單元和發射單元，紅外圖像遙測硬件系統組成如圖5所示。

圖5 硬件系統組成框圖

本系統采用FPGA+ARM方案，可充分發揮ARM的控制優勢和FPGA對數字信號處理的優勢。CCD紅外攝像輸出的模擬復合圖像信號由SAA7113H進行解碼處理，解碼后生成8bit像素的數字圖像數據，其數據格式符合標準ITU656 YUV 4：2：2格式。數字圖像經過ADV612壓縮處理后得到數據量相對較低的壓縮數據流。在FPGA控制下將數據流緩存到存儲單元，緩存單元采用雙SRAM存儲，以實現乒乓存儲，乒乓存儲技術不僅解決了實時數據存儲，而且對提高FPGA系統時鐘也有一定改善，在ARM控制器下，將壓縮的低速數據流進行編碼處理，最后將處理后的數據流送入到遙測數據幀中傳送，從而完成對彈上圖像信號的遙測任務。

3 系統傳輸誤碼率驗證

衡量數字系統傳輸性能及可靠性的標準，最重要的指標就是誤碼率（Pe）。針對真實紅外圖像遙測傳輸系統，通過搭建硬件系統測試平臺，采用有線傳輸試驗方式分別對應用MSK調制體制和PCM/ FM調制體制的兩種系統進行系統誤碼率測試，試驗時兩種發射系統采用頻偏0.25Rb（MSK）和0.35Rb（PCM/FM），同時其他設備性能相同。

為了排除外界干擾和衰落影響，試驗時圖像遙測射頻信息不通過天線和空間傳播，而是采用長電纜和衰減器將發射機輸出直接發送到接收機，經過接收機解調、存盤處理，測試誤碼率。通過MATLAB對兩種系統所測誤碼率進行性能曲線繪制，得到誤碼率性能曲線如圖6所示。其中MSK方式接收機中頻帶寬為3.3MHz。PCM/FM方式接收機中頻帶寬為3.4MHz。

圖6 誤碼率測試結果圖

由圖6可知，采用MSK和PCM/FM兩種調制方式的系統誤碼率相差約1dB，在理論誤差允許范圍內，進一步驗證了本文所設計的系統能夠滿足紅外圖像遙測傳輸要求。

4 結論

本文設計了一種基于FPGA+ARM的紅外圖像遙測傳輸系統，通過融合圖像數據壓縮、信道交織編碼以及數字MSK調制技術，更好地解決了高速率和現有設備低帶寬的矛盾，實現了圖像信號遙測傳輸。經有線傳輸誤碼率測試驗證了方案的可行性，具有一定的工程應用價值。

［1］宋鵬，張曉林.視頻圖像遙測系統初探［C］.第十二屆全國遙測遙控技術年會論文集，2002.

［2］孫發魚，于敏，鄭海起.基于頻分復用技術的視頻遙測［J］.探測與控制學報，2008，30（5）：26-29.

［3］岡薩雷斯（美）等著.數字圖像處理［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［4］Negash.B.G，Nikookar.H.WaveletbasedOFDMfor 550-555.

［5］劉蘊才.無線電遙測遙控（下冊）［M］.北京：國防工業出版社，2001：10-30.

［6］李邦復.遙測系統［M］.北京：宇航出版社，1991.

The Design and Implementation of
Remote Sensing Image Transmission System

WU Zheng，LI Shuguo
（Unit 92941 of PLA，Huludao Liaoning，125000）

The transmission rate of infrared photo is up to ten Mbps，which is very hig，existing equipment can not solve the problem of low bandwidth leads to transmission high error rate.This paper designed a remote sensing image transmission system，which is mixed image data compression and channel coding and the digital MSK modulation technique，solved the problem of low bandwidth available equipment for high rate transmission.This paper used Xilinx corporation Spartan3E XC3S500E series FPGA as the data acquisition controller，and ARM（S3C2440A）as the image processing algorithm controller，to construct of PCM/FM telemetry system hardware platform.Finally，it verified the system performance on the hardware platform，Transmission error rate by test system proved the feasibility of the scheme.

telemetry transmission；photo data compress；interleaved code；FPGA

TN921.10

A

1672-9870（2017）01-0106-04

2016-01-14

武征（1969-），男，碩士，高級工程師，E-mail：wuzhwin@163.com