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(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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?shù)乃俾士筛哌_十幾Mbps，現(xiàn)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(shù)據(jù)壓縮、信道交織編碼和數(shù)字MSK調(diào)制技術的圖像遙測傳輸系統(tǒng)，解決了以現(xiàn)有低帶寬設備實現(xiàn)高速率傳輸?shù)膯栴}。通過采用Xilinx公司的Spartan3E系列FPGA XC3S500E作為數(shù)據(jù)采集控制器，以ARM（S3C2440A）實現(xiàn)圖像算法處理器，構(gòu)建PCM/FM遙測系統(tǒng)硬件平臺。最后在硬件平臺上驗證系統(tǒng)性能，通過測試系統(tǒng)傳輸誤碼率證明了方案的可行性。

遙測傳輸；圖像數(shù)據(jù)壓縮；交織編碼；FPGA

目前，隨著監(jiān)視評估導彈技術以及圖像制導技術的快速發(fā)展，與此類產(chǎn)品相關的研發(fā)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(xiàn)的異常狀態(tài)的圖像信息，為其提供直觀可靠的數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)椀挠行┕收线M行準確的分析并且將其定位，圖像信息比依靠現(xiàn)有的遙測數(shù)據(jù)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(xiàn)有的PCM/FM遙測系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)率為代價，實現(xiàn)圖像信息的穩(wěn)定可靠傳輸。與此同時，ARTM也在通過深入研究先進的遙測調(diào)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(nèi)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(fā)送系統(tǒng)，以頻帶較窄的調(diào)制體制最小移頻鍵控（MSK）技術為核心［2，3］，對現(xiàn)有系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)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(diào)制，以滿足信道對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，保證實現(xiàn)紅外圖像的高速率的穩(wěn)定遙測。

1 圖像遙測系統(tǒng)關鍵模塊設計

1.1 圖像數(shù)據(jù)采集壓縮設計

紅外圖像信號速率為十幾Mbps，目前，國內(nèi)的導彈遙測以及現(xiàn)有的設備對于這樣高的數(shù)據(jù)速率都無法進行傳輸。因此，一定要降低數(shù)據(jù)速率，降低數(shù)據(jù)速率的有效途徑是對圖像信號進行壓縮處理［4］，要實現(xiàn)這一目的，一定要先將模擬信號進行數(shù)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(zhuǎn)換成數(shù)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(shù)據(jù)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(tài)。

SAA7113H采用CMOS工藝，通過IIC總線與PC或DSP相連所構(gòu)成的應用系統(tǒng)，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(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實現(xiàn)對信號源的選擇、A/D轉(zhuǎn)換、抗混疊濾波、時鐘發(fā)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(shù)據(jù)解碼。

由于圖像信息數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)存儲和傳輸設備提出了更高的要求，同時，現(xiàn)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(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)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(tǒng)的抗干擾能力，降低數(shù)字信號在傳輸過程中的誤碼率，保證壓縮的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)解壓后具有較高的圖像質(zhì)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(tǒng)對于數(shù)字圖像信息的傳輸質(zhì)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(yōu)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(fā)錯誤轉(zhuǎn)換為隨機錯誤，這樣就可以將整個通信系統(tǒng)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(jiān)督碼（方陣碼）加入圖像壓縮后的數(shù)據(jù)之中，并經(jīng)螺旋交織編碼，即壓縮后的數(shù)據(jù)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(jié)的圖像壓縮數(shù)據(jù)，從而組成了1616數(shù)據(jù)矩陣，然后對每一列每一行進行奇偶校驗，如果突發(fā)誤碼的長度在15個字節(jié)以下，可以進行正確的檢測誤碼位置，同時能夠?qū)⒄`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(fā)干擾情況下的系統(tǒng)中。實驗結(jié)果表明：當誤碼率相近時，經(jīng)過交織編碼設計方法后信號質(zhì)量提高了1～2dB。在相同信噪比條件下，經(jīng)交織編碼技術處理后圖像質(zhì)量對比如下圖2所示，其中，圖2（a）是經(jīng)過交織編碼后的圖像，2（b）是未經(jīng)過交織編碼的圖像。

圖2 交織編碼圖象對比

通常，實現(xiàn)圖像壓縮與信道編碼會采用軟件算法來實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用硬件方式實現(xiàn)，利用了硬件實現(xiàn)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(shù)字MSK調(diào)制器設計

圖像遙測常常需要使用S波段［6］，通過將圖像數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)進行融合傳輸，數(shù)據(jù)速率可達到2Mbps，數(shù)據(jù)格式采用NRZ-L碼格式輸出。對于導彈遙測傳輸而言，數(shù)據(jù)速率達到2Mbps即為高速率數(shù)據(jù)。但是，現(xiàn)有系統(tǒng)帶寬滿足不了傳輸如此高速率的數(shù)據(jù)。例如，如果采用典型的PCM/FM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，當采用預調(diào)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(tǒng)帶寬方式來滿足圖像傳輸要求，在同樣發(fā)射功率前提下，會降低系統(tǒng)的傳輸距離或傳輸可靠性。因此，要采用頻率利用率高的調(diào)制體制來解決這一問題。

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

1.3.1 數(shù)字MSK調(diào)制器建模原理

MSK是2FSK的一種特殊情況，即相位連續(xù)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(shù)，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(shù)字MSK調(diào)制器是從相位約束條件出發(fā)，采用數(shù)字電路里常用的分頻、計數(shù)、反相、選通模塊構(gòu)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(shù)字MSK調(diào)制器的原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字MSK調(diào)制器原理框圖

本結(jié)構(gòu)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(shù)M、分頻器2的系數(shù)N以及計數(shù)器的Q值，以此來保證調(diào)制指數(shù)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(shù)字MSK調(diào)制器設計與仿真

針對數(shù)字MSK調(diào)制器的建模原理及模型的結(jié)構(gòu)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(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)字MSK調(diào)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(tǒng)時鐘CpSl_Clk_i控制下，檢測CpSl_Start_i調(diào)制開始信號，將輸入到模塊的基帶信號CpSl_InData_i進行MSK調(diào)制輸出，得到調(diào)制輸出信號CpSl_Msk_o。從仿真時序圖中可以看出，數(shù)字調(diào)制MSK信號包絡恒定，相位連續(xù)，具有模擬MSK調(diào)制的特點。通過進一步驗證，通過解調(diào)模塊可恢復出原有基帶信號，解調(diào)輸出信號為CpSl_DeMsk_o。

2 系統(tǒng)硬件設計

紅外圖像遙測系統(tǒng)主要完成圖像的采集、壓縮、算法處理與發(fā)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(fā)射單元，紅外圖像遙測硬件系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 硬件系統(tǒng)組成框圖

本系統(tǒng)采用FPGA+ARM方案，可充分發(fā)揮ARM的控制優(yōu)勢和FPGA對數(shù)字信號處理的優(yōu)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(shù)字圖像數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式符合標準ITU656 YUV 4：2：2格式。數(shù)字圖像經(jīng)過ADV612壓縮處理后得到數(shù)據(jù)量相對較低的壓縮數(shù)據(jù)流。在FPGA控制下將數(shù)據(jù)流緩存到存儲單元，緩存單元采用雙SRAM存儲，以實現(xiàn)乒乓存儲，乒乓存儲技術不僅解決了實時數(shù)據(jù)存儲，而且對提高FPGA系統(tǒng)時鐘也有一定改善，在ARM控制器下，將壓縮的低速數(shù)據(jù)流進行編碼處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)流送入到遙測數(shù)據(jù)幀中傳送，從而完成對彈上圖像信號的遙測任務。

3 系統(tǒng)傳輸誤碼率驗證

衡量數(shù)字系統(tǒng)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(tǒng)，通過搭建硬件系統(tǒng)測試平臺，采用有線傳輸試驗方式分別對應用MSK調(diào)制體制和PCM/ FM調(diào)制體制的兩種系統(tǒng)進行系統(tǒng)誤碼率測試，試驗時兩種發(fā)射系統(tǒng)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(fā)射機輸出直接發(fā)送到接收機，經(jīng)過接收機解調(diào)、存盤處理，測試誤碼率。通過MATLAB對兩種系統(tǒng)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(jié)果圖

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

4 結(jié)論

本文設計了一種基于FPGA+ARM的紅外圖像遙測傳輸系統(tǒng)，通過融合圖像數(shù)據(jù)壓縮、信道交織編碼以及數(shù)字MSK調(diào)制技術，更好地解決了高速率和現(xiàn)有設備低帶寬的矛盾，實現(xiàn)了圖像信號遙測傳輸。經(jīng)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。

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［6］李邦復.遙測系統(tǒng)［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