新一代机载数字图像无线传输技术研究 |
| 2012-09-04 13:19 作者：宫海波 孙科 徐茜 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网9月4日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，根据新一代军机试飞对机载视频图像传输的发展需求，提出一套采用基于5/3提升小波的改进SPECK图像压缩算法，采用基于Turbo码的信道纠错编码及扩频技术的数字图像无线传输系统方案，解决新一代军机试飞在多路数字视频图像实时传输中的难题。在阐述该方案的结构组成及工作原理的基础上，着重讨论新方案所涉及的关键技术及对策。由新方案设计出的多路视频无线传输系统具有图像压缩率高、运算率高、实时性好、抗差错能力强、功耗低及传输可靠等特点。
随着新一代战机的研制成功，使我国的军机设计和制造水平又上了一个新台阶的同时也对试飞测试领域提出了新的测试需求，在试飞环节要求机载传输的图像信号越来越复杂，数量也越来越多，试飞工程师总希望在地面通过机载图像无线传输系统所获得的目标图像可以是二维或三维的高分辨率图像，此时实时传输的图像所包含的数据量非常大，同时试验机上装机的空间越来越受到限制，所以如何实现机载多路视频图像的实时、高速传输成为了试飞测试研究领域的热点。
相比较而言，国内在机载图像无线传输技术方面的研究起步较晚，目前多采用模拟传输方式，图像压缩算法多采用适于自然图像的标准算法[1]，图像的质量较差，目前的方式频谱利用率不高，信道编码效率较低，抗多径干扰差，同时传输距离也是很有限[2]。由于机载视频图像具有直观形象，包含与飞机相关的有用信息非常多，因此非常有必要研究新的适用于试飞测试领域的机载视频图像无线传输方案。
本文针对机载视频图像无线传输系统工作的特点，提出一种新的图像压缩及传输方案，图像压缩采用基于5/3提升小波变换的改进SPECK算法，传输采用基于Turbo码的无线信道编码，该方案可以实现多路图像渐进传输，同时该方案具有很强的实时性，并且传输系统具有体积小、功耗低的特性，在实际工程应用中，也能体现图像压缩算法简单、运算效率高、抗差错性强，抗干扰及抗多径衰落等特点。
1系统组成及工作原理
随着对试飞测试过程中实时传输多路图像信息要求的不断提高，首先必须改善图像压缩算法，其次是可以实现压缩后的图像信息的渐进式传输（如飞机座舱屏显、雷达画面、发动机状态监控画面等），以便于实时掌握试验机的实时状态。第三，为了改善传输过程中的误码率和码间干扰，系统必须对压缩后的图像信息进行纠错编码，为了信息的有效发射，对编码后的信息采用数字调制方式。高频信号发射电路通过扩频技术可以将有效信息实时、准确的传输到地面进行图像处理，然后再把控制信息无线传输给机载设备。综合对实际试飞特点的要求，新一代机载视频图像无线传输系统结构框图如图1所示。
图1机载数字图像无线传输系统结构图
2图像无线传输系统关键技术及对策
为了实现新一代机载视频多路数字图像无线传输系统，本文主要从以下几个关键技术方面进行分析研究。
2.1基于5/3提升小波的改进SPECK图像压缩编码算法
无线传输具有带宽窄、误码率高的特点，同时由于机载视频图像所包含的数据量非常大，为了实现其无线传输必须进行图像压缩。目前小波压缩编码是最热门的图像压缩算法，在图像压缩领域占据了主导地位。可利用Daubechies9/7小波或5/3小波对采集到的视频画面进行重要特征信息提取[3]。大多数系统采用D9/7滤波器组，其运算时间较长，小波系数全是无理数，同时需6个乘法和8个加法运算单元，这样使乘、加法器占用较多的片上资源，硬件实现复杂。由于图像传输的实时性对试飞测试本身是非常重要的，所以在图像压缩方面，最重要的是要考虑其压缩的运算时间，而5/3小波变换通过左（右）移位实现，比直接用乘、加法器硬件实现简单，而且大大减少了运算量。同时，用提升方案实现小波变换，利用5/3小波提取图像的重要提升系数，这样可降低计算量、降低算法复杂度以及减少运算时间，易于硬件实现。
与传统小波变换卷积操作步骤相比，提升方案将Mallat算法中每一级滤波运算进行分解，从而形成分裂、预测、更新三步，仅需移位、加减运算，算法简单快捷，便于硬件实现，通过预测和更新两个提升环节实现信号高低频的分离，基本原理框图如图2所示。
图2提升小波变换基本原理框图
机上采集的多路数字图像在带宽窄、误码率高的无线信道中实时传输，将来要在某些特定应用场合如战场侦察、目标识别等进行交互性高精度、连续图像传输，因此对图像压缩编码技术提出了更高的要求，SPIHT、SPECK和SPBLS算法是目前所采用的具有较好压缩特性的算法。通过分析知SPIHT运算量大，边界延拓较复杂；由于算法本身特点使其执行时间慢，硬件实现复杂，故难以实现实时图像压缩。SPECK具有低计算复杂性、低动态存储空间需求和较高信噪比等优点，同时针对其不足容易通过改进低存储需求的SPECK算法弥补，在基本不影响性能的情况下可降低内存消耗和缩短编码时延。SPBLS与SPECK相似，但其硬件实现复杂，压缩速度较慢。通过512×512×8（bit）的图像进行比较[4]，从运行时间来看，SPECK最快，SPIHT次之，SPBLS较慢；从压缩编码效果来看，SPIHT的峰值信噪比和SPECK、SPBLS接近，通过对比分析，结合试飞中机载采集视频图像压缩的要求和特点，改进的SPECK算法更适合高速实时图像压缩编码的要求。
2.2基于Turbo码的复杂环境下抗码间干扰的无线信道编码
由于无线传输信道属于平坦、慢衰变信道，机载视频图像的信息传输过程中易产生误码率和码间干扰，为了提高图像传输的质量，必须对图像压缩信息进行纠错编码，从而可以降低传输过程中所产生的误码率，实现可靠、准确的信息传输。分析比较发现，Turbo码满足纠错编码的要求，适合宽带图像信息的远距离无线传输。此外具有删余的Turbo码适合对压缩后的信息进行非平等纠错保护（UEP，unequalerrorprotection）[5]，故针对机载视频图像无线传输的特点，为了实现在变化的噪声干扰信道环境中更加稳定、可靠地传输图像信息，可以采用删余的Turbo码对图像压缩信息进行纠错编码。
新一代机载视频图像无线传输方案运用Turbo码进行压缩图像信道编码原理图如图3所示。根据图1分析知，图像信息接收后需进行译码，其中译码算法包括MPA、Log-MAP、Viterbi等，而MPA算法和Log-MAP算法效果最好，二者误码率相当，但Log-MAP算法的运算量比MPA算法小很多，故在Turbo译码过程中选择Log-MAP算法，并选用高速FPGA实现，以减少系统硬件体积与成本。
图3基于Turbo码的无线信道编码结构原理图
2.3基于扩频通信技术的图像数字信号调制及高频发射
结合机载数字图像传输特点和图1分析可知，增大辐射的能量、提高发射信号的功率、采用高增益天线以及提高接收端的灵敏度，都可以达到提高图像传输距离的目的，由此发现图像数字信号调制和高频信号的发射都是系统的关键部分。目前实际应用过程中有多种不同频段的无线专用收/发模块[6]，如nRF2401、PTR2000、nRF24L01等，它们集成了频率综合器、功率放大器、晶体振荡器和数字信号调制器。由于飞行试验过程中无线模块的发射频率固定不变，如果采用无线收/发模块实现数字信号调制及高频发射，数据信息在传输过程中容易受到干扰。为了解决这个问题，本文采用扩频通信技术设计专门的射频发射电路，扩频通信技术具有抗干扰能力强、信号功率谱密度低的特性，因此应用扩频通信技术有利于提高图像传输的可靠性，其结构原理如图4所示。
图4扩频技术实现数字图像信号调制、收/发原理图
3实现视频图像传输难点分析
根据前面对数字化的无线传输关键技术及对策的分析，结合机载视频图像的特点及其对图像无线传输系统的严格限制，要想实现数字图像信息实时地压缩、编码、发射及接收等目的，主要有以下两点技术难点。
3.1图像压缩算法的改进及其硬件实现
由于图像数据量巨大，无线信道带宽较窄，而机载视频图像要求实时、快速、精确地传输，故图像压缩过程是至关重要的环节。据相关理论分析，图像信息能量集中的地方包含重要信息，其余是不重要的边界信息，所以在图像压缩实现上要对重要信息实现无损压缩，而对不重要信息实现有损压缩或不压缩，这样有利于提高硬件实现速度及图像的快速处理。目前在图像压缩算法的硬件中需减少运算时间、功耗等，以节约硬件资源，故需考虑其算法结构的复杂度。
3.2系统误码性能分析
机载视频图像无线传输信道属于平坦、慢衰落信道，服从Rayleigh分布，其信道模型为[7]：
其中，是接收信号，是发射信号，是该信号的衰落因子，是高斯白噪声，服从均值为0，方差的高斯分布。据前所述图像经压缩后产生重要信息和非重要信息，而在信道编码时对于重要信息用码率R=1/3的Turbo码进行重点编码；对于非重要信息，因为差错不会在其中扩散，故只需用码率R=1/2的删余Turbo进行保护即可。此外Turbo码的译码过程是在译码中利用附加信息在两个译码器间进行多次迭代，故应尽可能地增加迭代次数以减少误码率，但这同时也造成其延时，因此在进行信道编码时降低误码率和减少延时是一对相互制约的因素，在具体设计过程中需要选用恰当方法，结合具体机载视频的实际情况来实现图像的实时、无失真地传输。
4结论
数字化图像的无线传输是下一代军机试飞测试的发展趋势，基于此本文提出了一种适合机载视频图像无线传输系统的整体方案。该方案中图像压缩采用基于5/3提升小波的SPECK图像压缩编码改进算法，压缩比高、处理速度快且对信道有良好的抗噪性能。信号传输采用基于Turbo码信道编码的扩频技术传输，频谱利用率高，抗衰落能力强，传输信息可靠性高，适合用于机载视频图像的特殊环境，是一种可行的系统方案。
作者简介：
宫海波（1982-），男，汉族，山东威海人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：机载测试；孙科（1982-），男，汉族，山西大同人，硕士研究生，工程师，研究方向：机载测试；徐茜（1984-），女，汉族，陕西咸阳人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：遥测数据处理。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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