铁路应急通信无线图像传输系统的研究与实现

2010-05-14谢辉

铁道通信信号 2010年12期

谢辉

在应急抢险救援作业中,人们希望其通信传输系统能够以无线的方式实现一定区域范围内的点对多点双工通信,并可实时传送高清晰度图像、语音、指令和数据。系统在保证非常好的图像传输质量和可靠性的同时,又要保证区域内的节点数量保持在一定的规模,这就对通信系统提出了更为苛刻的要求。在这样的背景下,采用 COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing——编码正交频分复用)调制技术的无线图像传输系统越来越多地作为战场通信手段、安防监控手段以及应急指挥手段,应用在军队、公安、武警、国安等国家要害部门,并在人防应急、城管执法、环保监控、消防应急、水利防汛、电力抢险、铁路抢险、海事执法、海监巡查、海关边防、码头监控、森林防火、油田防盗等行业领域得到广泛应用。

在突发事故现场,仅仅依靠个人,或是一个单位、一个部门的力量来协调组织应对恐怕是难以胜任的。在突发事件面前,须根据现场实时动态,掌握各方面信息,综合分析判断事件现场形势后才能对各个单位做出正确的调配;在应对突发事件的现场,须由当地政府机构中的应急救援指挥中心来组织专业化的应急救援队伍,调动各有关行业的人力、物力资源共同参与救援,协同作战,才能快速取得成效。这其中最为关键的一环,就是必须让后方的协调指挥人员和决策团体能够及时、准确、直观地了解并掌握前方各个节点现场当前的状况以及事件可能的发展动向,从而做出正确的决策并实施相应的部署。因此,直观且覆盖全局的多路视频图像传送替代传统的步话机语音通信,已经成为发展的必然趋势。

1 无线图像传输系统的特点

无线图像传输系统既可实现高清晰度图像即拍即传,又能及时同步地传输现场的视频图像、数据信息,并可实现语音交互。系统融合了数字图像处理技术、无线网络通信技术、嵌入式系统技术等多种前沿科技,基于无线网络,实现了高清晰度图像采集、处理、传输和应用的一体化过程,是一种低成本、易部署、易操作的现场实时高清晰度无线数据传输解决方案。该系统采用智能化 COFDM技术,是目前世界上最具发展潜力的调制技术,对高层建筑及山体具有良好的绕射和穿透能力。

随着国际通信技术的迅猛发展,COFDM调制技术也不断优化,其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。各子载波并行传输,减小了对单个载波的依赖性,其抗多径衰落能力、抗码间干扰 (ISI)能力、抗多普勒频移能力等都得到了显著提高。这使得在 “高速运动中”和 “非视通条件下”实现高质量实时图像和数据传输成为可能。COFDM无线图像传输系统的突出优越性具体表现如下。

1.信息量大、现场感强,可准确地记录瞬间发生的事件。系统可以在很短时间内通过视觉通道获取比语音通话多得多的信息量,尤其是在紧急情况下,它可使不在现场的后方指挥人员有亲临现场之感。指挥者通过图像通信对现场情况可获得“一目了然”的直观掌握,大大增强了对现场突发情况的感知能力,使其能够利用自己的视觉来观察、判断现场实况,加之同步传输的语音报告和解释,从而使指挥员快速准确地做出判断和进一步的行动方案。

在后方指挥中心集中的指挥人员,以及相关的参谋人员或各路专家,在共同观看前方现场实时传递回来的图像信息时,可以集中大家智慧,群策群力,在最短的时间内汇集最优秀的处置建议,使尽快找到最佳方案成为可能。

2.图像信息便于记录和保存,且不失真。无线图像传输的记录方式是由磁带或硬盘录制,具有简便、快捷、不失真,可随时回放以供给后续人员研究讨论等特点;而语音通话的记录则需要整理成文字,不同的语种之间需要翻译,带有浓重的个人判断色彩,不可避免会产生失真现象。前方现场实况使用无线图像传输系统实时传递,会避免因逐级语言报告过程中由于人的理解偏差而产生的失真现象。

2 无线图像传输系统组成及原理

2.1 无线图像传输系统的组成

无线图像传输系统的设备主要由发射机、接收机和天线系统三部分组成。发射机系统主要由视频图像采集、MPEG图像编码、COFDM编码、加密控制、基带处理电路、功率放大器、混频、高放、滤波及电源等部分组成。接收机系统则由接收天线、信号放大器、滤波器、控制电路及电源等部分组成。天线系统包括发射天线及接收天线 2个部分。

发射机端将摄像机采集到的视频信号经过 A/D转换、视频采集编码、加密、COFDM编码调制后,再经过 D/A转换然后上变频到指定的频点上,经过高频功率放大后由天线发射出去。接收端则将高增益的接收天线接收到的信号,送到接收机进行下变频、COFDM解调、解密、视频解码,然后输出视频信号,最后通过监控屏幕显示出来。

2.2 无线图像传输系统工作原理

无线视频图像传输系统一般由发射机、接收机以及天线系统三部分构成。其中发射机系统主要由数据采集处理、基带处理和射频微波等部分组成。发射机系统的工作原理如图 1所示。

1.数据采集处理部分。前端视频摄像机采集到的模拟图像以及模拟音频信号,经过前端 A/D数字化处理之后,由 DSP/FPGA将数字信号编码压缩成为 MPEG-2/4或者是H.264格式。包括电脑发送的 RS-232数据或指令,以及 GPS数据都可以连同经过处理好的数字视频信号,一起经过TS流复用器,将前端经过压缩、编码和复用后得到的多个传输流,根据用户需要合成为一路传输流,并送入后续的基带处理部分。

图 1 发射机系统详细的工作原理框图

2.基带处理部分。基带处理部分将对上述信号传输流进行进一步的处理,添加抗干扰、抗多径、纠错、加密等各种附加信息,然后再对该数据流进行 COFDM调制。

3.射频微波部分。在发射机系统中,经过基带处理过的信号,须再次经过 D/A转换,再经过上变频器、滤波器和高线性功放,最后通过天线发射出去。

发射机系统是整个宽带微波传输系统的关键,其技术难点在于,数据流经过 COFDM调制和 D/A转换后,需要在指定带宽上,特别是在微波宽频段上实现混频和滤波。因此对混频器和滤波器的性能有较高的要求,尤其对其后端的功率放大器的平坦度有极高要求。相对于无线视频图像传输系统的发射机系统而言,接收机系统由于是小功率系统,又因为其本振可以是点频,所以相对简单。接收机系统先将微波信号经过下变频和 A/D转换,使信号成为 36 MHz/70 MHz的中频载波,后端再用 DSP/FPGA直接对 36MHz/70 MHz的中频载波进行处理,从而将视频图像信号转换成监控器可读的普通视频信号。

3 无线图像传输系统应用

在无线视频图像传输整体系统当中,发射机系统无疑是最为重要的一个组成部分,而发射机的射频微波部分毫无疑问又是整个系统的关键,也是在技术实现上难度最高的一环。由发射机的工作原理可知,射频微波部分主要由功率放大器、滤波器和上变频器组成,这些微波器件决定了发射机系统工作的频段范围和工作带宽。根据有关单位的要求,应急系统多用于 300～400 MHz之间的频段上,工作带宽多为 8 MHz,把工作在较低频段上的窄带宽无线图像传输系统称之为“通用无线图像传输系统”,可以实现点对点、点对多点的视频传输,具备实时视频监控功能。它使得监控指挥和协同成为可能,可广泛应用于铁路应急、油田大规模联防监控、电力系统大规模抢修、森林防火等复杂条件下的应用场合。

在进行铁路应急救援时,在突发事件现场,通过身背的单兵发射机,将图像发射到综合接入平台或者身后的通信指挥车上,把前方各路传回的图像、数据、语音实时地传到指挥中心。系统传回的现场多路图像,几乎覆盖现场范围每一个场景。在应急指挥端,主管部门领导可以坐在指挥中心,直接看到各区域内的现场实时情况,如亲临其境,真正做到监管到位,从而可以及时了解重大事件现场实况,并进一步做出准确的分析判断,提高决策系统的快速准确性,增强快速反应能力、指挥能力和突发事件的处置能力。