图像遥测传输系统的设计与实现

武征，李树国

（中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛 125000）

图像遥测传输系统的设计与实现

武征，李树国

（中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛 125000）

红外图像传输的速率可高达十几Mbps，现有的设备不能解决低带宽导致传输误码率高的问题。设计了一种融合图像数据压缩、信道交织编码和数字MSK调制技术的图像遥测传输系统，解决了以现有低带宽设备实现高速率传输的问题。通过采用Xilinx公司的Spartan3E系列FPGA XC3S500E作为数据采集控制器，以ARM（S3C2440A）实现图像算法处理器，构建PCM/FM遥测系统硬件平台。最后在硬件平台上验证系统性能，通过测试系统传输误码率证明了方案的可行性。

遥测传输；图像数据压缩；交织编码；FPGA

目前，随着监视评估导弹技术以及图像制导技术的快速发展，与此类产品相关的研发以及试验的应用也愈来愈多，例如：红外图像信号的传输、遥测遥控等［1］。对于图像信息，它不仅能够正确的分析制导导弹在飞行过程中导引头出现的异常状态的图像信息，为其提供直观可靠的数据，而且能够对导弹的有些故障进行准确的分析并且将其定位，图像信息比依靠现有的遥测数据分析容易多。由于图像信号帧率高，遥测码速率很高，通常，无法直接用现有的PCM/FM遥测系统传输，美国“靶场先进遥测计划（ARTM）”项目，在保证当前PCM/FM遥测传输系统效率和可靠性的前提下，以通过减少可用频谱或增大传输数据率为代价，实现图像信息的稳定可靠传输。与此同时，ARTM也在通过深入研究先进的遥测调制体制（如：FQPSK专利技术），以进一步提高遥测遥控和信息传输能力，目前国内也正在积极开展这方面的研究工作。本文设计了一种基于FPGA和ARM的红外图像遥测发送系统，以频带较窄的调制体制最小移频键控（MSK）技术为核心［2，3］，对现有系统进行改进设计与整合，达到提高S波段遥测遥控传输效率的目的，系统实现对红外图像信息进行高速率、低误码传输。通过对无人飞行器图像信息进行压缩与信道编码、MSK调制，以满足信道对数据传输速率的要求，保证实现红外图像的高速率的稳定遥测。

1 图像遥测系统关键模块设计

1.1 图像数据采集压缩设计

红外图像信号速率为十几Mbps，目前，国内的导弹遥测以及现有的设备对于这样高的数据速率都无法进行传输。因此，一定要降低数据速率，降低数据速率的有效途径是对图像信号进行压缩处理［4］，要实现这一目的，一定要先将模拟信号进行数字化处理，采用SAA7113H增强型可编程图像输入处理芯片，即可将模拟信号转换成数字信号。SAA7113H所具有的特点包括：IIC总线接口、4路模拟输入、对于50Hz或60Hz的场频能够进行自动的检测、在PAL和NTSC制式之间自动切换以及多种数据格式输出模式等特点。通过IIC总线编程SAA7113H可设定其特定的工作模式以及读取状态。

SAA7113H采用CMOS工艺，通过IIC总线与PC或DSP相连所构成的应用系统，它是一款功能强大且操作简单的9位图像输入处理芯片。SAA7113H内部包含两路模拟处理通道，能实现对信号源的选择、A/D转换、抗混叠滤波、时钟发生（CGC）、自动钳位、自动增益控制（AGC）、多制式解码、亮度/对比度/饱和度控制（BCS）和多标准VBI数据解码。

由于图像信息数据量大，对数据存储和传输设备提出了更高的要求，同时，现有设备的低带宽限制条件，要求在保留原始图像重要信息的前提下，尽可能的降低数据量，本文采用ADV612专用小波压缩芯片对图像信息进行实时压缩，ADV612不仅能够获得较高的图像质量，而且能够达到较高的压缩比。压缩算法由ADV612完成，通过FPGA配置ADV612相关寄存器参数完成对芯片控制，图1所示为FPGA配置ADV612仿真时序图。

图1 FPGA配置ADV612仿真时序图

1.2 信道交织编码设计

为了提高系统的抗干扰能力，降低数字信号在传输过程中的误码率，保证压缩的图像数据经解压后具有较高的图像质量。在保持原有设备的复杂度和相应的信息传输效率一定的情况下，系统对于数字图像信息的传输质量进行了有效的提高，本文主要采用的技术是：一种奇偶校验乘积码的交织编码技术［5］。

在信道编码中采用交织技术，其存在的优点：能够打乱码字比特之间的相关性，将信道传输过程中的成群突发错误转换为随机错误，这样就可以将整个通信系统的可靠性进行提高。交织编码设计方法主要是：将二维的奇偶监督码（方阵码）加入图像压缩后的数据之中，并经螺旋交织编码，即压缩后的数据严格按照行地址写入，同时能够沿对角线地址进行准确的读出。它的工作原理是：控制器能够从FIFO中读入16个字节的图像压缩数据，从而组成了1616数据矩阵，然后对每一列每一行进行奇偶校验，如果突发误码的长度在15个字节以下，可以进行正确的检测误码位置，同时能够将误码进行正确的纠正。交织编码并不是唯一的一种编码方式，然而对于交织编码，能够很好的适用于具有突发干扰情况下的系统中。实验结果表明：当误码率相近时，经过交织编码设计方法后信号质量提高了1～2dB。在相同信噪比条件下，经交织编码技术处理后图像质量对比如下图2所示，其中，图2（a）是经过交织编码后的图像，2（b）是未经过交织编码的图像。

图2 交织编码图象对比

通常，实现图像压缩与信道编码会采用软件算法来实现，本系统采用硬件方式实现，利用了硬件实现占用空间小以及运算速度快的特点，为解决图像信息处理提供了一种新的思路。

1.3 数字MSK调制器设计

图像遥测常常需要使用S波段［6］，通过将图像数据与遥测数据进行融合传输，数据速率可达到2Mbps，数据格式采用NRZ-L码格式输出。对于导弹遥测传输而言，数据速率达到2Mbps即为高速率数据。但是，现有系统带宽满足不了传输如此高速率的数据。例如，如果采用典型的PCM/FM系统进行数据传输，当采用预调滤波器（Fc=0.7Rb），频偏比h=0.7（频偏fd=0.35Rb）时，接收机所需要的中频带宽（BIF）为：

Carson法则下带宽：

NTIA法则下带宽：

然而，目前可利用的遥测站接收机最大带宽只能达到3.3MHz，达不到图像传输带宽要求。如果采用增加系统带宽方式来满足图像传输要求，在同样发射功率前提下，会降低系统的传输距离或传输可靠性。因此，要采用频率利用率高的调制体制来解决这一问题。

本系统应用了一种基于VHDL编码的数字MSK调制技术。MSK（最小频移键控，Minimum Frequency Shift Keying）是一种特殊的改进型数字调制方式，该调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号，所具有的优点主要表现在：有包络恒定、相位连续、频带利用率高的优点。

1.3.1 数字MSK调制器建模原理

MSK是2FSK的一种特殊情况，即相位连续的2FSK信号，其表达式为

其中：kTb≤t≤(k+1)Tb，式中，uk表示第k个码元中的信息，其值取+1或者-1，ϕk表示第k个码元的相位常数，Tb为比特宽度。

如果初始相位为零，则ϕk取值为0或π。通过式（1）可以推导出其正交表达式为：

本文设计的数字MSK调制器是从相位约束条件出发，采用数字电路里常用的分频、计数、反相、选通模块构成。每个模块通过VHDL硬件描述语言进行描述，便于模块间连接。数字MSK调制器的原理框图如图3所示。

图3 数字MSK调制器原理框图

本结构在设计时所采用的算法比较特殊，该算法主要用来计算分频器1的分频系数M、分频器2的系数N以及计数器的Q值，以此来保证调制指数为0.5。

定义Rbc为载波信号传输速率，Rb为基带信号传输速率，可推导出：

Rb1表示载波f1的传输速率；

Rb2表示载波f2的传输速率。

1.3.2 数字MSK调制器设计与仿真

针对数字MSK调制器的建模原理及模型的结构框图，通过采用VHDL硬件描述语言进行模块编写，完成每个模块代码编写后，采用自顶向下设计思想对模块进行连接整合。通过编写测试激励文件，在Modelsim SE平台上进行仿真验证，得到仿真结果如图4所示。

图4 数字MSK调制器功能仿真时序图

如仿真时序图所示，当CpSl_Rst_Ni复位信号为高时（低有效），在高速系统时钟CpSl_Clk_i控制下，检测CpSl_Start_i调制开始信号，将输入到模块的基带信号CpSl_InData_i进行MSK调制输出，得到调制输出信号CpSl_Msk_o。从仿真时序图中可以看出，数字调制MSK信号包络恒定，相位连续，具有模拟MSK调制的特点。通过进一步验证，通过解调模块可恢复出原有基带信号，解调输出信号为CpSl_DeMsk_o。

2 系统硬件设计

红外图像遥测系统主要完成图像的采集、压缩、算法处理与发送。其包含的功能模块主要有：图像采集与缓存单元、压缩处理单元、中央处理单元和发射单元，红外图像遥测硬件系统组成如图5所示。

图5 硬件系统组成框图

本系统采用FPGA+ARM方案，可充分发挥ARM的控制优势和FPGA对数字信号处理的优势。CCD红外摄像输出的模拟复合图像信号由SAA7113H进行解码处理，解码后生成8bit像素的数字图像数据，其数据格式符合标准ITU656 YUV 4：2：2格式。数字图像经过ADV612压缩处理后得到数据量相对较低的压缩数据流。在FPGA控制下将数据流缓存到存储单元，缓存单元采用双SRAM存储，以实现乒乓存储，乒乓存储技术不仅解决了实时数据存储，而且对提高FPGA系统时钟也有一定改善，在ARM控制器下，将压缩的低速数据流进行编码处理，最后将处理后的数据流送入到遥测数据帧中传送，从而完成对弹上图像信号的遥测任务。

3 系统传输误码率验证

衡量数字系统传输性能及可靠性的标准，最重要的指标就是误码率（Pe）。针对真实红外图像遥测传输系统，通过搭建硬件系统测试平台，采用有线传输试验方式分别对应用MSK调制体制和PCM/ FM调制体制的两种系统进行系统误码率测试，试验时两种发射系统采用频偏0.25Rb（MSK）和0.35Rb（PCM/FM），同时其他设备性能相同。

为了排除外界干扰和衰落影响，试验时图像遥测射频信息不通过天线和空间传播，而是采用长电缆和衰减器将发射机输出直接发送到接收机，经过接收机解调、存盘处理，测试误码率。通过MATLAB对两种系统所测误码率进行性能曲线绘制，得到误码率性能曲线如图6所示。其中MSK方式接收机中频带宽为3.3MHz。PCM/FM方式接收机中频带宽为3.4MHz。

图6 误码率测试结果图

由图6可知，采用MSK和PCM/FM两种调制方式的系统误码率相差约1dB，在理论误差允许范围内，进一步验证了本文所设计的系统能够满足红外图像遥测传输要求。

4 结论

本文设计了一种基于FPGA+ARM的红外图像遥测传输系统，通过融合图像数据压缩、信道交织编码以及数字MSK调制技术，更好地解决了高速率和现有设备低带宽的矛盾，实现了图像信号遥测传输。经有线传输误码率测试验证了方案的可行性，具有一定的工程应用价值。

［1］宋鹏，张晓林.视频图像遥测系统初探［C］.第十二届全国遥测遥控技术年会论文集，2002.

［2］孙发鱼，于敏，郑海起.基于频分复用技术的视频遥测［J］.探测与控制学报，2008，30（5）：26-29.

［3］冈萨雷斯（美）等著.数字图像处理［M］.北京：电子工业出版社，2009.

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

［5］刘蕴才.无线电遥测遥控（下册）［M］.北京：国防工业出版社，2001：10-30.

［6］李邦复.遥测系统［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，硕士，高级工程师，E-mail：wuzhwin@163.com