鐵路應(yīng)急通信無線圖像傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

謝 輝

在應(yīng)急搶險(xiǎn)救援作業(yè)中,人們希望其通信傳輸系統(tǒng)能夠以無線的方式實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)雙工通信,并可實(shí)時(shí)傳送高清晰度圖像、語音、指令和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在保證非常好的圖像傳輸質(zhì)量和可靠性的同時(shí),又要保證區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量保持在一定的規(guī)模,這就對(duì)通信系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。在這樣的背景下,采用 COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing——編碼正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)的無線圖像傳輸系統(tǒng)越來越多地作為戰(zhàn)場通信手段、安防監(jiān)控手段以及應(yīng)急指揮手段,應(yīng)用在軍隊(duì)、公安、武警、國安等國家要害部門,并在人防應(yīng)急、城管執(zhí)法、環(huán)保監(jiān)控、消防應(yīng)急、水利防汛、電力搶險(xiǎn)、鐵路搶險(xiǎn)、海事執(zhí)法、海監(jiān)巡查、海關(guān)邊防、碼頭監(jiān)控、森林防火、油田防盜等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在突發(fā)事故現(xiàn)場,僅僅依靠個(gè)人,或是一個(gè)單位、一個(gè)部門的力量來協(xié)調(diào)組織應(yīng)對(duì)恐怕是難以勝任的。在突發(fā)事件面前,須根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài),掌握各方面信息,綜合分析判斷事件現(xiàn)場形勢后才能對(duì)各個(gè)單位做出正確的調(diào)配;在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的現(xiàn)場,須由當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)中的應(yīng)急救援指揮中心來組織專業(yè)化的應(yīng)急救援隊(duì)伍,調(diào)動(dòng)各有關(guān)行業(yè)的人力、物力資源共同參與救援,協(xié)同作戰(zhàn),才能快速取得成效。這其中最為關(guān)鍵的一環(huán),就是必須讓后方的協(xié)調(diào)指揮人員和決策團(tuán)體能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀地了解并掌握前方各個(gè)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場當(dāng)前的狀況以及事件可能的發(fā)展動(dòng)向,從而做出正確的決策并實(shí)施相應(yīng)的部署。因此,直觀且覆蓋全局的多路視頻圖像傳送替代傳統(tǒng)的步話機(jī)語音通信,已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢。

1 無線圖像傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)

無線圖像傳輸系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)高清晰度圖像即拍即傳,又能及時(shí)同步地傳輸現(xiàn)場的視頻圖像、數(shù)據(jù)信息,并可實(shí)現(xiàn)語音交互。系統(tǒng)融合了數(shù)字圖像處理技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等多種前沿科技,基于無線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了高清晰度圖像采集、處理、傳輸和應(yīng)用的一體化過程,是一種低成本、易部署、易操作的現(xiàn)場實(shí)時(shí)高清晰度無線數(shù)據(jù)傳輸解決方案。該系統(tǒng)采用智能化 COFDM技術(shù),是目前世界上最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù),對(duì)高層建筑及山體具有良好的繞射和穿透能力。

隨著國際通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,COFDM調(diào)制技術(shù)也不斷優(yōu)化,其基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換,分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。各子載波并行傳輸,減小了對(duì)單個(gè)載波的依賴性,其抗多徑衰落能力、抗碼間干擾 (ISI)能力、抗多普勒頻移能力等都得到了顯著提高。這使得在 “高速運(yùn)動(dòng)中”和 “非視通條件下”實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)傳輸成為可能。COFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)的突出優(yōu)越性具體表現(xiàn)如下。

1.信息量大、現(xiàn)場感強(qiáng),可準(zhǔn)確地記錄瞬間發(fā)生的事件。系統(tǒng)可以在很短時(shí)間內(nèi)通過視覺通道獲取比語音通話多得多的信息量,尤其是在緊急情況下,它可使不在現(xiàn)場的后方指揮人員有親臨現(xiàn)場之感。指揮者通過圖像通信對(duì)現(xiàn)場情況可獲得“一目了然”的直觀掌握,大大增強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)場突發(fā)情況的感知能力,使其能夠利用自己的視覺來觀察、判斷現(xiàn)場實(shí)況,加之同步傳輸?shù)恼Z音報(bào)告和解釋,從而使指揮員快速準(zhǔn)確地做出判斷和進(jìn)一步的行動(dòng)方案。

在后方指揮中心集中的指揮人員,以及相關(guān)的參謀人員或各路專家,在共同觀看前方現(xiàn)場實(shí)時(shí)傳遞回來的圖像信息時(shí),可以集中大家智慧,群策群力,在最短的時(shí)間內(nèi)匯集最優(yōu)秀的處置建議,使盡快找到最佳方案成為可能。

2.圖像信息便于記錄和保存,且不失真。無線圖像傳輸?shù)挠涗浄绞绞怯纱艓Щ蛴脖P錄制,具有簡便、快捷、不失真,可隨時(shí)回放以供給后續(xù)人員研究討論等特點(diǎn);而語音通話的記錄則需要整理成文字,不同的語種之間需要翻譯,帶有濃重的個(gè)人判斷色彩,不可避免會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象。前方現(xiàn)場實(shí)況使用無線圖像傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳遞,會(huì)避免因逐級(jí)語言報(bào)告過程中由于人的理解偏差而產(chǎn)生的失真現(xiàn)象。

2 無線圖像傳輸系統(tǒng)組成及原理

2.1 無線圖像傳輸系統(tǒng)的組成

無線圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)備主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線系統(tǒng)三部分組成。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)主要由視頻圖像采集、MPEG圖像編碼、COFDM編碼、加密控制、基帶處理電路、功率放大器、混頻、高放、濾波及電源等部分組成。接收機(jī)系統(tǒng)則由接收天線、信號(hào)放大器、濾波器、控制電路及電源等部分組成。天線系統(tǒng)包括發(fā)射天線及接收天線 2個(gè)部分。

發(fā)射機(jī)端將攝像機(jī)采集到的視頻信號(hào)經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換、視頻采集編碼、加密、COFDM編碼調(diào)制后,再經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換然后上變頻到指定的頻點(diǎn)上,經(jīng)過高頻功率放大后由天線發(fā)射出去。接收端則將高增益的接收天線接收到的信號(hào),送到接收機(jī)進(jìn)行下變頻、COFDM解調(diào)、解密、視頻解碼,然后輸出視頻信號(hào),最后通過監(jiān)控屏幕顯示出來。

2.2 無線圖像傳輸系統(tǒng)工作原理

無線視頻圖像傳輸系統(tǒng)一般由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及天線系統(tǒng)三部分構(gòu)成。其中發(fā)射機(jī)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理、基帶處理和射頻微波等部分組成。發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的工作原理如圖 1所示。

1.數(shù)據(jù)采集處理部分。前端視頻攝像機(jī)采集到的模擬圖像以及模擬音頻信號(hào),經(jīng)過前端 A/D數(shù)字化處理之后,由 DSP/FPGA將數(shù)字信號(hào)編碼壓縮成為 MPEG-2/4或者是H.264格式。包括電腦發(fā)送的 RS-232數(shù)據(jù)或指令,以及 GPS數(shù)據(jù)都可以連同經(jīng)過處理好的數(shù)字視頻信號(hào),一起經(jīng)過TS流復(fù)用器,將前端經(jīng)過壓縮、編碼和復(fù)用后得到的多個(gè)傳輸流,根據(jù)用戶需要合成為一路傳輸流,并送入后續(xù)的基帶處理部分。

圖 1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)的工作原理框圖

2.基帶處理部分。基帶處理部分將對(duì)上述信號(hào)傳輸流進(jìn)行進(jìn)一步的處理,添加抗干擾、抗多徑、糾錯(cuò)、加密等各種附加信息,然后再對(duì)該數(shù)據(jù)流進(jìn)行 COFDM調(diào)制。

3.射頻微波部分。在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中,經(jīng)過基帶處理過的信號(hào),須再次經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過上變頻器、濾波器和高線性功放,最后通過天線發(fā)射出去。

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)寬帶微波傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵,其技術(shù)難點(diǎn)在于,數(shù)據(jù)流經(jīng)過 COFDM調(diào)制和 D/A轉(zhuǎn)換后,需要在指定帶寬上,特別是在微波寬頻段上實(shí)現(xiàn)混頻和濾波。因此對(duì)混頻器和濾波器的性能有較高的要求,尤其對(duì)其后端的功率放大器的平坦度有極高要求。相對(duì)于無線視頻圖像傳輸系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)而言,接收機(jī)系統(tǒng)由于是小功率系統(tǒng),又因?yàn)槠浔菊窨梢允屈c(diǎn)頻,所以相對(duì)簡單。接收機(jī)系統(tǒng)先將微波信號(hào)經(jīng)過下變頻和 A/D轉(zhuǎn)換,使信號(hào)成為 36 MHz/70 MHz的中頻載波,后端再用 DSP/FPGA直接對(duì) 36MHz/70 MHz的中頻載波進(jìn)行處理,從而將視頻圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成監(jiān)控器可讀的普通視頻信號(hào)。

3 無線圖像傳輸系統(tǒng)應(yīng)用

在無線視頻圖像傳輸整體系統(tǒng)當(dāng)中,發(fā)射機(jī)系統(tǒng)無疑是最為重要的一個(gè)組成部分,而發(fā)射機(jī)的射頻微波部分毫無疑問又是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵,也是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上難度最高的一環(huán)。由發(fā)射機(jī)的工作原理可知,射頻微波部分主要由功率放大器、濾波器和上變頻器組成,這些微波器件決定了發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作的頻段范圍和工作帶寬。根據(jù)有關(guān)單位的要求,應(yīng)急系統(tǒng)多用于 300～400 MHz之間的頻段上,工作帶寬多為 8 MHz,把工作在較低頻段上的窄帶寬無線圖像傳輸系統(tǒng)稱之為“通用無線圖像傳輸系統(tǒng)”,可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的視頻傳輸,具備實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能。它使得監(jiān)控指揮和協(xié)同成為可能,可廣泛應(yīng)用于鐵路應(yīng)急、油田大規(guī)模聯(lián)防監(jiān)控、電力系統(tǒng)大規(guī)模搶修、森林防火等復(fù)雜條件下的應(yīng)用場合。

在進(jìn)行鐵路應(yīng)急救援時(shí),在突發(fā)事件現(xiàn)場,通過身背的單兵發(fā)射機(jī),將圖像發(fā)射到綜合接入平臺(tái)或者身后的通信指揮車上,把前方各路傳回的圖像、數(shù)據(jù)、語音實(shí)時(shí)地傳到指揮中心。系統(tǒng)傳回的現(xiàn)場多路圖像,幾乎覆蓋現(xiàn)場范圍每一個(gè)場景。在應(yīng)急指揮端,主管部門領(lǐng)導(dǎo)可以坐在指揮中心,直接看到各區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況,如親臨其境,真正做到監(jiān)管到位,從而可以及時(shí)了解重大事件現(xiàn)場實(shí)況,并進(jìn)一步做出準(zhǔn)確的分析判斷,提高決策系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確性,增強(qiáng)快速反應(yīng)能力、指揮能力和突發(fā)事件的處置能力。

4 總結(jié)

基于 COFDM技術(shù)的無線圖像傳輸系統(tǒng),通過先進(jìn)的無線傳輸技術(shù),為鐵路應(yīng)急指揮系統(tǒng)提供了可靠的無線傳輸通道,由此來保障鐵路的安全運(yùn)行。

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(責(zé)任編輯:張 利)