無人機(jī)數(shù)字視頻圖像傳輸技術(shù)

蔣文豐,萬永倫

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著越來越重要的角色。與有人駕駛飛機(jī)相比,無人機(jī)可以做大過載機(jī)動(dòng),不受限制地改變飛行姿態(tài),具有較好的隱身性,深入敵后危險(xiǎn)地帶不用擔(dān)心人員傷亡問題[1]。無人機(jī)投入作戰(zhàn)使用的最大優(yōu)勢(shì)一直體現(xiàn)在情報(bào)偵察上,視頻圖像信號(hào)是無人機(jī)的主要偵察信息[2],也是無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分。目前國內(nèi)外大多數(shù)無人機(jī)視頻圖像傳輸系統(tǒng)采用模擬方式,該方式易受復(fù)雜環(huán)境干擾,而數(shù)字傳輸抗干擾能力強(qiáng),圖像傳輸質(zhì)量不易受環(huán)境干擾,加密方便,保密性高,便于集成化且易于與外界直接通信[3],更適合于無人機(jī)視頻圖像傳輸。本文研究了無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)字視頻圖像傳輸系統(tǒng)中固定速率圖像編碼數(shù)據(jù)在信道編碼器中的處理過程。

2 視頻圖像的數(shù)字化傳輸方案

無人機(jī)數(shù)字視頻圖像傳輸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,機(jī)載攝像機(jī)獲取高質(zhì)量的視頻信號(hào),經(jīng)預(yù)處理和圖像編碼,送往無線通信系統(tǒng),對(duì)圖像編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼后送往調(diào)制器,通過信道變頻放大處理,由天線完成發(fā)射。接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相反的過程,最終在顯示器上顯示視頻信息。

由于復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境存在強(qiáng)電磁干擾、噪聲及障礙物等,無人機(jī)無線信道誤碼率高,故需對(duì)編碼后圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼,使其可靠傳輸。CCSDS(The Consultative Committee for Space Data Systems)標(biāo)準(zhǔn)給出了能有效提高無線鏈路傳輸可靠性的編碼體制,標(biāo)準(zhǔn)中推薦了采用RS(255,223)編碼和卷積編碼級(jí)聯(lián)的數(shù)據(jù)編碼方案[4]。在標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定了RS編碼的交織深度可選擇為I=1,2,3,4,5,其中1表示無交織,I越大糾錯(cuò)能力越強(qiáng),但是相應(yīng)的系統(tǒng)越復(fù)雜,占用的資源越多,I=4是目前大多數(shù)無線通信系統(tǒng)常用的設(shè)置[5]。

圖1 無人機(jī)數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)Fig.1 Digital video image transmission system for the UAV

本文將要討論的基于RS+卷積級(jí)聯(lián)編碼數(shù)字圖像傳輸方案如圖2所示。首先對(duì)圖像編碼數(shù)據(jù)緩存,然后按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、補(bǔ)零后進(jìn)行RS編碼,編碼數(shù)據(jù)剔除補(bǔ)零位,將原始數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)重新組合成幀,新數(shù)據(jù)幀插入幀頭后進(jìn)入下一步處理。由于RS編碼是以字節(jié)為單位,因此需要進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換,并串轉(zhuǎn)換后的bit信息流進(jìn)入卷積編碼。RS+卷積級(jí)聯(lián)編碼體制能在低仰角及遇到信道突發(fā)衰落時(shí)顯著改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,這給傳輸系統(tǒng)及地面設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來了高度的靈活性。

圖2 信道編碼處理過程Fig.2 Schematic diagram of the channel encoding

3 數(shù)字系統(tǒng)速率匹配

由于RS是塊編碼體制,要想譯碼必須找到編碼數(shù)據(jù)塊的起始和終止位,對(duì)RS編碼后數(shù)據(jù)進(jìn)行幀頭信息的插入是為了在接收端定位編碼數(shù)據(jù)塊。接收系統(tǒng)搜索卷積譯碼器的輸出數(shù)據(jù)流來判定幀頭,以定位編碼塊數(shù)據(jù)。由于信道誤碼的存在,接收系統(tǒng)有一定的概率漏檢測(cè)幀頭信息,漏檢測(cè)幀頭信息會(huì)導(dǎo)致整幀數(shù)據(jù)的丟失,此時(shí)系統(tǒng)誤碼率要大于漏檢測(cè)幀頭信息概率。假設(shè)信道誤碼率為P,幀頭的長(zhǎng)度為M(以字節(jié)為單位),那么漏檢測(cè)幀頭信息概率η=1-(1-P)8M。表1給出了幾組映射關(guān)系,從中可以看出漏檢測(cè)幀頭信息概率比信道誤碼率高一個(gè)數(shù)量級(jí),使得RS編碼獲得的增益無法得到,需要一種能夠在幀頭信息位出錯(cuò)時(shí)能正常定位編碼數(shù)據(jù)塊的機(jī)制。

表1 η與信道誤碼率P和幀頭長(zhǎng)度M的關(guān)系Table 1 The relationship between ηand P,M

3.1 幀同步環(huán)

由上面的分析可知,如果只采用檢測(cè)幀頭信息的方法來定位RS編碼塊數(shù)據(jù),漏檢測(cè)幀頭信息會(huì)丟失整幀數(shù)據(jù)。當(dāng)幀數(shù)據(jù)中有幀頭信息或者由于誤碼導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤的幀頭信息時(shí),單純的檢測(cè)幀頭信息的方法也會(huì)造成錯(cuò)誤,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。這里定義正確檢測(cè)到幀頭信息為真同步,檢測(cè)到錯(cuò)誤的幀頭信息(包括檢測(cè)到數(shù)據(jù)中的幀頭信息和誤碼產(chǎn)生的幀頭信息)為假同步,而漏檢測(cè)幀頭信息為漏同步。

為了對(duì)抗假同步和漏同步,正確地定位RS編碼塊數(shù)據(jù),本文設(shè)計(jì)了一種能有效識(shí)別真同步、假同步和漏同步3種情況的幀同步環(huán)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作模式有4種:搜索、捕獲驗(yàn)證、鎖定和保持鎖定。幀同步器最初處于搜索狀態(tài),這時(shí)觸發(fā)器D1的輸出為高電平,Q為低電平。當(dāng)幀頭檢測(cè)器檢測(cè)到幀頭信息輸出第一個(gè)同步指示信號(hào)時(shí),幀同步環(huán)初始化進(jìn)入捕獲驗(yàn)證狀態(tài)。捕獲驗(yàn)證的目的是鑒定識(shí)別器輸出的第一個(gè)同步指示的真假。鑒定的依據(jù)是:真同步具有固定的周期,而假同步?jīng)]有。如果鑒定結(jié)果為真,幀同步環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài),反之回到搜索狀態(tài)。識(shí)別器輸出的第一個(gè)同步指示使幀同步計(jì)數(shù)器歸零,然后將幀同步計(jì)數(shù)器的輸出與識(shí)別器輸出相與,若同步指示為真,則與門C有輸出。但考慮到噪聲的影響,在為真的情況下,不一定每幀都有輸出;同理,在為假的情況下,不一定每幀都無輸出,所以要連續(xù)監(jiān)視K-1幀,其間如果同步指示為真的個(gè)數(shù)大于等于m-1(K≥m),則幀同步環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

圖3 幀同步環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the frame synchronization loop

電路的具體工作過程為:第一個(gè)同步指示通過與門B使幀同步計(jì)數(shù)器歸零,同時(shí)觸發(fā)D2,其Q端輸出上升沿使K-1計(jì)數(shù)器、m-1計(jì)數(shù)器歸零,同時(shí)關(guān)閉B門,此時(shí)幀同步環(huán)進(jìn)入捕獲驗(yàn)證狀態(tài)。幀同步計(jì)數(shù)器輸出周期性的脈沖信號(hào),與識(shí)別器輸出的同步指示在與門C中相與[6]。如果在K-1計(jì)數(shù)器記滿之前m-1計(jì)數(shù)器先記滿,表示符合鎖定條件,這時(shí)m-1計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)使D1翻轉(zhuǎn),幀同步環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài),幀同步脈沖輸出;如果在K-1幀內(nèi)m-1計(jì)數(shù)器無輸出,表示不符合鎖定條件,K-1計(jì)數(shù)器輸出使觸發(fā)器D2復(fù)位,幀同步器又回到搜索狀態(tài)。進(jìn)入鎖定狀態(tài)后,D1觸發(fā)器輸出為低電平,與門E、G輸出為低,m-1、K-1計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),幀同步環(huán)進(jìn)入保持鎖定狀態(tài),按固定周期輸出幀同步脈沖。在保持鎖定狀態(tài)下,幀同步器需進(jìn)行鎖定保持檢驗(yàn),以便在載波或位同步失鎖時(shí),轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)。檢驗(yàn)鎖定是否繼續(xù)保持由N計(jì)數(shù)器完成,在鎖定狀態(tài)下,當(dāng)與門C無輸出時(shí),表示識(shí)別器漏失同步,N計(jì)數(shù)器即開始計(jì)數(shù),當(dāng)連續(xù)N幀漏失同步時(shí),N計(jì)數(shù)器記滿,輸出信號(hào)使D1、D2觸發(fā)器復(fù)位,幀同步環(huán)重新進(jìn)入搜索狀態(tài)。

幀同步環(huán)的功能是在幀頭信息出錯(cuò)的情況下能夠利用同步脈沖完成編碼數(shù)據(jù)塊的定位,但是它要求輸入的數(shù)據(jù)具有如圖4所示的格式,即任意相鄰的兩幀間不能插入多余數(shù)據(jù)。

圖4 源數(shù)據(jù)流格式Fig.4 The format of the source data

3.2 速率匹配

假設(shè)機(jī)載圖像處理系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)之間的信息傳輸采用8 bit位寬的并行接口,幀長(zhǎng)為L(zhǎng)(字節(jié)),幀頭長(zhǎng)度為M(字節(jié)),讀時(shí)鐘fin由無線傳輸系統(tǒng)提供,無線傳輸系統(tǒng)工作時(shí)鐘為fsys,卷積編碼采用(7,1/2),那么系統(tǒng)最終的圖像傳輸比特流數(shù)據(jù)率為

由于視頻圖像的數(shù)據(jù)量大,而且實(shí)時(shí)性要求高,RS+卷積編碼工作一般采用FPGA實(shí)現(xiàn),在FPGA數(shù)字系統(tǒng)中fout由DDS產(chǎn)生,對(duì)于32位的DDS有:

式中,φ為相位因子, fout為數(shù)字系統(tǒng)通過DDS產(chǎn)生的時(shí)鐘,?·」為下取整符號(hào)。由于 φ是整數(shù),不能保證 fout=fout,一般情況下都有 foutfout,此時(shí)要求在數(shù)據(jù)不足時(shí)插入廢幀,以保證幀同步環(huán)的數(shù)據(jù)流要求。插入廢幀要求底層協(xié)議做重復(fù)幀丟幀處理,這除了會(huì)造成系統(tǒng)不兼容的問題外,還會(huì)引入延時(shí),嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖像停頓的現(xiàn)象。按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于一個(gè)252 byte的編碼數(shù)據(jù)塊,在I=4時(shí),252 byte數(shù)據(jù)被分為四路數(shù)據(jù),每路數(shù)據(jù)補(bǔ)0后形成223 byte數(shù)據(jù)幀進(jìn)入編碼器,編碼器后面的電路抽取每路前63 byte源數(shù)據(jù)和后32 byte效驗(yàn)數(shù)據(jù)形成380 byte數(shù)據(jù),此380 byte數(shù)據(jù)加上幀頭(一般為4 byte)一共384 byte。如果在5MHz帶寬的系統(tǒng)中傳輸,會(huì)帶來1.23ms的延時(shí);在1MHz帶寬的系統(tǒng)中傳輸,會(huì)帶來6.15ms的延時(shí)。

從系統(tǒng)兼容性和減少延時(shí)的角度看,插入廢幀是不允許的,需要一種能進(jìn)行速率匹配的機(jī)制。由于圖像數(shù)據(jù)速率恒定,圖2中緩存模塊之前的數(shù)據(jù)流也應(yīng)該速率恒定,盡管RS編碼后數(shù)據(jù)對(duì)緩存模塊的寫入是按塊突發(fā)寫入的,但是相鄰兩塊之間寫入的時(shí)間間隔是恒定的,而緩存模塊數(shù)據(jù)的讀取時(shí)鐘為 fout/16,因此可以在每次突發(fā)寫緩存時(shí)獲取緩存中剩余數(shù)據(jù)量N來判斷 fout與 fout之間的大小關(guān)系。如果N持續(xù)下降,表示 fout>fout,為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性,將φ修改為φ-1,降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率,N的下限為「L×8×4/(φ+1)?bit(「·?為上取整符號(hào)),此下限保證下一次判決前,不會(huì)因?yàn)?φ=φ+1而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不足。當(dāng) φ=φ-1時(shí),N會(huì)持續(xù)增加,需要給出一個(gè)上限,否則緩存會(huì)溢出,同時(shí)出現(xiàn)圖像延時(shí)和丟幀。假設(shè)fsys=60MHz,φ在±1間的變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)送頻率 fsys×2/232≈0.0294 Hz的變化,這個(gè)頻率跳變不會(huì)給接收系統(tǒng)的位環(huán)帶來大的影響,實(shí)際上可以通過DDS產(chǎn)生 fout的倍數(shù)頻率,通過分頻得到 fout,這樣可以得到更小的跳變頻率。可以計(jì)算出大約每272.12 s(1×8/0.0294=272.12),由頻率因子 φ的變化引起發(fā)送數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)的變化,因此N的上限比下限多一個(gè)字節(jié)不會(huì)引起頻率的頻繁跳變,而且不會(huì)帶來明顯的傳輸延時(shí)。

4 測(cè)試分析

定義N的上下限差值為數(shù)據(jù)變化容量,圖5是數(shù)據(jù)變化容量為5個(gè)字節(jié)時(shí),系統(tǒng)在8 h內(nèi)緩存模塊剩余數(shù)據(jù)量N的變動(dòng)情況。從圖中可看出變化對(duì)N的影響。此系統(tǒng)在數(shù)據(jù)率為5.12Mbit/s、信號(hào)強(qiáng)度為-102dBm時(shí),實(shí)測(cè)系統(tǒng)誤碼率為5×10-7,能滿足大部分無線圖像傳輸系統(tǒng)的要求。目前,采用該方案的圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)備已成功運(yùn)用在某型浮空器和兩種無人直升機(jī)系統(tǒng)上,已完成試飛。

圖5 剩余數(shù)據(jù)量N變化過程Fig 5 The change process of the remained data quantity N

上面討論的系統(tǒng)由無線傳輸系統(tǒng)提供讀時(shí)鐘fin給圖像處理系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)可以很方便地計(jì)算出 φ-1和 φ+1,但是在很多系統(tǒng)中fin由圖像處理系統(tǒng)提供,大部分情況下圖像處理系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)是不相關(guān)的,此種情況下需要一種自校正系統(tǒng)來捕獲φ-1和φ+1。圖6給出了一種捕獲方法的流程圖。

圖6 自校正捕獲過程Fig.6 The process of self-revising and capturing

自校正捕獲過程首先完成初值設(shè)置和系統(tǒng)初始化,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到緩存中剩余數(shù)據(jù)量N變大時(shí),設(shè)置up-flag為true,并修改 φ為φ+1;相反,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到緩存中剩余數(shù)據(jù)量N變小時(shí),設(shè)置down-flag為true,并修改 φ為φ-1。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到N的變化狀態(tài)發(fā)生突變時(shí),系統(tǒng)完成捕獲,并由當(dāng)前的 φ計(jì)算出φ-1和 φ+1。

5 結(jié)束語

中、高速無線通信系統(tǒng)中一般采用FPGA處理編譯碼,此時(shí)會(huì)碰到碼速率的轉(zhuǎn)換問題,由于FPGA數(shù)字系統(tǒng)的離散特性,精確的匹配時(shí)鐘很難辦到。當(dāng)源數(shù)據(jù)中允許插入無效數(shù)據(jù)時(shí),不需要進(jìn)行速率匹配;當(dāng)源數(shù)據(jù)為連續(xù)數(shù)據(jù)流,且不允許中斷和插入無效數(shù)據(jù)時(shí),就需要進(jìn)行速率匹配。本文針對(duì)CCSDS標(biāo)準(zhǔn)下的RS+卷積級(jí)聯(lián)編碼傳輸體制,分析了其速率匹配問題,提出了相應(yīng)的解決方法。實(shí)踐證明,該方法可以有效地解決用FPGA實(shí)現(xiàn)RS+卷積級(jí)聯(lián)編碼的速率匹配問題,是一種可行的系統(tǒng)方案。

[1] 姚如貴.無人機(jī)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)鏈中Turbo-OFDM技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2006.YAO Ru-gui.Research on Turbo-OFDM Technology for UAV System in High Speed Data Link[D].Xi′an:Northwestern Polytechnical University,2006.(in Chinese)

[2] 崔麥會(huì),周建軍,陳超.無人機(jī)視頻情報(bào)的壓縮傳輸技術(shù)[J].電訊技術(shù),2007,47(1):131-133.CUI Mai-hui,ZHOU Jian-jun,CHEN Chao.Compression Transmission Technology of UAV Video Intelligence[J].Telecommunication Engineering,2007,47(1):131-133.(in Chinese)

[3] 高珍,鄧甲昊,孫驥,等.微型無人機(jī)圖像無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào),2007,25(16):68-72.GAO Zhen,DENG Jia-hao,SUN Ji,et al.Progress and Current State of Image Wireless Transmission System for MUAV and ItsKey Technologies[J].Science&Technology Review,2007,25(16):68-72.(in Chinese)

[4] CCSDS 131.0-B-1,CCSDS Recommendation for TM Synchronization and Channel Coding[S].

[5] 朱愛軍,郎宏山,武震東.RS編碼與卷積編碼級(jí)連在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].遙感信息,2007(1):47-52.ZHU Ai-jun,LANG Hong-shan,WU zhen-dong.An Analysis on Specification of Remote Sensing Satellite Transmission Channel Coding Adopting Reed-Solomon and Convolutional Coding[J].Remote Sensing Information,2007(1):47-52.(in Chinese)

[6] 陳玲,任重,夏俊.綜合基帶遙測(cè)單元信號(hào)同步的實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù),2001,41(2):16-18.CHEN Ling,REN Zhong,XIA Jun.Synthetical Baseband Remote Cell Signal Synchronous Realization[J].Telecommunication Engineering,2001,41(2):16-18.(in Chinese)