白龍江 王 磊 劉苗輝

（91550部隊(duì)95分隊(duì) 大連 116023)

1 引言

隨著我軍武器裝備的不斷發(fā)展，對海上靶場綜合試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁叩囊?。不但要求具有全程、全天候和高精度測量控制能力，還要求具備可視化指揮和可視化信息處理等綜合試驗(yàn)?zāi)芰?。建設(shè)靶船實(shí)況觀測系統(tǒng)，可以將視頻圖像及時傳送試驗(yàn)指揮控制中心。其目的是：用于可視化指揮；用于直觀、有效地快速檢靶，以利于快速得出試驗(yàn)初步結(jié)論；可觀察導(dǎo)彈在靶船前和靶船后的飛行狀態(tài)，用于武器性能的技術(shù)分析。

視頻圖像傳輸是整個系統(tǒng)的重要組成部分，也是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，決定了整個系統(tǒng)建設(shè)的成敗，在海面環(huán)境下，選擇有效、合理，具有較高可靠性的圖像傳輸技術(shù)方案是非常重要的。

2 視頻圖像傳輸環(huán)境分析

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

1)視頻圖像傳輸距離大于××公里；

2)圖像標(biāo)準(zhǔn) MPEG－2；

3)視頻圖像傳輸帶寬大于2M；

4)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的安全性和可靠性。

2.2 海上傳輸環(huán)境分析

視頻圖像傳輸技術(shù)是靶船實(shí)況觀測系統(tǒng)建設(shè)中的難點(diǎn)，而圖像微波信號傳輸最嚴(yán)酷的路徑是跨越海面。多徑反射造成的電波隨機(jī)衰落十分嚴(yán)重，當(dāng)傳輸帶寬較寬時更容易出現(xiàn)頻率選擇性衰落，海面易出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。這些因素都是靶船圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的障礙。

在實(shí)際使用中，由于海上客觀條件的限制，視頻信號在傳輸過程中受到諸多因素的影響，主要有：

1)發(fā)射端天線高度較低，跨海傳播時，視頻信號的多路徑效應(yīng)影響較大；

2)海水對電磁波的吸收較為明顯，導(dǎo)致視頻信號衰減較大；

3)海面電磁環(huán)境復(fù)雜，民用頻道干擾嚴(yán)重；

4)海上武器試驗(yàn)對保密性要求較高。

3 圖像傳輸設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為克服上述因素對視頻信號傳輸質(zhì)量的影響，在視頻圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，進(jìn)行以下信道調(diào)制技術(shù)選擇以及相關(guān)計(jì)算。

3.1 2CPFSK信道編碼的選擇

信道編碼可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，解決可靠性（抗干擾)問題。加入檢錯糾錯功能，可降低傳輸中的誤碼率。誤碼的處理技術(shù)有糾錯、交織、線性內(nèi)插等。常見的信道編碼方式有：QPSK（相移鍵控調(diào)制)、QAM（正交幅度調(diào)制)、VSB（殘留邊帶調(diào)制)、COFDM（多載波頻分復(fù)用調(diào)制)等。

對不同的信號傳輸方式可以采取不同的信道編碼，數(shù)字衛(wèi)星廣播要求傳輸信道的信噪比低，常采用正交相移鍵控調(diào)制（QPSK)；地面無線發(fā)射的數(shù)字電視廣播多采用殘留邊帶調(diào)制（VSB)和編碼正交頻分調(diào)制（COFDM)，VSB抗多徑傳播效應(yīng)好（即消除重影效果好)，COFDM抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好。地面HFC網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視廣播多采用正交幅度調(diào)制（QAM)，此方式調(diào)制效率高，但是對傳輸信道的信噪比要求較高，在海上的電磁環(huán)境下難以保證。

系統(tǒng)要求圖像為 MPEG－2圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，信息傳輸速率2Mbps，信道傳輸信息速率較高，設(shè)計(jì)宜選用頻帶利用率高、帶外衰減快、對非線性不敏感的調(diào)制方式。

綜上所述，采用2CPFSK（連續(xù)相位頻移鍵控)調(diào)制方式可以適合本系統(tǒng)信道要求。2CPFSK屬于QPSK的改進(jìn)調(diào)制方式，2CPFSK調(diào)制具有以下幾個特點(diǎn)：信號的調(diào)制包絡(luò)恒定；具有較好的頻帶功率利用率；具有潛在的二重頻率分集作用，因此具有較好的抗多徑衰落性能；受信道非線性影響小，抗限幅能力強(qiáng)；調(diào)制解調(diào)器簡單，設(shè)備體積、重量小，更適合機(jī)動設(shè)備。

基于以上特點(diǎn)，采用2CPFSK作為本系統(tǒng)信道編碼調(diào)制方式。

3.2 鏈路參數(shù)計(jì)算

3.2.1 無線電視距

圖像傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路屬微波視距通信，其作用距離應(yīng)在無線電視距范圍內(nèi)。按照標(biāo)準(zhǔn)大氣折射來計(jì)算（K＝4/3)，則視線傳播距離公式為

式中：h1、h2為天線高度，單位m；d0為視線距離，單位km。

表1給出地面天線不同高度時，岸－船圖像傳輸時所對應(yīng)的最大視線距離。

表1 視線距離

由此可見當(dāng)?shù)孛嫣炀€高度大于xx米，船載天線高度x米時，地面到船載的視線距離可以達(dá)到最遠(yuǎn)工作距離xx公里。

3.2.2 接收機(jī)靈敏度的選擇

對于數(shù)字通信系統(tǒng)，通信質(zhì)量是用系統(tǒng)誤碼性能來衡量的。信道采用了1/2卷積編碼，Viterbi譯碼措施，接收端在鑒頻器輸入載噪比C/N超過門閾電平后，采用軟判決，編碼增益為5dB。信道采用相位連續(xù)的2CPFSK調(diào)制體制。

根據(jù)公式，折合到接收機(jī)輸入端的噪聲功率N為

式中：K 是波爾茲曼常數(shù)；T噪聲溫度；B等效帶聲帶寬；NF噪聲系數(shù)。2CPFSK在調(diào)制指數(shù)h＝0.715時，B·T＝1.1。則B＝1.1/T＝1.1fm，其中fm為調(diào)制碼速率。

接收機(jī)的接收功率是由折合到接收機(jī)輸入端的噪聲功率N和解調(diào)器對C/N要求決定的，因此接收機(jī)靈敏度Pr為

式中：C/N為解調(diào)器輸入載噪比

其中：Eb/N0為歸一化比特信噪比；G為信道編碼增益；R為信道編碼速率。

為了降低設(shè)備的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)時采用了普通的非相干解調(diào)器，在C/N 為8dB時鑒頻器可以正常工作。根據(jù)2CPFSK非相干解調(diào)誤碼率與Eb/N0對應(yīng)的曲線，可以得到：1×10－6誤碼率對應(yīng)Eb/N0為18dB，由此計(jì)算出接收機(jī)靈敏度見表2。

表2 接收機(jī)靈敏度計(jì)算表

3.2.3 鏈路的電平分配

空間傳播損耗的計(jì)算，公式如下：

其中：f工作頻率（MHz)d作用距離（km)

按f＝xxxx MHz，d＝xxkm計(jì)算，此時海面?zhèn)鞑ヂ窂綋p耗Lp＝xxxdB

傳輸鏈路的電平分配表 （略)。

3.3 系統(tǒng)衰落概率計(jì)算

對于2Mbps碼速率的數(shù)字微波系統(tǒng)，系統(tǒng)中斷主要由電波衰落時的熱噪聲引起的。系統(tǒng)瞬時中斷率和衰落儲備的關(guān)系為

其中：Fd：平衰落深度；f：工作頻率（GHz)；d：傳播距離（km)；C：與地形有關(guān)的因數(shù)；K：與氣象條件有關(guān)的因數(shù)。

A、B、K：常數(shù)，各國取值不一樣，對于跨海鏈路，取KC＝2.63×10－6，A ＝1，B ＝3.2當(dāng) 衰 落 儲 備 量Fd ＝16.7dB，由式（4)可以計(jì)算出系統(tǒng)瞬時中斷率Pd ＝0.0057。此時通信傳輸無誤碼率時間概率P＝1－Pd＝0.9943（BER ≤10－6)。

4 抗多徑傳輸?shù)钠渌夹g(shù)

圖像傳輸系統(tǒng)視距鏈路在海上應(yīng)用，多徑衰落現(xiàn)像更加明顯，同時還與天線架設(shè)高度等因素有關(guān)，在多徑衰落最深的地方，可能造成無線電信號傳輸質(zhì)量變差或者短時中斷。為了保證系統(tǒng)試驗(yàn)任務(wù)的全過程中信號質(zhì)量處于良好狀態(tài)，提高傳輸?shù)目煽啃裕仨毺岣咝盘柕碾娖絻?，才能保證作用距離范圍內(nèi)信號傳輸質(zhì)量。對付多徑衰落靠單純提高發(fā)射功率的辦法是不經(jīng)濟(jì)的。最有效的方法是采用分集接收，它可以大大減小深衰落出現(xiàn)的概率，從而節(jié)省衰落儲備。

為了減小多徑衰落的影響，并結(jié)合以往工程的經(jīng)驗(yàn)，還可以采取以下幾種措施：

1)在滿足使用要求的前提下，盡量使接收天線波束變窄，提高系統(tǒng)電平儲備。

2)收天線具有0.5°以上的仰角，有利于避免衰落的影響。

3)收、發(fā)天線采用圓極化方式，抑制多徑信號的影響。

4)在系統(tǒng)作用距離內(nèi)，合理選擇收、發(fā)天線的高度，減少反射點(diǎn)反射到接收點(diǎn)的信號電平。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 系統(tǒng)概述

靶船實(shí)況觀測系統(tǒng)包括全景相機(jī)過靶實(shí)況觀測、常規(guī)相機(jī)過靶實(shí)況觀測分系統(tǒng)和視頻圖像傳輸三個部分。

全景相機(jī)過靶實(shí)況觀測部分主要由全景視覺取景分系統(tǒng)和視頻數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)通訊分系統(tǒng)等組成；常規(guī)相機(jī)過靶實(shí)況觀測系統(tǒng)則由地面站控制與顯示系統(tǒng)、靶載圖像采集與記錄系統(tǒng)、控制軟件系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成；視頻圖像傳輸系統(tǒng)由船載無線傳輸發(fā)射設(shè)備、地面無線傳輸接收設(shè)備組成。

在武器試驗(yàn)中，靶船設(shè)備對視頻圖像采集與處理，經(jīng)過海上無線電傳輸、岸站接收處理，然后經(jīng)陸上光纖網(wǎng)傳輸至指揮控制中心，如圖1所示。

圖1 靶船實(shí)況傳輸示意圖

5.2 圖像傳輸系統(tǒng)組成

圖像傳輸系統(tǒng)由船載發(fā)射設(shè)備、地面接收設(shè)備兩部分組成。

1)船載發(fā)射設(shè)備包括圖像壓縮編碼器、加密設(shè)備（保密機(jī))、信道編碼器、發(fā)射調(diào)制器、功率放大器、發(fā)射天線和電源組成，如圖2所示。

圖2 船載發(fā)射設(shè)備組成框圖

2)地面接收設(shè)備包括接收天線、高頻頭、圖像接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、信道解碼器、解密設(shè)備（保密機(jī))、圖像解碼器等組成，如圖3所示。

圖3 地面接收設(shè)備組成框圖

5.3 信道的編碼、解碼過程

信道編碼的功能是對經(jīng)過加密的圖像信號進(jìn)行卷積編碼。因?yàn)樾诺纻鬏攬D像序列信息速率較高，信道電平比較緊張，海上無線信道誤碼率較高，必須采取差錯控制措施。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，利用糾錯碼進(jìn)行差錯控制的方式有反饋重傳、前向糾錯和混合糾錯等幾種。其中，反饋重傳和混合糾錯方式均需要反饋信道，要求發(fā)端重傳出錯的數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。圖像傳輸系統(tǒng)是實(shí)時采集連續(xù)不斷傳輸?shù)?，在工作期間，一直有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生和傳輸，不宜重傳出錯的數(shù)據(jù)。因此，建議采取前向糾錯方式。

按照糾錯碼對信息元處理方式的不同，前向糾錯可分為分組碼和卷積碼，在圖像傳輸系統(tǒng)中使用卷積碼是比較好的選擇。應(yīng)用卷積編碼、維特比譯碼算法的最大似然譯碼有很多優(yōu)點(diǎn)。它能使設(shè)備大大簡化同時又能得到最大似然譯碼的全部優(yōu)點(diǎn)。采用軟判決譯碼時，可獲得約5dB的編碼增益。當(dāng)碼的約束長度較短時，譯碼器很簡單，且可以工作于較高的數(shù)據(jù)速率。

現(xiàn)在卷積碼的譯碼主要采用維特比譯碼算法。當(dāng)數(shù)據(jù)速率較低時，用軟件即可實(shí)現(xiàn)，而且有可工作于較高數(shù)據(jù)速率的成熟集成電路可供使用。本系統(tǒng)采用約束長度為7、編碼效率為1/2的卷積糾錯碼，收端采用維特比譯碼。在3比特軟判決譯碼條件下，理論上比未編碼可獲得約5dB的編碼增益。

信道解碼主要由位同步提取和維特比譯碼兩部分組成，其組成框圖如圖4所示。由接收機(jī)送來的基帶數(shù)據(jù)首先經(jīng)過整形電路，整形后的數(shù)據(jù)送位同步提取環(huán)路。位同步提取電路采用全數(shù)字鎖相環(huán)，位同步環(huán)輸出的位同步信號送維特比譯碼器。

圖4 信道解碼組成框圖

對R＝1/2，K＝7的卷積碼采用維特比譯碼，在BER＝10－5時的編碼增益約5dB。維特比譯碼器采用Q1900K芯片完成，這是一片大規(guī)模單片集成電路，使用簡單。它需要輸入波特時鐘、數(shù)據(jù)時鐘及接收數(shù)據(jù)，輸出是解碼后數(shù)據(jù)和時鐘。

6 結(jié)語

為了克服海面多徑反射造成的電波隨機(jī)衰落以及頻率選擇性衰落和海面易出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，保障傳輸指標(biāo)的要求，海上視頻圖像傳輸應(yīng)當(dāng)選擇合理的信道編碼體制，并進(jìn)行正確的鏈路參數(shù)計(jì)算；還可以考慮采用天線圓極化方式、空間分集、頻率分集等技術(shù)手段，以保證視頻圖像在海上傳輸?shù)闹笜?biāo)和可靠性。

通過實(shí)踐證明：在海上環(huán)境采用2CPFSK信道編碼技術(shù)，傳輸誤碼率低、可靠性高，具有較高的抗干擾性和保密性，完全滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求。

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