一種通用小型彈載圖像遙測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

吳江波，韓 杰，劉建梁

一種通用小型彈載圖像遙測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

（天津訊聯(lián)科技有限公司 天津 300000）

彈載遙測(cè)設(shè)備是導(dǎo)彈研制階段的重要參數(shù)測(cè)量設(shè)備，中小型導(dǎo)彈通常給遙測(cè)設(shè)備可使用空間比較狹小。目前，國(guó)內(nèi)某小型導(dǎo)彈遙測(cè)設(shè)備指標(biāo)提出了10 Mbps碼率、能支持紅外圖像傳輸以及支持波道表在線可編程的要求，傳統(tǒng)遙測(cè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案無(wú)法解決遙測(cè)設(shè)備體積小和功能全的突出矛盾。利用軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想，采用AD9361和FPGA的硬件架構(gòu)，使用了軟件在線可編程技術(shù)、GMSK先進(jìn)調(diào)制技術(shù)、基于FPGA的JPEG2000圖像壓縮技術(shù)和對(duì)稱賦形天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一款集成度高、可靠性好、通用經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)彈載圖像遙測(cè)設(shè)備。通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)表明，彈載遙測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)化了以往復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)，有效降低了彈載遙測(cè)設(shè)備的體積、重量和功耗，高集成度提高了產(chǎn)品可靠性，而且具備可重構(gòu)能力，提高了彈載遙測(cè)設(shè)備的通用性和試驗(yàn)效率，有利于降低研發(fā)成本。

彈載遙測(cè)設(shè)備；GMSK；JPEG2000；FPGA

引言

隨著國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展，彈載遙測(cè)設(shè)備仍然是導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)不可缺少的測(cè)量手段，其可以通過(guò)無(wú)線電技術(shù)獲取飛行試驗(yàn)的寶貴數(shù)據(jù)。對(duì)于一些中小型導(dǎo)彈，如何在狹小的空間內(nèi)獲取到更多導(dǎo)彈飛行參數(shù)是一直令研究人員困擾的難題[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用分立器件設(shè)計(jì)，增加了設(shè)備體積、成本和設(shè)計(jì)難度，降低了采集遙測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)量，傳輸速率得不到提高，同時(shí)由于“一個(gè)型號(hào)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一套遙測(cè)產(chǎn)品”，通用性、兼容性變差，研發(fā)成本和維護(hù)工作量增加，可靠性也得不到保障[2,3]。另外，越來(lái)越多的用戶要求彈載遙測(cè)圖像可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娌@示，這對(duì)帶寬及頻帶利用率提出了更高的要求。

軟件無(wú)線電SDR（Software Defination Radio）的出現(xiàn)很好地解決了這一難題，其采用可配置的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線電傳輸功能。ADI公司推出的AD9361捷變頻收發(fā)器是一款基于SDR架構(gòu)的高性能、高集成度的射頻收發(fā)器件[4,5]，該器件集射頻前端與靈活的混合信號(hào)基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供可以配置的數(shù)字接口，具有高度的可編程性和寬帶能力，尺寸僅為1 cm×1 cm，不需要外部AD、DA、混頻器等器件，從而很大程度上減小了以往遙測(cè)設(shè)備的體積、重量和功耗[6,7]。本文介紹一種基于FPGA和AD9361的軟件無(wú)線電彈載遙測(cè)裝置，采用軟件在線可編程技術(shù)、GMSK調(diào)制技術(shù)、基于FPGA實(shí)現(xiàn)的JPEG2000圖像壓縮技術(shù)、對(duì)稱賦形天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了彈載遙測(cè)數(shù)據(jù)及圖像信息的高速可靠傳輸，不僅簡(jiǎn)化了以往的硬件設(shè)計(jì)，降低了體積、重量和功耗，而且具備可重構(gòu)能力，提高了遙測(cè)設(shè)備的通用性和試驗(yàn)效率，從而降低研發(fā)成本?？梢暬瘜?shí)時(shí)圖像顯示可使用戶直觀看到飛行器與目標(biāo)的相對(duì)位置，近乎無(wú)損的圖像對(duì)用戶事后分析和目標(biāo)特征提取更加有利。

1 彈載遙測(cè)設(shè)備

彈載遙測(cè)設(shè)備在下傳AD采集量和數(shù)字量的同時(shí)，往往需要下傳導(dǎo)引頭圖像信息，而把所有的圖像信息下傳則數(shù)據(jù)量巨大，會(huì)占用較大的傳輸帶寬[8]。目前，主要采用兩種方式降低通信傳輸速率：一種是降低圖像幀率，另外一種是通過(guò)圖像壓縮的方式。而前者會(huì)造成圖像信息的不連續(xù)性，不利于事后分析，后者可通過(guò)圖像解壓縮的方式，將圖像信息還原，保留了圖像信息的連續(xù)性，有利于事后對(duì)圖像的分析。

文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]采用了FPGA與專用圖像壓縮芯片ADV212實(shí)現(xiàn)JPEG2000圖像壓縮功能，而ADV212已經(jīng)停產(chǎn)，后續(xù)產(chǎn)品使用維護(hù)得不到保障，也不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化。實(shí)現(xiàn)圖像壓縮和無(wú)線傳輸功能主要采用ARM+FPGA的設(shè)計(jì)方案[11]。由ARM內(nèi)圖像壓縮硬核完成對(duì)圖像信息的壓縮，F(xiàn)PGA完成數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)功能，表1為兩種實(shí)現(xiàn)方案架構(gòu)對(duì)比。

表1 實(shí)現(xiàn)方案架構(gòu)對(duì)比

基于表1對(duì)比結(jié)果，本文設(shè)計(jì)選擇ZYNQ系列FPGA，在完成基本功能的同時(shí)，又能兼顧小型化，通用化、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 軟件在線可編程實(shí)現(xiàn)框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件在線可編程

傳統(tǒng)軟件的更新維護(hù)需要更新FPGA的代碼進(jìn)行升級(jí)，需要使用下載器到現(xiàn)場(chǎng)更新。而且彈載遙測(cè)設(shè)備一旦整裝，拆卸升級(jí)程序?qū)⒑馁M(fèi)大量的時(shí)間與精力，增加了維護(hù)成本。本設(shè)計(jì)采用一種在線可升級(jí)的方法，通過(guò)上位機(jī)使用UART對(duì)FPGA進(jìn)行在線升級(jí)操作。由上位機(jī)載入升級(jí)BIN文件，通過(guò)UART接口將升級(jí)文件數(shù)據(jù)傳到FPGA，F(xiàn)PGA將接收到數(shù)據(jù)再通過(guò)SPI接口燒寫(xiě)到Flash中，完成升級(jí)操作，如圖１所示。同時(shí)采用MultiBoot技術(shù)，如圖2所示，在更新失敗的情況下FPGA可加載Flash中的備份程序正常啟動(dòng)，確認(rèn)問(wèn)題后可繼續(xù)更新。軟件在線可編程，能在不拆卸遙測(cè)設(shè)備的情況下，使FPGA升級(jí)維護(hù)省時(shí)省力，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)，也消除了彈載遙測(cè)設(shè)備因拆卸帶來(lái)的不確定問(wèn)題。

圖2 MultiBoot技術(shù)配置流程

2.2 GMSK調(diào)制

傳統(tǒng)遙測(cè)通信體制采用PCM-FM方式，調(diào)制指數(shù)一般為0.7～0.75，由于相位不連續(xù)會(huì)造成頻譜擴(kuò)展，頻帶利用率不高[10]。本次設(shè)計(jì)傳輸速率為10 Mbps、調(diào)制指數(shù)為0.5，也就是最小頻移鍵控MSK，其具有傳輸帶寬小、頻譜利用率高的特點(diǎn)，是相位連續(xù)的恒包絡(luò)信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力[13]。同時(shí)在后級(jí)加入高斯脈沖成型濾波，可進(jìn)一步提高頻譜特性[14,15]。

為了比較2FSK和GMSK的調(diào)制性能，建立如圖3所示的2FSK、GMSK調(diào)制仿真系統(tǒng)模型。參數(shù)設(shè)置基本一致，2FSK的高斯白噪聲信道為–3 dB，GMSK的高斯白噪聲通道設(shè)置為–6 dB。頻譜儀仿真結(jié)果如圖4所示。從頻譜儀仿真結(jié)果可以看出：在誤碼率為相同量級(jí)的條件下，GMSK占用的頻帶寬度較小，且GMSK的傳輸環(huán)境的信噪比相較于2FSK低3 dB。

圖3 2FSK、GMSK調(diào)制仿真系統(tǒng)模型

2.3 JPEG2000圖像壓縮

基于FPGA可實(shí)現(xiàn)JPEG2000和H.264的圖像壓縮算法，但H.264是將多張圖像作為一個(gè)圖像組進(jìn)行壓縮，關(guān)鍵幀的傳輸錯(cuò)誤會(huì)影響整個(gè)圖像組的成像質(zhì)量，導(dǎo)致視頻質(zhì)量的下降，存在較大的編碼延時(shí)，隨機(jī)訪問(wèn)的性能較差，無(wú)法從編碼后的數(shù)據(jù)中直接提取特定的某一幀圖像。這對(duì)于隨機(jī)存取和圖像質(zhì)量要求較高的遙測(cè)事后分析是較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)。JPEG2000作為靜態(tài)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，具有更好的成像效果，支持無(wú)損壓縮，同時(shí)提供了感興趣區(qū)域編碼功能。因此，JPEG2000更有利于對(duì)彈載紅外圖像信息特征的事后分析[16,17]。

LVDS圖像采集分辨率為128×128，幀頻50 Hz，位寬14 bits，原始紅外圖像速率為128×128×14×50= 11.468 8 Mbps?；贔PGA實(shí)現(xiàn)的JPEG2000圖像壓縮模塊輸入位寬為16 bits，為了降低壓縮后圖像的損失，輸入的圖像數(shù)據(jù)高8 位采用無(wú)損壓縮，壓縮比約為2∶1；圖像數(shù)據(jù)的低8 位采用有損壓縮，壓縮比為4∶1，圖像信息壓縮后速率約為5 Mbps，CAN接口通信、模擬量采集數(shù)據(jù)傳輸速率按照3 Mbps計(jì)算，空幀填充CCh，滿足指標(biāo)中的10 Mbps傳輸速率。

圖5 共形天線仿真模型

2.4 對(duì)稱賦形天線

為了保證導(dǎo)彈的氣動(dòng)力學(xué)特性，以及地面站能夠可靠接收到彈載遙測(cè)信號(hào)，彈載遙測(cè)天線采用兩個(gè)天線共形安裝到彈體兩側(cè)。艙體簡(jiǎn)化為一個(gè)直徑70 mm，艙體長(zhǎng)度=600 mm的金屬圓柱體，艙體上面開(kāi)金屬凹槽作為天線安裝位置，凹槽位置在艙體中間，以天線不突出載體包絡(luò)為準(zhǔn)，兩個(gè)天線單元在載體周向?qū)ΨQ安裝，如圖5所示。天線仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 天線二維仿真圖

由仿真結(jié)果知，兩天線合成方向圖增益，在工作頻段，在載體尾部（±60°范圍內(nèi)），兩天線合成方向圖增益仿真值≥–3.0 dB，其他方向增益仿真值≥–4.3 dB。

3 實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

基于某型號(hào)以及總結(jié)大部分遙測(cè)產(chǎn)品任務(wù)需求，以下指標(biāo)可以滿足大部分小型化導(dǎo)彈型號(hào)需求。另外總體方案采用模塊化設(shè)計(jì)，可通過(guò)更改采編模塊對(duì)需要的采集量進(jìn)行更改。

a）模擬信號(hào)采集：16路，輸出位數(shù)為8 bit/Sample，量化精度不高于1%；

b）具有LVDS接口，最大傳輸速率為270 Mbps，用于紅外圖像采集；

c）具備1路CAN接口，采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式，通信速率為120 kbps；

d）傳輸體制：PCM-GMSK；

e）碼速率:10 kbps～10 Mbps可調(diào)；

f）尺寸：Φ65 mm×45 mm。

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于AD9361彈載遙測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案如圖7所示。彈載遙測(cè)裝置使用兩片ADS8638，通過(guò)ADS8638采集導(dǎo)彈路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)CAN收發(fā)器和LVDS芯片采集數(shù)字量和彈載圖像信息。在FPGA內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式進(jìn)行PCM流組幀，并且將PCM幀進(jìn)行MSK調(diào)制后發(fā)送到AD9361，由AD9361進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換直接變頻到需要的頻段。由于AD9361輸出功率較低，僅靠AD9361的輸出功率，傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于導(dǎo)彈的飛行距離，因此通過(guò)后級(jí)功率放大模塊將AD9361輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，由天線將信號(hào)無(wú)線傳輸至遙測(cè)地面站解調(diào)。

圖7 基于AD9361彈載遙測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案

3.1.1 模擬量轉(zhuǎn)換電路

模擬量采集電路分為信號(hào)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)調(diào)理電路采用四通道高速運(yùn)放OP482將單端輸入正負(fù)電壓幅度調(diào)整到–10 V～+10 V以內(nèi)，滿足AD芯片輸入范圍要求。

幅度變換電路采用電阻分壓的方式，因后續(xù)需要對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，電阻值的準(zhǔn)確度可不計(jì)算在量化誤差以內(nèi)。運(yùn)算放大器最大偏差約為2 mV，ADS8638的分辨率為12位，在–10 V～+10 V范圍內(nèi)采樣精度約為0.3%，滿足采樣精度的要求。ADS8638采集電路原理如圖8所示。

3.1.2 CAN接口電路

CAN接口通信電路通過(guò)FPGA上的CAN控制器實(shí)現(xiàn)，接口選用TI公司的SN65HVD231。CAN控制器兼容ISO11898-1、CAN2.0A和CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，通信速率達(dá)到1 Mb/s，滿足指標(biāo)要求。CAN通信接口電路原理如圖9所示。

圖8 ADS8638采集電路原理圖

圖9 CAN通信接口電路原理圖

3.1.3 LVDS接口電路

LVDS接口電路主要用于采集彈載導(dǎo)引頭的圖像數(shù)據(jù)，接口芯片采用TI公司的SN65LV1224B，串行通信速率為100 Mbps～660 Mbps，滿足指標(biāo)要求。SN65LV1224B接口電路原理如圖10所示。

圖10 SN65LV1224B接口電路原理圖

3.1.4 功率放大電路

功率放大電路主要由帶通濾波器、驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器、隔離器和功分器組成。功能放大電路框圖如圖11所示。

圖11 功率放大電路框圖

功率放大電路包括了增益溫度補(bǔ)償、增益調(diào)整網(wǎng)絡(luò)、放大鏈路、濾波鏈路、隔離網(wǎng)絡(luò)、功分器和偏置電路。增益溫度補(bǔ)償：為了補(bǔ)償有源放大器件高溫增益低、低溫增益高的特性，加入了溫度補(bǔ)償衰減器；增益調(diào)整網(wǎng)絡(luò)：用來(lái)衰減富余的增益，將末級(jí)放大器推至飽和；濾波鏈路：使用中心頻率為2250.5 MHz，帶寬為100 MHz的介質(zhì)濾波器；放大鏈路：使用增益級(jí)放大器、推動(dòng)級(jí)放大器、末級(jí)放大器組成三級(jí)放大鏈路；隔離網(wǎng)絡(luò)：使用隔離器，對(duì)開(kāi)路、短路保護(hù)；功分器：使用微帶功分，對(duì)通過(guò)隔離器的功率分成兩路輸出；偏執(zhí)電路：對(duì)三級(jí)放大鏈路進(jìn)行供電。

圖12 彈載遙測(cè)裝置GMSK頻譜

3.2 測(cè)試結(jié)果

采集后的數(shù)字量在FPGA內(nèi)進(jìn)行組幀，之后使用DDS進(jìn)行MSK調(diào)制，將調(diào)制后的MSK信號(hào)經(jīng)高斯濾波發(fā)送到AD9361，使用N9020頻譜分析儀測(cè)試，調(diào)制后的輸出頻譜如圖12所示。

設(shè)置地面站參數(shù)，設(shè)置接收頻率為2 250.5 MHz，接收帶寬為18 MHz，解調(diào)模式為FM，碼率為10 Mbps，碼型為NRZ-L，幀長(zhǎng)為125字節(jié)，幀碼組EB90H。確認(rèn)設(shè)置后，碼鎖定、幀鎖定指示燈亮起，表明遙測(cè)通信鏈路正常，滿足遙測(cè)通信要求。對(duì)遙測(cè)地面站接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，第0～12列分別為幀頭EB90H、8字節(jié)時(shí)間碼、1字節(jié)ID號(hào)、2字節(jié)幀計(jì)數(shù)，其他為數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間多次測(cè)試，幀計(jì)數(shù)連續(xù)，不存在數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，遙測(cè)數(shù)據(jù)正常。圖13為對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)提取圖像信息后，分別對(duì)高8位、低8位以及合成后圖像顯示效果。圖14為紅外原始圖像，合成后顯示效果與原始圖像對(duì)比無(wú)差異。其中，合成后圖像與原始圖像像素最大差值為0x14，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試比對(duì)，像素差值均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，這樣利于對(duì)事后圖像進(jìn)行分析和測(cè)試?yán)谩?/p>

圖13 遙測(cè)圖像高8位、低8位、合成效果顯示

圖14 原始圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于AD9361和FPGA硬件架構(gòu)的彈載遙測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量、圖像數(shù)據(jù)的采集和傳輸，并且具有較高的傳輸速率和采樣精度，滿足了小型化、可配置化的需求，目前在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，可靠穩(wěn)定。

基于AD9361和FPGA硬件架構(gòu)的彈載遙測(cè)裝置，顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，減少了分立器件的使用，彈上空間得到充分地利用，高集成度提高了產(chǎn)品的可靠性，軟件可配置提升了產(chǎn)品的研發(fā)效率，大大降低了成本，使得遙測(cè)產(chǎn)品通用化得到提高。AD9361在彈載遙測(cè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of a universal small missile-borne image telemetry equipment

WU Jiangbo, HAN Jie, LIU Jianliang

（Tianjin Xunlian Technology Co., Ltd., Tianjin 300000, China）

The missile-borne telemetry equipment is an important parameter measurement equipment in the missile development stage, small and medium-sized missiles usually have a relatively small space for telemetry equipment. A certain domestic small missile telemetry equipment index puts forward the requirement of 10 Mbps bit rate, which can support infrared image transmission and support the online programming of the channel table. The design scheme of traditional telemetry products cannot solve the prominent contradiction between the small size and full functions of telemetry equipment.Utilize the design idea of software radio,adopting AD9361 and FPGA hardware architecture, using software online programmable technology, GMSK advanced modulation technology, FPGA-based JPEG2000 image compression technology, symmetrical shaped antenna technology to achieve a high integration, good reliability, general economyadvanced missile-borne image telemetry equipment.Tests show that the missile-borne telemetry equipment simplifies the complex hardware design in the past, effectively reduce the size, weight and power consumption of missile-borne telemetry equipment,the high level of integration improves the reliability of products, and has the ability to reconfigure, which improves the versatility and test efficiency of missile-borne telemetry equipment, which is conducive to reducing research and development costs.

Missile-borne telemetry equipment; GMSK; JPEG2000; FPGA

TN98

A

CN11-1780(2022)05-0074-08

10.12347/j.ycyk.20211015001

吳江波, 韓杰, 劉建梁.一種通用小型彈載圖像遙測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(5): 74–81.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211015001

: WU Jiangbo, HAN Jie, LIU Jianliang. Design of a universal small missile-borne image telemetry equipment[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 74–81.

2021-10-15

2022-02-07

吳江波 1987年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈及自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

韓 杰 1986年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈及自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

劉建梁 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。

(本文編輯：楊秀麗)