基于无人机的无线图像传输系统构建研究

王 佩， 荣 昶， 贾 斐， 介 玺

(1. 石家庄陆军指挥学院 五大队， 河北 石家庄 050084； 2. 石家庄陆军指挥学院军事训练系, 河北 石家庄 050084; 3. 西安电子科技大学 研究生院， 陕西 西安 710000)

基于无人机的无线图像传输系统构建研究

王 佩1， 荣 昶2， 贾 斐2， 介 玺3

(1. 石家庄陆军指挥学院 五大队， 河北 石家庄 050084； 2. 石家庄陆军指挥学院军事训练系, 河北 石家庄 050084; 3. 西安电子科技大学 研究生院， 陕西 西安 710000)

主要研究了利用无人机进行无线图像传输中的几种信道衰落问题，提出了运用空时编码技术抵抗信道衰落、提高信道容量的一种新编码方式。试验表明，它可以使频率的利用率显著提高，有效解决广域空间实验过程中无线图像传输的质量问题。

无线图像传输； 无人机； 空时编码

对于军队院校来讲,由于一些实验场区地域比较广、通信传输距离比较长,依靠预置的有线通信难以解决数据、图像、视频等传输问题,现有的无线传输手段容易受到地形、环境、天候等不良因素影响，不能保证信号质量,因此探索新的图像传输方式、研究新的图像传输技术已经成为实验室建设的重要内容。随着无人机技术的迅猛发展,其作为通信载体所体现的优越性越来越突出,以前涉及外场实验的高危实验项目如新装备试验、火力毁伤试验、爆破试验等,由于无人机通信系统的应用,为解决实验地域广阔、地理环境复杂、气象条件不佳、获得实验现场数据困难等问题提供了条件。

1 现状分析

图像信息可以非常直观的反应现场的真实情况,以辅助实验人员对试验过程作出精确决策。以有线传输的模拟信号为主的图像传输方式,抗干扰能力差,容易失真,保密性差、机动性差。近年来,由于实验项目、指挥控制的需要,对利用无线通信传输图像的要求越来越高,为此,有的实验室专门构建了自己的移动通信网络。然而,对于实验范围较大、涉及多个场区时,现有的无线网络布设不灵活,传输距离短、构设成本高的问题就突出暴露出来。再者,对于临机在陌生地域进行的相关实验,由于受现有通信带宽、频率、现行通信设备参数的限制,很难解决视频图像等信息传输问题。因此,迫切需要研制一套机动性强、便于部署、性能良好、覆盖面积广、压缩比高的、性价比高的无线图像传输系统。基于小型无人机的特点,可以充分利用其优越的机动性、良好的空间视角、较长的续航能力,以获取实验过程中的音频、视频、图像信息,解决目前高危实验项目、特殊实验要求以及现场指挥控制的难题。

2 系统组成与结构

2.1 系统构想

根据需求分析的结果,本文构建了基于无人机的无线图像传输系统。在图像采集端采用数字视频压缩技术。首先将视频信息转换成数字信号,然后采用视频压缩算法对数字信号进行高比率的压缩,达到降低信源码率、节省信道带宽的目的,实现高速传输。经市场调研,H.264标准是一种高性能的视频编解码技术,具有低码率、高质量、差错恢复能力强、广阔的应用范围和对各种网络的友好性等特点,适合于无线通信的要求[1-2]。因此,拟在图像采集端选用H.264视频压缩算法对拍摄图像进行压缩。

在信道传输上采用移动无线传输方式,无线图传方式具有传输距离远、灵活性高和机动性好的特点,可以轻松地进入人员无法进入的地区,传回视频图像信号。经过研究,采用700 MHz的数字超短波传输,采用QPSK调制,选用nRF905无线收发模块。该模块成本低廉,技术成熟,功耗较低,通信距离也可以满足设计要求[3]。

系统整体结构见图1。机载摄像机获取高质量的视频信号,经预处理和图像编码,送往无线通信系统,对图像编码数据进行信道编码后送往调制器,通过信道变频放大处理,由天线完成发射。接收系统实现相反的过程,最终在显示器上显示视频信息[4]。

图1 无人机数字图像传输系统整体结构

图1中,图像处理、编解码技术,调制解调技术以及信道发射接收技术都比较成熟,本文研究的重点是分析信道中的特性,以及如何克服信道中的衰落和多径引起的失真。随着科技的进步和人们对图像质量要求的提高,信道编码技术也成为无线图像传输系统研究的重点。经过研究,MIMO信道可以提高频道利用率、节省带宽,在MIMO系统中采用空时编码已经成为克服衰落、减小失真、传输高质量图像信息的先进技术,符合设计要求[5-6]。

2.2 空时编码模型

采用空时编码,有N根发送天线、M根接收天线的通信系统模型见图2。

图2 通信系统

(1)

图3 发送天线数n=2时,信道容量与接收天线数的关系

图4 接收天天数m=1时,信道容量发送天线数的关系

图5中,假设发送天线数n=2,则在接收天线m分别为2、4时,采用空时分组码的信号在瑞利衰落和莱斯衰落下的性能好过未编码系统,说明了其具有很强的抗衰落性能。所以系统根据实际需求选择发射分集,分集数为2。

图5 发送天线数n=2,接收天线m=2、4时莱斯和瑞利衰落的信道容量比较

2.3 编码性能比较

在图6中,简要绘制了在QPSK调制方式下,高斯白噪声和用两种空时编码情况下的BER-SNR曲线图(BER为误码率),由图可知：在低SNR下全速率是一个重要因素,而全分集在高SNR下是一个很好的选择；在误码率达到10-6时,采用空时编码一般能够改善13 dB左右。

图6 在空时编码和高斯白噪声下的BER-SNR曲线比较

3 可行性分析

3.1 传输速率R和带宽B

系统机载部分图像编解码的工作流程是在采集图像数据后,首先经过预处理,然后将数据流送至H.264标准中进行压缩算法处理,得到压缩后的视频图像码流再送至信道进行调制编码后发送出去；地面站设备接收后再解码还原图像,最终在显示器上显示拍摄信息[10]。

系统支持PAL制真彩图像,采用的格式为VGA/CIF,这是因为小型无人机是在高空进行拍摄,所以图像质量要尽可能高,格式所支持的分辨率包括640像素×480/352像素×288像素，图像采用24位真彩,采集格式为4∶2∶2,帧速设为30帧/s。CIF格式见图7。

图7 CIF格式

则编码压缩前的数据量为

R1=[640×480+2(352×288)]像素/帧×

30帧/s×8位/像素=116.72 Mbit/s

H.264的压缩比最高可以达到900∶1,考虑到无人机在空中的飞行速度,所以本文把压缩比设定为600∶1,则编码压缩后的数据量就降低到R2：

R2=R1/600=199.2 kbit/s

又因信道纠错编码采用RS+3/4级联卷积码,所以信道传输速率R为

R=265.6 kbit/s

对于二进制数据带宽B和传输速率R,根据奈奎斯特采样定理有：

2R≤B

考虑到信道的利用率和图像质量的要求,所以信道带宽选取1MHz。

信号调制方面,因为信号主要在野外空旷的环境中应用,受到的外界干扰较小,所以调制带宽设置为500kHz,提高占用带宽有利于提高信噪比,从而降低接收机的灵敏度要求。这样总带宽为1.5MHz,现在的科技水平完全可以达到。

3.2 传输距离D

空地无线通信的距离计算公式为

PR=PT-32.44-20lgD-20lgf-LT-

LR+GT+GR

(2)

其中:PR是接收机灵敏度、PT是发射功率,单位都为dBm;f是发射频率,单位为MHz;LT是机载天线损耗,LR是地面馈线损耗;GT是机载天线增益,GR是地面天线增益。

设自由空间的传输损耗为Los/dB,Los/dB=PT+GT+GR-LT-LR-PR。所以有

Los/dB = 32.44+20lgD/km+20lgf/MHz

(3)

这是理想状态下的通信距离公式,实际应用中肯定会低于这个理想值,因为无线通信过程中还要受到各种因素的影响,比如多径、衰落、大气等造成的损耗,设其为Lf。将上述因素考虑到公式中,就可以近似得到通信距离[11]。

某型机载超短波无线通信电台的数据参数：工作频率为256.8 MHz,发射功率为13 dBm,天线增益为40 dB,损耗为3～5 dB,接收信号灵敏度为-90 dBm。由此可得：

Los/dB=13+40-5+90=138

传输距离设为40km,代入式(3)中,计算得Los/dB=32.44+32.04+48.19=112.67。所以Lf/dB=138-112.67=25.33。

除此之外,信号在大气中的散射,天线方向跟踪误差损耗,降雨、大雾等都会对信号能量造成一定程度的影响和干扰,但是影响不大,在这里忽略不计。

在本文设计的无线图像传输系统中,具体参数：天线工作频率f=700 MHz,地面站天线为全向天线,增益为3 dB,机载天线也是全向天线,发射功率为15 W,换算成dBm等于41.76 dB,机载天线增益为10 dB,天线损耗为5 dB,灵敏度为-95 dBm。因此有

Los/dB=41.76+3+10-5+95-25.33=119.43

上述数据代入式(3)得：

119.43/dB=32.44+20loD/km+20lg700/MHz

计算得传输距离D=31.62 km,符合设计要求[12]。

为了保证系统可靠性以及误码率的要求,在设计时要充分考虑各种因素(雷雨、风、雾、强磁场等),系统增益应该留有一定的设计余量。将传输距离D和系统设计参数代入到式(2)中可得：

PR/dB=41.76-32.44-20lg31.62-

20lg700-5+10+0=-72.58

地面站接收机灵敏度为-95dBm,有约22dB左右的余量,说明系统设计是可行的。

4 结语

本文基于小型无人机良好的机动性,设计了一套供实验教学所使用的数字化无线图像传输系统,提出了运用空时编码技术抵抗信道衰落、提高信道容量的一种新编码方式。利用无人机传输图像不仅在军队院校实验室中有着广泛应用,而且还能在抗洪抢险、地震救援、海事救援等应急救援现场及时传回视频图像信息,能够辅助指挥员用最短的时间做出正确的决策,对于提高我军非战争行动能力、履行抢险救援任务具有重要意义。

)

[1] 韦崇岭,裴海龙.基于无人机平台H264视频传输系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2012(1):210-211.

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Research onconstruction of wireless image transmission system based on UAV

Wang Pei1， Rong Chang2， Jia Fei2， Jie Xi3

(1. Fifth Brigade, Shijiazhuang Army Command College, Shijiazhuang 050084, China; 2. Military Training Department, Shijiazhuang Army Command College, Shijiazhuang 050084, China; 3. Graduate School, Xi’an University of Electronic Science and Technology, Xi’an 710000, China)

The main research is carried out on the problems about the fading of several signal channels in the wireless image transmission by using UAV (unmanned aerial vehicle), and a new coding method is proposed by using the space-time coding technology to resist the signal channels’ fading and increase the channels’ capacity. The test shows that it can significantly improve the utilization ratio of the frequency, and effectively solve the quality problem of the wireless image transmission in the process of the experiment for the wide area space.

wireless image transmission; unmanned aerial vehicle (UAV); space-time coding

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.024

2016-11-21

全国教育科学国防军事教育学科“十二五”规划教育部重点课题(DRA110425)

王佩(1986—)，男，河北海兴，硕士研究生，主要从事指挥信息技术研究.

E-mail：uptime@126.com

V243

A

1002-4956(2017)4-0094-05