专用无线图像传输系统设计

葛宪生， 杜玉海，赵　亮

(中国电波传播研究所，山东　青岛　266107)

葛宪生 (1983—)，男，山东单县人，工程师，主要研究方向为无线电监测，信号处理；

E-mail：gxsqm@163.com

杜玉海 (1982—)，男，山西太原人，工程师，主要研究方向为数字信号处理；

赵　亮 (1980—)，男，山东济南人，高级工程师，主要研究方向为通信信号处理。



工程与应用

专用无线图像传输系统设计

葛宪生， 杜玉海，赵亮

(中国电波传播研究所，山东青岛266107)

摘要：为了解决通用的利用3G、卫通等公共网络进行图像传输应用中，保密性和稳定性差、运营商限制多等问题，本文提出了一种专用的无线图像传输系统的设计方案。系统利用高速电台组建的无线通信专网，将远端现场的动态视频和静态图像传回主控中心，实现了图像的无线传输和共享。系统中定制开发的图像处理单元利用定制的算法，提高了传输的保密性和可靠性，本地显示功能使远端现场更易操作，更有针对性。系统可广泛用于电子侦察、现场监控等领域，具有较好的工程应用和推广价值。

关键词：图像传输；高速电台；通信专网

0引言

随着移动通信的发展，通用的图像传输系统已经非常成熟，公安、消防人员可利用3G等网络，很轻易的将现场图像传回指挥中心；记者也可将千里之外采访的画面通过卫星通信传至直播室。这些方式的最大好处在于网络覆盖面积大，无需用户管理，技术成熟，但也存在很多问题，比如有些地方网络状况不好，通信运营商的设备限制，传输速率不高，大数据量传输费用昂贵，一些保密内容不能在公网上传输[1]。

针对这些问题，本文提出一种专用的无线图像传输系统。该系统利用电台组建专网，采用灵活的图像采集方式和定制的处理算法，实现图像的无线传输和共享。

1系统介绍

系统建设的主要目的是将远端现场的动态视频和静态图像传回主控中心，使多个用户可以同时获取相同或者不同远端目标现场的图像，提高主控中心的指挥效率。它主要由多个远端现场、一个主控中心和无线通信专网组成，组成框图如图1所示。

图1　系统框图

每个远端现场主要包括图像采集单元和处理单元。本方案没有采用通用的具有压缩功能的网络摄像机，主要是因为其采集和处理方式固定，无法与主控中心交互，并且没有本地监视功能。针对这些缺点，系统将采集和处理分离。采集单元可以选用普通摄像头、数码摄像机及专用图像采集模块等不同设备，采集方式灵活，满足不同场合下图像传输的需要。处理单元基于ARM平台，在标准的H.264视频压缩的基础上，利用定制的处理算法，实现不同频谱占用度、信噪比等通信条件下的传输。针对保密要求，对处理数据进行编码加密处理。采用交织校验等措施，提高传输的可靠性性。开发通信模块，与主控中心进行双向交互。具有本地显示功能，远端现场操作人员可以对正在传输图像的目标、范围、清晰度等有直观的感受，进行灵活调整，具有更强的操作性。另外，实际应用中，主控中心可对远端的目标进行长时间不间断监视。当对某些细节特别感兴趣时，系统还可传输更高清晰度的静态图像，对目标进行更精准的分析。

主控中心由视频系统、局域网和计算机等设备组成。典型应用中，视频系统中的多个用户可以同时获取相同或者不同远端目标现场的图像，并分别对不同远端设备进行远程控制。

2图像处理单元设计

图像处理单元是本系统定制开发的核心设备，是专用无线图像传输系统区别于其他通用系统的重要部分，这里对其进行详细介绍。

2.1硬件方案

图像处理单元基于三星S3C6410的ARM11平台进行开发，配置4.3寸液晶显示屏，S3C6410是一款基于三星的低功耗，高性能的用于通用处理的RSIC处理器，采用64/32 bit的内部总线架构，还有很多强大的硬件加速器，包括运动视频处理、音频处理、2D加速、显示处理和缩放。S3C6410包括优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。

图像处理单元中，图像信息从Camera接口输入，从网口输出，主要完成动态视频和静态图像的信息处理，本地的显示、存储和回放和处理参数设置等功能。图像采集得到的动态视频和静态图像输入到ARM平台，采用定制的处理软件对其进行压缩，然后进行编码、加密等操作，形成信息流；可以本地显示、存储和回放，并经过数据传输模块管理，然后发送出去。

处理单元原理框图如图2所示。

图2　图像处理单元原理框图

图像处理单元示意图如图3所示。

图3　图像处理单元示意图

2.2软件方案

奶油加入糖后打发，稳定花纹，装入裱花袋。在蛋糕上挤上奶油，放上草莓；然后在草莓上挤上奶油，在蛋糕上再次放上草莓。用黑芝麻当作雪人眼睛即可。

图像处理单元采用Windows CE操作系统，可根据实际需要定制成最小系统，并通过USB设备接口和串口写入单板机中的Flash中，固化后可以长期稳定使用。高级语言编辑系统采用Visual Studio 2005，开发图像处理单元软件，实现对硬件进行灵活控制，完成设备的功能。

图像处理单元的软件功能主要包括动态视频和静态图像的处理、参数设置和显示存储回放和数据传输管理。信息处理中，动态视频处理基于H.264压缩标准，静态图像采用JPEG格式，然后将信息流进行线性交织编码。通过把数据均匀分成若干部分，形成交织矩阵，打乱码字比特之间的相关性，将信道中传输过程中的成群突发错误转换为随机错误。对交织编码后的数据进行CRC校验，提高了系统的可靠性。在数据的某些位置增加标识位和独特代码，对数据进行加密，提高了系统的保密性。

软件结构图如图4所示。

图4　图像处理单元软件结构图

3无线通信专网建设

无线通信专网建设主要考虑系统中各站点的分布、地理环境，远端现场的个数，通信距离等因素，经过理论分析和现场测试，确定传输的频段、传输速率和发射功率以及接收的灵敏度等指标，才能建立稳定的通信系统[2]。

实际应用中，标清格式的视频经过H.264压缩后，数据量约为2 Mbps，多个远端现场的数据量会更大，一般需要工作在微波频段的高速率数传电台才能实现[3]。

微波频段的电磁波为视距传播，由于地球曲率的影响，两个点(天线高度分别为H米和h米)之间最大可视距离D公里为

(1)

图5　通信距离计算示意图

假设主控中心天线架设在楼顶(高约20 m)，远端现场天线架设在房顶(高约4 m)，则最大可视距离为26.66 km。

信号从发射机发出，经过馈线和天线和自由空间衰减，到接收机时，场强电平为

Pr=Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-Lo

(2)

Pr：正常接收电平(dBm)；

Pt：发信功率(dBm)；

Gt、Gr：收发天线增益(dBm)；

Lt、Lr：收发馈线损耗(dBm)；

Lo：自由空间损耗(dBm)，Lo=32.45+20logf (MHz) +20logD (km)。其中f为信号频率。

接收场强Pr与接收机的门限电平(即在误码率小于10-6时，接收机要求的场强电平值，不同的电台，该指标不同，一般为-110 dBm)差距即为衰落储备。Pr与接收门限电平差距越大，衰落储备越多，抗干扰能力越强，误码越少，一般要求衰落储备在20 dB以上[4]。

系统建设时，根据实际应用场景，确定电台的频段、发射功率、接收灵敏度、调制方式，天线类型、架设高度等参数，使上下行信号达到足够的抗干扰能力，才能实现有效可靠的无线图像传输。这里给出一般的技术指标供实际建设参考。

电台：频段902~928 MHz，信道带宽5 MHz、10 MHz、20 MHz可调，接收灵敏度-92 dBm(6 Mbps)，最大发射功率28 dBm，通信方式OFDM，调制方式QPSK，数据接口RJ45网口[5]；

主控中心全向天线：频段900~930 MHz，信道带宽30 MHz，天线增益5.5 dBi，架设高度20 m；

远端现场八木天线：频段900~930 MHz，信道带宽83 MHz，天线增益12 dBi，架设高度4 m；

经计算，理想通信距离约为5 km，最大可以同时传输8个远端现场的标清格式的视频。

4结语

本文提出的专用无线图像传输系统，利用高速电台组建的无线通信专网，将远端现场的动态视频和静态图像传回主控中心，实现了图像的无线传输和共享。系统中定制开发的图像处理单元利用定制的算法，提高了传输的保密性和可靠性，本地显示功能使远端现场更易操作，更有针对性。本文还分析了组建专网的基础理论和一般的技术指标，对系统的实际建设具有参考意义。

实践表明，本系统具有较好的工程应用和推广价值。

参考文献：

[1]史毅. 无人值守变电站远程图像监控及传输系统设计[J]. 安防科技，2007，(8)：55-59.

[2]杨锋，崔东旭，张俊举，许辉，陆刘兵. 基于网络传输的实时图像融合系统设计[J]. 应用光学，2013，34(5)：785-790.

[3]陈力新. 数字图像远程监控系统的传输及组网方式[J]. 南华大学学报，2002，16(2)：62-65.

[4]谢子清，王如双. 便携式数字图像微波中继传输的设计 [J]. 无线电通信技术，2004，30(4)：55-57.

[5]武者东等. 频率调制信号调制方式识别方法 [J]. 中国电子科学院学报，2015，10(2)：199-203.

葛宪生 (1983—)，男，山东单县人，工程师，主要研究方向为无线电监测，信号处理；

E-mail：gxsqm@163.com

杜玉海 (1982—)，男，山西太原人，工程师，主要研究方向为数字信号处理；

赵亮 (1980—)，男，山东济南人，高级工程师，主要研究方向为通信信号处理。

A Design of Special Wireless Image Transmission System

GE Xian-Sheng，DU Yu-Hai，ZHAO Liang

(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107, China)

Abstract:In order to solve the problem of poor confidentiality and stability in the image transmission application based on the public network，a design of special wireless image transmission system is proposed. The system send the dynamic video and static images back to the master control center by special high speed radio, realized and shared wireless image transmission. The system develops the image processing unit using customized algorithm, improving the confidentiality and reliability of transmission, local display function makes the distal site more accessible. The system can be widely used in electronic reconnaissance, field monitoring and other fields, and has better application and popularization value.

Key words:Image transmission; high speed radio; Communication network

作者简介

中图分类号：TN911.3

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-103-04

收稿日期：2015-11-22

修订日期：2016-01-09

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.020