分布式图传系统中接收机网络的设计与实现

罗英喆　陈伟　李晓林　顾庆水　蔡英杰

摘 要： 提出一种用于小型无人机广域巡视作业的分布式无线图像传输系统架构，该系统架构包括机载发射系统、分布式接收机网络及视频数据处理中心三大部分，可以有效解决传统无人机图像传输系统的传输距离难以满足广域巡视作业需求的问题。设计和实现了分布式接收机网络，并进行了大量室内及外场测试，测试表明分布式接收机网络可以在网络环境下进行可靠的高质量视频传输。

關键词： 无人机； 广域巡视； 分布式无线图像传输； 接收机网络

中图分类号： TN711?34； TN943； TP311.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0124?04

Abstract： The architecture of a distributed wireless image transmission system for small size UAV wide area patrol mission is proposed， including airborne launch system， distributed receiver network and video data processing center， which can effectively solve the problem that it is difficult for the traditional UAV transmission system to meet the needs of a wide area patrol mission for distance image transmission. The design and implementation of the distributed receiver network are elaborated in this paper. A lot of indoor and field tests were carried out. The test results show that the distributed receiver network can transmit high?quality video reliably in network environment.

Keywords： UAV； wide area patrol； distributed wireless image transmission； receiver network

0 引 言

无人机的发展十分迅速，在民用方面逐渐开放，使其在公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域得到广泛的应用。而在广域巡视领域，如电力巡线[1]、边境巡防、环境监测[2]和石油管线监测[3]等，由于其具有巡视范围广（100 km以上）、地处方位偏僻、环境恶劣、人工作业难度大和成本高等特点，为无人机的应用提供了广阔的空间。然而小型无人机由于载荷[4]及电池容量等因素约束，其机载无线图传发射机的发射功率必然受限，因此传统的无人机图传系统的传输距离难以满足广域巡视作业的需求。

考虑到无人机广域巡视的特点，本文提出了一种分布式图传系统架构，该架构可以实现广域范围的无人机图像传输，通过预留的无人机数据链空中接口，也可以在广域范围为无人机提供数据链支持。

空中接口（Air Interface，AI）对无线通信系统至关重要，当前无人机图传系统采用的AI体制主要有3G/4G、WiFi和地面数字电视广播。3G/4G网络很难覆盖无人区，且运营成本高；WiFi技术适用于室内多径环境，户外应用性能较差；地面数字电视广播（如欧洲的DVB?T标准、日本的ISDB?T、中国的DMB?T）[5]采用正交频分复用（OFDM）技术，频谱利用率高，抗多径能力强，适用于地面各种多径环境 [6]。因此本文采用DVB?T作为图传系统的AI。接收机节点是整个系统架构的重要组成部分，本文着重介绍接收机节点的设计和实现。

1 分布式图传系统

分布式图传系统如图1所示。此系统由无人机、接收机网络和数据中心构成。无人机在网络分布区域进行广域巡视，接收机节点将接收到的无人机视频数据通过网络汇聚到数据中心[7]。数据中心则将各个节点的视频数据进行融合处理。接收机节点也可以通过无人机数据链AI和网络[8?9]建立起数据中心与无人机之间的远程双向数据通信[10]。

2 接收机系统设计

2.1 系统总体设计

接收机节点的板级结构组成如图2所示。

接收机节的硬件模块如下：DSP（F28M36x）是核心处理器，实现TS数据的接收、处理和发送；FPGA（A3P250）实现各模块之间的接口时序转换；无线图传接收模块（DiB9090MA）实现DVB?T解调解码，输出MPEG?2 TS数据；网络通信模块（W5300）实现网络通信；FLASH ROM用于存储接收机节点的网络参数；无人机数据链AI则实现与无人机遥控遥测数据的无线收发。

2.2 系统硬件设计

DSP选用TI公司F28M36x为主控芯片，该系列集成了相互独立的TMS320C28x和ARM Cortex?M3双核微控制单元，共享RAM，以及多种双核间的通信机制。功耗小、成本低、精度高、应用广泛。

受无人机航速快，机载发射机功耗低、重量轻的条件制约，无人机与每个接收机节点之间的视频传输需要满足远距离和高速移动的要求，有利于减少网络节点数量、降低布网成本。DiB9090MA是采用DVB?T标准的无线接收芯片，可多片级联实现接收分集，灵敏度高，同时支持300 km/h以上的移动接收速度，满足无人机应用需求。

W5300单芯片集成TCP/IP协议栈、10/100M以太网MAC及其物理层。其网络数据传输速率可达50 Mb/s。性能稳定、应用广泛、控制简单。

2.3 系统软件设计

接收机节点的软件架构如图3所示。驱动层配置和初始化内核系统、外设及器件；应用层包括无人机数据链AI通信应用、TS数据处理应用和网络通信应用。无人机数据链AI通信应用实现与无人机的数据通信；TS数据处理应用实现TS数据的处理与网络发送；网络通信应用实现与数据中心的信息交互。

2.3.1 TS数据流处理

本设计充分利用DSP架构优势，提出TS流高速实时处理算法。TS数据处理過程及缓冲区结构如图4所示，C28内核通过DMA通道实现TS数据从McBSP经缓冲区到共享缓存的传输。M3内核通过[μDMA]实现TS数据从共享缓存到W5300的传输。C28内核中，为了协调TS数据接收和存储的速度差异、避免TS包的丢失，在McBSP和共享缓存之间建立[4×188]B大小缓冲区。每接收一包TS数据触发中断，在中断响应中进行DMA传输完成检测、空包滤除和存储空间检测后，做写入共享缓存、触发M3内核中断或丢弃处理。M3内核响应中断，在中断响应中进行[μDMA]传输完成检测和存储单元检测后，做写入W5300或不写处理。图5为TS数据处理状态转移图。

2.3.2 网络通信

网络通信以命令应答数据结构实现数据中心对接收机节点的配置、监测和调控。命令分为配置命令和监控命令，应答相应分为即刻反馈应答和周期反馈应答。配置命令实现接收机更新配置、记录更新参数，配置参数通过即刻反馈应答实现反馈；监控命令实现接收机定时向数据中心反馈自身参数信息，通过周期反馈应答实现反馈。

3 测试结果及分析

图6为发射、接收系统功能图。发射端对TS数据进行H.264编码、调制和变频等处理后通过天线发射。接收端通过变频、解调等得到基带TS数据，经过处理后通过网络发送给上位机，实现视频显示和存储。

3.1 视频流畅性测试

TS流是将具有共同时间基准或独立时间基准的一个或多个基本流（PES）复合而成的单一数据流，其基本结构为长度为188 B或204 B（带有16 B校验数据）的TS包，具有较强的传输抗误码能力。一个TS包包括4 B的包头[11]、可变长字节调整字段以及有效数据净荷。TS包头结构如图7所示。

PID字段是TS包类型识别标志，决定TS有效数据净荷的内容。Continuity Counter字段是TS包递增计数值，相同PID的TS包其值从0～15循环递增。结合PID和Continuity Counter字段可以统计不同类型的TS包的丢包情况[12]。节目关联表（PAT）定义了当前TS流中所有的节目，其PID为0x0000，包含频道号码和每一个频道对应的节目映射表（PMT）的PID。PMT表包含当前频道中所有的视频PID、音频PID以及与该频道关联一起的私有数据PID。

3.1.1 室内测试

室内测试对关键的PAT，PMT、音频和视频4种TS包进行统计。实时提取TS包上述两种字段，通过PID字段将TS流分类，通过Continuity Counter字段统计出每类TS包的丢失数量。图8为VS 2010开发的TS包丢包统计程序界面，图9为实验室测试环境，网络接收机运行一次的时间为30 min，共运行10次，得到的统计和分析结果如图10所示。

由测试数据得，统计出测试平均丢包率：PAT为0.001%；PMT为0.001%；Audio为0.001%；Video为0。

通过丢包统计测试，TS流的丢包率较低；利用上位机的VLC media player播放器播放视频，如图11所示，屏幕分辨率为1 920[×]1 080，扫描频率为60 Hz，视频播放较为流畅，基本无卡顿。

3.1.2 外场测试

本实验室与广东深圳优鹰公司合作，进行多次外场测试，其中三次测试最为典型。发射端采用优鹰公司的FHD100QHT无线图传发射机，发射功率1 W，载频554 MHz。

（1） 2014年5月，北京，六旋翼无人机。在高度200 m处、以接收端为中心的半径12 km范围内进行巡航。接收端测得接收信号质量良好，且画面流畅。

（2） 2016年5月，大庆，固定翼无人机。测试无线信号传输的极限距离。距接收端25 km处起飞并在250 m高度盘旋。在25 km之内，接收端信号质量良好，视频播放流畅；超出25 km，接收端信号相对较差，视频播放有时卡顿。

（3） 2015年12月，深圳，地面测试。测试城市多径环境下的传输性能。接收机置于14楼窗边，车载发射端在大楼附近1 km范围的道路行驶。路线如图12所示。实线路段地形开阔，楼房稀疏，画面流畅；点划线路段周围楼房较密集，画面轻微卡顿；长划线路段距离远、楼房密集，信号遮挡严重，画面卡顿，在图12中1.7 km两路口处码流中断。

3.2 网络通信测试

通过网络调试助手软件模拟数据中心，向接收机发送配置命令和监控命令，接收机能成功接收、执行两种命令并正确地发回相应的应答。

4 结 语

本文提出了广域巡视概念及分布式图传系统架构，重点完成对接收机节点的设计和实现，并将接收机节点接入网络进行联网测试。通过测试，在发射端为1 W的射频功率条件下，接收机节点可以在25 km范围内流畅接收视频信号，这为分布式图传系统的接收机节点布点间距提供了重要参考。

参考文献

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