一种基于升空平台的图像中继传输系统设计

华阴兵器试验中心 周天敬 陈岳承 傅庆丰

本文针对机动装备试验中需要快速建立可覆盖全试验场的现场检控图像传输需求，提出建立采用频域均衡技术的高速视频中继传输体制的图像中继传输系统，实现各关键部位现场试验监控图像与指挥控制中心之间的远距离实时传输。

1 引言

实时图像在很多情况是一种直接的决策参考依据，因此在开展试验、大型活动时，图像传输都是通信保障必备的选项。国内大型靶场经过多年建设均已形成较完备的通信传输体制，通常采取线缆、光纤、卫通、微波等多种通信方式将各处的测量设备、监控设备、保障设备等与指挥控制中心紧密联系起来，试验中监控图像传输保障能力能够满足相应武器试验决策指挥的要求。但是随着武器装备信息化的普及以及战场打击的范围不断扩大，武器装备的试验与测试范围越来越大，类似于高海拔、低气压、山区丛林、荒漠戈壁以及特殊环境、特种靶标中靶情况等，必须在特定的区域才能完成，需进行外场试验。为了掌控进程，新试验方式对现场监控图像的远距离传输能力提出了新要求。武器系统外场机动试验具有任务多样、地址随机、布站灵活、自然环境恶劣以及电磁环境复杂等特点，考虑总体成本和维护难度，在外场建设大型固定通信设施是不可行的。

本文提出一种基于升空平台的图像中继传输新方法，能覆盖一定规模的特种试验场，有效扩大视频监控信息的传输距离，实现机动测试中，同时对不同区域、多个监控图像的远距离连续监控。

图1 图像中继传输系统组成示意图

2 系统构成

系统主要由空中中继传输设备、指挥控制中心通信终端、多个测量站通信终端、被试装备通信终端和升空平台组成，以空中中继传输设备为中心形成一个公共、灵活、可扩展平台，实现覆盖一定区域的通信网络。系统组成如图1所示。其中升空平台是整个系统的支撑基础，空中中继传输设备是系统的核心。目前国内技术成熟的升空平台主要有气球、飞艇、无人机、直升机等。由于外场试验持续时间、保障地域的不确定，以及费用、安全性等方面的考虑，可采用的升空平台主要有气球或飞艇。空中中继传输设备需要具有工作时间长、覆盖面积大、能耗低、满足电磁兼容性要求和便于部署等特点。空中通信设备主要由小型化的高速数据中继传输模块、扩频中继传输模块、交换模块和天线等组成。当采用飞艇、无人机、直升机等具有复杂电路设计的装备作为升空平台时，为保证系统的安全性、稳定性和可靠性，空中通信设备还需要考虑和平台的通信、控制设备的电磁兼容性。地面测量站、指挥控制中心、被试装备处的通信终端包括高速数据收发信机和扩频收发信机以及天线等组成。

3 工作原理

系统通过空中通信中继传输设备将不同位置的地面测量站通信终端、被试装备通信终端与指挥控制中心组成一个内部通信网络。其中，指挥控制中心的控制指令数据通过中继传输设备中的扩频中继传输设备向地面各测量站、被试装备发送控制指令数据，建立TDMA高速无线数据网络，彩用时隙分配的方式工作。各测量站、被试装备的监控图像通过高速数据中继传输设备传回指挥控制中心为试验指挥决策人员提供直观的依据。为减轻中继设备重量，高速中继设备采用收发共用天线的模式，控制指令和试验图像采用不同的通信频率。当通信带宽满足多路视频传输要求时，图像传输设备工作在同一频点，当所需传输的视频图像较多通信带宽不够时，需将监控图像分成不同组别，地面各测量站与被试装备等分别采用各自分配的通信频率工作。

4 关键技术

4.1 升空平台选择

为适应不同试验灵活选址要求，升空平台应选择可快速转移、搭建和拆收的成熟设备，综合平衡试验成本、升空高度、载荷量、滞空时间和系统兼容性等因素。可以考虑采用充氦气飞艇，飞艇利用气体产生浮力，动力装置保障水平飞行和转向，消耗能源少、载重能力强、滞空时间长。

4.2 中继传输技术体制

视频图像信号的数据速率高，信号带宽宽，在各测量站到指挥控制中心的无线传输过程中多径干扰严重，通过中继平台组成的无线通信网络后，系统技术体制选择受到的制约因素多，需要综合考虑电波传输特性、与频率有关的天线增益、噪声的影响以及系统和平台其他系统的相互干扰等问题。在系统设计过程中，需考虑总体组成结构、宽带无线数据组网协议、信号传输波形的影响等，可以采用TDMA无线组网体制，简化系统设计，增强系统的电磁兼容性。链路建立后还需要考虑链路的动态保持。由于被试装备节点处通信终端的快速移动会引起网络时延的变化，这需要在TDMA网络同步、时隙分配、信号帧结构设计方面进行预先设计。中继传输需要多个天线在不同频段工作，受升空平台空间限制，天线的电磁兼容性要求高，可采用相控阵天线，通过程控方式实现多波束协同工作。

4.3 抗干扰高效编码扩频技术

正交编码扩频技术是在编码扩频的基础上，利用载波的正交性，采用多载波方式进行数据传输。本文采用PN码与WALSH码复合使用，将PN码优良的相关特性和WALSH码的正交性相结合，组成多进制复合编码扩频系统，可在不降低系统抗干扰能力的情况下，减少扩频信号带宽占用，提高数据传输效率。为了得到足够大的处理增益，扩频因子应尽可能大，但是随着扩频因子的增大，系统占用的带宽也随之增大，在频谱资源十分紧张的情况下，要占用过宽的频带往往是不现实的。为了解决扩频系统占用频带过宽、减小外部干扰影响与增加信息传输速率的矛盾，可以采用多进制编码扩频技术。图2是多进制编码扩频原理框图。

图2 多进制编码扩频原理框图

4.4 频域均衡技术

对于高速监视图像信号的传输，多路监视视频数据传输需要较高的数据传输速率，但是无线接入和传输的速率提高需要较大的传输带宽，会造成严重的时间色散，电波在空间传输过程中衰落大，多径干扰影响图像的有效传输距离。采用基带频率均衡算法，可在频域调理信号，达到频域分集信号能量的作用，减少多径效应引起的频率选择性衰落，有效扩大传输距离。频域均衡技术在发射端主要是数据帧结构设计。通过设计专门的信号序列组合，使信号中包含多种信息，有利于接收端完成信号的捕获、同步跟踪、FFT运算、信道估计等，能有效减弱码间干扰与多径干扰。图像数据经过采集后先进行分块处理，然后与信号到达检测、定时捕获与信道估计的数据辅助块一起进行数据组帧，形成在信道传输的数据结构。在接收端，只考虑基带频域均衡处理。首先是检测信号能量，获取到达时刻，完成同步操作，然后对数据进行处理，最后经过时频变换得到接收信息。由于数据带宽有限，目前单天线模式下仅能支持3路视频数据中继传输，当监视视频图像较多时，需要采用多天线的模式扩展系统的图像传输能力。

4.5 小型低功耗中继设备设计

由于升空平台在体积、重量、功耗、电磁兼容性等方面对载荷要求较为严格，同时为减小系统设计的复杂度，可以采用FDM体制分频工作，控制指令数据与图像中继相互独立，分别采用扩频抗干扰技术和频域均衡技术，收发分时工作，简化射频单元。其次印刷电路板（PCB）布线设计需要预先进行仿真设计。数据速率较低时，印刷电路板布线的时延、串扰等寄生效应相对于信号而言是可以忽略不计的，同时数字器件之间一般也不存在阻抗匹配的问题。然而当数据或时钟速率超过50MHz时，这些影响都变得十分可观而不容忽视。在布局布线前进行信号完整性仿真，并生成控制布局布线的各种限制规则；然后按仿真生成的规则进行细致反复的布局；布线完成后还需进行信号完整性验证。

5 结束语

基于升空平台的图像中继传输系统，以中继设备为中心，形成了一个公共灵活可扩展的体系，能实现覆盖特定范围的网络通信，满足复杂地形、特殊地域的大范围快速组网通信要求。系统除应用于无固定通信设施的装备试验区试验监控图像传输，还可以为各类抢险救灾、长距离演练、大范围集体活动等提供应急通信保障。