CN1299213A - 无线数字扩频图像实时传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种无线扩频传输模块,包括发射,接收,收发转换单元,模块控制器MCU和一个数字接口。由该无线扩频传输模块和一个实时图像压缩解压系统组成一个无线数字扩频图像实时传输系统,其中进一步包括对输入的数字视频信号进行图象压缩编码的图象压缩编码器,和图象解压解码器,用来对无线扩频传输模块的接收部分输出的数字编码信号执行图象解压解码,还原成视频信号。本发明的无线数字扩频图像实时传输系统体积小,效率高,使用灵活方便。
Description
本发明涉及扩频通信技术，具体涉及一种无线扩频传输模块，特别是涉及到采用无线扩频传输模块的一种无线数字扩频图像实时传输系统。
采用图象压缩技术的传输系统是公知的现有技术，例如中国专利申请97122566中所述的控制图象压缩数据量的电路和方法。图象压缩的主要作用是减少传输中的图象数据，从而可以降低传输的比特率。但是，随着图象传输技术日益广泛的应用，对图象压缩和传输技术提出了更高的要求。
扩频通信是近年来集数字通信、高速计算处理、数字相关匹配滤波，自适应无线收发于一体而发展起来的一门新兴技术，利用扩频技术研发的“无线数字扩频图像实时传输系统”，输入视频信号量化编码后用高速DSP进行实时图像压缩，实时压缩比最大可达7500∶1，通信系统采用无线直接序列扩频技术，将压缩后的图像经无线扩频系统发送到各通信单元，接收机在收到信号后经解扩处理，用高速DSP还原视频信号，体积小，效率高，使用灵活方便，在警务、军事、遥测遥控、电力、油田等领域有广泛的用途。它具有以下的主要优点：1)可用本身DSP完成视频压缩解压工作，不需依赖计算机完成算法计算；2)发射功率小，抗干扰能力强；3)使用灵活方便、体积小、效率高；4)可组网通信。
本发明的目的之一是提供一种无线扩频传输模块，用来实现两个或更多设备之间的数字信号无线收发，只需通过数据接口设定工作模式，内部处理器就能自动完成控制操作。
本发明的另一个目的是提供一种包括上述无线扩频传输模块的无线数字扩频图像实时传输系统，采用扩频技术实现图象的传输。
为实现上述发明目的而设计的无线扩频传输模块包括发射部分，接收部分，收发转换单元，模块控制器MCU和一个数字接口，发射部分主要包括扩频调制电路，调制电路，变频电路，高频功率放大器HPA和带通滤波器BPF。输入的视频信号预先经过信息调制变为数字基带信号，通过数字接口提供给扩频调制电路，在扩频调制电路中用扩频码执行扩频调制，然后将其提供给调制电路调制成中频信号，用变频电路将这一中频信号变频为射频信号，变频电路输出的射频信号经过高频功率放大器HPA和带通滤波器BPF处理后将限带的射频信号提供给收发转换单元，再经由天线发射出去。无线扩频传输模块的接收部分主要包括低噪声功率放大器LNA，带通滤波器BPF，变频电路，中频放大器，解调电路和一个解扩频电路。经天线接收到的信号通过收发转换单元依次提供给低噪声功率放大器LNA和带通滤波器BPF，从带通滤波器BPF输出的限带的信号经过变频电路变成中频信号后提供给中频放大器，解调电路将中频放大器输出的信号解调成数字信号，最后由解扩频电路执行解扩处理，还原成数字基带信号提供给连接到用户设备上的数字接口。另外，由一个模块控制器MCU来控制调制/解调电路和收发转换单元，通过数字接口来设定频率，发射功率，扩频码等等参数，以及实现同步。
本发明的无线数字扩频图像实时传输系统是由一个无线扩频传输模块和一个实时图象压缩解压系统组成的。其特征是包括上述的无线扩频传输模块，并且进一步包括对输入的数字视频信号进行图象压缩编码的图象压缩编码器；以及一个图象解压解码器，用来对无线扩频传输模块的接收部分输出的数字编码信号执行图象解压解码，还原成视频信号；图象压缩编码器和图象解压解码器通过数字接口连接到无线扩频传输模块上。
以下要参照附图解释本发明的实施例，在附图中：
图1是扩频通信系统发送端的原理示意图；
图2是扩频通信系统接收端的原理示意图；
图3表示本发明的无线扩频传输模块的电路框图；
图4表示实时图象压缩解压无线扩频传输系统发送端的原理示意图；
图5表示实时图象压缩解压无线扩频传输系统接收端的原理示意图；
图6是本发明的一种具体实施方案。
首先参照图1和2解释扩频通信的原理。在图1中表示了扩频通信系统发送端的原理示意图。如图1所示，扩频通信物理模型信元基带信号经过信息调制变为数字信号，再用扩频码进行扩频调制，将数字信号扩展到一很宽的频带上，然后进行第三次调制，再将扩频后的信号经射频放大后发射出去。
参见图2，射频信号在接收端经高频放大和混频后得到一中频信号，再用本地扩频码执行相关解调，通过带通滤波还原出窄带信号，再经解调即可恢复出基带信号。
扩频通信的种类又分为直接序列(DS)扩频、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频(Chirp)、混合方式等等。就抗干扰而言，跳频、跳时、线性调频实质上仅能做到“避干扰”，在此不作过多叙述；只有直接序列扩频才能做到真正意义上的抗干扰。
直接序列扩频系统又称直接序列调制系统或伪噪声系统(PN系统)，将要发送的信息用高速率伪随机码扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端相同的伪随机码序列对接收到的信号进行相关处理，恢复出原来的信息。
以下要讨论直接序列扩频系统的一些特点。
伪随机码(PN)：白噪声是一种随机过程，瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内是均匀的，有极其优良的相关特征，伪随机码是用类似于带限白噪声统计特征的二进制序列码来逼近它，并做为直扩系统的扩频码。这其中包括(a)M序列码：m序列码全称为最长线性移位寄存器序列，它易于产生，有优良的自相关特性，在直扩系统中用于扩展要传递的信号，在跳频系统中用来控制跳频系统的频率合成器，组成随机跳频图案；(b)Gold码(戈得码)：由两个长度、速率相同，码字不同的m序列优选对经模2加运算产生，互相关性较好；以及(c)巴可码：11位长的m序列码。
扩频增益：直接扩频系统的输入、输出信号功率不变，干扰信号输出功率相对于输入信号下降很大，故直接扩频系统的扩频处理增益实际上是干扰功率减小的倍数。
扩频增益=输出信噪比¨M输入信噪比
经推导、化简可得：扩频增益=扩频带宽¨M信号带宽
即扩频增益等于扩频倍数，而扩频码速率又正比于扩频带宽，因此
扩频增益=扩频码速率/信号速率=扩频码长度值
设基带信号速率为1KBps，每1bit基带信息以64bit长度的扩频码来表示，则扩频码速率为64KBps，扩频增益为64K Bps/1K Bps=64(等于扩频码长)，以分贝表示
Gp=101g64=18dB
干扰容限：干扰容限是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用MJ表示：MJ=Gp-[Ls+(S/N)。]
Ls：系统内部损耗；(S/N)。：系统正常工作时要求的最小输出信噪比
以GPS为例，在P码模式下，扩频增益Gp=53dB，系统损耗Ls为3dB，信噪比(S/N)。为10dB，MJ=53-3-10=40dB
这就是说，在干扰信号或噪声信号比有用信号强度高40dB(约10000倍)的情况下，系统仍能将有用信号还原出来。
匹配接收：直接扩频系统的接收采用相关匹配滤波器，假设T1时刻的基带信号“1”的扩频调制码是“111101011001000”，“0”的扩频调制码为“101011001000111”。接收端相关匹配滤波器也产生相同长度等值的PN码，当输入序列码流与本地PN码相同的一瞬间产生一相关峰值信号，处理器即可根据该信号判断出是“0”信号还是“1”信号并且作出相应的处理。
纠错编译码：1．纠错编码采用具有同时纠正突发错误和随机错误的卷积码，编码率为1/2，约束长度为9。为提高时间分集功能，信号每20ms进行一次交织编码。卷积编码通过软件实现。2．卷积译码主要有三种译码方法：Viterbi译码、序列译码和大数逻辑译码。在性能上，Viterbi译码是卷积译码的最佳译码方法。因此采用Viterbi译码算法。由于Viterbi译码算法直接用硬件电路实现复杂，而TMS320C2XX具有高速运算的功能。故通过软件实现Viterbi译码。
图3表示无线扩频传输模块的电路框图，图3的下半部分是发射部分，而上半部分是接收部分。首先解释发射部分的组成和工作方式。参见图3，无线扩频模块的发射部分主要包括扩频调制电路，调制电路，变频电路，高频功率放大器HPA和带通滤波器BPF。输入的视频信号预先经过信息调制变为数字基带信号，通过数字接口提供给扩频调制电路，在扩频调制电路中用扩频码执行扩频调制，然后将其提供给调制电路调制成中频信号，用变频电路将这一中频信号变频为射频信号，此处为了保证晶振的可靠性而设置了一个锁相环PLL，变频电路输出的射频信号经过高频功率放大器HPA和带通滤波器BPF处理后将限带的射频信号提供给收发转换单元，再经由天线发射出去。
图3的上半部分是接收部分，接收部分主要包括低噪声功率放大器LNA，带通滤波器BPF，变频电路，中频放大器，解调电路和一个解扩频电路。经天线接收到的信号通过收发转换单元依次提供给低噪声功率放大器LNA和带通滤波器BPF，从带通滤波器BPF输出的限带的信号经过变频电路变成中频信号后提供给中频放大器，解调电路将中频放大器输出的信号解调成数字信号，最后由解扩频电路执行解扩处理，还原成数字基带信号提供给连接到用户设备上的数字接口。另外，图3中的MCU是用来控制调制/解调电路和收发转换单元的模块控制器。
图4表示无线数字扩频图像实时传输系统发送端的原理示意图。它包括对输入的数字视频信号进行图象压缩编码的图象压缩编码器，图象压缩编码器通过数字接口连接到图3的无线扩频传输模块上。
图5表示无线数字扩频图像实时传输系统接收端的原理示意图。它包括一个图象解压解码器，用来对无线扩频传输模块的接收部分输出的数字编码信号执行图象解压解码，还原成视频信号；图象解压解码器通过数字接口连接到图3的无线扩频传输模块上。
图6是无线扩频传输模块和图象压缩编码/图象解压解码器的一种更加具体的实施方案。参见图6，ADV611是A/D公司生产的性能优良，使用方便的视频编码解码芯片，能够兼容PAL和NTSC，采用小波变换，可以完成模拟量化编码的视频信号的实时压缩解压，达到很高的图像质量，同时具有防差错的能力，压缩比为1∶4到1∶7500。
SAA7111芯片内部包含两路模拟处理通道，能够实现视频信号源的选择，抗混频滤波，模数转换，自动箝位，自动增益控制，时钟的产生，多制式(PAL,BGHI,PAL M,PAL N,NTSC M和NTSC N)解码以及亮度，对比度和饱和度的控制。ADV7175芯片可以将编码还原为模拟视频信号，数字信号处理器DSP选用TI公司的TMS320C54，它可以完成系统的控制和纠错操作，直接序列扩展频谱单元DSSS完成无线扩频数字传输。
视频数字信号处理模块根据模块上的信息控制视频编解码芯片ADV611/612及视频解码芯片SAA7111和视频编码芯片ADV7175的工作。模块还通过软件实现交织和纠错编码及收发电路控制转换MODEM及直接序列扩展频谱单元DSSS的控制操作等工作。
视频控制接口电路：视频控制接口电路由视频编解码芯片ADV611/612及视频解码芯片SAA7111和视频编码芯片ADV7175构成。对视频编解码芯片ADV611/612的操作可以通过数字信号处理器DSP修改ADV611/612的寄存器来实现，也可以通过DSP读取ADV611/612的寄存器的数据来获取，通过DSP实现视频信号的压缩及传输。
ADV611/612的工作方式如下，模拟视频信号通过视频解码芯片SAA7111转换成数字视频信号，送到ADV611/612进行视频编码，然后通过DSP进行压缩指令控制后，再送入DSSS调制扩频后发射出去；从DSSS解调解扩后的信号通过DSP进行纠错译码后，送到ADV611/612进行视频解码，再通过视频编码芯片ADV7175转换得到模拟视频信号。
Claims (4)
1．一种无线扩频传输模块包括发射部分，接收部分，收发转换单元，用来控制模块操作的模块控制器MCU和一个数字接口，其特征是：
上述发射部分包括扩频调制电路，调制电路，变频电路，高频功率放大器HPA和带通滤波器BPF；输入的视频信号预先经过信息调制变为数字基带信号，通过数字接口提供给扩频调制电路，在扩频调制电路中用扩频码执行扩频调制，然后将其提供给调制电路调制成中频信号，用变频电路将这一中频信号变频为射频信号，变频电路输出的射频信号经过高频功率放大器HPA和带通滤波器BPF处理后将限带的射频信号提供给收发转换单元，再经由天线发射出去；
上述接收部分包括低噪声功率放大器LNA，带通滤波器BPF，变频电路，中频放大器，解调电路和一个解扩频电路；经天线接收到的信号通过收发转换单元依次提供给低噪声功率放大器LNA和带通滤波器BPF，从带通滤波器BPF输出的限带的信号经过变频电路变成中频信号后提供给中频放大器，解调电路将中频放大器输出的信号解调成数字信号，最后由解扩频电路执行解扩处理，还原成数字基带信号提供给连接到用户设备上的数字接口。
2．按照权利要求1的无线扩频传输模块，其特征在于上述无线扩频传输模块是一种直接序列扩展频谱传输模块。
3．按照权利要求1的无线扩频传输模块，其特征是上述模块控制器MCU控制调制/解调电路和收发转换单元，通过上述数字接口来设定频率，发射功率，扩频码，以及实现同步。
4．一种无线数字扩频图像实时传输系统，包括权利要求1的无线扩频传输模块和一个实时图象压缩/解压系统，其特征是实时图象压缩/解压系统包括对输入的数字视频信号进行图象压缩编码的图象压缩编码器；以及一个图象解压解码器，用来对无线扩频传输模块的接收部分输出的数字编码信号执行图象解压解码，还原成视频信号；图象压缩编码器和图象解压解码器通过上述数字接口连接到上述无线扩频传输模块上。
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