CN207399422U - 一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，由射频接收解调板、数据处理交互板和无人机一体化地面站三部分组成，其中射频接收解调板与数据处理交互板相连，数据处理交互板与无人机一体化地面站相连。其特别之处在于：在实现上通过使用优化的射频前端模块和带双天线分集接收技术和最大比值合并功能的COFDM解调芯片来改善灵敏度、降低信噪比门限值、提高抗干扰能力，在设计上采用统一架构、模块化设计等设计思想，具有结构简单、体积小、重量轻等特点，更加适用于通用的无人机一体化地面站。

Description

一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，尤其涉及一种在设计上采用统一架构、模块化设计等设计思想，在实现上具有接收灵敏度高、结构简单、体积小、重量轻等特点，支持高清视频实时传输的地面接收设备。

背景技术

近年来，在处理自然灾害、重特大事故等应急事件时，越来越倾向于使用具有高机动性的无人机采集现场情况实时回传到指挥中心，提高决策的准确性和及时性，保证决策的正确性，从而快速、高效地完成任务。在无人机图像传输领域，COFDM技术以其传输速率高、抗干扰和抗多径能力强等优点，使其成为实现高质量实时图像和语音传输的首选和重点发展的技术。

目前，常见的基于COFDM技术的无人机图像传输设备普遍采用的是移动数字电视领域的标准化芯片和设计实现架构，存在很多的缺陷和不足。1）接收灵敏度低。在移动数字电视领域，发射端使用固定的发射基站，发射功率很高，所以使用接收灵敏度相对比较低的设备也能正常的接收电视节目。在实用的视频传输系统中，发射设备是装备在无人机上的，因为其重量和功耗的问题使得发射功率有严格的限制，导致接收灵敏度成为了系统的关键性指标； 2）实现结构复杂。现有系统往往使用通用处理器、嵌入式处理器和实现特殊功能的协处理器完成信号的解调、解码、解密、显示等功能，使得设备实现复杂、体积和重量大；3）与实际应用不匹配。现有无人机地面站倾向于使用一体化地面站，无人机图像传输接收设备作为分系统需要集成到地面站内，而地面站带有性能强大的PC，视频解码等功能可以通过地面站的PC使用软件的方式进行解码，从而可以大大降低接收设备的复杂性。

中国专利201020189752.4 “COFDM应急信息远程无线接收设备”中描述的接收设备采用X86处理器LX800和PXA270作为中央处理单元外加一系列的FPGA和专用芯片的实现架构，功能复杂；使用常用的信号接收方式，其接收灵敏度没有显著提高。中国专利201020189752.4“一种用于无人机图传系统的地面接收终端”中描述的接收终端在设备内完成H.264解码，并且COFDM的调谐器和解调芯片为分立器件，为了支持分集接收需要4个芯片，导致设备实现复杂、体积和重量大。

发明内容

本实用新型旨在解决现有的无人机高清图像传输的地面接收设备接收灵敏度低、实现结构复杂、体积和重量大、与实际应用不匹配等缺点。提供了一种设计上采用统一架构、模块化设计等设计思想，在实现上具有接收灵敏度高、结构简单、体积小、重量轻等特点，支持高清视频实时传输的地面接收设备。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

本实用新型的一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，主要包括三个主要的功能模块，分别是射频接收解调板、数据处理交互板和无人机一体化地面站。其中1）射频接收解调板完成COFDM信号的接收和解调。通过使用优化的射频前端模块和带双天线分集接收技术和最大比值合并功能的COFDM解调芯片来改善灵敏度、降低信噪比门限值、提高抗干扰能力。解调之后的数据使用TS流格式（TS流是ITU-T Rec.H.222.0 | ISO/IEC13818-2和ISO/IEC 13818-3协议定义的传输流格式）送入数据处理交互板处理；2）数据处理交互板完成数据处理和交互功能，处理之后的结果打包通过以太网上传至无人机一体化地面站；3）无人机一体化地面站完成TS流解复用、H.264解码和AES128解密，显示接收视频图像。

作为优选，所述的射频前端模块使用型号为PE4259的射频切换器件把输入的射频信号分为VHF（甚高频，30MHz~300MHz）和UHF（特高频，300MHz~3GHz）波段的两路射频信号，对两路不同频率的射频信号分别使用型号为DEA250702LT的低通滤波器和型号为SAEEB897的声表滤波器进行滤波，滤波之后的信号经过型号为TCM12B51的变压器变为平衡信号输入到COFDM解调模块，并且使用优化了的电感电容网络提高了射频匹配，降低了射频插入损耗。

作为优选，所述的COFDM解调模块使用两片型号为DIB9090M的COFDM接收芯片，该芯片是调谐器和解调器一体化芯片，通过菊花链的连接方式实现分集接收。

作为优选，所述的功率管理单元使用型号为DIB0190B的电源管理芯片，该芯片是DIB9090M接收芯片的配套电源芯片，减少了电源纹波和干扰，提高了接收性能。

作为优选，所述的FPGA主处理器芯片使用型号为XC5VSX95T的FPGA芯片。

与现有技术和设备相比，本发明的有益效果包括：

1.接收灵敏度高、抗多径和抗干扰能力强。通过使用优化的射频前端模块和带双天线分集接收技术和最大比值合并功能的COFDM解调芯片，使得能够正常解调的输入功率比现有设备低6dB以上，并且发射设备和接收设备相对移动小于400Km/h时都能正常接收解码；

2.实现结构简单。仅包括射频接收解调板、数据处理交互板两块PCB板卡，使得地面接收设备体积小、重量轻、便于携带和安装；

3.与实际应用匹配，满足无人机一体化地面站对图像传输地面接收设备功能、体积、功耗等方面的要求。

附图说明

图1为本实用新型地面接收设备总体结构示意图

图2为本实用新型射频接收解调板的实现示意图

图3为本实用新型数据处理交互板的实现示意图

图中标号说明：

1射频接收解调板、2数据处理交互板、3无人机一体化地面站、11射频输入和ESD保护模块、12射频前端模块、13功率管理单元、14 COFDM解调模块、21电源管理模块、22系统配置模块、23 FPGA主处理器芯片、24时钟产生模块、25外部存储器组、26以太网PHY芯片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型的一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，如图1所示，包括三个主要的功能部件，分别是射频接收解调板1、数据处理交互板2、无人机一体化地面站3。上述的射频接收解调板1由射频输入和ESD保护模块11、射频前端模块12、功率管理单元13、COFDM解调模块14构成，因为本实用新型使用的双天线分集接收技术需要两根天线同时接收，所以该子板上分别包含两个射频输入和ESD保护模块11、射频前端模块12；数据处理交互板2由电源管理模块21、系统配置模块22、FPGA主处理器芯片23、时钟产生模块24、外部存储器组25、以太网PHY芯片26构成。

下面通过各子板的功能、实现方式以及输入输出接口对本实用新型做进一步的说明。

一、 射频接收解调板1主要功能为COFDM信号的接收和解调。从原理上讲包括射频调谐器（RF Tuner）和解调器（Demodulator）两部分。其中射频调谐器完成不同频率信号的选择和混频操作，把特定频段的射频信号变为基带信号之后送入解调器；解调器完成A/D（模数转换）、定时恢复、载波恢复及均衡、解映射、解交织、RS译码和解扰码等功能，输出为解调之后的TS流。

射频接收调解板的设计直接影响设备的接收灵敏度。本实用新型使用优化的射频前端模块和带双天线分集接收技术和最大比值合并功能的COFDM解调芯片来改善灵敏度、降低信噪比门限值、提高抗干扰能力。该技术使用两根天线同时接收输入信号，对两个接收支路的信号分别作信噪估计，然后使用信噪估计得到的信噪比的值动态控制两支路接收增益，信噪比高的支路使用比较大的接收增益，反之信噪比低的使用小的接收增益。最后同相合并两个接收支路的信号，就获得最大信噪比的信号。

射频接收调解板的实现如图2所示。其中：

1.射频输入和ESD保护模块11使用Cooper Bussmann公司的0402ESDA-MLP 静电放电保护芯片，该芯片的特点是反应速度快（0.5ns~1ns）、非常低的级间电容（0.05pF~3pF），很小的漏电流（1uA），非常适合本实用新型中射频接收端静电放电保护；

2.射频前端模块12首先使用Peregrine Semiconductor公司的PE4259把输入的射频信号分为VHF（甚高频，30MHz~300MHz）和UHF（特高频，300MHz~3GHz）波段的射频信号，然后使用TDK公司的DEA250702LT低通滤波器对VHF频段的射频信号进行滤波，使用Murata公司的SAEEB897声表滤波器对UHF频段的射频信号进行滤波，滤波之后的信号还需要经过TDK公司的TCM12B51变压器变为平衡信号输入到COFDM解调模块，另外为了最小化对信号的损伤，如图2所示使用了优化的电感电容网络；

3.COFDM解调模块13完成COFDM的解调，使用两片法国迪康公司（DIBCOM）的DIB9090M COFDM接收芯片，该芯片是调谐器和解调器一体化芯片，通过菊花链的连接方式把其中的分集接收芯片（图中上面的一片）的解调结果送入主接收芯片（图中下面的一片）完成信号的最大比值合并，最后解调出TS流。另外晶振时钟送入主接收芯片，主接收芯片内的锁相环生成同向时钟送入分集接收芯片，作为分集接收芯片的工作时钟，这样保证两芯片接收处理时钟是同向的，从而保证最大比值合并的性能；

4.功率管理单元14使用DIBCOM公司配套的DIB0190B电源管理芯片，该芯片把输入的5V电源变为3.3V、1.8V和1.0V的电源对射频前端模块和COFDM解调模块供电，该芯片能够显著降低电源纹波和干扰。

二、 数据处理交互板2完成数据处理和交互功能。该子板缓存输入的TS流，打包成定义的传输格式，通过基于以太网的UDP协议发送到无人机一体化地面站；另外该子板还需要把无人机一体化地面站设置的配置信息发送到射频接收解调板。

数据处理交互板的实现如图3所示，该子板被设计成基于FPGA的通用硬件平台，并且为了通用性，FPGA的系统配置方式和输入时钟都设计为通用的方式，另外使用了DDR2和FLASH作为外部存储器，满足各种功能需求。其中：

1.电源管理模块21使用德州仪器（TI）公司的PTH08T240W和PTH08T220W把输入的5V电源变为3.3V、1.8V和1.0V的电源，其最大支持的电流都在10A以上。另外因为FPGA有严格的上电顺序，设计中使用一个350KHz的晶振作为电源同步时钟，把该时钟信号送入反相器组CD4069UBM，信号经过不同个数的反相器，得到三个有固定延时的电源使能信号控制TI的电源模块按照FPGA的上电顺序依次输出稳定的电源；

2.系统配置模块22由XILINX公司的系统ACE控制器芯片ACCACE-TQG1441、CYPRESS公司的USB控制器芯片CY7C67300和FLASH配置芯片XCF32P-VOG48构成。FPGA可以通过JTAG、CF卡和USB接口三种方式配置，大大提高了灵活性；

3.时钟产生模块23使用IDT公司的IDT5V9885芯片，25MHz的晶振时钟输入之后可以通过JTAG口配置成频率范围从4.9kHz到500MHz的时钟输出；

4.FPGA主处理器芯片24使用型号为XC5VSX95T的FPGA芯片，该芯片有多达1136个管脚，本实用新型中使用了其中的232个管脚作为板间接口，可以配置成232个单端或者116对差分输入输出口，足够与射频接收解调板和地面站进行数据交互；

5.外部存储器组25采用4片 Micron公司型号为MT47H256M8-3E的2G比特DDR2颗粒组成存储容量为8G比特的动态存储器组，1片Samsung公司型号为K9F1G08U0B-PCB0的1G比特Flash芯片作为非易失性存储器；

6.以太网PHY接口芯片26使用型号为88E1111的以太网PHY芯片，该芯片是一款功能强大使用广泛的网卡芯片,支持1000M/100M/10M三种速率的以太网连接。

三、无人机一体化地面站3完成TS流解复用、H.264解码和AES128解密，显示接收的视频图像。

以上对实用新型所提供的一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备进行了详细介绍，其中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，根据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为本实用新型的限制。

Claims (4)

1.一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，包括射频接收解调板（1）、数据处理交互板（2）、无人机一体化地面站（3），所述的射频接收解调板（1）由射频输入和ESD保护模块（11）、射频前端模块（12）、功率管理单元（13）、COFDM解调模块（14）构成，所述的数据处理交互板（2）由电源管理模块（21）、系统配置模块（22）、FPGA主处理器芯片（23）、时钟产生模块（24）、外部存储器组（25）、以太网PHY芯片（26）构成；其特征在于射频接收解调板（1）与数据处理交互板（2）连接，数据处理交互板（2）与无人机一体化地面站（3）连接。

2.如权利要求1所述的一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，其特征在于：所述的射频前端模块（12）包括型号为PE4259的射频切换器件、型号为DEA250702LT的低通滤波器和型号为SAEEB897的声表滤波器、型号为TCM12B51的变压器。

3.如权利要求1所述的一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，其特征在于：所述的COFDM解调模块（14）包括两片型号为DIB9090M的COFDM解调芯片，两片芯片通过菊花链的连接方式连接。

4.如权利要求1所述的一种用于工业级无人机高清图像传输的地面接收设备，其特征在于：所述的功率管理单元（13）包括型号为DIB0190B的电源芯片。