视频总线技术的应用

视频总线技术的应用

0多传感器输出的视频总线技术在最初的海上作战指挥系统中，传感器的视频是点传输的。视频数据的使用通常通过视频设备来扩展。有很多信号电缆，不适合系统扩展，并且存在较差的干扰缺陷。随着科学技术的不断发展,舰载传感器越来越多,技术越来越复杂,根据新一代舰载全分布式作战指挥系统资源共享的需求,为了实现舰载多传感器输出的视频信息在多个指挥控制台上的共享,荷兰信号公司于20世纪90年代,在其为“北大西洋公约组织”海军开发的作战系统中,采用了将多路传感器输出的信号利用频分原理,通过一根电缆传输至多个指挥控制台,实现多传感器输出的多路视频信号资源共享的技术,即视频总线(videobus)。视频总线技术采用总线型拓扑结构传输视频信号,通过总线传输、共享多路雷达、电视、红外等传感器的视频图像信息。目前,国内外海军舰艇已广泛采用模拟视频总线技术,减少了大量的传输电缆,极大地提高了系统的灵活性,实现了多传感器输出的多路视频信号资源的共享。但随着技术的发展,未来将广泛采用基于网络的数字视频总线技术。1模拟视频总线技术20世纪90年代中后期,为了解决分布式舰载作战指挥系统多传感器视频信号的传输与共享问题,开始采用模拟视频总线技术和设备,将各传感器输出的视频信号通过冗余的同轴电缆传送至各指挥控制台,每个指挥控制台解调出这些信号供综合显示用,大大减少了整个系统视频信号的传输电缆,提高了新一代分布式舰载作战指挥系统的综合能力1.1模拟视频总线系统模拟视频总线传送多路视频信息主要采用频分法。有线电视(CATV)也采用频分制技术传送多路视频。但是模拟视频总线根据实际应用系统的要求与标准的有线电视系统有多处不同,主要如下:(1)模拟视频总线采用分布式结构,不设中心前端机,每个节点上双向传送(既可接收,也可发送);(2)传输的信号除了标准电视信号外,还要传送雷达(搜索和跟踪)、红外和声呐等非标准电视视频信号;(3)解调器能受计算机控制,即计算机能够任意选择信号频道,并恢复出雷达(搜索和跟踪)、红外和声呐等非标准电视视频信号。为满足视频总线要求,在采用有线电视技术研制模拟视频总线设备时,应重点考虑以下问题:(1)模拟视频总线系统的结构形式;(2)雷达等非电视视频信号的调制解调方法;(3)验证频带宽度及传输延时能否满足传输非电视视频信号的要求。1.2模拟视频线程的技术分析1.2.1视频信号的特点采用有线电视技术及其标准部件构成视频总线是一种很便捷的方法。根据视频总线的应用场合(舰载)和信号特点(包括非电视标准信号),应着重考虑两方面的问题:一是系统能够传送多少路视频信号,其频道容量能否传输舰载的众多视频信息的要求;二是系统的频率特性能否满足传输雷达等非电视信号的要求,频带宽度限制和延时会造成怎样的影响。1.2.2catv邻频传输系统有线电视选用的频道配置是一种与无线电广播频率相兼容的配置方案,即在CCIR电视频道配置的基础上,增加了CATV系统专用的增补频道。在300MHz邻频传输系统中,用频道数可达28个;450MHz邻频系统可达47个;550MHz邻频系统可达55个。如果按1部雷达用2个频道,1路电视用1个频道计算,上述指标能够充分满足复杂的视频总线的需求。1.2.3信号上传的带宽按CCIRD/K制电视标准,分配给视频的带宽为6MHz,音频的带宽为±250kHz,考虑实际设备的限制,视频的带宽一般可达5MHz,而音频的带宽只能达到15～20kHz。这些指标对标准电视信号的传送是不存在问题的,要考虑的是传送雷达等非电视信号的情况。以搜索雷达信号为例,有触发、视频、方位和正北4种信号需要传送,其中触发信号是距离计数的基准,不能与视频信号产生明显的传送延时差;视频信号传送要保证足够的带宽。目前雷达的最小探测脉冲和触发脉冲的宽度多在0.4μs左右,将它们视为一个非周期的单脉冲,其时间函数表达式为式中:A为脉冲幅度。f(t)的频谱函数为由式(2)可计算出函数f(t)的半功率带宽近似为当T=0.4μs时,BW=2.5MHz<5MHz。由此可见,用视频通道传送雷达的触发和视频信号是可以满足要求的。再考虑传输正北和方位信号的方法。因正北和方位信号的变化频率较低,仍将它们视为非周期单脉冲信号,其表达式同式(1)。若用音频通道传送正北和方位信号,已知可用的音频通道的带宽为20kHz,由式(3)可计算出宽度T≥50μs的脉冲可以通过。由此可知,正北信号和方位脉冲在调制之前,可先将它们展宽。1.2.4发达方式和时间信号在有线电视系统传输过程中,会产生时间延迟,视频通道和音频通道的延时会有差别,后者的延时要大一些。4种雷达信号中,触发和视频在时间上要严格地保持相对不变的关系,否则会产生目标显示的距离误差。用视频通道传送触发和视频信号,可以保持它们有相同的延时,从而保证了它们在时间上相对不变的关系。1.3模拟视频总线系统当前根据实际应用情况,模拟视频总线一般采用分布式单向传输视频总线体系结构。分布式单向传输视频总线系统分为前端(发送端)和终端(接收端)2部分,载有视频的射频信号从前端向终端传送。根据实际的舰载设备分布情况,前端和终端的结构为全分布式。实际应用中,前端位于传感器部位(雷达、电视等),终端位于指控设备部位(指挥控制台)。分布式系统的终端连接方法和有线电视网的用户分配系统相同,其前端则与有线电视网不同。小型的有线电视系统中,有一个集中的中心前端,将全部要播放的电视信号送入此前端机,经过调制、混合和放大,再经分配系统传送到用户。分布式视频总线系统不设中心前端机,而在每个传感器部位,设一个很小的前端机,将本地的视频调制,并和前级(一路或多路)送来的已调制信号混合,再经放大后传送到下一级前端机或直接传送给终端。分布式单向传输体系的具体结构形式要根据设备的布局情况决定,系统的规模可大可小,前端或终端连接方式可采用串联型、星形或二者的混合型。图1示出了1个典型的模拟视频总线系统框图,系统将各个传感器送到设备的全部视频信号调制混合后,用一根同轴电缆送到系统中各个指挥控制台。已调制信号也可经放大器、分配器等部件传送到其他系统。图2详细列出了典型的舰载模拟视频总线系统配置图,将导航雷达、跟踪雷达、光电跟踪仪、警戒雷达等传感器输出的多路视频信号及全舰相关的电视监控视频信号,用双冗余视频总线传送至各指挥控制台,形成全分布式开放型系统,实现全舰所有视频信息资源融为一体和资源共享,简化视频系统结构,为各级指挥员提供更为直观、更为广泛、更为全面的全舰视频信息,为指挥决策和全舰管理提供更有效的手段。2中小型系统的发展模拟视频总线由于采用模拟传输技术,技术上存在着许多缺陷,特别是在舰载等恶劣环境下,存在稳定性、可靠性、传输距离、抗干扰等方面的问题。随着科学技术的发展,各种现代的应用系统中网络无处不在是构成各种应用系统的核心设备在商用应用领域,音频、视频、数据三网合一传输已经成功应用于许多场合,技术和设备日趋成熟。在现代军事应用系统中,可以大量采用商用设备实现三网合一传输,但在舰载环境中,通用的商用设备必须进行适应性改造,对商用技术进行再开发和改进,以适应高实时性和抗恶劣环境的要求。目前商用网络技术和视频压缩技术不断成熟商用产品不断更新,技术水平不断提高,三网合一传输技术是重要的发展方向,如果能够将视频总线移植到网络上,模拟视频总线目前存在的问题将迎刃而解,技术水平将大幅提高。同时随着计算机技术、网络技术、IC技术的不断发展,雷达、摄像机等传感器输出的模拟视频信号的数字化已成为可能,使得这些模拟视频信号的存储和远距离传输共享也成为可能。目前在海军各应用系统中对该技术的需求广泛,但没有相关产品实际应用。虽然西方国家90年代就已经实现了舰载视频总线的数字化网络传输,但我国目前仍是模拟的视频总线技术和产品较为成熟。从发展的角度看应该尽快将商用技术改造为军用,实现舰载数字视频总线的真正应用。3加载数字视频线技术3.1典型的视频采集处理设备组成数字视频总线系统完全基于流行的网络基础设施,一个典型的系统主要由网络系统、视频信号源(在舰载环境中主要包括导航雷达、搜索雷达、跟踪雷达、警戒雷达、光电跟踪仪和舰载监控系统的视频信号)、音/视频采集处理设备、综合显示设备(包括指挥工作台)等组成。典型系统配置框图如图3所示。其中PPI搜索雷达(包括1路触发信号、1路雷达回波视频、1路方位信号、1路正北信号)、A/R跟踪雷达(1路雷达回波视频、1路触发信号、1路精显波门、1路跟踪波门)、TV视频信号等通过采样、压缩等处理,分布在网络传输平台上实现数字视频共享,由网络各节点的综合显示设备完成解压、变换等,在显示终端上综合显示出各种雷达和TV图像。视频采集装置主要包括音频、视频采集处理节点和各种雷达信号采集处理节点两种。一般设计为独立的外挂装置,以提高使用的灵活性。数字视频总线系统的技术实现3.2.1前端搜索雷达、跟踪雷达视频采集处理装置设计雷达视频信号处理采用专用高速数字信号处理(DSP)板进行,搜索雷达和跟踪雷达的信号处理采用相同的硬件和编码方法。雷达信号的数据帧长度与发射脉冲间隔(距离门)和距离的分辨率有关。为了缩短雷达信号的处理和传输延时,雷达信号的处理采用短帧编码,即一个发射脉冲的回波数据与方位、正北编成一个数据帧。数据帧长度与发射脉冲间隔(距离门)和距离的分辨率有关。以发射脉冲间隔为距离分辨率为的雷达为例:一个数据帧长度=(2×10由于雷达信号帧内和帧间的相关性高,即数据冗余量大,采用适当的压缩编码能将数据率降低至2Mbps;而跟踪雷达在目标锁定期间的信号帧间相关性更高,其数据率能压缩至1Mbps以内。基本的压缩编码流程为:FFT(或DCT)※量化※游程编码及Huffman编码。采用当前先进的主频为300～600MHz的DSP用于雷达信号的处理,这类DSP的内部资源(如片内RAM、接口数据吞吐能力等)能满足上述高速数字信号处理的要求。根据实际需求,前端搜索雷达、跟踪雷达视频采集处理装置设计为一独立的设备,它将搜索雷达、跟踪雷达回波信号进行数字化处理后,其压缩编码与搜索雷达正北、方位按照规定的数据格式通过以太网传输。综合显示计算机接收网络上的雷达视频信号进行数据解码,在显示屏上按极坐标的形式进行综合显示。3.2.2音、视频信号实时传输音、视频信号的编码可采用专用音、视频信号MPEG-4编解码板卡进行MPEG-4标准的数字化处理。该板卡采用了完全硬件的技术,以实现音、视频实时编码、音频预览、运动检测,视频图像由板卡直接传送到显存,压缩的码流也由板卡直接传送到内存,无需主机CPU介入操作,大大节省了主机的CPU资源。单路音、视频信号(数字图像分辨率为768×576像素时)的码流速率平均约2Mbps,能较好地适应100M网络上多路音、视频信号的实时传输。单路音、视频信号的MPEG-4编解码在当前流行的计算机上也可通过软件完成。3.2.3综合显示软件在综合显示硬件中的应用综合显示设备可实时接收网络数据,由解压卡实现多路音频、视频、雷达信号的接收解压及综合显示。如采用当前流行的计算机,可由软件实现综合显示的所有功能。在综合显示设备上,PPI扫描仍采用极坐标形式,图像显示可具有余辉效应。综合显示软件主要完成网络数据流接收及分离、雷达图像数据处理、音频数据的网络传输的接收、数据解压、图像综合显示、用户界面及控制等功能。图像的复现与综合显示由计算机配合高性能的显示卡来实现。软件主要分为个功能模块实时网络协议视频数据解压缩、TV数据解压缩、综合图像显示和用户界面。3.3计算机pc台应用软件和系统管理软件根据计算机实现的功能和硬件配置有选择地驻留在雷达视频采集处理计算机、电视视频采集压缩计算机、综合显示计算机或网上的其他计算机上。系统管理软件实现一体化音频、视频、数据网络传输系统的配置管理,具有友好的操作界面。由于系统管理软件占用计算机资源少,因此它可贮留在系统任意节点的计算机上。4数字视频总线关键技术通过对分布式单向传输模拟视频总线系统的研究,解决了在模拟技术状态下舰载雷达、电视、红外等传感器视频信号传输与共享问题,大大提高了系统组织的灵活性,在舰载武器系统平台中得到了广泛应用。但随着计算机技术、网络技术、IC技术的不断发展,雷达、电视、红外等传感器输出的模拟