cofdm在无线图像传输系统中的应用

cofdm在无线图像传输系统中的应用

一、无线图像传输系统随着信息技术的发展，高质量图像的广播需要越来越多的需求，编码正交频率的再现能力可以很好地满足这一要求。它凭借其高的频谱利用率、高的传输速率和强的抗多径干扰能力,在无线图像传输领域引起了人们广泛的关注。COFDM是在OFDM的基础上产生并发展而来的,它采用编码和交错技术,很好地解决了数字图像传输路由多径反射和传输路由障碍物遮挡所带来的困扰,无论在室内、室外、地上、地下等复杂特殊的非视距传输环境下,都能够把现场的实时信息,以高质量的数字图像信号实时地传送到目的地,真正实现了图像传输的“抗阻挡”、“非视距”和“动中通”。二、数字视频监控系统的主要技术特点无线信道带宽资源有限,干扰因素多,且视频信号数据量大,实时性要求高。目前,无线视频图像传输所采用的技术体制可大致分为:模拟传输、数传/网络电台、GSM/GPRS、CDMA、数字微波(大部分为扩频微波)、WLAN、COFDM等。(1)模拟传输:模拟无线视频传输受多径衰落影响大,不易消除信号噪声,抗干扰能力差,实际应用中难以保证视频传输的可靠性和图像的高质量,不能在阻挡环境中和移动使用,因此模拟无线视频传输已基本被淘汰。(2)数传/网络电台:大多数该类电台采用跳频扩频技术,但本质上为单载波调制;有效传输速率有限,一般在512Kbps以下,图像的分辨率和帧速都很低,无法保证图像的实时性。(3)GSM/GPRS、CDMA技术:为移动通信公网技术,技术很成熟,但传输速率有限,一般在100Kbps级,且无法传输高质量视频图像。(4)数字微波(扩频微波):可以提供高速率链路,但均为单载波调制技术体制,仅能在通视环境下应用,不能在阻挡环境中和移动中使用;如采用多级接力的方式,现场需找合适的通视路线,调试烦琐,系统可靠性不高,很难实现保密。(5)WLAN技术:目前广泛使用的是IEEE802.11系列无线局域网标准,它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。IEEE802.11a标准工作在5GHz频段,传输层最高达54Mbps。IEEE802.11b标准工作在2.4GHz频段,最高传输速率达11Mbps。IEEE802.11g工作在2.4GHz频段,最高传输速率达54Mbps。IEEE802.11系列标准在一定程度上满足人们对无线宽带传输的需求,但当初在制定802.11系列标准时没有考虑移动接收的问题,不能在高速运动中实现数据的正常传输。(6)COFDM技术:COFDM是编码正交频分复用的简称,该技术除具有强大的编码纠错功能外,最大特点是多载波调制,它在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用单个子载波,把数据流也分解为若干个子数据流,分解数据流速率,再利用这些子数据流分别去调制各子载波。子载波数量达到1704载波(2K模式),每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制。各子载波并行传输,减小了对单个载波的依赖性,其抗多径衰落能力、抗码间干扰(ISI)能力、抗多普勒频移能力等都得到了显著提高,传输速率能达到1-15Mbps。应用COFDM技可实现“有阻挡、非通视和高速移动条件下”的宽带高速传输,该技术是目前世界上较先进和最具发展潜力的调制技术之一。根据以上对无线视频传输技术的分析,选择COFDM技术作为无线图像传输的关键技术具有很重要的意义和优势。三、cofdm的基本原则1、基2ifft变换OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是正交频分复用的简称,其基本思想是把高速率的信源信息流变换成N路低速率的并行数据流,然后用个相互正交的子载波进行调制,将路调制后的信号相加得到发射信号。在所传输的频带内,当个子载波并行传输一路数据信号时,每个子信道的符号周期相对于串行传输展宽了倍,因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响,提高了抗多径衰落的性能。通常在OFDM码元前加入保护间隔,只要保护间隔大于信道的时延扩展,则可以完全消除符号间干扰。在发送端,串行码元序列di(i=0,1,2…,N-1)先实现数字基带调制,然后进行串并转换。经过分路后的N路子信道码元的周期T从T△t增加到T△t,分别调制在N个子载波fi(i=0,1,2…,N-1)上,fc为最低子载波频率,相邻子载波频率相差1/T,所以N个子载波可以表示为:第m个被发送的OFDM信号可以表示为:其中:t∈[(m-1)/T,m],y(t)为Xm(t)的低通复包络,可以看出每个包络的周期应为T,如果在一个OFDM周期内,y(t)以fs=1/t(t=T/N)频率被采样,可以得到个采样点。设t=kt,nt/T=nk/N,则有:式(3)正是序列[X(n)]的N点IDFT。这表明IDFT运算可以完成OFDM基带调制过程,而它的解调过程也相应的可以通过DFT来实现。因此,OFDM系统的调制和解调过程等效于IDFT和DFT。在OFDM系统的实际应用中,可以采用更加方便快捷的FFT/IFFT。N点IDFT运算需要实施N2次的复数乘法,而IFFT可以显著地降低运算的复杂度。对常用的基2IFFT算法来说,其复数乘法的次数仅仅为(N/2)log2N,以16点的变换为例,IDFT和IFFT中所需要的乘法数量分别是256次和32次,但是随着子载波个数N的增大,这种算法复杂度也会显著增。对于子载波数量非常大的OFDM系统来说,可以进一步采用基4IFFT算法来实施傅立叶变换。2、基于对于中小型企业的编码技术无线信道中传输时,OFDM信号的某些子信道可能由于衰落、白噪声、脉冲噪声、干扰的影响而遭到破坏。研究表明,遭受衰落或窄带干扰的这些子信道中的信噪比大幅下降,使得这些子信道变得很不可靠,从而使整个通信系统的误码率等性能指标严重恶化。为了对传输的数据加以保护,可以采用信道编码技术。这种利用了信道编码技术的OFDM称为CodeOFDM(COFDM)。COFDM常用的编码技术有分组码、卷积码;Turbo码、交织编码、网格编码、TCM空时编码等。Turbo码又称并行级联卷积码(PCCC),它的最大特点在于它通过在编译码器中交织器和解交织器的使用,有效地实现了随机性编译码的思想,通过短码的有效结合实现长码,达到了接近Shannon理论极限的性能。COFDM与Turbo码的结合可以很好的抗突发干扰和频率选择性衰落。因此本文以Turbo码为例来说明COFDM系统的工作原理。基于Turbo码的COFDM系统框图如图2所示。发送的二进制数据比特流经过Turbo纠错编码,进行映射,经过串并变换、IFFT、并串变换、插入保护间隔输出OFDM符号,完成OFDM调制后经射频发射出去。接收端先去除相应的保护间隔,再进行OFDM解调(与调制过程相反),最后进行反映射,Turbo译码,输出二进制比特流。该系统通过Turbo纠错编码对OFDM各个子载波实现了联合编码,具有较强的抗衰落能力,使性能得到提高。考虑到COFDM技术本身已经利用了信道的频率分集技术,如果信道的衰落不是很严重,也可以不用均衡器。3、cofda的系统特点无线图像的传输大体经历模拟、数字传输两个阶段。模拟图像传输因其多经干扰、同频干扰和噪声叠加,导致实际应用中图像传输可靠性和高图像质量难以保证,因此模拟图像无线传输在很多行业已基本被淘汰。随着图像编解码的发展和COFDM技术及组件的成熟,移动宽带图像通信系统越来越多的采用COFDM调制技术。COFDM技术应用于无线图像传输有如下优点:(1)COFDM凭借其多载波等技术的特点(子载波数量达到1705或6817个),其设备具有“非视距(NLOS)”、“绕射”传输的能力,适合在城区、城郊、建筑物内等非通视和有阻挡的环境中应用,能够以高概率实现图像的稳定传输,受环境影响非常小。(2)适合高速移动中传输,可应用于车辆、船舶、直升机/无人机等移动平台。数字微波、扩频微波、无线WLAN等设备因技术体制的原因,无法独立实现收、发端的移动中传输,需要配置附加的“伺服稳定”装置,以解决电磁波定向、跟踪、稳定等问题,且仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输,系统的技术环节多,工程复杂,可靠性降低。而COFDM设备不需要任何附加装置,就可实现固定移动,移动移动间的传输,非常适合安装到车辆、船舶、无人机、飞艇等移动平台上。(5)频谱利用率高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。(6)实现MIMO技术较简单。由于每个OFDM子载波内的信道可看作水平衰落信道,多天线(MIMO)系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平。相反,单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比,很不利于MIMO技术的应用。4、基于cofd技术的警务用车视频传输系统的组成结构采用COFDM技术的无线图像传输系统可以实现在高层建筑群、严重遮挡环境、郊区环境和山地环境等条件下移动传输DVD级图像。可广泛用于武警、公安、消防、边防、电视台等部门的现场实时图像传输。本文主要讨论其在武警部队反恐处突中的应用。武警部队在执勤处突和反恐作战中,经常会受到高大建筑物、山地、树林等地形因素的影响,使得现场图像信号的传输受到阻碍,指挥中心和指挥员很难实时了解现场情况,无法及时做出正确的决策,而采用COFDM技术的图像传输设备能很好的解决这一问题。基于COFDM的武警无线图像传输系统的组成结构如图2所示。作战人员携带集摄像、编码、发射于一体的便携式设备进入反恐作战和突发事件现场,采集到的图像、声音信息经H.264编码处理,并通过COFDM无线收发设备进行调制后向现场监控指挥车发送,现场监控指挥车实时接收显示视音频信息,同时也将实时视频发送给指挥控制中心。遥控飞艇经快速部署后到达反恐作战和突发事件现场并布置到目标上空,全方位、多角度地密切监控目标区域,遥控飞艇平台上的任务设备实时采集目标区域的视频图像信息,经处理后通过无线宽带网络传输至指挥控制中心。当距离、功率等因素影响指挥车到指挥控制中心之间的图像传输时,可以采用飞艇进行中继。飞艇上的COFDM收发设备对视频图像信息处理后,通过无线宽带网络转发到指挥控制中心。这样该系统就方便地实现人到车、车到指挥控制中心和车到飞艇再到指挥控制中心的通信方式,极大的提高了通信的覆盖范围,真正实现了图像传输的“抗阻挡”、“非视距”和“动中通”。同时,该系统能够很好的实现突发事件现场与指挥控制中心的互联互通,使指挥机关和领导能看到实时实时了解现场情况,有利于及时准确的分析判断和决策,提高了快速反应能力、指挥决策能力和应对突发事件的处置能力。五、数字视频传输的展望目前,COFDM技术仅在单向无线图像传输领域显示出其强大的优越性,随着DSP芯片技术的发展,IFFT/FFT、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的逐步引入,COFDM技术将被引入双向音视频传输、数据传输、网络通信等更多的无线通信领域,许多公司正在从事这方面的研究并取得了初步的成果。相信不久的将来,COFDM技术在图像传输领域必将有更广阔的发展前景。(3)适合高速数据传输,速率一般大于4Mbps,满足高质量视音频的传输。COFDM技术每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制,合成后的信道速率一般均大