无人机数字图像传输系统设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇无人机数字图像传输系统设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘 要】针对目前无人机通信和图像处理领域出现的清晰度低、传输距离短、功耗高等问题，本文对无人机数字图像传输系统方案进行设计和算法仿真，确定方案的可行性。
【关键词】无人机；数字图像传输；COFDM；图像压缩编码
0 图像传输系统结构
近年来，随着无人机技术的迅猛发展，基于无人飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观，在航拍、娱乐、电力、安防、农业、森林防火、警用等不同细分领域都能发挥非常重要的作用。目前，在无人机应用中，无线数字图像传输是无人机通信和图像处理领域的一个热点和难点，图像传输系统的性能是区分无人机档次的一个关键因素。同时数字图传还面临着技术复杂程度较高，频带利用率低，对同步要求较高的问题。本文为实现高带宽效率、高清晰度、功耗低、易实现的图像压缩以及远距离（1km内）传输的无线数字图像传输而对系统各模块算法进行了设置，系统传输方案如图1所示。
图1 无线图像传输方案
无人机端由摄像头进行视频采集开始，将拍摄到的视频信号经过图像压缩编码和COFDM调制，最后在射频前端放大后由5.8GHz频段的无线模块发射出去，地面站接收到视频信号后再做解调解码，最后对视频信号进行识别处理。
1 系统各模块实现原理
1.1 图像压缩编码
本设计采用MPEG-4压缩编码是因为MPEG4只处理视频信号帧与帧之间存在差异的元素，而舍弃无差异的元素，因此大大减少了合成视频文件的大小，从而压缩率大大提高且成像清晰。MPEG-4视频编码关键技术有以下几种：
1.1.1 视频对象提取技术
视频对象分割是指先通过低通滤波、中值滤波、形态滤波来对原始视频/图像信号进行简化，然后对视频/图像信号进行颜色、纹理、运动、帧差、位移帧差乃至语义等特征提取，再基于某种均匀性标准来确定分割决策，根据所提取特征将视频数据进行归类，最后做相关后处理以实现滤噪及边界的准确提取。
1.1.2 VOP视频编码技术
视频对象平面（VOP，Video Object Plane）是视频对象（VO）在某一时刻的采样，MPEG-4在编码过程中不同视频对象有不同的编码策略，对前景视频对象的压缩编码尽可能保留细节和平滑；对背景视频对象则采用高压缩率的编码策略，甚至传输背景视频对象而是在解码端由其他背景拼接而成。
1.1.3 视频编码可分级性技术
MPEG-4提出了FGS（精细可伸缩性）视频编码算法和PFGS（渐进精细可伸缩性）视频编码算法。 PFGS是对FGS编码效率的改善算法，其基本思想是使用前一帧重建的某个增强层图像作为参考为当前帧在增强层图像编码时进行运动补偿，从而使运动补偿更有效，从而提高编码效率。
1.1.4 运动估计与运动补偿技术
MPEG-4表征运动补偿类型的帧格式有I-VOP、P-VOP、B-VOP。MPEG-4采用了H.263中的重叠运动补偿技术及半像素搜索技术，并且同时引入重复填充技术和修改的块匹配技术以支持任意形状的VOP区域。
1.2 COFDM调制
COFDM（编码正交频分复用）是一种集信道编码和OFDM调制技术于一体的高频谱利用率且可对抗多径时延扩展的调制技术。信道编码可以采用卷积码等。OFDM是一种多载波调制技术，与传统的多载波调制相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且各子载波之间具有正交性，从而节省了带宽资源，如图2所示。
图2 COFDM调制框图
1.2.1 卷积码
图2中卷积码的编码器是由一个有k个输入端、n个输出端、N-1节移位寄存器所构成的有限状态的有记忆系统，即时序网络。卷积码的典型编码器结构为（n，k，N-1），卷积码在任意给定单元时刻，编码器输出的n个码元中，每一个码元不仅和此时刻输入的k个信息元有关，还与前连续N-1个时刻输入的信息元有关。卷积码编码过程中相互关联的码元为N个，它表明编码过程中互相约束的码元数，监督位监督着这N段时间内的信息。典型的卷积码一般选较小的n和k（k
1.2.2 OFDM调制
将高速率的串行视频流经过串/并变换将其转换成N路的并行低速率的子数据流。这样得到的N路并行低速率的子数据流对N个子载波进行各自不同的QPSK调制。具体的实现过程是在输入端输入一个二进制的信号，通过串/并转换后对其进行IFFT运算，再插入循环前缀就生成一个OFDM信号。插入一个保护间隔（循环前缀）是为了分离相邻码元防止码间干扰，再经过D/A变换后形成OFDM已调的信号s。在地面站，去除之前添加的保护间隔经过串/并转换和FFT后还原出OFDM的调制信号，最后再经通过并/串转换出所输入的信号。对OFDM调制用MATLAB进行仿真，产生OFDM调制信号的程序如下。
Signal=rand（1，para*Ns*2）>0.5； %产生0，1 S即序列，符号数为para*Ns*2
串/并变换由SigPara（i，j）=Signal（i*j）实现，再进行QPSK调制，关键算法为：
ich（：，j）=SigPara（：，2*j-1）； %取出奇数列
qch（：，j）=SigPara（：，2*j）； %取出偶数列
将调制后的数据送入IFFT端口进行IFFT变换，程序如：“y=ifft（x）；”
将IFFT变换后的信号分成I、Q两路，再经并/串转换再调制到高频载波上，程序如下
ich3=[ich2（fl-gl+1：fl，：）；ich2]；
qch3=[qch2（fl-gl+1：fl，：）；qch2]；
将加入了保护间隔（即循环前缀）的信号进行并串变换，然后送入信道进行传送：
ich4=reshape（ich3，1，（fl+gl）*Ns）；
qch4=reshape（qch3，1，（fl+gl）*Ns）；
最后形成发射数据：TrData=ich4+qch4.*sqrt（-1）；
将已调信号TrData发射出去后，再地面站接收，进行相反的处理即可。
1.3 无线传输
无线传输部分采用5.8GHz无线传输模块TX5802模块，该模块采用了DS直接序列扩频技术来提高系统抗干扰的能力，适合远程数据传输。
2 总结
本文针对目前无人机图像传输系统存在的问题进行分析，并结合目前市场的需求对无人机图像传输系统视频压缩编码算法、以及COFDM算法进行分析，并对OFDM算法进行了仿真。
【参考文献】
[1]方水平.OFDM原理及其设备应用[J].北京工业职业技术学院学报，2004.
[2]陶勇，傅洪亮，管爱红.基于OFDM 技术的无线通信系统仿真与分析[J].2009.
[3]李建东，郭梯云，等.移动通信[M]4版，西安电子科技大学出版社，2006.