基于cofdm的汽渡實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于cofdm的汽渡實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為了確保航行安全，某豪華渡輪必須實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輪甲板上的信息。四艘船的圖像信息必須實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室，每艘船的圖像信息必須由前后兩個(gè)方向的甲板監(jiān)控。圖像質(zhì)量達(dá)到了pal模式的dvd質(zhì)量，圖像清晰、光滑、穩(wěn)定。1移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括視頻的實(shí)時(shí)采集和無(wú)線傳輸,無(wú)線傳輸則必須確保:(1)移動(dòng)中傳輸;(2)寬帶傳輸.第1點(diǎn)是源于信號(hào)的發(fā)射處于行駛的船舶上,第2點(diǎn)是源于傳輸?shù)男畔⑹菐捄芨叩母弋?huà)質(zhì)實(shí)時(shí)視頻.要滿(mǎn)足這兩點(diǎn),選擇恰當(dāng)?shù)臒o(wú)線傳輸技術(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵.1.1g視頻監(jiān)控性能分析目前可采用的實(shí)時(shí)視頻無(wú)線傳輸技術(shù)主要有基于公網(wǎng)租用的CDMA、GPRS和3G技術(shù),基于寬帶無(wú)線接入的WIMAX技術(shù)以及基于提高載波頻譜利用率的COFDM技術(shù).(1)CDMA、GPRS和3G技術(shù).理想狀態(tài)下,CDMA下行帶寬153kBps,上行帶寬70kBps～80kBps.GPRS峰值速率超過(guò)100kBps.3G系統(tǒng)目前可以實(shí)現(xiàn)的有效速率達(dá)384kBbps.所以,單從幀頻或傳輸速率上看,CDMA、GPRS和3G技術(shù)仍達(dá)不到系統(tǒng)要求的基于MPEG2標(biāo)準(zhǔn)的DVD畫(huà)質(zhì),視頻不連續(xù),容易出現(xiàn)斷點(diǎn)和無(wú)線接收的死角.另外,租用公網(wǎng)將導(dǎo)致后期費(fèi)用很高.3G視頻監(jiān)控產(chǎn)品目前受到追捧,但是,從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層面看,由于3G視頻監(jiān)控采用無(wú)線傳輸方式,受制于帶寬,假如某個(gè)時(shí)間段內(nèi),上網(wǎng)人數(shù)多了,將占用很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬,此時(shí),3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻質(zhì)量和視頻傳輸速度必將受到影響.所以,3G視頻監(jiān)控的帶寬目前是不穩(wěn)定的.從后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用層面看,由于需要借助移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),依照移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商目前的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,一個(gè)3G視頻探頭如果24小時(shí)不間斷工作,將產(chǎn)生4G的流量,一天需要花費(fèi)近200元,如用于本系統(tǒng),一天的費(fèi)用將達(dá)到200×8=1600元.所以,3G監(jiān)控產(chǎn)品的后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用極高.(2)WIMAX.WIMAX全稱(chēng)為WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess,即全球微波互聯(lián)接入,實(shí)際上就是802.16標(biāo)準(zhǔn).WIMAX是一項(xiàng)新興的寬帶無(wú)線接入技術(shù),能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速無(wú)線連接,數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km.但是,從嚴(yán)格意義上講,WIMAX并非移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),僅屬于無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù),為用戶(hù)提供所謂“最后一里無(wú)線寬帶接入”,以及作為商業(yè)用途在企業(yè)LAN間實(shí)現(xiàn)無(wú)線互聯(lián),不能很好地支持移動(dòng)傳輸,并且WIMAX的初期建設(shè)成本和設(shè)備價(jià)格較高.(3)COFDM.COFDM(編碼正交頻分復(fù)用)是目前最先進(jìn)、最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù),通過(guò)串并轉(zhuǎn)換將高速數(shù)據(jù)流分配到傳輸速率較低的若干子載波中進(jìn)行傳輸.優(yōu)點(diǎn):(1)因其可同時(shí)分開(kāi)多于1k個(gè)數(shù)字信號(hào),故窄帶下能實(shí)現(xiàn)高流速,而且可在干擾的信號(hào)周?chē)鬏?(2)可連續(xù)監(jiān)控介質(zhì)傳輸特性的突然變化,自適應(yīng)地打開(kāi)和關(guān)閉相應(yīng)的載波以保證正常通信.自動(dòng)檢測(cè)存在信號(hào)衰落或脈沖干擾的子載波,動(dòng)態(tài)地改變調(diào)制方式.(3)繞射能力強(qiáng),有效克服遮擋.(4)抗回波干擾,當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí),僅頻帶凹陷處的子載波受影響,故總誤碼率低.(5)各子載波聯(lián)合編碼,抗衰落性能很強(qiáng).由于信道的頻率分集,在衰落不特別嚴(yán)重時(shí)不再加時(shí)域均衡器,使系統(tǒng)性能得到提高.(6)抗窄帶干擾,因?yàn)楦蓴_一般只影響少部分的子信道.(7)抗多普勒效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)中的圖像無(wú)線傳輸.(8)信道利用率高,當(dāng)子載波數(shù)很大時(shí),頻譜利用率接近2Baud/Hz.1.2數(shù)字視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)選擇H.264是“國(guó)際電聯(lián)(ITU-T)”和“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)”聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組(JVT)共同制定的新數(shù)字視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn).2006年以來(lái),NVIDIA和ATI都極力推崇H.264.H.264的最大優(yōu)勢(shì)是很高的數(shù)據(jù)壓縮率,同等條件下,H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5～2倍,故能提供連續(xù)、流暢的高畫(huà)質(zhì)視頻(DVD質(zhì)量),可工作于低延時(shí)或沒(méi)有延時(shí)限制的應(yīng)用場(chǎng)合.1.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的確定船載發(fā)射端攝像頭輸出的復(fù)合模擬電視信號(hào)首先必須解碼生成符合ITU-RBT.656數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)編碼的格式,下一步進(jìn)行H.264數(shù)字壓縮運(yùn)算,壓縮后的碼流經(jīng)COFDM模塊發(fā)射,岸基接收端COFDM模塊接收到的信號(hào)進(jìn)行H.264解壓后生成ITU-RBT.656數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)編碼,最后轉(zhuǎn)換為復(fù)合模擬電視信號(hào)輸出到電視機(jī).系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.從空間層次上分為船載視頻采集發(fā)送系統(tǒng)和岸基接收系統(tǒng).2該計(jì)劃實(shí)施要點(diǎn)2.1數(shù)字媒體處理器視頻解碼與H.264編碼部分結(jié)構(gòu)如圖2虛線框所示.采用Philips公司SAA7115視頻解碼芯片將2路攝像頭輸出的復(fù)合模擬電視信號(hào)解碼成ITU-RBT.656數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)編碼,經(jīng)由高性能數(shù)字媒體處理器TMS320DM642實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)H.264編碼.TMS320DM642的3個(gè)可配置的視頻端口(可分別配置為輸入或輸出模式)能與通用的視頻編、解碼器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接.視頻口VP0、VP01設(shè)置為輸入模式,分別連接2片視頻解碼芯片SAA7115的輸出端,DM642將采集的2路視頻信號(hào)混合編碼.視頻口2設(shè)置為輸出模式,連接COFDM無(wú)線發(fā)射模塊2.2保護(hù)間隔的確定(1)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理分別如圖3和圖4所示.(2)基準(zhǔn)傳輸碼流速率選擇.由于PAL制式的DVD視頻畫(huà)質(zhì)為576*720像素,25幀/秒,顏色深度為24位,同時(shí)傳輸2路視頻編碼信號(hào),平均壓縮倍率為100,傳輸碼流速率應(yīng)叟576*720*25*24*2/1024/1024/100≈5Mbps,考慮到傳輸速率冗余量,最終選擇基準(zhǔn)傳輸碼流速率為6Mbps.(3)載波模式的確定.對(duì)8k模式和2k模式從以下方面比較:從抗多譜勒效應(yīng)角度看,目前移動(dòng)圖像傳輸中多數(shù)接收機(jī)抗多譜勒效應(yīng)能力仍然不夠高.故在移動(dòng)傳輸情況下,為避免多譜勒效應(yīng),子載波間隔不宜過(guò)小.由于8k模式有將近7000個(gè)子載波,在相同信道帶寬下,8k模式子載波間隔會(huì)很小,導(dǎo)致抗多譜勒效應(yīng)的難度提高,而2k模式子載波間隔較大,故采用從正交技術(shù)的可靠性角度看,COFDM中相鄰子載波互相重疊,調(diào)制后大量子載波相互疊加,必須確保各子載波在符號(hào)持續(xù)期T從保護(hù)間隔的角度看,符號(hào)間隔總長(zhǎng)為定值,增加保護(hù)間隔會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量減少,為避免數(shù)據(jù)損失必須提高FFT,從而導(dǎo)致子載波數(shù)量增加.雖然8k模式可容納的子波數(shù)多于2k模式,能更好地規(guī)避數(shù)據(jù)損失,但是由于8k模式下子載波在信道內(nèi)彼此間隔更小,而提高FFT需要更高速、更大容量的芯片,同時(shí),過(guò)多的子載波對(duì)接收機(jī)的相位噪聲要求更高.因此,在同等數(shù)據(jù)流量下,雖然8k模式保護(hù)間隔可以更長(zhǎng),但設(shè)備的相位噪聲指標(biāo)往往制約了其性能發(fā)揮.從保護(hù)間隔的位置估算和預(yù)測(cè)的難度看,由于信號(hào)捕獲和同步鎖定的要求,在信號(hào)丟失的瞬間接收方須嘗試重新同步,以便解調(diào)得以繼續(xù).8k模式下,對(duì)接收機(jī)信道及其保護(hù)間隔的位置估算和預(yù)測(cè)的精確度要求很高,同步鎖定難以盡快恢復(fù),往往導(dǎo)致較高的誤碼率.其次,在移動(dòng)傳輸中,接收信號(hào)電平一直在變化,而且解調(diào)器必須依然能夠提取可用的信號(hào),而接收機(jī)在8k模式時(shí),信道估算和跟蹤的能力尚不能很好地適應(yīng)信號(hào)電平的變化.在傳輸距離過(guò)遠(yuǎn)和障礙物太多的情形下的對(duì)比.8k模式子載波數(shù)遠(yuǎn)大于2k模式,所以8k模式下單個(gè)載波承載的碼率比2k低很多,符號(hào)也更長(zhǎng).在因距離過(guò)遠(yuǎn)和障礙物太多而導(dǎo)致傳輸困難,同樣數(shù)量的子載波未能正常傳輸?shù)那樾蜗?8k模式損失的數(shù)據(jù)肯定遠(yuǎn)少于2k模式.所以8k模式更適合遠(yuǎn)距離、障礙物多的情形.但是本案中由于江寬小于8km,江面上障礙物相對(duì)較少,所以不必采用技術(shù)相對(duì)復(fù)雜、設(shè)備相對(duì)昂貴但可靠性相對(duì)較低的8k模式.劉應(yīng)廷所作的系統(tǒng)仿真及分析結(jié)果(4)基準(zhǔn)工作頻段的確定.依據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)提供的無(wú)線頻段占用情況,600MHZ頻段能提供超過(guò)20MHZ頻寬的空閑頻帶,1.2GHZ頻段能提供超過(guò)40MHZ頻寬的空閑頻帶.考慮到高頻信號(hào)繞射能力雖然弱于低頻信號(hào),但比低頻信號(hào)有更強(qiáng)的穿透能力,同時(shí)考慮到江面上過(guò)往船只導(dǎo)致的阻擋畢竟比陸上的要少很多,對(duì)信號(hào)的繞射能力要求不高,而水面上多霧天氣往往要求信號(hào)的穿透能力較強(qiáng).所以,最終采用了穿透能力較強(qiáng)的1.2GHZ作為收發(fā)設(shè)備的基準(zhǔn)頻率,信道頻寬為8MHZ.(5)保護(hù)間隔的確定.發(fā)射機(jī)到岸基接受機(jī)的最大距離為江面寬度,不大于8km,所以覆蓋半徑應(yīng)不小于8km.覆蓋半徑為保護(hù)間隔內(nèi)電波傳輸距離的一半,2k模式下有效符號(hào)時(shí)長(zhǎng)T(6)調(diào)制類(lèi)型和卷積碼率的設(shè)定.本系統(tǒng)工作于2K模式下,保護(hù)間隔為T(mén)根據(jù)劉應(yīng)廷所作的系統(tǒng)仿真及分析結(jié)果,2k模式下采用QPSK調(diào)制時(shí),系統(tǒng)在100km/h速度下的性能與靜止情況下接近,并且在2k模式下QPSK調(diào)制具有最佳抗噪性能.結(jié)合前述基準(zhǔn)傳輸碼流速率定位為6Mbps的前提,所以本系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制、1/2卷積碼率.2.3視頻編碼模塊H.264解碼與視頻編碼部分結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5虛線框.TMS320DM642的視頻口VP0設(shè)置為輸入模式,接收由COFDM無(wú)線接收模塊輸出的H.264碼流,兩路視頻的混合編碼經(jīng)H.264解碼和分路后生成的ITU-RBT.656數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)編碼經(jīng)由