（信息与通信工程专业论文）微型无线图像传输系统的设计.pdf

皇三登蔓查兰塑主堡奎 摘要 随着人们对微小型设备需求的不断增长，微型无线图像传输系统成为当今科 研领域的大热点。它既可以应用于军事小区域战场侦察任务，又能应用于民用 例如交通监控，灾情勘察以及地形地貌勘测等任务，在众多领域皆呈现出巨大的 应用前景。 本论文首先对目前战场上运用的几种主要侦察手段进行对比分析，提出了设 计微型无线图像传输系统的必要性。并且介绍了当前国内外微型无线图像传输系 统的发展现状，在此基础上设计了一种全新平台上运行的小区域战场侦察系统。 此系统通过微小型载体携带微型无线图像传输设备，实现战场侦察，以达到低成 本、易使用、不易受地形、天气限制的小区域战场侦察的目的。 本论文根据项目技术指标设计了两套实现方案。每套方案均包括鸽载部分和 地面部分。方案一采用模拟通信方式，鸽载部分由微型摄像单元和自行设计的视 频发射机组成，对鸽子飞过的地区进行监控并将视频数据发送给地面部分。地面 部分包括卫星接收机、电视盒和计算机，接收鸽载部分发送来的视频信号并对视 频信号进行处理和存储。方案二采用数字通信方式，鸽载部分采用c m o s 摄像模 块作为视频输入部分，利用微处理器完成逻辑控制和图像数据的串并变换，最后 由无线通信芯片发送出去。地面部分采用由同种无线通信芯片组成的无线通信模 块和计算机相连，对传输过来的图像进行接收、处理及存储。这两种方案皆可满 足整个微型无线图像传输系统体积小、重量轻和功耗小的要求。 关键字：微型无线图像传输压控振荡器c m o s 图像传感器微控制器a r m 无线 收发芯片 。皇! 型茎奎堂堡主笙苎 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u a d e v e l o p m e n to fs u b m i n i a t u r ee q u i p m e n t m i n i s i z ew i r e l e s s i m a g e - t r a n s m i t t i n gs y s t e mb e c o m e s a b o t s p o ti ns c i e n t i f i cr e s e a r c h i tc a ns p yi nl i t t l e a r e ab a t t l e f i e l d i tc a na l s ou s ei nt r a m es u r v e i l l a n c e 、r e c o n n a i s s a n c et h es i t u a t i o no f a d i s a s t e r 、r e c o n n a i s s a n c et e r r a i na n ds oo n i th a sab r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t f i r s tt h i st h e s i s a n a l y z e d d i f f e r e n tk i n d so fl i t t l ea r e ab a t t l e f i e l dd e t e c t i v e l n e a n s ，i tp r o v e di tw a sn e c e s s a r yt od e s i g nm i n i m i z ew i r e l e s si m a g e - t r a n s m i t t i n g s y s t e m s e c o n d l y t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts t a t eo f a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o ft h em i n i m i z ev i r e l e s si m a g e t r a n s m i t t i n gs y s t e m ，a n dw e d e s i g n e da l n e wl i t t l ea r e ab a t t l e f i e l dd e t e c t i v es y s t e mo nt h i sb a s e w ec a r r i e do u tb a t t l e f i e l d s c o u ta n da c h i e v e ds m a l la r e ab a t t l e f i e l ds c o u ta i mw i t hl o wc o s t 、e a s yu s ea n d g e t t i n gr i do f w e a t h e r r e s t r i c tv i aa p i g e o ns c h l e pm i c r oe l e c t r o n i cd e v i c e b a s e do ns y s t e mg u i d e l i n e ，t w op r o j e c t sw e r ed e s i g n e d ；e a c hp r o j e c ti n c l u d e d p i g e o n c a r r i e rp a r t a n d g r o u n dp a r t p r o j e c to n e u s e ds i m u l a t i o nc o m m u n i c a t i o n m o d e ， p i g e o n c a r r i e rw a sc o m p o s e d o fm i c r op h o t o g r a p hp a r t 、v i d e ot r a n s m i t t e r i ts c o u t e d t h ef l i g h tf i e l do ft h em i l i t a r yp i g e o na n dt r a n s m i t t e dt h ev i d e os i g n a lt og r o u n dp a r t g r o u n dp a r ti n c l u d e ds e c o n d a r yp l a n e tr e c e i v e r 、u s bv i d e o b o xa n dc o m p u t e r n r e c e i v e dt h ev i d e os i g n a lf r o mp i g e o np a r ta n ds t o r e d 、d e n tw i n lt h ev i d e os i g n a l p r o j e c tt w ou s e dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nm o d e ，p i g e o n - c a r r i e ru s e dc m o si m a g e s e n s o ra sv i d e o i nd e v i c e ，u s e dm i c r o p r o c e s s o ra sac o n t r o lu n i t ，u s e dw i r e l e s s t r a n s c e i v e rc h i pt r a n s m i t t i n gt h ei m a g ed a t a g r o u n dp a r ti n c l u d e dh o m o g e n e o u s w i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i pa n dc o m p u t e r i tr e c e i v e d 、p r o c e s s e da n ds t o r e dt h ei m a g e d a t af r o m p i g e n np a r t t h e t w o p r o j e c t sh a d s m a l ls i z e 、l i t t l ew e i g h ta n dn e e d e dl i t t l e e n e r g y , a c c o r d i n gw i t h t h es y s t e mt e c h n o l o g yg u i d e l i n e k e y w o r d s ：m i n i m i z e ，w i r e l e s si m a g e t r a n s m i t t i n g , v c o ，c m o si m a g es e n s o r a r m ，w i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i p l 】 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：煎鱼鲞 日期：缈年芦月纠l e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：煎遗鲞导师签名： 日期：移 电子科技大学硕士论文 1 1 项目的提出 第一章引言 现代战争对战场信息的获取要求非常高，常常通过卫星、高空侦察机、现场 单兵侦察等多种手段进行全方位、全时段、多角度的侦察。各种各样的图像侦察 系统已成为信息化战争中不可或缺的重要手段，它们主要完成对战场信息及时获 取、分析和处理等任务。目前空中图像侦察手段主要有高空无人侦察机和卫星等， 其要获取的是大区域、全景式的战场要素。如今现代战争中敌对双方战前临时变 阵的可行性越来越大，所以常常在作战行动前可能还要对具体行动的目标进行侦 察，有时可能仅仅是对战场上某一区域进行侦察。这时，无叭侦察机和卫星可能 不能使用，因为无人侦察机可能会因为战场前端双方太接近、易于被发现、成本 太高等原因受到限制，卫星则可能因为不能随时调度、易被敌方进行干扰等原因 不能及时派上用场。此时需要有一种便于随时使用且不易被对方发现的微型电子 设备进行超低空近距离图像侦察。 目前全球很多国家都在研制带有图像传输的微型无人系统，它由于体积小、 隐蔽性好、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于城市巷战和恶劣 环境下( 如生、化战场等) 的局部战争，具有重大的军事意义。它的主要作用可 归纳为如下几点“。 ( 1 ) 超低空侦察和通讯 可进行全天候监视侦察、甚至飞到大型建筑物周围、敌方窗台上进行秘密侦 察，探测建筑物内部目标活动情况，窃听对方情报；当在大部队难以进入的偏远 山区作战时，可用它完成侦察、监视和通信任务，并可将侦察信息实时传送回来。 ( 2 ) 在复杂城市环境中作战 由于它体积小、速度较慢、机动灵活，可以由单兵、班、排一级的小分队操 作控制。因此非常适合在建筑物林立众多、地形极其复杂的城市环境中作战，除 此之外的其他大型图像监控系统就难以在这样复杂的环境中完成相应作战任务。 ( 3 ) 对生化武器进行探测、识别 生化武器的危害众人皆知，在对这类武器进行识别和探测时，需要极其小心 谨慎，但也难免造成沾染甚至不必要的伤亡，而它可以“毫无顾忌”地飞入这类 目标进行探测侦察，不存在人员伤亡、沾染等问题。 ( 4 ) 提高武器效费比，降低军费开支 目前载人武器系统的价格非常高，有的已达到成百上千万美元。由于微小型 无人武器系统不需要使人员舒服和安全的措施和装置，也无需在生、化环境下保 一一一 皇王型苎查堂堡主篓苎 护人员的设备，以及支付训练人员的费用，因此微小型无人武器系统的造价、使 用费用相对较低。 1 2 国内外微型无线图像传输系统的研制现状 1 2 1 国内外微型无人侦察机的研制现状 国内外各部队都对小区域战场的侦察极其重视。战场的空中电子侦察能力也 随着科学技术的发展而逐渐提高，逐步实现了从高空到低空、从战略侦察到单兵 机动实时侦察的发展。目前，对战场小区域实时侦察的主要平台是各种无人侦察 机，特别是近年来发展迅速的微型无人侦察机。 1 、国外微型无人侦察机的研究现状 a ) 美军微型无人机研究计划从1 9 9 2 年提出，经过大量人力物力的研究，到目前 d a r p a 的微型无人机计划已初见成效。表卜l 是美国研制的几种微型无人机 ( m a v ) 的性能简表圆嘲嘲。 表卜1 美国研制的几种微型无人机( m a v ) 的性能简表 研制公司m a v 型号机重( 0飞行距推动系统携载设备 离( k m ) 航空环境黑寡妇 5 02 0 6 0锂电池电可见光摄像机 动机重 1 l o m g 洛克希德克里b 里 3 1 6微型柴油 集成g p s 3 0 n 速度 机，重1 6 9 9计陀螺仪，成像 ( 含燃料)传感器，多光谱 分辨仪 桑德斯微星 1 0 05 6锂电池，重 数字光学相机、 4 4 5 9v v 5 4 0 4 图像传感 器、g p s 、通信链 加州大学机器蝇 1 0o 1微型摄像机 加州龙眼 2 2 7 0摄像机和红外线 传感器，可对5 公里内侦察 美国陆军 m a v5 0 0】o摄像头、红外线 传感器、声感设 备、金属探测器 b ) 臼本于2 0 0 1 年9 月份开发成功当今世界上最轻的微型无人机“u f r i i ”。该 机采用二重反转式螺旋桨，可以按照程序设计路线自主飞行，携带微型摄像 机并可以将拍摄到的图像情报迅速传送回基地。该机直径1 3 6 毫米、高8 5 毫 米、白重1 2 3 克，可持续飞行3 分钟”1 。 婴垫查兰堡圭兰壅 c ) 以色列“鹰苍鹭”无人机，飞行航程在 0 0 0 公里队上，飞行高度达2 5 0 0 0 英尺( 7 5 7 5 米) ，续航时间超过2 4 小时。这种无人机能够提供实时的情报，并 能自动起降，拥有整合的任务计划能力和传感器技术，可同时携带各种有效 载荷。 d ) 以色列飞机工业公司制造的“小鸟”和“间谍”微型无人侦察机，“小鸟， 总重量1 3 公厅，飞机的飞行距离为5 公里。“间谍的体积略微大一些， 飞行距离是“小鸟”的两倍。这两种无人侦察机在传回照片的同时，可以飞 行一个小时。目前他们还在研制另外两种微型侦察机，蚊子和“蚊子”1 5 版本，分别重2 5 0 克和5 0 0 克，“蚊子”侦察机装备有微型摄像机，可以成功 飞行4 0 分钟m 。 、e ) 德国e m t 公司研制的m i k a d o ( 米卡多) 微型无人侦察机，该无人机翼展5 0 c m ， 起飞质量5 0 0 9 ，作用半径5 0 0 m ，飞行1 5 分钟，机上配有目光视频摄像机和 数据链”3 。 f ) 德国的莱茵冶金( r h e i n m e t a l l ) 防务电子公司研制的“卡罗拉”( c a r 0 1 a ) 无人侦察机，是电动单翼机，翼展4 9 厘米( 1 9 3 英寸) 。该系统包括无人机、 摄像头、地面站和运输包及天线，用于无人侦察和监视作战行动啪。 2 、国内无人微型侦察机的研究现状 a ) 航天科技集团北京空气动力研究所研制的国内最小的无人侦察机，只比人手 掌大一点，具备摄影、实时传输图像、电子干扰等功能”。 b ) 台湾工业技术研究院研制出一种微型飞机，这种无人机机身小巧，可用来执行 军事侦察任务。它的身宽只有6 英寸( 约2 0 厘米) ，相当于成人的手掌大小。 在它上面搭载了微型摄像机，可执行侦察任务。由于体积小，它在执行任务 时的隐蔽性较高，也不容易被敌方击落嘲。 1 2 2 国内外微型无线图像传输系统相关产品的分析 生产微型无线图像传输系统的公司有很多。我们重点考察了台湾百特公司、 武汉先锋电子、北京真美视听技术、美艾达( 上海) 有限公司等几家公司的产品， 其主要产品的发射部分比较如表卜2 所示。 表i - 2 几种微型无线图像系统发射部分比较表 发射传输 型号公司工作频率重量 功率距离 百特超微型2 0 0 k l w百特 1 2 g2 0 0 m w3 0 0 m 1 0 克 百特7 0 0 m w百特 1 2 g7 0 0 m w7 0 0 m5 5 克 a 0 1 8 2 6 9 7 9 武汉先锋 i 2 g 2 4 g3 w3 5 公里 3 2 0 9 电子科技大学硕士论文 b 1 4 1 6 4 4 3 3武汉先锋12 g 2 4 g3 w3 公里 3 2 0 9 真美r 0 8 北京真美 1 、2 g2 0 0 m w1 0 0 米 重量较轻 飞彩a va n y w h e r e美艾达 2 4 gl o m w9 1 米重量较重 1 3 课题的来源与技术指标要求 本课题来源于和某部队的合作项目，要求本项目设计搭载在鸽子上，便于单 兵携带与使用，成本低，能够在区域战场进行图形图像昼夜监测的微型无线图像 传输系统。 本项目的具体技术指标要求： 1 ) 系统的微型发射模块总重量不大于6 0 克( 含电池) ，其摄像发射模块约1 4 2 5 克( 含摄像头和发射天线) ，电池重量约2 0 3 6 克。 2 ) 地面接收机，便于单兵携带。 3 ) 系统的微型发射模块电池工作时间不小于2 0 分钟，地面接收机电池待机时 间不小于2 4 小时。 4 ) 整个系统传输有效半径达5 0 0 1 0 0 0 米( 视距范围内) 。 1 4 论文的主要工作和内容安排 由表卜2 可看出：大多数公司生产的微型无线图像传输系统的发射部分通常 体积较大，重量较重，如果直接引进应用在本系统中，其重量将超过军鸽负担的 极限，并且功耗较大、通信距离较近，不能满足上述技术指标的要求。所以根据 系统的技术指标要求，需要另行设计系统。 本论文通过对收集相关资料进行现有技术分析，对比可能采用的通信频段、 通信体制等，根据系统的项目要求，考虑到微型无线图像传输系统的关键是发射 模块部分的微小型化设计，因为鸽子的大小，导致其允许的带负载能力有限，因 此，在保证系统工作要求的前提下，如何降低鸽子负载系统的电力消耗、重量、 尺寸等是系统设计的关键同时也是难点。本论文仔细考虑了这些关键问题，设计 了模拟和数字两套实现方案，每个方案都是由鸽载部分和地面部分组成。方案一 采用模拟通信方式，鸽载部分由微型摄像单元和自行设计的微型视频发射机组 成，对鸽子飞过的地区进行监控并将视频数据发送给地面端。地面部分包括卫星 接收机、电视盒和计算机，接收鸽载部分发送回的视频信号并对视频信号进行处 理和存储。方案二采用数字通信方式，鸽载部分采用微型摄像模块作为视频输入 部分，利用微处理器完成逻辑控制和图像数据的串并变换，最后由微型无线通信 芯片发送出去，地面部分采用由同种无线通信芯片组成的通信模块和计算机相 电子科技大学硕士论文 连，对传输回来的图像进行接收、处理及存储。这两种方案都满足整个微型无线 图像传输系统体积小、重量轻和功耗小的要求。 论文的内容安排： 第一章根据项目的技术指标要求，设计总的模拟实现方案，并对除压控振荡 器的各个部分进行仿真实现。 第二章简单介绍反馈振荡器的原理，并提出设计反馈振荡器的注意事项。 第三章根据反馈振荡器的基本原理，设计出满足项目要求的压控振荡器，并 仿真实现。 第四章 第五章 第六章 第七章 根据项目的技术指标要求，设计总的数字实现方案，并对方案中使用 的硬件进行了选型。 数字实现方案的硬件结构图和软件流程图。 对两种实现方案的鸽载部分进行了技术指标的分析。 对两种实现方案进行了总结，并提出了未来对方案的改进思路。 电子科技大学硕士论文 第二章模拟方案的设计 本方案微型发射部分是自行设计的微型视频发射机，采用模拟传输方式， 积小，图像清晰，功耗较低，实时性好。整个系统的组成框图如图2 一l 所示“ vl 竺嬖兰 一 l 计算机视频 1f 地面部分l 视频存储 ：一 图2 1 微型无线图像传输系统总体框图 t 整个系统由鸽载部分和地面部分两部分组成。其中，鸽载部分由微型摄像头 和微型视频发射机组成，考虑到军鸽放飞后只要求工作2 0 分钟，放飞路线和回 收无需人为干涉，所以微型视频发射机可以不设计接收单元。地面部分包括卫星 接收机、电视盒和计算机。与传统的摄像及传输系统相比，该系统的鸽载部分采 用了集成度较高、耗电较低的分立元器件，实现了微型化。 该系统通过装备在鸽子上的微型摄像头拍摄地面情况，并由视频发射机将视 频信号实时发送回地面，从而实现对鸽子所飞过的地区进行实时监视。并且地面 部分可以对接收到的视频信息进行存储和处理，优化接收视频图像的质量。 2 1 鸽载部分 2 1 1 微型摄像头 鸽载部分的微型摄像头完成图像的采集工作。本系统采用北京智源视达技术 发展公司s s 2 0 0 0 c f 型号的彩色c i o s 摄像头。它输出电平为i v p p ，输出阻抗为 7 5 q ，最低亮度为1 5 l u x ，具有3 8 0 线的水平解析度，可任意选配镜头。考虑到 鸽子飞行的高度，本系统选用视角为1 7 1 。和6 0 。的两种镜头。镜头视角越小， 侦察范围越小，拍摄图像越清晰。所以当需要侦察大范围区域时，选用视角为6 0 。的镜头，当侦察单个物体时，选用视角为1 7 1 。的镜头。摄像头的外围尺寸为 2 0 r r 2 0 r r n l 1 5 m m ( 长宽高) ，重量小于1 0 9 ( 含镜头) ，6 v 1 2 v 直流供电， 功耗为j 2 0 m w ，输出为彩色p a l 带i j 式的全电视信号。 这科 c m o s 摄像头内部采用的是c m o s 图像传感器。c m o s 图像传感器与常用的 c c d 图像传感器相比，其工作电流通常只有后者的1 0 ，从而大大降低系统的电 力供给要求。c m o s 图像传感器在制作工艺上借助v l s i 技术，采用c m o s 工艺，集成 电子科技大学硕士论文 度高，理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、 时序控制、c d s 、a d c 等，都可集成在一块品片上，甚至于所有的晶片包括后端晶 片、快闪记忆体等也可整合成单晶片，以达到降低整机生产成本及缩小体积的目 的。所以c m o s 图像传感器具有集成度高、体积小，功耗低，外围电路简单，价格 便宜等优点。 c m o s 图像传感器可分为无源像素传感器( p a s s i v e p i x e l s e n s o r ，简称p p s ) 和有源像素传感器( a c t i v c p i x e l s e n s o r ，简称a p s ) 。由于c m o s 图像传感器的制 造技术与c m o s i 艺完全兼容，因此具有较高的集成度。一般由感光阵列、驱动电 路、信号处理电路、a d 转换电路等部分组成。c m o s 图像传感器的总体结构框图 如图2 2 所示。 腓墨产出 卜掣i 模拟信号处理l 型鲨誓出 i 水平控制il r 1 一 亡i 哩暨卜 孟暨卜固 目前c m o s 图像传感器的感光阵列一般采用了有源象素传感器a p s ( a c t i v e 2 p i x e ls e n s o r ) 技术，即在每一个光敏单元内集成一个或多个放大器( 有 源器件) ，使每一个电信号在光敏单元内就得到放大，使c m o s 图像传感器灵敏度 得到提高，并具有良好的消噪功能。水平控制和垂直控制信号依次选通光敏厦中 的每一行和列，读取各个光敏单元的电信号，接通偏压的过程也是电信号读取的 过程，因而信号的读取速度较快。c m o s 图像传感器的时序电路产生各种驱动和控 制脉冲，信号处理电路集成了自动增益控制( a g c ) 、自动曝光控制( a e c ) 、自动白 平衡( a w b ) 、伽玛校正、背光补偿和自动黑电平校正等电路，有的还集成了彩色 矩阵处理电路和全电视信号编码器，可输出标准的n t s c 或p a l $ ! j 式的全电视信号 和数字图像信号，片上功能可通过1 2 c 总线控制或三线制方式控制。 综上所述，考虑到鸽载部分要求功耗小，体积小，所以选用e h c m o s 图像传感 器组成的微型摄像头。 2 1 ，2 视频发射机 视频发射机是本系统的核心部分。这里采用模拟方式传送视频，满足了系统 电子科技大学硕士论文 的低成本、实时和微型化的要求。本系统的微型视频发射机电路原理如图2 - 3 所 示，包括预加重网络、视频放大、频率调制、功率放大和发射天线 12 h 1 3 。 图2 - 3 视频发射机电路原理图 在调制方式的选取上，虽然幅度调制的带宽效率最高，但频率调制提供了很 高的抗噪声性能和功率效率，而且发射机和接收机都较容易实现，结合本系统的 特点，对幅度调制和频率调制的优缺点进行了综合考虑，选用了频率调制方式。 通信频段采用微波通信的l 频段。微波通信具有容量大、传播较稳定、受外 界干扰小、传输距离较远等优点，但在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能 力弱，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，又称视距传播。 2 1 2 1p a l 制式的视频信号 微型c m o s 摄像头输出为标准的p a l 制彩色视频信号。c c i r 规定p a l 全电视 信号一般为6 2 5 行，5 0 场，行频f h = 1 5 6 2 5 h z ，带宽为6 m h z ，标准幅度为1 v p p ， 有0 3 v 的行同步头，有0 3 v 的4 4 3 m 色同步头，有+ o 7 v 的等i 隔、2 0 0 k 6 m 的扫描图像信号。它的时域图如图2 4 所示，所占用的频谱分布如图25 所示。 从彩色视频信号的频谱分布可看出，亮度信号能量主要分布在以行频及其各次谐 波频率为中心的较窄范围内，集中在视频频带的低端，色度信号能量主要分布在 副载波f s c 、f s c + n f 。及f s c n f 。处( n 为正整数) ，集中在视频频带的高端( f s c 附近) 。 图2 4p a l 视频信号的时域图 电子科技大学硕士论文 2 12 ，2 预加重网络 图2 - 5 彩色p a l 视频信号的频谱分布 在频洲懒蝴调黼出b 熹- 3 击纠等j ( 2 _ d 解调器输出的噪声功率：= j 1 , , k t b b f n 一【砉j 厶2 ( 2 - 2 ) 其中只是接收机输入端载波功率，f 为噪声系数，t 为温度参数，膏为比 例系数，b 为调频波的带宽，l 为调制信号的最高频率，f 为调制信号的 最大频率偏移。 由式( 2 1 ) 可以看出，在调制指数mr = 等一定的情况下，厶越高，输出信 jp 噪比辱名越低，即调频信号解调后恢复的视频信号其信噪比在各个视频频率上是 不同的。由式( 2 2 ) 可知，基带内调频热噪声电压随调制信号频率l 而增加。综 合( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 式可得，在基带信号的高频端热噪声最大，信噪比最低；在基带信 号的低频端热噪声最小，信噪比却过于富裕。为了使基带内信噪比分布得均匀一 些，采用预加重和去加重技术。 预加重是在调制器前接入一个预加重网络，将调制信号电平人为的倾斜，使 高频端提高，低频端压低。调频信号经过传输，到接收端解调以后，在视频信号 通道内，高频端的信噪比就得到了改善，而低频端的信噪比则被降低，信噪比的 分布就比较均匀。 由于输入的是p a l 制式全电视信号，低频分量一般为亮度信号，高频分量一 电子科技大学硕士论文 般为色度信号，在传输中损失- d , 部分低频分量，对图像的质量不会有太大影响。 所以根据c c i r 建议，预加重的中心频率设为7 0 0 k h z ，预加重比为1 4 d b ，经过下列 公式可推算出预加重网络电阻、电容和电感的值“。 一跏- 1 ) 弘志扛黜 ( 2 _ 3 ) 。 2 顽( 啪一1 ) r2 蜕m = 嘉= 丽m 丽- 1 l p c d 。= 击巩( 2 - 4 )2 丽面面2 丽o2 磊j 预加重网络的电路图如图2 6 所示：t e r m ，t e r m 2 是预加重网络的输入输出 阻抗，它的输入阻抗正好与彩色c m o s 摄像头相匹配，为7 5 q 。 图2 6 预加重网络的具体电路 预加重网络的正向传输特性即功率增益如图2 7 所示：将输入信号电平倾斜， 使高频端提高，低频端压低。m 5 点为设的中心频率点，m 6 点为视频信号的副载波， 在这一点上，色度信号的幅度之最大。 盒 8 硌 f f e q i - h 图2 7 预加重网络的特性 为了使高、低频端的调制信号电平恢复到原值，在解调器输出端还要接入一 个去加重网络，其特性正好和预加重特性相反。调制信号经预加重和去加重网络 2 以o m m m ” n n 帅拈 电子科技大学硕士论文 后频谱分布仍维持原状，但由于去加重网络对信号和噪声都起作用，解调后经去 加重网络，高频端的输出噪声有所下降，因此去加重后高频端信噪比有所改善， 使整个输出信噪比有所改善。由于接收端使用的卫星接收机内部已有了去加重网 络，这里就不对去加重网络进行设计了”“。 21 2 3 视频放大 从视频信号的频谱分布可看出，亮度信号在最低频率时幅度最大，色度信号 在副载波处幅度最大，它们经过预加重电路会产生衰减，亮度信号衰减的较大， 色度信号衰减的较小，所以直接将预加重电路输出的信号加在变容二极管上，会 造成压控振荡器的频偏太小，不能对满足对视频信号调频的要求。因此必须加一 个视频放大电路，提高视频信号的幅度。由于亮度信号在传输中允许一定的衰减， 所以视频放大电路以放大高频信号为主。经过预加重仿真可得出，在副载波处， 色度信号的幅度衰减为4 8 0 m y ，幅度较小，所以需经过视频放大电路，使它的输 出幅度值约为l v ，才能满足系统对视频信号调频的要求。具体的视频放大电路图 如图2 8 所示。 图2 8 视频放大电路图 由于是微小型系统，功耗甚为重要，所以图中r 1 和r 2 的电阻要设计的大些， 防止直流信号和交流信号在它们上的损耗，减小电路的功耗。图中l l 和c 5 是为了 防止交流信号对直流电源的干扰和直流电源纹波对放大电路的干扰。整个电路的 输出电压波形如图2 9 所示。输出电压的峰峰值约为1 v ，满足系统对视频信号调 频的要求。图中信号有一个直流分量是 酗a d s 软件设计的原因，信号通过电容 时，会对电容进行充电，这时会产生直流，经过一段时间，电容充完电，信号就 没有直流分量了。 2 1 2 4 频率调制 缸1 t 矗e c 图2 9 视频放大电路的输出波形图 、 用调制信号去控制高频载波的频率称为调频( f m ) 。 调频波的定义为( ，) = 皱+ r v n ( r ) ( 2 - 5 ) 频率偏移为( t ) = p lc o s f ) t 晟大频偏为= k s 。 ( 2 6 ) 相移为妒( ，) = 母鲁s i n l ) t ( 2 7 ) 最大相移又称调频指数，_ 为 = o 告= 等( 2 - 8 ) 有效频谱宽度为 占阿k = 2 ( m s + 1 ) f = 2 ( 砜+ f ) ( 2 - 9 ) t ，2 在单位电阻上调频波的功率( p 0 为载波的幅度) 为p = 二譬 ( 2 1 0 ) 根据调频的定义，调频波的瞬时频率与调制信号成正比。它的瞬时相位与调 制信号的积分成正比，因此可以得到两种产生调频波的方法。一是直接调频法， 将调制信号直接控$ ) j l c 振荡器的振荡频率，使输出信号的频率与调制信号成正 比，从而实现调频。二是间接调频法，将调制信号的积分值去控制调相电路，使 调相电路的输出相位与控制信号成正比，由于频率是相位的微分，因此输出信号 的频率与调制信号也成正比，从而实现调频“州”肼1 。 无论哪种调频法，对一个调频电路的主要指标可以分为两个方面，一是关 于调制性能的，二是关于载频性能的。 关于调制性能的主要要求是： 1 调制特性为线性 调频波的频率偏移与调制电压的关系为调制特性，为了不失真调制，要求调 制特性为线性。实际上调制特性不可能做到完全线性，只能保证在一定的调制电 e , 范g a 内近似为线性。这就要求加在变容二极管的偏置电压的范围在变容二极管 的特性曲线上近似为线性。 2 调制灵敏度高 单位电压引起的频率偏移量，称为调制灵敏度，s 。= j 誓其单位h z v 。 r 3 最大频偏4 兀满足要求 最大频偏厂埘是指在正常调制电压作用下，调频电路所能达到的最大频率偏 移。调频电路的最大频偏不能太小，这样会使接收机识别不到已调信号的频率变 化，但是也不能太大，这样会使载频稳定度减小。考虑到系统对视频信号进行调 频，又要电路实现简单，所以对于系统的调频电路，要求其最大频偏大于8 m h z 。 4 调制电路的频率响应 由于调制信号具有一定的带宽，要求在整个调制信号的频谱宽度内，调制电 路的特性，如调制灵敏度、最大频偏都应达到规定的要求。 5 寄生调幅要小 理想的调频波的幅度是不变的，但在实际系统中是不可能做到的，存在着寄 生调幅，要求其值尽量小。 对于载频方面的要求是载频稳定度高。 保证载频有足够高的稳定度是接收机正常接收所必需的，否则可能使调频信 号的频谱落到接收机的通带以外，无法收到，且影响邻道。 对于一个调频波产生电路来说，它的主要指标应该是载波频率稳定度高、调 制特性线性度好，能保证所需的频偏大小。直接调频原理简单、频偏较大，但由 于振荡器的频率直接受控，因此频率稳定度不高。而间接调频法的核心是调相， 其载波信号是由晶振产生的，因此频率稳定度高，但间接调频的缺点是频偏小， 必须有扩展频偏电路扩展频偏。 基于鸽载的微型视频发射机对调频方式有如下几个要求：a ) 视频信号带宽较 大，因此要有比较大的调制频偏。b ) 图像信号对线性度的要求比较高，否则很容 易发生图像的畸变和扭曲。c ) 电路简单，尺寸质量等都必须符合微小型的要求。 考虑到以上几个因素，选用简单、容易实现的直接调频方式。 直接调频法是用调制信号直接控制振荡器的频率，使振荡频率跟随调制信号 变化，如图2 1 0 所示。其工作原理为，直接调频电路就是一个振荡器，其振荡 频率取决于电路中的电抗元件l 和c 的数值，用调制电压控制某个电抗元件的值 就可以控制振荡器的频率。本系统采用最常用的用变容二极管构成的压控振荡器 作为直接调频电路。具体的实现参看第四章压控振荡器的设计及仿真实现。 电子科技大学硕士论文 212 5 功率放大 图2 一l o 直接调频法 虽然压控振荡器仿真出来的信号输出功率约为1 4 7 d b ，但这是在理想情况 下，实际中一定会有衰减，所以为了使信号传输距离更远，在压控振荡器的输出 端加上功率放大器。本项目中选用的功率放大器为安捷伦的m s a l l 0 5 ，在0 5 g h z 时的噪声系数为 盘 d 乜 2 ，1 2 ，6 发射天线 f r e q g h l 图2 一l lm s a l l 0 5 的功率增益曲线图 为了保证微型发射机在鸽子飞行的各种姿态情形下，都能够较好地辐射射频 信号，在开发的过程中采用了较为简单的单匝环形弱方向性天线，采用同轴电缆 的内芯作为天线材料以保证阻抗为5 0 q 。 2 1 3 鸽载部分电池的选取 根据项目的要求，微型发射模块的总重量不大于6 0 克，电池的选取非常重 要。为了使调试阶段方便、经济，选择了常用的g p 6 f 2 2 型号的电池，它的重量 为3 5 克，容量为1 2 0 m a h 。 2 2 地面部分 微型无线图像传输系统的地面部分主要用来接收鸽载部分实时发回的视频 信号，将其数字化并显示和记录下来，以便根据实际需要做相应的图像处理。地 面部分包括接收天线、卫星接收机、电视盒和计算机。 1 4 电子科技大学硕士论文 整体结构图如图2 一1 2 所示。接收天线选用健博通电讯实业有限公司型号为 t q c 一1 2 0 0 3 , 的车台天线，增益约为7 d bj ，带宽为8 0 m h z ，频率范围为1 1 2 0 1 2 0 0 m h z ，高度4 0 c m ，重量为1 5 0 克。接收机选用福建华亿电子有限公司生产 的h y 2 0 0 2 m 模拟卫星接收机，完成调频信号的解调，其频率范围为9 5 0 2 1 5 0 m h z ， 接收灵敏度可达一9 0 d b m ，体积为3 2 0 2 3 0 x 6 5 r r l r n ( 长宽高) ，重量为5 6 0 9 。 电视盒选用u s b 接口的奥迈火玫瑰电视盒，可将接收到的p a l 视频信号转换为数 字视频信号，以便后期对视频信号的处理。计算机采用一般的笔记本电脑，重量 约为1 3 5 k g ( 含电池) 。卫星接收机、电视盒、计算机的供电部分采用原自身供 电方式，这里不作介绍。 图2 】2 地面站结构框图 图像处理的流程如图2 一1 3 所示，p a l s j j 视频信号经电视盒转换成数字视频信 号。用v c 软件可以根据数字视频流的图像灰度值分布特征，根据用户需要有目的 的进行对比度增强、图像平滑、图像锐化等图像增强方法，以改善图像的质量。 图2 1 3 地面站图像增强处理流程 地面部分通过天线和卫星接收机接收模拟视频信号，采用电视盒将其数字 化，以数字格式存储视频信号，并通过软件进行后续的图像处理，优化图像质量。 整个地面部分的体积较小、重量较轻，便于单兵携带，适合野外作业，电源 待机时i q 2 4 d , 时以上，满足项目对地面部分的要求。 2 3 模拟方案的总结 整个系统的发射部分采用模拟射频设计，发射频率l 。2 6 h z 左右，相位噪声 在i o k h z 的时候为一1 0 1 o d b c h z ，调制带宽为i o m h z ，调制灵敏度为i o m h z v ， 输出功率约为2 4 7 d b m ，满足系统对视频信号调制的要求，但这只是理论性数值， 实际中会有一定的偏差。地面部分重量较轻，便于单兵携带，待机时间2 4 小时 以上。整个系统重量轻、体积小、图像清晰、实时性好，完全满足项目技术指标， 是可实施的，目前系统的发射部分已经制板，进入调试阶段。 电子科技大学硕士论文 第三章反馈振荡器的基本原理 3 1l c 串并联谐振回路的基本概念和特性 3 1 1l c 串联谐振回路的基本概念 电感l 和电容c 串联就构成了串联谐振回路，如图3 - 1 所示，电感的损耗包 括热损耗和辐射损耗，以电阻r 表示，它的损耗在不计信号源内阻的状况下，是 主要的损耗因素。图中r 代表电感l 的损耗电阻，l 和c 分别是电感与电容， 是正弦电压( 复数) 。 j v s 图3 - 1 串联谐振回路 从图可见，回路的输入阻抗为 抽+ j ( c o l 一匆j w x ：越一1 ( 3 1 ) c o c 式中，z 为阻抗，x 为电抗。 当输入阻抗为纯电阻时，称回路为谐振。对应的谐振频率为 以：三 ( 3 2 ) 2 丽 ”“ 串联回路谐振时具有以下特点： 1 j 矗抗特性。回路谐振时，回路的感抗和容抗相等，互相抵消，回路的阻抗最 小，z = r 。通常将谐振时的容抗或感抗称为回路特性阻抗。 p = 上= 丽1 ( 3 3 ) 2 ) 电流特性。谐振时回路两端电流最大，= 譬= ，。，并与信号源电压同相。 3 ) 品质因素。回路品质因素实际上描述的是回路的储能和耗能之比a 定义为 门一。，堂堡盟旦堕璺竺堡堂：2 石兰姿 ( 3 4 ) z 谐振时回路一周内的耗能t v 。 1 6 电子科技大学硕士论文 由于r ：望，则对于图3 - 1 所示的串联谐振回路，r 视为回路的损耗，其品 0 质因素为 o ：堂：l _ ( 3 5 ) ， r c o o c 4 ) 电压特性。谐振时，流过电感l 和电容c 的电压相等，方向相反，且为信号 电流的q 倍。这可理解为，谐振时，电容上的能量和电感上的能量互相转换，产 生振荡，而信号源的能量仅补充电阻r 上的损耗。 圪。= j v s q o。= 一j w q o ( 3 6 ) 3 1 ，2l c 并联谐振回路的基本概念 电感l 和电容c 并联构成并联谐振回路( 如图3 - 2 所示) ，r 是电感中的损 耗电阻。这里必须说明的是，在射频电路的范畴内，电容损耗可以忽略不计，但 在更高的微波频段中，电容c 中的损耗必须考虑。 g p 图3 - 2 ( a ) 并联谐振回路 图3 - 2 ( b ) 并联谐振回路的工程近似等效电路 p + j a i l ) _ 1 z ：一兰竺r ( 3 - 7 ) r + j ( m l 一面1 ) 类似于串联谐振回路特性，在工程中总是满足砒r ，此时 】，= i 1 = i c r + ，( 出c 一寺= 印+ 声( 3 - 8 ) 由( 3 8 ) 式可见，满足砒r 的条件下，图3 - 2 ( a ) 可用图3 - 2 ( b ) 的电路等效。 当导纳为纯电导g p 时，称回路谐振。对应的谐振频率为 畔2 击( 3 - 9 ) 并联回路谐振时具有以下特点： 1 ) 阻抗特性。回路谐振时，回路的感抗和容抗相等，互相抵消，回路的导纳最 小，】，= 嗥= 击或阻抗最大z p 2 石l = 印。通常将谐振时的容抗或感抗称为回 潞特性阻抗。 电子科技大学硕士论文 p = 工= 去。 口【， ( 3 1 0 ) 2 ) 电压特性。谐振时回路两端电压最大，= i 1 s 一，并与信号电流同相a u o 3 ) 品质因素。回路品质因素实际上描述的是