适用于远距离传输的无人机无线图传系统的制作方法

本实用新型涉及无线图传系统，更具体地涉及适用于远距离传输的无人机无线图传系统。

背景技术：

随着科技的发展，无人机的生产成本越来越低，因此，无人机以其无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势，能够较好地与各领域的专业知识相结合，而在越来越多的领域中得到了应用。

现有无人机空地无线传输的信号主要包括图传信号和飞行控制信号。其中无线图传系统中，一般配备有模拟相机或数字相机、嵌入式中央处理器、大容量存储器、发射机和天线等设备；并且现有的无人机无线图传系统已经实现了高清图像的稳定传输，但是存在图像传输距离近、延时高、使用空间局限性大的不足和缺陷。

针对上述问题，授权公告号为CN204633941U的中国实用新型专利公开了一种无人机高清远程低延时无线图像传输系统，其包括无人机空中单元设备和地面接收单元设备。其中，无人机空中单元设备包括无人机本体、二维云台、设置在二维云台上的高清运动摄像机、以及与高清运动摄像机连接的发射极；地面接收单元设备包括地面接收机和中继器。发射机包括H.264编码模块、发射机COFDM调制模块、发射机线性功放模块、发射机天线；中继器包括中继器接收天线、带通滤波器、中继器COFDM解调模块、中继器COFDM调制模块、中继器线性功放模块和中继器发射天线；地面接收机包括接收机天线、螺旋带通滤波器、低噪声放大器、接收机COFDM解调模块、H.264解码模块和高清显示屏。

其中，中继器通过中继器接收天线与发射机的发射天线无线连接，中继器通过中继器发射天线与地面接收机的接收天线无线连接。

无人机在执行空中拍摄时，通过设置在二维云台上的高清运动摄像机拍摄图像，高清运动摄像机拍摄的高清图像传入发射机，发射机通过H.264编码模块将高清图像信号编码后送入发射机COFDM调制模块进行信号调制，调制后的信号由数字信号转为模拟信号并送入发射机线性功放模块线性放大，放大后的模拟信号经过发射机天线发射出去；发射机发射出的射频信号被地面接收单元设备的中继器通过中继器接收天线接收，中继器接收天线接收信号后通过带通滤波器滤波去噪后进入中继器COFDM解调模块解调，解调后的信号再经过中继器COFDM调制模块调制，调制后的信号再经过中继器线性功放模块放大，最后由中继器发射天线发射出去。

中继器传输出去的信号传送到地面接收机，地面接收机通过接收机天线接收信号，接收进来的信号送到螺旋带通滤波器进行滤波去噪，然后送入低噪声放大器进行信号放大，放大后的信号再送入接收机COFDM解调模块解调，解调出的信号经过H.264解码模块进行解码，最后解码出来的视频信号通过高清显示屏显示出来。

系统传输过程中，根据传输距离的不同，中继器的数量为1到3台，采用1台中继器时系统非视距传输距离为40公里，当系统采用3台中继器时系统非视距传输距离达到100公里。

上述技术方案是实现远距离高清图像传输的一种解决思路，即通过增加中继器的数量来增加传输的距离，所属领域的技术人员从其它思路出发，进行了技术上的延伸和拓展，并取得了不错的成绩。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种适用于远距离传输的无人机无线图传系统，具有能够在高速运动中及非视距条件下实现远距离高速实时视频数据传输的优点。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：适用于远距离传输的无人机无线图传系统，包括空中发射单元设备和地面接收单元设备，所述空中发射单元设备包括无人机本体、安装在所述无人机本体上的无人机摄像机以及空中发射机，所述地面接收单元设备包括地面接收机，所述空中发射机包括自适应通信连接于所述无人机摄像机以对接收自所述无人机摄像机的视频信号进行压缩编码处理并输出标准视频TS流的AVS-M编码模块、耦接于所述AVS-M编码模块以对接收自所述AVS-M编码模块的所述标准视频TS流进行多载波调制并输出射频信号的无线信道TDS-OFDM调制模块、耦接于所述无线信道TDS-OFDM调制模块以对接收自所述无线信道TDS-OFDM调制模块的射频信号进行放大处理并输出放大射频信号的射频功率放大模块以及耦接于所述射频功率放大模块以将接收自所述射频功率放大模块的放大射频信号向所述地面接收机发射的发射天线；

地面接收机包括无线连接于所述发射天线以接收所述放大射频信号并将其输出的接收天线、耦接于所述接收天线以对接收自所述接收天线的放大射频信号进行抑制带外信号处理并输出带内信号的螺旋滤波处理模块、耦接于所述螺旋滤波处理模块以对接收自所述螺旋滤波处理模块的带内信号进行放大并输出放大带内信号的无线信号低噪增强模块、耦接于所述无线信号低噪增强模块以对接收自所述无线信号低噪增强模块的放大带内信号进行解调并输出标准视频TS流的无线信道TDS-OFDM解调模块、以及耦接于所述无线信道TDS-OFDM解调模块以对接收自所述无线信道TDS-OFDM解调模块的标准视频TS流进行解压还原处理并输出视频信号的AVS-M解码模块。

通过采用上述方案，AVS-M编码模块和AVS-M解码模块所采用的AVS编解码技术具有在保证高的编码效率的基础上，复杂度较低的优点，并且AVS视频编码标准作为我国第一个拥有自主知识产权的音视频编解码标准，还具有许可政策简单和许可费用低廉的优点；无线信道TDS-OFDM调制模块采用的多载波零中频TDS-OFDM时域同步控制正交频分复用技术及信道编码LDPC前向纠错编码技术，在信道资源的分配上通过时域控制，频率上通过子载波来灵活分配给用户终端，具有超强的抗多径能力；无人机摄像机输出的视频信号经AVS-M编码模块编码处理、无线信道TDS-OFDM调制模块调制处理以及射频功率放大模块放大处理后，由发射天线发射至地面接收机；接收天线接收来自发射天线的射频信号并经螺旋滤波处理模块带外信号抑制处理、无线信号低噪增强模块的放大处理、无线信道TDS-OFDM解调模块的解调处理及AVS-M解码模块的解压还原处理后，输出由无人机摄像机拍摄的视频信号，实现了高速运动中、非视距条件下的远距离高速实时视频数据的传输。

作为优选，所述空中发射机还包括耦接于所述射频功率放大模块以对接收自所述射频功率放大模块的放大射频信号进行预失真处理并输出预失真射频信号的预失真处理模块，所述发射天线耦接于所述预失真处理模块以接收所述预失真射频信号并将其发射至所述接收天线。

通过采用上述方案，具有节约无人机无线图传系统的整体设备功耗的优点。

作为优选，所述螺旋滤波处理模块采用多级数字带通滤波器。

通过采用上述方案，具有带外信号抑制性较好、对其它频谱的兼容性较高的优点。

作为优选，所述AVS-M解码模块包括视频信号接口和RS232接口。

通过采用上述方案，方便用户同步拓展其它数据业务，也能够满足一点发射、多方接收、信息共享的效果。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型与现有技术相比，采用拥有我国自主知识产权的编码标准，能够减少专利许可的相关费用，同时具有提高无人机视频数据传输的安全性的优点；调制技术使用国际最先进的多载波零中频TDS-OFDM时域同步控制正交频分复用技术及信道编码LDPC前向纠错编码技术；实现了高速运动中、非视距条件下的远距离高速实时的视频数据传输。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理图；

图2是空中发射机和地面接收机的原理框图；

图3是AVS视频编码标准的系统框图；

图4是四种用于运动补偿的P宏块划分方式。

图中，10、无人机本体；20、无人机摄像机；30、空中发射机；40、地面接收机；50、视频显示设备；31、AVS-M编码模块；32、无线信道TDS-OFDM调制模块；33、射频功率放大模块；34、预失真处理模块；35、发射天线；41、接收天线；42、螺旋滤波处理模块；43、无线信号低噪增强模块；44、无线信道TDS-OFDM解调模块；45、AVS-M解码模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员能够更好的理解本发明创造的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细说明

一种适用于远距离传输的无人机无线图传系统，如图1和图2所示，包括空中发射单元设备和地面接收单元设备。其中，空中发射单元设备包括无人机本体10、安装在无人机本体10上的无人机摄像机20和空中发射机30，空中发射机30包括AVS-M编码模块31、无线信道TDS-OFDM调制模块32、射频功率放大模块33、预失真处理模块34和发射天线35。地面接收单元设备包括地面接收机40和视频显示设备50，地面接收机40包括接收天线41、螺旋滤波处理模块42、无线信号低噪增强模块43、无线信道TDS-OFDM解调模块44和AVS-M解码模块45。

无人机在执行空中拍摄任务时，通过安装在无人机本体10上的无人机摄像机20摄取高清视频影像，无人机摄像机20将获取的视频影像自适应传入到空中发射机30，空中发射机30通过AVS-M编码模块31对接收的视频信号进行压缩编码处理，并将处理产生的标准视频TS流输入到无线信道TDS-OFDM调制模块32进行多载波调制，无线信道TDS-OFDM调制模块32将调制产生的射频信号输出至射频功率放大模块33，射频功率放大模块33对接收的射频信号放大处理后输出放大射频信号至预失真处理模块34，经预失真处理模块34预失真处理后的预失真射频信号传送至发射天线35，并由发射天线35发射出去。

发射天线35发射的放大射频信号传送至地面接收机40，地面接收机40通过接收天线41接收信号，并将收集到的信号传输至螺旋滤波处理模块42进行带外信号抑制处理，然后将经滤波处理后的带内信号送入无线信号低噪增强模块43进行信号放大，并将放大处理后的放大带内信号输入至无线信道TDS-OFDM解调模块44进行解调处理，经无线信道TDS-OFDM解调模块44解调产生的标准视频TS流输入至AVS-M解码模块45进行解码解压处理，得到还原的视频信号；还原的视频信号可通过视频信号接口传输到视频显示设备50上，并在视频显示设备50直接显示上，也可通过RS232接口传输至其它显示或存储设备上；另外，地面接收机40还可内嵌网络传输模块，将视频信号通过网络传输方式，传输到后台中心。

本实用新型中的螺旋滤波处理模块42采用的是多级数字带通滤波器; 无线信号低噪增强模块43采用的是同频削噪算法处理技术。

通过上述过程，实现了无人机和地面之间的视频数据的远距离、高清实时传输。

本实用新型中的AVS-M编码模块31和AVS-M解码模块45所采用的AVS编解码技术是我国第一个拥有自主知识产权的音视频编解码标准,本实用新型中的AVS-M编码模块31和AVS-M解码模块45可直接采用市场上现有的芯片产品，比如博华芯BH1200。

AVS视频编码标准的系统结构和工作原理如下：

如图3所示，AVS视频编码标准是基于空间和时间的预测和补偿、空域的变换及基于统计的熵编码的混合编码。AVS视频编码标准采用了一系列的技术来达到高效率的视频编码，包换变换与量化技术、帧内预测技术、亚像素插值与帧间预测技术、环路滤波器技术和熵编码技术等。

视频编码的基本流程如下：将视频序列的每一帧划分为固定大小的宏块，通常为16*16像素的亮度分量及2个8*8像素的色度分量，之后以宏块为单位进行编码。对视频序列的第一帧及场景切换帧或者随机读取帧采用I帧编码方式，I帧编码只利用当前帧内的像素作空间预测，类似于JPEG图像编码方式。

其大致过程为，利用帧内先前已经编码块中的像素对当前块内的像素值作出预测（对应图3中的帧内预测模块）,将预测值与原始视频信号作差运算得到预测残差，再对预测残差进行变换、量化及熵编码形成编码码流。对其余帧采用帧间编码方式，包括前向预测P帧和双向预测B帧，帧间编码是对当前帧内的块在先前已编码帧中寻找最相似块（运动估计）作为当前块的预测值（运动补偿），之后如I帧的编码过程对预测残差进行编码。编码器中还内含一个解码器，内嵌解码器模拟解码过程，以获得解码重构图像，作为编码下一帧或下一块的预测参考。解码步骤包括对变换量化后的系数进行反量化、反变换、得到预测残差，之后预测残差与预测值相加，经滤波去除块效应后得到解码重构图像。

AVS视频编码标准包含了以下关键技术：

1）变换与量化技术

AVS视频编码标准采用8*8整数正交变换（二维整数余弦变换 ICT）代替传统的浮点离散余弦变换（DCT），二维整数余弦变换具有复杂度低、完全匹配等优点。

量化是编码过程中唯一带来损失的模块，AVS视频编码标准将量化与变换归一化相结合，通过加法和移位即可直接实现，并且AVS视频编码标准采用64级近似8阶非完全周期性的量化，可以使编、解码端节省存储与运算开销，但性能不受影响。

2）帧内预测

AVS视频编码标准的码流结构的语法层次从高到低依次为：序列、图像、条带、宏块和块，其中图像类型有I、P、B三种，宏块类型有帧内预测和帧间预测两大类，块是空间预测补偿、时间预测补偿和空间变换的单元。

AVS视频编码标准的帧内预测技术采用代表空间域纹理方向的多种预测模式，以相邻像块的像素预测当前像块，并且AVS视频编码标准的亮度和色度的帧内预测都以8*8为像块单位，其中亮度块采用5种预测模式，色度块采用4中预测模式，并且在这4种模式中还有3种是与亮度块的预测模式是相同的。

3）帧间预测

帧间运动补偿编码是混合编码技术的重要部分，AVS视频编码标准采用了16*16、16*8、8*16和8*8的块模式，图4所示是四种用于运动补偿的P宏块划分方式，图4中的a图为一个16*16亮度块和相应的色度块，图4中的b图为两个16*8亮度块和相应的色度块，图4中的c图为两个8*16亮度块和相应的色度块，图4中的d图为四个8*8亮度块和相应的色度块。

AVS视频编码标准采用的是多参考帧，它支持P帧和B帧两种帧间预测图像，P帧至多采用两个前向参考帧，B帧采用前、后各一个参考帧。对于运动矢量采用了预测编码，即由相邻块的运动矢量经过预测得到当前块的运动矢量，在运动矢量预测样本的获得上，AVS视频编码标准将参考索引不同的周围已编码块的运动矢量进行缩放，使得运动矢量预测更有效。

P帧有五种预测模式，P_Skip（16*16）、P_16*16、P_16*8、P_8*16和P_8*8，对于后四种预测模式的P帧，每个宏块由两个候选参考帧中的一个来预测，候选参考帧为最近解码的I帧或P帧，对于后四种预测模式的P场，每个宏块由最近解码的四个场来预测。

AVS视频编码标准中的B帧定义了一种对称模式，即只对前向运动矢量编码，后向运动矢量根据前向运动矢量计算得到。

4）亚像素插值

在AVS视频编码标准的帧间预测与补偿中，亮度和色度的运动矢量精度分别为1/4和1/8像素，因此需要相应的亚像素插值，亮度亚像素插值分成1/2和1/4像素插值两步，AVS视频编码标准的1/2像素插值和1/4像素插值均使用四抽头滤波器。

5）环路滤波

基于块的视频编码在重建图像时存在方块效应，特别是在低码率的情况下。AVS视频编码标准定义了自适应环路滤波来消除方块效应，改善重建图像的主观质量，同时提高编码效率。

环路滤波对亮度块和色度块的边界进行滤波（图像和条带边界不滤波），帧内块滤波最强，非连续性运动补偿的帧间块滤波较弱，而连续性较好的块之间不滤波；滤波时首先对块的水平边界滤波，然后再对块的垂直边界滤波；滤波强度由宏块编码模式、量化参数、运动矢量等决定。AVS视频编码标准使用左右各三个像素（共六个像素）实现复杂度较低的环路滤波，同时也更有利于并行实现。

6）熵编码

在视频编码中，运动估计和补偿技术减少了视频图像的时间冗余，变换和量化技术去除了视频图像的空间冗余，使用熵编码技术的目的是进一步去除编码码字的冗余度。

AVS视频编码标准采用基于上下文的自适应变长编码技术对变换量化后的预测残差进行编码。其基本策略是，系数经过“之”字形扫描后，形成多个（Run,Level）数对，其中Run表示非零系数前连续值为零的系数个数，Level表示一个非零系数；之后采用多个变长码表对这些数对进行编码，编码过程中进行码表的自适应切换来匹配数对的局部概率分布，从而提高编码效率。编码顺序为逆向扫描顺序，这样易于局部概率分布变化的识别。变长码采用指数哥伦布码，这样可降低多码表的存储空间。

本实用新型中的无线信道TDS-OFDM调制模块32和无线信道TDS-OFDM解调模块44采用的是PN序列填充的时域同步正交频分复用多载波调制技术，这种调制技术有机地将信号在时域和频域的传输结合起来，在频域传输有效荷载，在时域通过扩频技术传送控制信号以便进行同步、信道估计，实现快速码字捕获和稳健的同步跟踪性能。本实用新型中的无线信道TDS-OFDM调制模块32和无线信道TDS-OFDM解调模块44可直接采用市场上现有的芯片产品，比如LGS-8G42芯片。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。