Метод высокоскоростной передачи видеоизображения по гидроакустическому каналу с использованием амплитудной модуляции и ортогональных поднесущих

В статье рассмотрено решение проблемы передачи видеоизображения по гидроакустическому каналу с высокой скоростью при помощи амплитудной модуляции c использованием ортогональных поднесущих. Представлены результаты экспериментальной проверки метода.

В настоящее время, в связи с все повышающимся интересом к исследованию шельфовых нефтяных месторождений и в свете все большего применения глубоководных необитаемых роботизированных комплексов, особенно актуальными являются перспективные методы беспроводной передачи больших объемов информации по гидроакустическому каналу связи. В частности, наибольший интерес представляет передача видеоизображения.

Существующие методы и основанные на них решения (гидроакустические модемы) фирм Aquatec, Sonardyne, LinkQuest Inc., обеспечивают передачу цифровых данных со скоростями до 48 кбит/с, на расстояния до 1−2 км при использовании полосы частот до 40 кГц (модем S2CR 40/80 фирмы EvoLogics GmbH[10]). Стоит отметить, что указанные скоростные характеристики достигаются лишь в условиях, близких к идеальным. Так, подавляющее большинство применяемых на практике методов было заимствовано из радиосвязи, где канал передачи данных значительно менее подвержен влиянию таких негативных явлений как эффект Доплера, многолучевость и замирания в канале и т. д. [1,7].

Борьба с подобными эффектами ведется посредством применения различных методов помехоустойчивого кодирования [2], увеличением базы сигнала, а так же анализом широкого диапазона возможных доплеровских смещений и пр., что в общем случае приводит к снижению эффективной скорости передачи и повышению сложности приемопередающей аппаратуры.

Эти меры являются адекватными, когда информация должна быть передана без потерь. Однако, в случае с передачей видеоизображения, когда релевантность информации теряется достаточно быстро, в виду её постоянного обновления такой подход может оказаться излишним и вообще неприменимым — скорость передачи одного кадра изображения может достигать величин от нескольких секунд до нескольких минут.

В данной работе предлагается иной подход, основанный на одновременной передаче отдельных частей кадра на разных поднесущих.

Так, если при заданных размерах кадра изображения f (x, y) X и Y в пикселях по горизонтали и вертикали соответственно, для каждого отдельного столбца кадра c (x) сформировать спектр C (n) сигнала s (y), то для формирования сигнала достаточно применить обратное преобразование Фурье:

где N — размер окна преобразования Фурье.

Таким образом, весь кадр изображения можно определить как При этом каждая поднесущая w_n модулируется соответствующей строкой пикселей, а амплитуда есть функция B яркости пикселей, такая что:

Для демодуляции сигнала f (x, k) и получения декодированного изображения f_d(x, y).

Необходимо применить прямое преобразование Фурье для отсчетов демодулируемого сигнала f (x, k):

В приведенных выше выкладках кадр изображения полностью занимает весь частотный диапазон, что нецелесообразно для применения на практике. Вместо этого можно задать такие N и Y, чтобы излучаемый сигнал занимал заданную полосу частот:

Очевидно, что в данном случае, время передачи одного кадра размерами X и Y пикселей по горизонтали и вертикали соответственно составит:

Так, например, для N = 512, X = 120, Y = 120 и F_s = 96 кГц T_f = 0,64 с, а ширина полосы при этом составит b = 11,25 кГц. Важным параметром для данного метода является нижняя частота полосы f_min.

Сигнал, получаемый таким способом обладает значительным пик-фактором, для нивелирования данного негативного эффекта в процессе модуляции, перед выполнением обратного преобразования Фурье изображение подвергается рандомизации посредством умножения на псевдослучайную последовательность.

Известно [1,8,9], что амплитудная модуляция, особенно применительно к гидроакустике обладает крайне низкой помехоустойчивостью, однако как уже было сказано, в случае с передачей видеоизображения этот недостаток не столь критичен.

Предлагаемый метод был проверен экспериментально в условиях мелководья, песчано-илистого дна и слабо выраженной многолучевости. Глубина приемной антенны составляла 4 м, передающей — 4 м, глубина места — 7,7 м, дистанция — 100 и 200 м, толщина ледового слоя — 0,4 м. Эксперимент проводился в феврале-марте 2012 года, на волгоградском водохранилище.

В рамках эксперимента была произведена передача трех видеопоследовательностей при различных начальных частотах: 5, 9 и 12 кГц. Размеры кадров для всех последовательностей X = Y = 120 пикселей, размер окна преобразования Фурье N = 512, частота дискретизации F_s = 96 кГц. В качестве приемной антенны использовался пьезокерамический круглый пластинчатый преобразователь, характеристики которого описываются в работах [3,5,6]. В качестве передающей антенны применялся 4-х кольцевой сборный пьезоизлучатель.

Рис. 1. — Исходная (сверху) и принятая (снизу) последовательность кадров. F_st = 12 кГц

беспроводный видеоизображение гидроакустический ортогональный На рис. 1 приведены исходные и демодулированные кадры тестовой видеопоследовательности. Заметно воздействие аддитивного шума и неравномерности характеристики приемно-передающего тракта.

Рис. 2. — Результаты экспериментов. Слева на право: исходный кадр, Fst = 5кГц, F_st = 9кГц, F_st = 5кГц (100м), F_st = 12кГц

На рис. 2 можно видеть влияние, которое оказывает выбранная полоса частот: изображение, переданное с F_st=12 кГц заметно качественнее, на нем различимо больше мелких деталей и оно гораздо менее испорчено. В то время как со снижением F_st качество принимаемого изображения резко снижается.

Рис. 3. — Результаты экспериментов. Слева на право: исходный кадр, F_st = 9кГц, F_st = 12кГц

На рис. 3 ситуация практически такая же — несмотря на меньшую контрастность, кадр, переданный с F_st = 12 кГц содержит больше мелких деталей, а снижение яркости изображения к низу вызвано тем, что нижняя часть изображения соответствует высшим частотам в полосе, на которых у АЧХ усилителей наблюдается спад. Для компенсации неравномерности и нестабильности суммарной АЧХ приемо-передающего тракта был применен метод пилот-сигнала [8,9], когда несколько первых столбцов кадра заполняются максимальным значением яркости. С принятием допущения о стабильности АЧХ на протяжении времени излучения кадра яркость может быть скорректирована в приемнике путем делением каждого столбца принятого кадра на функцию, получаемую делением принятого пилот-сигнала на исходный [8].

Рис. 4. — Коррекция АЧХ канала. Слева: без коррекции, справа: с коррекцией. F_st = 12 кГц

Результат такой коррекции проиллюстрирован на рис. 4, видно значительное улучшение изображения, получаемого в результате коррекции АЧХ. В обсуждаемом эксперименте использовался пилот-сигнал шириной в 5 пикселей.

Рис. 5. — Переданный (слева) и принятый (дистанция 700 м, F_st = 12 кГц) с коррекцией АЧХ (справа) кадры. Средний кадр получен в режиме закольцовки

На рис. 5 приведен результат эксперимента по передаче видеоизображения на дистанции 700 метров с коррекцией АЧХ. Средний кадр получен при работе приемника в режиме закольцовки — без прохождения сигнала через воду.

Описанный в статье метод позволяет реализовать высокоскоростную передачу видеоизображения по гидроакустическому каналу с низкой чувствительностью к эффекту Доплера. Как сообщается в [4], многообразие задач подводных поисковых работ обуславливает необходимость разработки целого спектра гидроакустических комплексов для решения большого ряда проблем, в частности: поиск объектов на дне, мониторинг инженерный сооружений. Решение подобных проблем в большей степени целесообразно реализовывать при помощи АНПА, что в свою очередь порождает потребность в эффективных методах гидроакустической связи, особенно это касается простых и надежных способов передачи видеоизображения.

Метод прост в реализации и обладает широкими возможностями по совершенствованию, а так же большим числом варьируемых параметров.

• 1. Урик Роберт Дж., Основы гидроакустики. / Пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1978. — 448 c.
• 2. Todd K. Moon, Error correction coding. Mathematical Methods and algorithms. / Wiley-interscience, 2005. 756 c.
• 3. Д. А. Шляхин Вынужденные осесеметричные колебания тонкой круглой биморфной пластины ступенчатого переменной толщины и жесткости [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 1
• 4. С. П. Тарасов, В. И. Тимошенко, В. А. Воронин, И. А. Кириченко, П. П. Пивнев, Г. В. Солдатов, А. П. Волощенко, А.С. Эсси-Эзинг, В. А. Обыденная, Д. А. Франчук Измерение фазочастотной характеристики приемной антенны многолучевого эхолота в условиях гидроакустического бассейна [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, № 4 (часть 1)
• 5. В. Н. Хмелев, А. Н. Галахов, А. Н. Лебедев, А. В. Шалунов, К. В. Шалунова. Исследования зависимости геометрических размеров на характеристики излучателя в виде пластины [Текст] // Мат-лы Всероссийск. Конф. ИАМП-2010. г. Бийск, 2010. — С.200−206.
• 6. С. Н. Рудницкий, В. М. Шарапов, Н. А. Шульга Колебания дискового биморфного преобразователя типа металл-пьезокерамика [Текст] // Прикл. Мех. 1990.-26.-№ 10.-с. 64−72.
• 7. Колесников А. Е. Акустические измерения. — Л.: Судостроение, 1983. 269с.
• 8. А. Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов, 3-е изд. / СПб.: БХВ-Питербург 2011., 768 с.
• 9. Э. Айфичер, Б. Джервис. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание: пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.-992 с.
• 10. S2CR 40/80 very high speed r-series modem datasheet. EvoLogics GmBH, Berlin, Germany. 2010. 1 с.