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高速公路监控网络可补偿信道增益系统设计

2024-06-20 39 上传者：管理员

摘要：为解决高速公路监控图像与信道组织内数据增量值不匹配的问题，从而提升监控信息的实时传输速率，设计高速公路监控网络的可补偿信道增益系统。在可调式VGA结构体系中，连接增益放大器、峰值检测器与视频车辆检测器，完成可补偿信道增益系统的硬件设计。建立Flex服务模式，并以此为基础，定义完整的Access数据库表，实现高速公路监控网络中的GIS数据准备，联合相关硬件结构，完成高速公路监控网络可补偿信道增益系统的设计。实验结果表明，该系统可将监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值控制在0～2.5×109bit的数值范围内，能够有效解决图像与增量值不匹配的问题，符合提升高速公路监控信息实时传输速率的实际应用需求。

关键词：
Flex服务模式
信道增益
增益放大器
监控网络
高速公路
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高速公路监控网络是一种新型观察与测量方法，可以通过路旁数据采集等方式，对道路状况以及设备工作状况实时监测，并借助通信网络，将所得数据信息传输至监控中心[1]。监测行驶车辆既可以为高速公路的通行能力提供保障，也能够大幅提升道路运营效率[2]。其中信道增益条件可以用来描述网络体系的信道属性，对于高速公路监控网络而言，监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值直接影响监控信息的实时传输速率。

文献[3]提出基于群体串行干扰删除的传输系统，定义监控图像数据传输架构，根据功率分配求解结果，确定处理后图像的补偿残差值水平。文献[4]提出基于增益特性研究的应用系统，根据节点组织中数据样本的配置情况，确定监控图像数据的实时传输速率。然而上述两种方法的监控信息实时传输能力有限，不能保证高速公路监控图像与信道组织内数据增量值之间的良好匹配。为解决上述问题，设计高速公路监控网络的新型可补偿信道增益系统。

1、可补偿信道增益系统的硬件设计

高速公路监控网络可补偿信道增益系统的硬件由可调式视频图形阵列（Video Graphics Array,VGA）结构、增益放大器、峰值检测器、视频车辆检测器四部分组成。

1.1可调式VGA结构

可调式VGA是一种集成式电路结构，负责对高速公路监控网络进行供电，可以在高压端口、低压端口之间形成完整的电信号传输回路，从而使得主机元件内的监控图像数据能够在可补偿信道组织内完成增益式转化[5,6]。VGA调节元件将集成式电路的高压端口、低压端口连接在一起，在电阻设备保持完全接入状态的情况下，两级端口之间的压差水平越高，信道组织所需承载的增益信号总量越多。完整的可调式VGA集成电路结构如图1所示。

图1可调式VGA集成电路结构

设备只能负载部分的电量传输信号，即使在可补偿信道组织不完全开放的情况下，高速公路监控网络也可以在可调式VGA集成电路中获得所需的电信号参量。

1.2增益放大器

增益放大器负责处理可补偿信道组织中的高速公路监控图像信息，可以在两端输出接口结构的作用下，对可调式VGA集成电路中的信号参量、峰值检测器中的数据参量进行调度处理，具体连接结构如图2所示。

图2增益放大器结构

放大器元件以MAX2678设备作为核心应用结构，由TDFN芯片、AMP芯片、DC GENERATION主板、GND接口、RFOUT接口共同组成。其中，TDFN芯片连接于GND接口与RFOUT接口之间，负责压缩主机元件中的高速公路监控图像。AMP1芯片、AMP2芯片分别与单一的接口结构相连，且二者之间存在信息互传关系，可以联合DC GENERATION主板，对图像数据样本进行增益处理。GND接口是增益放大器结构中数据信息样本的入口，RFOUT接口是数据信息样本的出口[7,8]。

1.3峰值检测器

峰值检测器是负责定义监控图像补偿残差值的设备结构，回路控制主机直接与增益放大器元件相连，可以收集高速公路监控网络实时数据样本，同时确定可补偿信道组织内数据增量指标的具体数值。由于峰值是一种绝对性的状态形式，所以在匹配两类参数时，需要保证数据信息的单位传输速率不超过检测器元件所能承载的最大值水平[9,10]。对于检测器峰值判别条件的求解满足如下表达式：

式中，C1表示监控图像的补偿残差值，C2表示数据增量指标，δ表示监控网络内的信息样本实时检测参数，Px表示数据样本的匹配特征。为使信道组织内的数据样本增益量得到有效控制，检测器峰值判别条件的实际取值不宜过大。

1.4视频车辆检测器

视频车辆检测器对于高速公路监控数据的分析遵循一体化原则，且在检测器峰值判别条件的影响下，该元件的应用要求数据样本传输方向在系统运行过程中不得发生变化[11]。高速公路监控网络是一类广泛型的应用网络空间，但视频车辆检测器却是一种局限型的应用设备，所以为避免数据累积行为的出现，在处理高速公路监控数据时应对信息参量进行少量多次提取[12]。假设mˉ表示高速公路监控图像信息在信道组织内的单位累积量，β表示监控网络体系中的图像信息导通参数，χ表示可补偿性作用条件。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将视频车辆检测器对高速公路监控图像信息处理的表达式定义为：

检测器元件在处理高速公路监控图像数据时，必须借助信道组织调取可调式VGA结构中的电信号参量。

2、高速公路监控网络中的GIS数据准备

在监控网络体系中，为完善地理信息系统（Geographic Information System,GIS）数据的准备与处理，可补偿信道增益系统应按照Flex服务模式，定义完整的Access数据库表，从而求解数据增量值指标，同时实现对残差系数与增量熵之间差值水平的有效控制。

2.1 Flex服务模式

Flex服务模式为图像信息在高速公路监控网络中的传输行为提供了保障，可以在.NET技术等应用手段的支持下，实现对可补偿信道组织的增益处理[13,14]。假设A表示高速公路监控网络中的图像信息服务特征，其定义式如下：

式中，α表示信息样本增益参数，s1、s2、⋯、sn表示n个不同的图像信息编译向量。

将Flex服务模式表达式定义为：

式中，γ表示Flex服务环境下的监控图像信息处理参数，φ表示基于GIS权限所选择的监控图像信息识别向量，d表示数据样本在可补偿信道组织内的增益表现特征，f表示监控图像信息的实时服务参数。可补偿信道增益系统的应用，还要求Flex服务模式下高速公路监控图像信息不得出现相互覆盖的情况。

2.2 Access数据库表

Access数据库表是负责存储高速公路监控图像信息的应用机制，在可补偿信道组织中，源节点能够准确计算出数据增量指标的具体数值，并联合Flex服务模式中的信息参量，将监控图像补偿残差与信道组织内的数据增量指标匹配起来[15,16]。对于数据库表存储能力的求解满足如下表达式：

式中，ϕ表示数据增量值的补偿残差，ε表示高速公路监控图像信息的实时存储参数，ΔH表示监控图像信息的单位累积增量，k表示信道组织中的数据信息覆盖向量，ιmax k表示数据样本增益权重的最大取值，ιmin k表示增益权重的最小取值。至此完成对软、硬件执行环境的搭建，在不考虑其他干扰条件的情况下，实现高速公路监控网络可补偿信道增益系统的顺利应用。

3、实例分析

3.1实验流程

为了突出说明高速公路监控网络的可补偿信道增益系统、文献[3]基于群体串行干扰删除的传输系统、文献[4]基于增益特性研究的应用系统的实用差异性，设计如下对比实验。选择一幅高速公路监控图像作为实验对象；借助Windows主机录入该实验监控图像；将可补偿信道增益系统执行程序输入Windows主机，记录在该系统（实验组）作用下，监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值水平；将基于群体串行干扰删除的传输系统执行程序输入Windows主机，记录在该系统（对照1组）作用下，监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值水平；将基于增益特性研究的应用系统执行程序输入Windows主机，记录在该系统（对照2组）作用下，监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值水平；对比所得实验数据，总结实验规律。

3.2结果分析

Windows主机在录入监控图像时，遵循补偿残差标准对图像进行处理，且在监控图像像素水平不发生改变的情况下，图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值水平影响监控信息的实时传输速率，通常情况下，补偿残差与数据增量的差值水平越小，监控信息的实时传输速率越快，增益系统的运行能力就越强。

表1记录了不同系统处理下图像补偿残差、信道组织内数据增量的具体实验数值。

表1实验数值

对照表1中的实验数值，计算图像补偿残差与数据增量之间的差值，结果如图3所示。

图3实验差值

分析图3可知，实验组差值的数值范围为0～2.5×109bit，对照1组差值的数值范围为0～3.1×109bit，对照2组差值的数值范围为0～4.0×109bit，从平均值角度来看，对比对照组1和对照组2，实验组差值的平均水平最低。

综上可知，可补偿信道增益系统的应用，可以有效控制监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值水平，能够解决高速公路监控图像与信道组织内数据增量值不匹配的问题，符合提升监控信息实时传输速率的实际应用需求。

4、结束语

可补偿信道增益系统的设计，以高速公路监控图像与信道组织内数据增量值不匹配的问题作为切入点，联合可调式VGA结构、增益放大器等多个硬件应用设备，构建Flex服务模式，同时对Access数据库表进行重新定义。实验结果表明，在可补偿信道增益系统作用下，监控图像补偿残差与信道组织内数据增量之间的差值始终处在0～2.5×109bit的数值范围之内，对于提升监控信息实时传输速率，可以起到一定的促进作用。

参考文献:

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基金资助:国家自然科学基金(51008321);

文章来源:于桂洋,姚红云.高速公路监控网络可补偿信道增益系统设计[J].电子设计工程,2024,32(12):17-20+26.

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