超寬帶無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

　　1 引言

　　超寬帶（Ultra Wideband，UWB）是一種利用低功率譜密度、超高帶寬的無線信號實現(xiàn)短距離高速傳輸?shù)募夹g[1]。最近幾年，UWB 技術不斷發(fā)展，基于UWB 的各種研究已經(jīng)取得了諸多成果。另一方面，無線視頻監(jiān)控和一些特殊場景下的應用， 對監(jiān)控系統(tǒng)提出了特殊的要求，如視頻采集設備要體積小、功耗低，監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力要強等。UWB 技術在短距離傳輸時高速率、低功耗的特點，為實現(xiàn)以上要求提供了便利。

　　基于UWB 的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)有許多設計難點。

　　首先，傳統(tǒng)的視頻采集設備體積通常較大，且在電池供電的情況下很難工作較長時間，選擇合適的視頻采集設備對于實現(xiàn)發(fā)送端體積與功耗的優(yōu)化極為重要；其次，特殊場景的傳輸環(huán)境通常伴有較為嚴重的多徑衰落，如何既滿足發(fā)送端體積與功耗的限制， 又實現(xiàn)高質(zhì)量的無線傳輸， 是設計UWB 無線收發(fā)模塊必須考慮的。

　　此外，對于接收端的視頻解碼與顯示軟件，也需要考慮可移植性與提高顯示質(zhì)量的問題。針對以上設計難點，筆者提出了具體的設計方案，其性能在實際系統(tǒng)中得到了驗證。

超寬帶無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

　　2 系統(tǒng)總體設計方案

　　系統(tǒng)總體設計方案如圖1 所示。在視頻采集與發(fā)送端，使用小型攝像頭，配合攝像頭適配，完成視頻采集。采集到的視頻信號經(jīng)過UWB 基帶和射頻處理， 經(jīng)由天線發(fā)送。在視頻接收與顯示端，天線接收到的無線信號經(jīng)過UWB 射頻和基帶接收模塊處理以及以太網(wǎng)成幀后發(fā)往PC，由運行在PC 上的視頻解碼與播放軟件顯示。

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　　視頻采集與發(fā)送端的設計應以體積和功耗作為第一考慮。意法半導體為手機、PDA 等設備開發(fā)的VS6724 攝像頭， 體積為8.00 mm×8.00 mm×5.55 mm， 功耗不超過500 mW，是比較理想的攝像頭方案。VS6724 具有1 600×1 200 像素分辨力和全面的圖像處理功能， 支持30 f/s（幀/秒）、UXGA 格式的圖像采集和傳輸， 并內(nèi)嵌JPEG壓縮功能，避免了系統(tǒng)對其他視頻壓縮模塊的需求，降低了體積與功耗。視頻接收與顯示端可以將連續(xù)的JPEG 圖像進行Motion JPEG 處理， 以實現(xiàn)視頻顯示的目的。

　　在UWB 無線傳輸體制方面， 設計選擇了單載波UWB（SC-UWB）方案[4-5]。SC-UWB 是一種基于單載波直接序列擴頻的UWB 方案。相對于主流方案MB-OFDM，SC-UWB 方案發(fā)送端顯著簡單，且對射頻線性度和ADC精度等要求較低，利于發(fā)送端小體積、低功耗的實現(xiàn)。

　　UWB 接收端使用復雜的接收算法對抗多徑衰落。

　　接收端與PC 的接口選擇了高速率、低成本的以太網(wǎng)。PC的視頻解碼和顯示軟件基于Windows 平臺設計，使用免費的WinPcap 和OpenCV 軟件包，易于軟件的移植。

　　3 攝像頭適配模塊設計

　　攝像頭適配模塊提供攝像頭驅動、應用層成幀、物理層等功能。攝像頭驅動模塊使用I2C 總線，實現(xiàn)VS6724的寄存器配置與工作狀態(tài)控制。VS6724 工作狀態(tài)的配置須考慮系統(tǒng)性能的要求與限制。為實現(xiàn)連續(xù)流暢的視頻效果，VS6724 應工作在圖像連續(xù)采集模式下，且?guī)什恍∮?5 f/s。圖像分辨力為640×480，滿足一般圖像清晰度的要求?？紤]到UWB 物理層傳輸速率的限制，VS6724 發(fā)送的圖像格式將為JPEG，并使用自動壓縮的方式控制每幀圖像的大小，從而保證攝像頭輸出的凈數(shù)據(jù)速率不超過物理層的傳輸能力上限。

　　應用層成幀模塊將圖像幀封裝成應用層幀，并添加序列號、幀長度與校驗和到幀尾（見圖2），用來在接收和顯示端檢測不同類型的錯誤。攝像頭輸出的JPEG 圖像自帶幀頭與幀尾標識，幀頭為0xFFD8，幀尾為0xFFD9。

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　　在應用層成幀的時候，借用了JPEG 的幀頭與幀尾，化簡了成幀操作。

　　物理層適配模塊完成攝像頭與物理層的速率適配。

　　實驗發(fā)現(xiàn)，VS6724 輸出圖像數(shù)據(jù)并不是連續(xù)的，而是使用數(shù)據(jù)有效信號提供包絡， 數(shù)據(jù)具有較強的突發(fā)性，且攝像頭輸出數(shù)據(jù)的時鐘速率高于物理層讀取數(shù)據(jù)的時鐘速率，因此必須采用緩存隊列的方式，保證突發(fā)數(shù)據(jù)不丟失。經(jīng)過試驗與計算，在幀率25 f/s 的工作狀態(tài)下，使用2 kbyte 的緩存隊列， 可以保證突發(fā)性最嚴重的數(shù)據(jù)也不會丟失。

　　4 UWB 發(fā)送端設計

　　UWB 發(fā)送端結構如圖3 所示， 包括UWB 基帶發(fā)送和UWB 射頻發(fā)送兩部分。在基帶發(fā)送部分，經(jīng)過適配的視頻數(shù)據(jù)通過擾碼增加偽隨機性，再經(jīng)過信道編碼，插入訓練序列后進行擴頻調(diào)制，之后完成物理層成幀處理，再經(jīng)過波形成型濾波器，發(fā)往射頻發(fā)送模塊。在射頻發(fā)送模塊，經(jīng)過基帶處理的數(shù)據(jù)通過混頻器調(diào)制到射頻，然后經(jīng)由功率放大器（PA）和帶通濾波器（BPF），由天線發(fā)射出去。

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　　相對于接收端，UWB 發(fā)送端結構簡單，易于小體積、低功耗的實現(xiàn)。為了滿足傳輸性能的需求，在信道編碼模塊采用了RS 碼與卷積碼的級聯(lián)碼配合交織，提高糾錯能力，對抗突發(fā)錯誤。在擴頻調(diào)制之前插入訓練用PN 序列，方便接收端均衡器的自適應調(diào)整。擴頻調(diào)制使用BPSK調(diào)制方式，選擇擴頻比為2。擴頻調(diào)制之后的成幀處理，加入了前導序列、幀頭序列以及跟蹤序列（見圖4），以便接收端完成捕獲、同步和跟蹤的重要任務。這3 個序列同樣使用PN 序列。濾波成型使用了根升余弦濾波器，選擇滾降系數(shù)為1，使頻帶內(nèi)發(fā)射功率盡可能大。

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