超寬帶無線視頻監控系統的設計與實現*

田晶磊，肖振宇，金德鵬

（清華大學 電子工程系，北京 100084）

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短距離高速傳輸的技術[1]。最近幾年，UWB技術不斷發展，基于UWB的各種研究已經取得了諸多成果。另一方面，無線視頻監控和一些特殊場景下的應用，對監控系統提出了特殊的要求，如視頻采集設備要體積小、功耗低，監控系統抗干擾、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，為實現以上要求提供了便利。

基于UWB的無線視頻監控系統有許多設計難點。首先，傳統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發送端體積與功耗的優化極為重要；其次，特殊場景的傳輸環境通常伴有較為嚴重的多徑衰落，如何既滿足發送端體積與功耗的限制，又實現高質量的無線傳輸，是設計UWB無線收發模塊必須考慮的。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，其性能在實際系統中得到了驗證。

2 系統總體設計方案

系統總體設計方案如圖1所示。在視頻采集與發送端，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過UWB基帶和射頻處理，經由天線發送。在視頻接收與顯示端，天線接收到的無線信號經過UWB射頻和基帶接收模塊處理以及以太網成幀后發往PC，由運行在PC上的視頻解碼與播放軟件顯示。

視頻采集與發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[2-3]。VS6724具有1600×1200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，并內嵌JPEG壓縮功能[2]，避免了系統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的JPEG圖像進行Motion JPEG處理，以實現視頻顯示的目的。

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，利于發送端小體積、低功耗的實現。

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。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VS6724的寄存器配置與工作狀態控制。VS6724工作狀態的配置須考慮系統性能的要求與限制。為實現連續流暢的視頻效果，VS6724應工作在圖像連續采集模式下，且幀率不小于25 f/s。圖像分辨力為640×480，滿足一般圖像清晰度的要求。考慮到UWB物理層傳輸速率的限制，VS6724發送的圖像格式將為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據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。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。實驗發現，VS6724輸出圖像數據并不是連續的，而是使用數據有效信號提供包絡，數據具有較強的突發性，且攝像頭輸出數據的時鐘速率高于物理層讀取數據的時鐘速率，因此必須采用緩存隊列的方式，保證突發數據不丟失。經過試驗與計算，在幀率25 f/s的工作狀態下，使用2 kbyte的緩存隊列，可以保證突發性最嚴重的數據也不會丟失。

4 UWB發送端設計

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

相對于接收端，UWB發送端結構簡單，易于小體積、低功耗的實現。為了滿足傳輸性能的需求，在信道編碼模塊采用了RS碼與卷積碼的級聯碼配合交織，提高糾錯能力，對抗突發錯誤。在擴頻調制之前插入訓練用PN序列，方便接收端均衡器的自適應調整。擴頻調制使用BPSK調制方式，選擇擴頻比為2。擴頻調制之后的成幀處理，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，選擇滾降系數為1，使頻帶內發射功率盡可能大。

5 UWB接收端設計

5.1 UWB射頻接收端設計

UWB接收端承擔著對抗多徑衰落的重要任務，因此其設計復雜度比發送端高很多。UWB接收端也包括射頻接收與基帶接收兩部分。在射頻接收部分（見圖5），使用零中頻正交解調的方式處理射頻信號。射頻信號經低噪放大器（LNA）與射頻放大器（RFA）實現低噪聲放大，再經正交混頻，產生I，Q信號，供基帶載波恢復使用。自動增益控制放大器 （AGC）將混頻后的信號幅度調整至適合ADC滿幅工作的狀態，低通濾波器（LPF）濾除高頻分量后，信號被送至基帶接收部分處理。

5.2 UWB基帶接收端設計

UWB接收端的基帶處理部分如圖6所示，使用了RAKE加DFE信道均衡的方式，對抗多徑衰落。經過ADC采樣的數據要首先經過匹配濾波。由于發送端使用了根升余弦濾波器進行波形成型，所以如果信道為加性高斯白噪聲（AWGN）信道，接收端匹配濾波器應具有匹配的脈沖響應，才可達到最小錯誤概率接收。但由于系統工作的信道環境不是AWGN信道，信道模型十分復雜，所以最優匹配濾波器的設計難以實現。實際應用時，使用了方波進行匹配，這樣既節省了乘法器，又不會導致性能的顯著惡化。

圖6 UWB接收端基帶設計

前導捕獲、幀同步、信道估計以及同步跟蹤都是基于PN序列的自相關性質進行的。PN序列具有尖銳的自相關峰，當2個相同的PN序列相位完全相同時，自相關運算的結果會產生一個峰值，而相位不同時，自相關運算結果卻很小。捕獲模塊依靠本地PN與前導序列的相關運算結果來判斷是否有幀到達；信道估計通過檢測前導序列中的多個相關峰，得出每一條徑的位置，以便RAKE接收處理；幀同步利用信道估計的結果，對幀頭序列做相關檢測；同步跟蹤利用跟蹤序列的相關檢測結果，調整定時偏差。

RAKE接收機的作用是完成多徑信號的能量收集與信號合并。根據信道估計的結果，在接收數據中尋找每一條徑的位置，對各條徑做相關解調，并對結果進行合并處理。RAKE接收機的算法種類有很多，出于可實現性與性能的綜合考慮，設計采用了PRAKE加最大比合并的RAKE算法。

RAKE接收后的載波恢復使用了經典的科斯塔斯（Costas）環完成，判決反饋均衡器（DFE）使用了基于LMS算法的自適應均衡器。通常情況下，載波恢復模塊需要放在均衡器之后，但這樣需要進行復數均衡，硬件實現開銷較大。對于BPSK調制來說，將載波恢復置于均衡器之前，可以使均衡器的抽頭系數全部為實數，減小了硬件規模。

基帶處理最后的步驟是與發送端對稱的信道解碼與解擾。經過基帶處理的信號被送往以太網成幀模塊，實現最后的視頻解碼與顯示。

6 以太網成幀與視頻顯示軟件設計

經過UWB無線傳輸后，以太網成幀模塊需要將接收到的應用層幀完整而透明地傳輸到PC平臺。該成幀模塊僅使用符合以太網MAC格式的幀單向傳輸數據，并不運行任何以太網MAC協議。

常見的100 Mbit/s以太網可以提供12.5 Mbit/s的傳輸速率，比物理層接口的速率要高。在以太網成幀模塊前加入緩存，考慮到必要的開銷，緩存大小比最大以太網幀大10%左右即可保證緩存不會溢出。

在PC平臺，使用基于Windows操作系統的WinPcap和OpenCV軟件開發包實現視頻解碼與顯示。WinPcap是一套以太網軟件開發包，提供全面的以太網幀收發、解析功能[6]。OpenCV提供了強大的視頻解碼和播放功能[7]。使用WinPcap和OpenCV，大大簡化了視頻解碼播放軟件的開發難度。而任意一臺安裝了這兩種軟件包的Windows PC均可以運行程序，也增強了程序的可移植性。

由于OpenCV僅支持文件形式的圖像解碼與播放，所以需要將應用層幀中的JPEG數據保存為臨時文件，再進行播放。由于以太網幀解析、臨時文件保存和圖像顯示均較為耗時，因此為了避免WinPcap軟件核心緩存的溢出，使用了多線程的處理辦法。視頻解碼顯示軟件流程圖如圖7所示。

圖7 視頻解碼顯示軟件流程圖

視頻解碼軟件利用應用層幀尾的校驗信息判斷數據正確性。為了提高視頻播放質量，軟件中添加了錯誤隱藏機制。當目前接收到的圖像幀校驗和不正確時，選擇使用上一幀圖像代替本幀顯示。考慮到視頻的連貫性，錯誤隱藏將最多替代一個錯誤幀，下一幀不論錯誤與否，都將被當作正確幀來顯示。

7 實驗結果

該設計方案的驗證系統基于FPGA與PC平臺聯合實現。根據系統資源的需求，攝像頭適配和UWB基帶發送部分基于Virtex-4 xc4vlx15小容量FPGA實現，射頻發送部分在發送板上集成實現。天線為自制寬帶天線。接收端射頻部分獨立制板，基帶部分基于Virtex-4 xc4vlx200大容量FPGA實現。

實驗測試了50 m的走廊與斜穿60 cm混凝土墻兩個場景。前者為密集多徑環境，后者為功率深衰減場景。測試結果顯示，25 f/s的VGA視頻顯示無馬賽克等明顯錯誤，視頻清晰流暢。視頻采集與發送端達到了小體積、低功耗的要求，驗證系統發端功耗約為4 W，體積不超過60 mm×100 mm×10 mm。可以預期，在發送端實現芯片化之后，將完全可以實現更低功耗、更小體積的視頻監控，滿足各種應用的需求。

8 小結

針對無線通信視頻監控系統小體積、低功耗、高性能的需求，筆者提出了基于VS6724攝像頭與SC-UWB無線傳輸系統設計方案，為設計中的技術難點提供了解決方法。實際測試的結果驗證了方案的可行性。系統設計方案為其他類似系統的設計提供了借鑒，也促進了類似應用的推廣。此外，UWB技術還可以應用于其他領域，本文針對UWB傳輸系統的設計方法，也可以推廣到更多類似的應用領域中。

[1]BENEDETTO M G D，GIANCOLA G.超寬帶無線電基礎[M].葛利嘉，朱林，袁曉芳，等，譯.北京：電子工業出版社，2005.

[2]ST Company.VS624 Datasheet，2 Megapixel single-chip camera module，Rev1[EB/OL].[2010-02-10].http：//www.st.com/stonline/products/literature/ds/13399/vs6724.pdf.

[3]焦勝才，田晶磊，朱亮.基于VS6724的FPGA視頻接口設計及解壓縮實現[EB/OL].[2010-02-25].http：//d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjyy200906018.aspx.

[4]XIAO Z，ZHU L，GE N，et al.The optimum SRAKE based RAKEDFE receiver for carrier DS-UWB systems[EB/OL].[2010-02-25].http://202.194.20.8/proc/ICCS2008/papers/308.pdf.

[5]XIAO Z，SU L，JIN D，et al.Improving performance of SC-UWB systems with the optimum SRAKE based RAKE-DFE receiver[J].IEICE Trans.communications，2009，E92-B（8）：2751-2754.

[6]The WinPcap Team.The WinPcap manual and tutorial for WinPcap 4.1.1[EB/OL].[2010-02-25].www.winpcap.org.

[7]OpenCV 參 考 手 冊[EB/OL].[2010-02-25].http：//download.csdn.net/source/221416.