【摘要】針對(duì)無線視頻采集設(shè)備高速率,、小體積、低功耗的要求,，建立了基于低功耗攝像頭和無線超寬帶技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,。采用VS6724 攝像頭實(shí)現(xiàn)視頻采集，單載波UWB（SC-UWB）方案實(shí)現(xiàn)無線傳輸,，既滿足了視頻采集設(shè)備對(duì)于體積和功耗的要求,，又有效對(duì)抗了多徑的影響?；赑C 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)視頻解碼與播放,，可移植性強(qiáng)。驗(yàn)證了系統(tǒng)基于FPGA 和PC 平臺(tái)構(gòu)建,，在密集多徑和深度衰落的實(shí)際場(chǎng)景下,，測(cè)試效果良好。

　　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(hào)實(shí)現(xiàn)短距離高速傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。最近幾年,，UWB 技術(shù)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(chǎng)景下的應(yīng)用,， 對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出了特殊的要求，如視頻采集設(shè)備要體積小,、功耗低,，監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力要強(qiáng)等,。UWB 技術(shù)在短距離傳輸時(shí)高速率,、低功耗的特點(diǎn)，為實(shí)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(shè)計(jì)難點(diǎn),。

　　首先,，傳統(tǒng)的視頻采集設(shè)備體積通常較大，且在電池供電的情況下很難工作較長(zhǎng)時(shí)間,，選擇合適的視頻采集設(shè)備對(duì)于實(shí)現(xiàn)發(fā)送端體積與功耗的優(yōu)化極為重要,；其次，特殊場(chǎng)景的傳輸環(huán)境通常伴有較為嚴(yán)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無線傳輸， 是設(shè)計(jì)UWB 無線收發(fā)模塊必須考慮的,。

　　此外,，對(duì)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(duì)以上設(shè)計(jì)難點(diǎn),，筆者提出了具體的設(shè)計(jì)方案，其性能在實(shí)際系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證,。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)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(yùn)行在PC 上的視頻解碼與播放軟件顯示,。

　　視頻采集與發(fā)送端的設(shè)計(jì)應(yīng)以體積和功耗作為第一考慮。意法半導(dǎo)體為手機(jī),、PDA 等設(shè)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(duì)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(jìn)行Motion JPEG 處理， 以實(shí)現(xiàn)視頻顯示的目的。

　　在UWB 無線傳輸體制方面,， 設(shè)計(jì)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(kuò)頻的UWB 方案。相對(duì)于主流方案MB-OFDM,，SC-UWB 方案發(fā)送端顯著簡(jiǎn)單,，且對(duì)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(shí)現(xiàn),。

　　UWB 接收端使用復(fù)雜的接收算法對(duì)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(tái)設(shè)計(jì)，使用免費(fèi)的WinPcap 和OpenCV 軟件包,，易于軟件的移植。

　　3 攝像頭適配模塊設(shè)計(jì)

　　攝像頭適配模塊提供攝像頭驅(qū)動(dòng),、應(yīng)用層成幀,、物理層等功能。攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊使用I2C 總線,，實(shí)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(shí)現(xiàn)連續(xù)流暢的視頻效果,，VS6724 應(yīng)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,。考慮到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(dòng)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(yīng)用層成幀模塊將圖像幀封裝成應(yīng)用層幀,，并添加序列號(hào)、幀長(zhǎng)度與校驗(yàn)和到幀尾（見圖2）,，用來在接收和顯示端檢測(cè)不同類型的錯(cuò)誤,。攝像頭輸出的JPEG 圖像自帶幀頭與幀尾標(biāo)識(shí)，幀頭為0xFFD8,，幀尾為0xFFD9,。

　　在應(yīng)用層成幀的時(shí)候，借用了JPEG 的幀頭與幀尾，化簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(hào)提供包絡(luò),， 數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的突發(fā)性，且攝像頭輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘速率高于物理層讀取數(shù)據(jù)的時(shí)鐘速率,，因此必須采用緩存隊(duì)列的方式,，保證突發(fā)數(shù)據(jù)不丟失。經(jīng)過試驗(yàn)與計(jì)算,，在幀率25 f/s 的工作狀態(tài)下,，使用2 kbyte 的緩存隊(duì)列， 可以保證突發(fā)性最嚴(yán)重的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失,。

　　4 UWB 發(fā)送端設(shè)計(jì)

　　UWB 發(fā)送端結(jié)構(gòu)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(jī)性,，再經(jīng)過信道編碼，插入訓(xùn)練序列后進(jìn)行擴(kuò)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,。

　　相對(duì)于接收端，UWB 發(fā)送端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，易于小體積,、低功耗的實(shí)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(jí)聯(lián)碼配合交織,，提高糾錯(cuò)能力，對(duì)抗突發(fā)錯(cuò)誤,。在擴(kuò)頻調(diào)制之前插入訓(xùn)練用PN 序列,，方便接收端均衡器的自適應(yīng)調(diào)整。擴(kuò)頻調(diào)制使用BPSK調(diào)制方式,，選擇擴(kuò)頻比為2,。擴(kuò)頻調(diào)制之后的成幀處理，加入了前導(dǎo)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(wù)。這3 個(gè)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,。

　　5 UWB 接收端設(shè)計(jì)

　　5.1 UWB 射頻接收端設(shè)計(jì)

　　UWB 接收端承擔(dān)著對(duì)抗多徑衰落的重要任務(wù),，因此其設(shè)計(jì)復(fù)雜度比發(fā)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(diào)的方式處理射頻信號(hào)。射頻信號(hào)經(jīng)低噪放大器（LNA）與射頻放大器（RFA）實(shí)現(xiàn)低噪聲放大,，再經(jīng)正交混頻,，產(chǎn)生I，Q 信號(hào),，供基帶載波恢復(fù)使用,。自動(dòng)增益控制放大器（AGC） 將混頻后的信號(hào)幅度調(diào)整至適合ADC滿幅工作的狀態(tài)，低通濾波器（LPF）濾除高頻分量后,，信號(hào)被送至基帶接收部分處理。

　　5.2 UWB 基帶接收端設(shè)計(jì)

　　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(duì)抗多徑衰落。經(jīng)過ADC 采樣的數(shù)據(jù)要首先經(jīng)過匹配濾波,。由于發(fā)送端使用了根升余弦濾波器進(jìn)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(yīng)具有匹配的脈沖響應(yīng),，才可達(dá)到最小錯(cuò)誤概率接收,。但由于系統(tǒng)工作的信道環(huán)境不是AWGN 信道， 信道模型十分復(fù)雜,，所以最優(yōu)匹配濾波器的設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn),。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，使用了方波進(jìn)行匹配,，這樣既節(jié)省了乘法器,，又不會(huì)導(dǎo)致性能的顯著惡化。

　　前導(dǎo)捕獲,、幀同步,、信道估計(jì)以及同步跟蹤都是基于PN 序列的自相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行的。PN 序列具有尖銳的自相關(guān)峰，當(dāng)2 個(gè)相同的PN 序列相位完全相同時(shí),，自相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值,，而相位不同時(shí)，自相關(guān)運(yùn)算結(jié)果卻很小,。捕獲模塊依靠本地PN 與前導(dǎo)序列的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果來判斷是否有幀到達(dá),；信道估計(jì)通過檢測(cè)前導(dǎo)序列中的多個(gè)相關(guān)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(jì)的結(jié)果，對(duì)幀頭序列做相關(guān)檢測(cè),； 同步跟蹤利用跟蹤序列的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果,，調(diào)整定時(shí)偏差。

　　RAKE 接收機(jī)的作用是完成多徑信號(hào)的能量收集與信號(hào)合并,。根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果,，在接收數(shù)據(jù)中尋找每一條徑的位置，對(duì)各條徑做相關(guān)解調(diào),，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并處理,。RAKE 接收機(jī)的算法種類有很多，出于可實(shí)現(xiàn)性與性能的綜合考慮,， 設(shè)計(jì)采用了PRAKE 加最大比合并的RAKE 算法,。

　　RAKE 接收后的載波恢復(fù)使用了經(jīng)典的科斯塔斯（Costas）環(huán)完成，判決反饋均衡器（DFE）使用了基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器,。通常情況下,，載波恢復(fù)模塊需要放在均衡器之后，但這樣需要進(jìn)行復(fù)數(shù)均衡,，硬件實(shí)現(xiàn)開銷較大,。對(duì)于BPSK 調(diào)制來說，將載波恢復(fù)置于均衡器之前,，可以使均衡器的抽頭系數(shù)全部為實(shí)數(shù),，減小了硬件規(guī)模。

　　基帶處理最后的步驟是與發(fā)送端對(duì)稱的信道解碼與解擾,。經(jīng)過基帶處理的信號(hào)被送往以太網(wǎng)成幀模塊,，實(shí)現(xiàn)最后的視頻解碼與顯示。

　　6 以太網(wǎng)成幀與視頻顯示軟件設(shè)計(jì)

　　經(jīng)過UWB 無線傳輸后,， 以太網(wǎng)成幀模塊需要將接收到的應(yīng)用層幀完整而透明地傳輸?shù)絇C 平臺(tái),。該成幀模塊僅使用符合以太網(wǎng)MAC 格式的幀單向傳輸數(shù)據(jù)，并不運(yùn)行任何以太網(wǎng)MAC 協(xié)議,。

　　常見的100 Mbit/s 以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)幀大10%左右即可保證緩存不會(huì)溢出,。

　　在PC 平臺(tái)，使用基于Windows 操作系統(tǒng)的WinPcap和OpenCV 軟件開發(fā)包實(shí)現(xiàn)視頻解碼與顯示,。WinPcap是一套以太網(wǎng)軟件開發(fā)包,，提供全面的以太網(wǎng)幀收發(fā)、解析功能,。OpenCV 提供了強(qiáng)大的視頻解碼和播放功能,。

　　使用WinPcap 和OpenCV， 大大簡(jiǎn)化了視頻解碼播放軟件的開發(fā)難度,。而任意一臺(tái)安裝了這兩種軟件包的WindowsPC 均可以運(yùn)行程序,，也增強(qiáng)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(yīng)用層幀中的JPEG 數(shù)據(jù)保存為臨時(shí)文件,，再進(jìn)行播放。由于以太網(wǎng)幀解析,、臨時(shí)文件保存和圖像顯示均較為耗時(shí),，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,。

　　視頻解碼軟件利用應(yīng)用層幀尾的校驗(yàn)信息判斷數(shù)據(jù)正確性。為了提高視頻播放質(zhì)量,，軟件中添加了錯(cuò)誤隱藏機(jī)制,。當(dāng)目前接收到的圖像幀校驗(yàn)和不正確時(shí)，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(cuò)誤隱藏將最多替代一個(gè)錯(cuò)誤幀,， 下一幀不論錯(cuò)誤與否，都將被當(dāng)作正確幀來顯示,。

　　7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　該設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證系統(tǒng)基于FPGA 與PC 平臺(tái)聯(lián)合實(shí)現(xiàn),。根據(jù)系統(tǒng)資源的需求，攝像頭適配和UWB 基帶發(fā)送部分基于Virtex-4 xc4vlx15 小容量FPGA 實(shí)現(xiàn),， 射頻發(fā)送部分在發(fā)送板上集成實(shí)現(xiàn),。天線為自制寬帶天線。

　　接收端射頻部分獨(dú)立制板,， 基帶部分基于Virtex-4xc4vlx200 大容量FPGA 實(shí)現(xiàn),。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試了50 m 的走廊與斜穿60 cm 混凝土墻兩個(gè)場(chǎng)景,。前者為密集多徑環(huán)境，后者為功率深衰減場(chǎng)景,。

　　測(cè)試結(jié)果顯示,，25 f/s 的VGA 視頻顯示無馬賽克等明顯錯(cuò)誤，視頻清晰流暢,。視頻采集與發(fā)送端達(dá)到了小體積,、低功耗的要求，驗(yàn)證系統(tǒng)發(fā)端功耗約為4 W,，體積不超過60 mm×100 mm×10 mm,。可以預(yù)期,，在發(fā)送端實(shí)現(xiàn)芯片化之后,，將完全可以實(shí)現(xiàn)更低功耗、更小體積的視頻監(jiān)控,，滿足各種應(yīng)用的需求,。

　　8 小結(jié)

　　針對(duì)無線通信視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)提供了解決方法,。實(shí)際測(cè)試的結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為其他類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒， 也促進(jìn)了類似應(yīng)用的推廣,。此外,，UWB 技術(shù)還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，本文針對(duì)UWB 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,， 也可以推廣到更多類似的應(yīng)用領(lǐng)域中,。