超宽带无线视频监控系统的设计
1 引言
超宽带（ultra wideband，uwb）是一种利用低功率谱密度、超高带宽的无线信号实现短距离高速传输的技术[1]。最近几年，uwb 技术不断发展，基于uwb 的各种研究已经取得了诸多成果。另一方面，无线视频监控和一些特殊场景下的应用， 对监控系统提出了特殊的要求，如视频采集设备要体积小、功耗低，监控系统抗干扰、抗衰落能力要强等。uwb 技术在短距离传输时高速率、低功耗的特点，为实现以上要求提供了便利。
基于uwb 的无线视频监控系统有许多设计难点。
首先，传统的视频采集设备体积通常较大，且在电池供电的情况下很难工作较长时间，选择合适的视频采集设备对于实现发送端体积与功耗的优化极为重要；其次，特殊场景的传输环境通常伴有较为严重的多径衰落，如何既满足发送端体积与功耗的限制， 又实现高质量的无线传输， 是设计uwb 无线收发模块必须考虑的。
此外，对于接收端的视频解码与显示软件，也需要考虑可移植性与提高显示质量的问题。针对以上设计难点，笔者提出了具体的设计方案，其性能在实际系统中得到了验证。
超宽带无线视频监控系统示意图
2 系统总体设计方案
系统总体设计方案如图1 所示。在视频采集与发送端，使用小型摄像头，配合摄像头适配，完成视频采集。采集到的视频信号经过uwb 基带和射频处理， 经由天线发送。在视频接收与显示端，天线接收到的无线信号经过uwb 射频和基带接收模块处理以及以太网成帧后发往pc，由运行在pc 上的视频解码与播放软件显示。
视频采集与发送端的设计应以体积和功耗作为第一考虑。意法半导体为手机、pda 等设备开发的vs6724 摄像头， 体积为8.00 mm×8.00 mm×5.55 mm， 功耗不超过500 mw，是比较理想的摄像头方案。vs6724 具有1 600×1 200 像素分辨力和全面的图像处理功能， 支持30 f/s（帧/秒）、uxga 格式的图像采集和传输， 并内嵌jpeg压缩功能，避免了系统对其他视频压缩模块的需求，降低了体积与功耗。视频接收与显示端可以将连续的jpeg 图像进行motion jpeg 处理， 以实现视频显示的目的。
在uwb 无线传输体制方面， 设计选择了单载波uwb（sc-uwb）方案[4-5]。sc-uwb 是一种基于单载波直接序列扩频的uwb 方案。相对于主流方案mb-ofdm，sc-uwb 方案发送端显着简单，且对射频线性度和adc精度等要求较低，利于发送端小体积、低功耗的实现。
uwb 接收端使用复杂的接收算法对抗多径衰落。
接收端与pc 的接口选择了高速率、低成本的以太网。pc的视频解码和显示软件基于windows 平台设计，使用免费的winpcap 和opencv 软件包，易于软件的移植。
3 摄像头适配模块设计
摄像头适配模块提供摄像头驱动、应用层成帧、物理层等功能。摄像头驱动模块使用i2c 总线，实现vs6724的寄存器配置与工作状态控制。vs6724 工作状态的配置须考虑系统性能的要求与限制。为实现连续流畅的视频效果，vs6724 应工作在图像连续采集模式下，且帧率不小于25 f/s。图像分辨力为640×480，满足一般图像清晰度的要求。考虑到uwb 物理层传输速率的限制，vs6724 发送的图像格式将为jpeg，并使用自动压缩的方式控制每帧图像的大小，从而保证摄像头输出的净数据速率不超过物理层的传输能力上限。
应用层成帧模块将图像帧封装成应用层帧，并添加序列号、帧长度与校验和到帧尾（见图2），用来在接收和显示端检测不同类型的错误。摄像头输出的jpeg 图像自带帧头与帧尾标识，帧头为0xffd8，帧尾为0xffd9。
在应用层成帧的时候，借用了jpeg 的帧头与帧尾，化简了成帧操作。
物理层适配模块完成摄像头与物理层的速率适配。
实验发现，vs6724 输出图像数据并不是连续的，而是使用数据有效信号提供包络， 数据具有较强的突发性，且摄像头输出数据的时钟速率高于物理层读取数据的时钟速率，因此必须采用缓存队列的方式，保证突发数据不丢失。经过试验与计算，在帧率25 f/s 的工作状态下，使用2 kbyte 的缓存队列， 可以保证突发性最严重的数据也不会丢失。
4 uwb 发送端设计
uwb 发送端结构如图3 所示， 包括uwb 基带发送和uwb 射频发送两部分。在基带发送部分，经过适配的视频数据通过扰码增加伪随机性，再经过信道编码，插入训练序列后进行扩频调制，之后完成物理层成帧处理，再经过波形成型滤波器，发往射频发送模块。在射频发送模块，经过基带处理的数据通过混频器调制到射频，然后经由功率放大器（pa）和带通滤波器（bpf），由天线发射出去。
相对于接收端，uwb 发送端结构简单，易于小体积、低功耗的实现。为了满足传输性能的需求，在信道编码模块采用了rs 码与卷积码的级联码配合交织，提高纠错能力，对抗突发错误。在扩频调制之前插入训练用pn 序列，方便接收端均衡器的自适应调整。扩频调制使用bpsk调制方式，选择扩频比为2。扩频调制之后的成帧处理，加入了前导序列、帧头序列以及跟踪序列（见图4），以便接收端完成捕获、同步和跟踪的重要任务。这3 个序列同样使用pn 序列。滤波成型使用了根升余弦滤波器，选择滚降系数为1，使频带内发射功率尽可能大。
5 uwb 接收端设计
5.1 uwb 射频接收端设计
uwb 接收端承担着对抗多径衰落的重要任务，因此其设计复杂度比发送端高很多。uwb 接收端也包括射频接收与基带接收两部分。在射频接收部分（见图5），使用零中频正交解调的方式处理射频信号。射频信号经低噪放大器（lna）与射频放大器（rfa）实现低噪声放大，再经正交混频，产生i，q 信号，供基带载波恢复使用。自动增益控制放大器（agc） 将混频后的信号幅度调整至适合adc满幅工作的状态，低通滤波器（lpf）滤除高频分量后，信号被送至基带接收部分处理。
5.2 uwb 基带接收端设计
uwb 接收端的基带处理部分如图6 所示， 使用了rake 加dfe 信道均衡的方式， 对抗多径衰落。经过adc 采样的数据要首先经过匹配滤波。由于发送端使用了根升余弦滤波器进行波形成型，所以如果信道为加性高斯白噪声（awgn）信道，接收端匹配滤波器应具有匹配的脉冲响应，才可达到最小错误概率接收。但由于系统工作的信道环境不是awgn 信道， 信道模型十分复杂，所以最优匹配滤波器的设计难以实现。实际应用时，使用了方波进行匹配，这样既节省了乘法器，又不会导致性能的显着恶化。
前导捕获、帧同步、信道估计以及同步跟踪都是基于pn 序列的自相关性质进行的。pn 序列具有尖锐的自相关峰，当2 个相同的pn 序列相位完全相同时，自相关运算的结果会产生一个峰值，而相位不同时，自相关运算结果却很小。捕获模块依靠本地pn 与前导序列的相关运算结果来判断是否有帧到达；信道估计通过检测前导序列中的多个相关峰， 得出每一条径的位置， 以便rake 接收处理；帧同步利用信道估计的结果，对帧头序列做相关检测； 同步跟踪利用跟踪序列的相关检测结果，调整定时偏差。
rake 接收机的作用是完成多径信号的能量收集与信号合并。根据信道估计的结果，在接收数据中寻找每一条径的位置，对各条径做相关解调，并对结果进行合并处理。rake 接收机的算法种类有很多，出于可实现性与性能的综合考虑， 设计采用了prake 加最大比合并的rake 算法。
rake 接收后的载波恢复使用了经典的科斯塔斯（costas）环完成，判决反馈均衡器（dfe）使用了基于lms算法的自适应均衡器。通常情况下，载波恢复模块需要放在均衡器之后，但这样需要进行复数均衡，硬件实现开销较大。对于bpsk 调制来说，将载波恢复置于均衡器之前，可以使均衡器的抽头系数全部为实数，减小了硬件规模。
基带处理最后的步骤是与发送端对称的信道解码与解扰。经过基带处理的信号被送往以太网成帧模块，实现最后的视频解码与显示。
6 以太网成帧与视频显示软件设计
经过uwb 无线传输后， 以太网成帧模块需要将接收到的应用层帧完整而透明地传输到pc 平台。该成帧模块仅使用符合以太网mac 格式的帧单向传输数据，并不运行任何以太网mac 协议。
常见的100 mbit/s 以太网可以提供12.5 mbit/s 的传输速率，比物理层接口的速率要高。在以太网成帧模块前加入缓存，考虑到必要的开销，缓存大小比最大以太网帧大10%左右即可保证缓存不会溢出。
在pc 平台，使用基于windows 操作系统的winpcap和opencv 软件开发包实现视频解码与显示。winpcap是一套以太网软件开发包，提供全面的以太网帧收发、解析功能。opencv 提供了强大的视频解码和播放功能。
使用winpcap 和opencv， 大大简化了视频解码播放软件的开发难度。而任意一台安装了这两种软件包的windowspc 均可以运行程序，也增强了程序的可移植性。
由于opencv 仅支持文件形式的图像解码与播放，所以需要将应用层帧中的jpeg 数据保存为临时文件，再进行播放。由于以太网帧解析、临时文件保存和图像显示均较为耗时，因此为了避免winpcap 软件核心缓存的溢出，使用了多线程的处理办法。视频解码显示软件流程图如图7 所示。
视频解码软件利用应用层帧尾的校验信息判断数据正确性。为了提高视频播放质量，软件中添加了错误隐藏机制。当目前接收到的图像帧校验和不正确时，选择使用上一帧图像代替本帧显示。考虑到视频的连贯性，错误隐藏将最多替代一个错误帧， 下一帧不论错误与否，都将被当作正确帧来显示。
7 实验结果
该设计方案的验证系统基于fpga 与pc 平台联合实现。根据系统资源的需求，摄像头适配和uwb 基带发送部分基于virtex-4 xc4vlx15 小容量fpga 实现， 射频发送部分在发送板上集成实现。天线为自制宽带天线。
接收端射频部分独立制板， 基带部分基于virtex-4xc4vlx200 大容量fpga 实现。
实验测试了50 m 的走廊与斜穿60 cm 混凝土墙两个场景。前者为密集多径环境，后者为功率深衰减场景。
测试结果显示，25 f/s 的vga 视频显示无马赛克等明显错误，视频清晰流畅。视频采集与发送端达到了小体积、低功耗的要求，验证系统发端功耗约为4 w，体积不超过60 mm×100 mm×10 mm。可以预期，在发送端实现芯片化之后，将完全可以实现更低功耗、更小体积的视频监控，满足各种应用的需求。
8 小结
针对无线通信视频监控系统小体积、低功耗、高性能的需求， 笔者提出了基于vs6724 摄像头与sc-uwb无线传输系统设计方案，为设计中的技术难点提供了解决方法。实际测试的结果验证了方案的可行性。系统设计方案为其他类似系统的设计提供了借鉴， 也促进了类似应用的推广。此外，uwb 技术还可以应用于其他领域，本文针对uwb 传输系统的设计方法， 也可以推广到更多类似的应用领域中。
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基于uwb 的无线视频监控系统有许多设计难点。
首先，传统的视频采集设备体积通常较大，且在电池供电的情况下很难工作较长时间，选择合适的视频采集设备对于实现发送端体积与功耗的优化极为重要；其次，特殊场景的传输环境通常伴有较为严重的多径衰落，如何既满足发送端体积与功耗的限制， 又实现高质量的无线传输， 是设计uwb 无线收发模块必须考虑的。
此外，对于接收端的视频解码与显示软件，也需要考虑可移植性与提高显示质量的问题。针对以上设计难点，笔者提出了具体的设计方案，其性能在实际系统中得到了验证。
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在uwb 无线传输体制方面， 设计选择了单载波uwb（sc-uwb）方案[4-5]。sc-uwb 是一种基于单载波直接序列扩频的uwb 方案。相对于主流方案mb-ofdm，sc-uwb 方案发送端显着简单，且对射频线性度和adc精度等要求较低，利于发送端小体积、低功耗的实现。
uwb 接收端使用复杂的接收算法对抗多径衰落。
接收端与pc 的接口选择了高速率、低成本的以太网。pc的视频解码和显示软件基于windows 平台设计，使用免费的winpcap 和opencv 软件包，易于软件的移植。
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摄像头适配模块提供摄像头驱动、应用层成帧、物理层等功能。摄像头驱动模块使用i2c 总线，实现vs6724的寄存器配置与工作状态控制。vs6724 工作状态的配置须考虑系统性能的要求与限制。为实现连续流畅的视频效果，vs6724 应工作在图像连续采集模式下，且帧率不小于25 f/s。图像分辨力为640×480，满足一般图像清晰度的要求。考虑到uwb 物理层传输速率的限制，vs6724 发送的图像格式将为jpeg，并使用自动压缩的方式控制每帧图像的大小，从而保证摄像头输出的净数据速率不超过物理层的传输能力上限。
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4 uwb 发送端设计
uwb 发送端结构如图3 所示， 包括uwb 基带发送和uwb 射频发送两部分。在基带发送部分，经过适配的视频数据通过扰码增加伪随机性，再经过信道编码，插入训练序列后进行扩频调制，之后完成物理层成帧处理，再经过波形成型滤波器，发往射频发送模块。在射频发送模块，经过基带处理的数据通过混频器调制到射频，然后经由功率放大器（pa）和带通滤波器（bpf），由天线发射出去。
相对于接收端，uwb 发送端结构简单，易于小体积、低功耗的实现。为了满足传输性能的需求，在信道编码模块采用了rs 码与卷积码的级联码配合交织，提高纠错能力，对抗突发错误。在扩频调制之前插入训练用pn 序列，方便接收端均衡器的自适应调整。扩频调制使用bpsk调制方式，选择扩频比为2。扩频调制之后的成帧处理，加入了前导序列、帧头序列以及跟踪序列（见图4），以便接收端完成捕获、同步和跟踪的重要任务。这3 个序列同样使用pn 序列。滤波成型使用了根升余弦滤波器，选择滚降系数为1，使频带内发射功率尽可能大。
5 uwb 接收端设计
5.1 uwb 射频接收端设计
uwb 接收端承担着对抗多径衰落的重要任务，因此其设计复杂度比发送端高很多。uwb 接收端也包括射频接收与基带接收两部分。在射频接收部分（见图5），使用零中频正交解调的方式处理射频信号。射频信号经低噪放大器（lna）与射频放大器（rfa）实现低噪声放大，再经正交混频，产生i，q 信号，供基带载波恢复使用。自动增益控制放大器（agc） 将混频后的信号幅度调整至适合adc满幅工作的状态，低通滤波器（lpf）滤除高频分量后，信号被送至基带接收部分处理。
5.2 uwb 基带接收端设计
uwb 接收端的基带处理部分如图6 所示， 使用了rake 加dfe 信道均衡的方式， 对抗多径衰落。经过adc 采样的数据要首先经过匹配滤波。由于发送端使用了根升余弦滤波器进行波形成型，所以如果信道为加性高斯白噪声（awgn）信道，接收端匹配滤波器应具有匹配的脉冲响应，才可达到最小错误概率接收。但由于系统工作的信道环境不是awgn 信道， 信道模型十分复杂，所以最优匹配滤波器的设计难以实现。实际应用时，使用了方波进行匹配，这样既节省了乘法器，又不会导致性能的显着恶化。
前导捕获、帧同步、信道估计以及同步跟踪都是基于pn 序列的自相关性质进行的。pn 序列具有尖锐的自相关峰，当2 个相同的pn 序列相位完全相同时，自相关运算的结果会产生一个峰值，而相位不同时，自相关运算结果却很小。捕获模块依靠本地pn 与前导序列的相关运算结果来判断是否有帧到达；信道估计通过检测前导序列中的多个相关峰， 得出每一条径的位置， 以便rake 接收处理；帧同步利用信道估计的结果，对帧头序列做相关检测； 同步跟踪利用跟踪序列的相关检测结果，调整定时偏差。
rake 接收机的作用是完成多径信号的能量收集与信号合并。根据信道估计的结果，在接收数据中寻找每一条径的位置，对各条径做相关解调，并对结果进行合并处理。rake 接收机的算法种类有很多，出于可实现性与性能的综合考虑， 设计采用了prake 加最大比合并的rake 算法。
rake 接收后的载波恢复使用了经典的科斯塔斯（costas）环完成，判决反馈均衡器（dfe）使用了基于lms算法的自适应均衡器。通常情况下，载波恢复模块需要放在均衡器之后，但这样需要进行复数均衡，硬件实现开销较大。对于bpsk 调制来说，将载波恢复置于均衡器之前，可以使均衡器的抽头系数全部为实数，减小了硬件规模。
基带处理最后的步骤是与发送端对称的信道解码与解扰。经过基带处理的信号被送往以太网成帧模块，实现最后的视频解码与显示。
6 以太网成帧与视频显示软件设计
经过uwb 无线传输后， 以太网成帧模块需要将接收到的应用层帧完整而透明地传输到pc 平台。该成帧模块仅使用符合以太网mac 格式的帧单向传输数据，并不运行任何以太网mac 协议。
常见的100 mbit/s 以太网可以提供12.5 mbit/s 的传输速率，比物理层接口的速率要高。在以太网成帧模块前加入缓存，考虑到必要的开销，缓存大小比最大以太网帧大10%左右即可保证缓存不会溢出。
在pc 平台，使用基于windows 操作系统的winpcap和opencv 软件开发包实现视频解码与显示。winpcap是一套以太网软件开发包，提供全面的以太网帧收发、解析功能。opencv 提供了强大的视频解码和播放功能。
使用winpcap 和opencv， 大大简化了视频解码播放软件的开发难度。而任意一台安装了这两种软件包的windowspc 均可以运行程序，也增强了程序的可移植性。
由于opencv 仅支持文件形式的图像解码与播放，所以需要将应用层帧中的jpeg 数据保存为临时文件，再进行播放。由于以太网帧解析、临时文件保存和图像显示均较为耗时，因此为了避免winpcap 软件核心缓存的溢出，使用了多线程的处理办法。视频解码显示软件流程图如图7 所示。
视频解码软件利用应用层帧尾的校验信息判断数据正确性。为了提高视频播放质量，软件中添加了错误隐藏机制。当目前接收到的图像帧校验和不正确时，选择使用上一帧图像代替本帧显示。考虑到视频的连贯性，错误隐藏将最多替代一个错误帧， 下一帧不论错误与否，都将被当作正确帧来显示。
7 实验结果
该设计方案的验证系统基于fpga 与pc 平台联合实现。根据系统资源的需求，摄像头适配和uwb 基带发送部分基于virtex-4 xc4vlx15 小容量fpga 实现， 射频发送部分在发送板上集成实现。天线为自制宽带天线。
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8 小结
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