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。