超寬帶無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

    【摘要】針對無線視頻采集設(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)計方案。采用VS6724 攝像頭實現(xiàn)視頻采集，單載波UWB（SC-UWB）方案實現(xiàn)無線傳輸，既滿足了視頻采集設(shè)備對于體積和功耗的要求，又有效對抗了多徑的影響?；赑C 平臺實現(xiàn)視頻解碼與播放，可移植性強(qiáng)。驗證了系統(tǒng)基于FPGA 和PC 平臺構(gòu)建，在密集多徑和深度衰落的實際場景下，測試效果良好。

　　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實現(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)控和一些特殊場景下的應(yīng)用， 對監(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(shè)計難點。

　　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時間，選擇合適的視頻采集設(shè)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(yán)重的多徑衰落，如何既滿足發(fā)送端體積與功耗的限制， 又實現(xiàn)高質(zhì)量的無線傳輸， 是設(shè)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(shè)計難點，筆者提出了具體的設(shè)計方案，其性能在實際系統(tǒng)中得到了驗證。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　系統(tǒng)總體設(shè)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。

　　視頻采集與發(fā)送端的設(shè)計應(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， 以實現(xiàn)視頻顯示的目的。

　　在UWB 無線傳輸體制方面， 設(shè)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(kuò)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(fù)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(shè)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(shè)計

　　攝像頭適配模塊提供攝像頭驅(qū)動、應(yīng)用層成幀、物理層等功能。攝像頭驅(qū)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(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?？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(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、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(biāo)識，幀頭為0xFFD8，幀尾為0xFFD9。

　　在應(yīng)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(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(yán)重的數(shù)據(jù)也不會丟失。

　　4 UWB 發(fā)送端設(shè)計

　　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。

　　相對于接收端，UWB 發(fā)送端結(jié)構(gòu)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(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

　　5.1 UWB 射頻接收端設(shè)計

　　UWB 接收端承擔(dān)著對抗多徑衰落的重要任務(wù)，因此其設(shè)計復(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。射頻信號經(jīng)低噪放大器（LNA）與射頻放大器（RFA）實現(xiàn)低噪聲放大，再經(jīng)正交混頻，產(chǎn)生I，Q 信號，供基帶載波恢復(fù)使用。自動增益控制放大器（AGC） 將混頻后的信號幅度調(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，信號被送至基帶接收部分處理。

　　5.2 UWB 基帶接收端設(shè)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(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)計難以實現(xiàn)。實際應(yīng)用時，使用了方波進(jìn)行匹配，這樣既節(jié)省了乘法器，又不會導(dǎo)致性能的顯著惡化。

　　前導(dǎo)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(guān)性質(zhì)進(jìn)行的。PN 序列具有尖銳的自相關(guān)峰，當(dāng)2 個相同的PN 序列相位完全相同時，自相關(guān)運算的結(jié)果會產(chǎn)生一個峰值，而相位不同時，自相關(guān)運算結(jié)果卻很小。捕獲模塊依靠本地PN 與前導(dǎo)序列的相關(guān)運算結(jié)果來判斷是否有幀到達(dá)；信道估計通過檢測前導(dǎo)序列中的多個相關(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的結(jié)果，對幀頭序列做相關(guān)檢測； 同步跟蹤利用跟蹤序列的相關(guān)檢測結(jié)果，調(diào)整定時偏差。

　　RAKE 接收機(jī)的作用是完成多徑信號的能量收集與信號合并。根據(jù)信道估計的結(jié)果，在接收數(shù)據(jù)中尋找每一條徑的位置，對各條徑做相關(guān)解調(diào)，并對結(jié)果進(jìn)行合并處理。RAKE 接收機(jī)的算法種類有很多，出于可實現(xiàn)性與性能的綜合考慮， 設(shè)計采用了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，硬件實現(xiàn)開銷較大。對于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)送端對稱的信道解碼與解擾。經(jīng)過基帶處理的信號被送往以太網(wǎng)成幀模塊，實現(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

　　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。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溢出。

　　在PC 平臺，使用基于Windows 操作系統(tǒng)的WinPcap和OpenCV 軟件開發(fā)包實現(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， 大大簡化了視頻解碼播放軟件的開發(fā)難度。而任意一臺安裝了這兩種軟件包的WindowsPC 均可以運行程序，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)保存為臨時文件，再進(jìn)行播放。由于以太網(wǎng)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。

　　視頻解碼軟件利用應(yīng)用層幀尾的校驗信息判斷數(shù)據(jù)正確性。為了提高視頻播放質(zhì)量，軟件中添加了錯誤隱藏機(jī)制。當(dāng)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(dāng)作正確幀來顯示。

　　7 實驗結(jié)果

　　該設(shè)計方案的驗證系統(tǒng)基于FPGA 與PC 平臺聯(lián)合實現(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 實現(xiàn)， 射頻發(fā)送部分在發(fā)送板上集成實現(xiàn)。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-4xc4vlx200 大容量FPGA 實現(xiàn)。

　　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(huán)境，后者為功率深衰減場景。

　　測試結(jié)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(fā)送端達(dá)到了小體積、低功耗的要求，驗證系統(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)送端實現(xiàn)芯片化之后，將完全可以實現(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)計方案，為設(shè)計中的技術(shù)難點提供了解決方法。實際測試的結(jié)果驗證了方案的可行性。系統(tǒng)設(shè)計方案為其他類似系統(tǒng)的設(shè)計提供了借鑒， 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UWB 傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法， 也可以推廣到更多類似的應(yīng)用領(lǐng)域中。