田晶磊,肖振宇,金德鵬
(清華大學(xué) 電子工程系,北京 100084)
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。
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、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[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(nèi)嵌JPEG壓縮功能[2],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。
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。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。
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性,再經(jīng)過信道編碼,插入訓(xùn)練序列后進行擴頻調(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。擴頻調(diào)制使用BPSK調(diào)制方式,選擇擴頻比為2。擴頻調(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。
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。
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。
圖6 UWB接收端基帶設(shè)計
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;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)果進行合并處理。RAKE接收機的算法種類有很多,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。
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[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(fā)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(yīng)用層幀中的JPEG數(shù)據(jù)保存為臨時文件,再進行播放。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。
圖7 視頻解碼顯示軟件流程圖
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。
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-4 xc4vlx200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??梢灶A(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。
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。
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[7]OpenCV 參 考 手 冊[EB/OL].[2010-02-25].http://download.csdn.net/source/221416.