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

　　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。

　　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。

　　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，也增強了程序的可移植性。