超寬帶無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】針對(duì)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(jì)方案。采用VS6724 攝像頭實(shí)現(xiàn)視頻采集，單載波UWB（SC-UWB）方案實(shí)現(xiàn)無線傳輸，既滿足了視頻采集設(shè)備對(duì)于體積和功耗的要求，又有效對(duì)抗了多徑的影響。基于PC 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)視頻解碼與播放，可移植性強(qiáng)。驗(yàn)證了系統(tǒng)基于FPGA 和PC 平臺(tái)構(gòu)建，在密集多徑和深度衰落的實(shí)際場(chǎng)景下，測(cè)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(hào)實(shí)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(chǎng)景下的應(yīng)用， 對(duì)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(shí)高速率、低功耗的特點(diǎn)，為實(shí)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(jì)難點(diǎn)。

　　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(zhǎng)時(shí)間，選擇合適的視頻采集設(shè)備對(duì)于實(shí)現(xiàn)發(fā)送端體積與功耗的優(yōu)化極為重要；其次，特殊場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無線傳輸， 是設(shè)計(jì)UWB 無線收發(fā)模塊必須考慮的。

　　此外，對(duì)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(duì)以上設(shè)計(jì)難點(diǎn)，筆者提出了具體的設(shè)計(jì)方案，其性能在實(shí)際系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)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(yùn)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(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)視頻顯示的目的。

　　在UWB 無線傳輸體制方面， 設(shè)計(jì)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(duì)于主流方案MB-OFDM，SC-UWB 方案發(fā)送端顯著簡(jiǎn)單，且對(duì)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(shí)現(xiàn)。