超寬帶無線視頻監控系統的設計與實現

　　5.1 UWB 射頻接收端設計

　　UWB 接收端承擔著對抗多徑衰落的重要任務，因此其設計復雜度比發送端高很多。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的方式處理射頻信號。射頻信號經低噪放大器（LNA）與射頻放大器（RFA）實現低噪聲放大，再經正交混頻，產生I，Q 信號，供基帶載波恢復使用。自動增益控制放大器（AGC） 將混頻后的信號幅度調整至適合ADC滿幅工作的狀態，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。經過ADC 采樣的數據要首先經過匹配濾波。由于發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具有匹配的脈沖響應，才可達到最小錯誤概率接收。但由于系統工作的信道環境不是AWGN 信道， 信道模型十分復雜，所以最優匹配濾波器的設計難以實現。實際應用時，使用了方波進行匹配，這樣既節省了乘法器，又不會導致性能的顯著惡化。

　　前導捕獲、幀同步、信道估計以及同步跟蹤都是基于PN 序列的自相關性質進行的。PN 序列具有尖銳的自相關峰，當2 個相同的PN 序列相位完全相同時，自相關運算的結果會產生一個峰值，而相位不同時，自相關運算結果卻很小。捕獲模塊依靠本地PN 與前導序列的相關運算結果來判斷是否有幀到達；信道估計通過檢測前導序列中的多個相關峰， 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果，對幀頭序列做相關檢測； 同步跟蹤利用跟蹤序列的相關檢測結果，調整定時偏差。

　　RAKE 接收機的作用是完成多徑信號的能量收集與信號合并。根據信道估計的結果，在接收數據中尋找每一條徑的位置，對各條徑做相關解調，并對結果進行合并處理。RAKE 接收機的算法種類有很多，出于可實現性與性能的綜合考慮， 設計采用了PRAKE 加最大比合并的RAKE 算法。

　　RAKE 接收后的載波恢復使用了經典的科斯塔斯（Costas）環完成，判決反饋均衡器（DFE）使用了基于LMS算法的自適應均衡器。通常情況下，載波恢復模塊需要放在均衡器之后，但這樣需要進行復數均衡，硬件實現開銷較大。對于BPSK 調制來說，將載波恢復置于均衡器之前，可以使均衡器的抽頭系數全部為實數，減小了硬件規模。

　　基帶處理最后的步驟是與發送端對稱的信道解碼與解擾。經過基帶處理的信號被送往以太網成幀模塊，實現最后的視頻解碼與顯示。

　　6 以太網成幀與視頻顯示軟件設計

　　經過UWB 無線傳輸后， 以太網成幀模塊需要將接收到的應用層幀完整而透明地傳輸到PC 平臺。該成幀模塊僅使用符合以太網MAC 格式的幀單向傳輸數據，并不運行任何以太網MAC 協議。

　　常見的100 Mbit/s 以太網可以提供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 操作系統的WinPcap和OpenCV 軟件開發包實現視頻解碼與顯示。WinPcap是一套以太網軟件開發包，提供全面的以太網幀收發、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。