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

　　5.1 UWB 射頻接收端設(shè)計(jì)

　　UWB 接收端承擔(dān)著對(duì)抗多徑衰落的重要任務(wù)，因此其設(shè)計(jì)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(jiàn)圖5），使用零中頻正交解調(diào)的方式處理射頻信號(hào)。射頻信號(hào)經(jīng)低噪放大器（LNA）與射頻放大器（RFA）實(shí)現(xiàn)低噪聲放大，再經(jīng)正交混頻，產(chǎn)生I，Q 信號(hào)，供基帶載波恢復(fù)使用。自動(dòng)增益控制放大器（AGC） 將混頻后的信號(hào)幅度調(diào)整至適合ADC滿(mǎn)幅工作的狀態(tài)，低通濾波器（LPF）濾除高頻分量后，信號(hào)被送至基帶接收部分處理。

　　5.2 UWB 基帶接收端設(shè)計(jì)

　　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(duì)抗多徑衰落。經(jīng)過(guò)ADC 采樣的數(shù)據(jù)要首先經(jīng)過(guò)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(cuò)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(jì)難以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，使用了方波進(jìn)行匹配，這樣既節(jié)省了乘法器，又不會(huì)導(dǎo)致性能的顯著惡化。

　　前導(dǎo)捕獲、幀同步、信道估計(jì)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(gè)相同的PN 序列相位完全相同時(shí)，自相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，而相位不同時(shí)，自相關(guān)運(yùn)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(yùn)算結(jié)果來(lái)判斷是否有幀到達(dá)；信道估計(jì)通過(guò)檢測(cè)前導(dǎo)序列中的多個(gè)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(jì)的結(jié)果，對(duì)幀頭序列做相關(guān)檢測(cè)； 同步跟蹤利用跟蹤序列的相關(guān)檢測(cè)結(jié)果，調(diào)整定時(shí)偏差。

　　RAKE 接收機(jī)的作用是完成多徑信號(hào)的能量收集與信號(hào)合并。根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，在接收數(shù)據(jù)中尋找每一條徑的位置，對(duì)各條徑做相關(guān)解調(diào)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并處理。RAKE 接收機(jī)的算法種類(lèi)有很多，出于可實(shí)現(xiàn)性與性能的綜合考慮， 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)開(kāi)銷(xiāo)較大。對(duì)于BPSK 調(diào)制來(lái)說(shuō)，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(shí)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(duì)稱(chēng)的信道解碼與解擾。經(jīng)過(guò)基帶處理的信號(hào)被送往以太網(wǎng)成幀模塊，實(shí)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(jì)

　　經(jīng)過(guò)UWB 無(wú)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(tái)。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(yùn)行任何以太網(wǎng)MAC 協(xié)議。

　　常見(jiàn)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(kāi)銷(xiāo)，緩存大小比最大以太網(wǎng)幀大10%左右即可保證緩存不會(huì)溢出。

　　在PC 平臺(tái)，使用基于Windows 操作系統(tǒng)的WinPcap和OpenCV 軟件開(kāi)發(fā)包實(shí)現(xiàn)視頻解碼與顯示。WinPcap是一套以太網(wǎng)軟件開(kāi)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(jiǎn)化了視頻解碼播放軟件的開(kāi)發(fā)難度。而任意一臺(tái)安裝了這兩種軟件包的WindowsPC 均可以運(yùn)行程序，也增強(qiáng)了程序的可移植性。