超宽带无线视频监控系统的设计与实现

的视频数据通过扰码增加伪随机性，再经过信道编码，插入训练序列后进行扩频调制，之后完成物理层成帧处理，再经过波形成型滤波器，发往射频发送模块。在射频发送模块，经过基带处理的数据通过混频器调制到射频，然后经由功率放大器（PA）和带通滤波器（BPF），由天线发射出去。

　　相对于接收端，UWB 发送端结构简单，易于小体积、低功耗的实现。为了满足传输性能的需求，在信道编码模块采用了RS 码与卷积码的级联码配合交织，提高纠错能力，对抗突发错误。在扩频调制之前插入训练用PN 序列，方便接收端均衡器的自适应调整。扩频调制使用BPSK调制方式，选择扩频比为2。扩频调制之后的成帧处理，加入了前导序列、帧头序列以及跟踪序列（见图4），以便接收端完成捕获、同步和跟踪的重要任务。这3 个序列同样使用PN 序列。滤波成型使用了根升余弦滤波器，选择滚降系数为1，使频带内发射功率尽可能大。

　　5 UWB 接收端设计

5.1 UWB 射频接收端设计

UWB 接收端承担着对抗多径衰落的重要任务，因此其设计复杂度比发送端高很多。UWB 接收端也包括射频接收与基带接收两部分。在射频接收部分（见图5），使用零中频正交解调的方式处理射频信号。射频信号经低噪放大器（LNA）与射频放大器（RFA）实现低噪声放大，再经正交混频，产生I，Q 信号，供基带载波恢复使用。自动增益控制放大器（AGC） 将混频后的信号幅度调整至适合ADC满幅工作的状态，低通滤波器（LPF）滤除高频分量后，信号被送至基带接收部分处理。

　　5.2 UWB 基带接收端设计

UWB 接收端的基带处理部分如图6 所示， 使用了RAKE 加DFE 信道均衡的方式， 对抗多径衰落。经过ADC 采样的数据要首先经过匹配滤波。由于发送端使用了根升余弦滤波器进行波形成型，所以如果信道为加性高斯白噪声（AWGN）信道，接收端匹配滤波器应具有匹配的脉冲响应，才可达到最小错误概率接收。但由于系统工作的信道环境不是AWGN 信道， 信道模型十分复杂，所以最优匹配滤波器的设计难以实现。实际应用时，使用了方波进行匹配，这样既节省了乘法器，又不会导致性能的显着恶化。

　　前导捕获、帧同步、信道估计以及同步跟踪都是基于PN 序列的自相关性质进行的。PN 序列具有尖锐的自相关峰，当2 个相同的PN 序列相位完全相同时，自相关运算的结果会产生一个峰值，而相位不同时，自相关运算结果却很小。捕获模块依靠本地PN 与前导序列的相关运算结果来判断是否有帧到达；信道估计通过检测前导序列中的多个相关峰， 得出每一条径的位置， 以便RAKE 接收处理；帧同步利用信道估计的结果，对帧头序列做相关检测； 同步跟踪利用跟踪序列的相关检测结果，调整定时偏差。

RAKE 接收机的作用是完成多径信号的能量收集与信号合并。根据信道估计的结果，在接收数据中寻找每一条径的位置，对各条径做相关解调，并对结果进行合并处理。RAKE 接收机的算法种类有很多，出于可实现性与性能的综合考虑， 设计采用了PRAKE 加最大比合并的RAKE 算法。

RAKE 接收后的载波恢复使用了经典的科斯塔斯（Costas）环完成，判决反馈均衡器（DFE）使用了基于LMS算法的自适应均衡器。通常情况下，载波恢复模块需要放在均衡器之后，但这样需要进行复数均衡，硬件实现开销较大。对于BPSK 调制来说，将载波恢复置于均衡器之前，可以使均衡器的抽头系数全部为实数，减小了硬件规模。

基带处理最后的步骤是与发送端对称的信道解码与解扰。经过基带处理的信号被送往以太网成帧模块，实现最后的视频解码与显示。

6 以太网成帧与视频显示软件设计

经过UWB 无线传输后， 以太网成帧模块需要将接收到的应用层帧完整而透明地传输到PC 平台。该成帧模块仅使用符合以太网MAC 格式的帧单向传输数据，并不运行任何以太网MAC 协议。

常见的100 Mbit/s 以太网可以提供12.5 Mbit/s 的传输速率，比物理层接口的速率要高。在以太网成帧模块前加入缓存，考虑到必要的开销，缓存大小比最大以太网帧大10%左右即可保证缓存不会溢出。

在PC 平台，使用基于Windows 操作系统的WinPcap和OpenCV 软件开发包实现视频解码与显示。WinPcap是一套以太网软件开发包，提供全面的以太网帧收发、解析功能。OpenCV 提供了强大的视频解码和播放功能。

使用WinPcap 和OpenCV， 大大简化了视频解码播放软件的开发难度。而任意一台安装了这两种软件包的WindowsPC 均可以运行程序，也增强了程序的可移植性。

由于OpenCV 仅支持文件形式的图像解码与播放，所以需要将应用层帧中的JPEG 数据保存为临时文件，再进行播放。由于以太网帧解析、临时文件保