2022 年 12 月 09 日 星期五

高速数据通讯技术在高清监控中的应用
2011-12-08   来源: 来源:安防知识网    点击:863

    传输技术是高清监控发展的关键

    传输技术是高清监控发展的关键

  近几年随着图像传感器技术的发展,低成本的高像素SENSOR越来越多的应用于安防监控行业,高清摄像机(720P、1080P)已不再是高不可攀的奢侈品了。目前大量使用的是基于网络图像传输的高清系统。前端网络化的监控系统早在2003年就开始进入监控市场,在标清时代小试牛刀。在国内平安城市项目的推进下得到了一些应用。但传输不稳定、断线、死机、传输延迟,对现场安装工程师要求高,维护工作量巨大……较难撼动传统同轴电缆图像传输方式的应用,普通模拟摄像机、后端板卡加嵌入式DVR的应用仍占绝对主导。

  目前大量使用的高清产品都是基于网络传输技术的,直接传输方式在高清时代几乎绝迹,但关于对网络传输是否适合监控图像传输的争论从来就不绝于耳。依然采用基于TCP/IP协议的网络模式,但数据量更大,这样的系统要解决传输延时、网络堵塞、支持和维护量大的死结几乎不可能。因为网络传输协议是为文件系统发送而发展起来的,数据量小,实时性要求不高,但对终端设备(计算机)要求高,传输过程中又附加很多条件,从而造成了目前网络摄像机应用的实际情况。高清图像信号的传输问题卡住了直接传输高清应用的脖子。

  图像监控系统要求把现场的图像信号传送到后端的控制系统,传输距离涵盖了几十米到几公里,以几百米的传输距离为最多,传输技术的很多特性都是和数据频率相关的,因为在信号线上传送电信号,会和信号的频率相关,频率越高,衰减越快,传输距离就越短;而信号所携带的信息又和频率相关,信息量越大,所需要的频带越宽,而且传输的成本也就越贵,因此寻找一种与实际应用相符,技术能满足,成本尽量低的传输模式对于监控的应用尤为关键。以下就高速数据通讯技术的应用来看未来高清监控的发展方向。

  模拟信号传输方式

  目前标清视频信号绝大多数依然采用模拟信号传输方式,带宽为6M,应用75-5的同轴电缆传输100米,在牺牲一些高频细节的情况下,可以传输200-300米,甚至更远。由于这样的性能,从监控应用伊始,这种传输模式就一直就没有改变过。但是到了高清时代,由于传输的高清信号带宽的扩大,1080P需要27M的带宽,用传统的75-5同轴电缆传输,几米就衰减下去了,根本无法在监控项目中使用,而高清网络摄像机的传输方式和标清的相比没啥变化,所以当高清时代来临时,就成了网络摄像机的独角戏,直接传输模式很少有应用。

  数字传输模式

  既然高清模拟传输方式无法在监控实际应用中使用,唯一的方法就只有数字传输了。在讨论数字高清传输技术以前先分析高清信号的数字特性,30帧/秒1080P图像信号的带宽是:1920×1080×16×30=995.328M;30帧720P图像信号的带宽是:1280×720×16×30=442.368M,也就是说加上一些消隐数据,30帧/秒1080P的图像不超过1G,720P的不超过500M,在数据通讯技术领域,实现这么大数据流量的传输方法很多,常用的介质有同轴电缆,双绞线和光纤。
 

    同轴电缆传输技术

  同轴电缆传输技术在标清时代广泛应用于标清模拟视频信号的传输,与标清模拟视频信号相对应的数字视频信号标准是SD-SDI接口(270Mb/s),这种接口由于成本和性能的原因,在监控上很少应用。高清数字信号的标准是HD-SDI(1.485Gb/s),在应用加解扰技术,发端预加重技术,收端均衡技术的前提下,可以把传输距离延伸到100米。

  加解扰技术是用扰码的不归零倒置(NRZI)来代替早期的分组编码。在传送前,对原始数据流进行扰频,并变换为NRZI码确保在接收端可靠地恢复原始数据。这样在概念上可以将数字串行接口理解为一种基带信号调制。NRZI码是极性敏感码。用“1”和“0”表示电平的高和低,如果出现长时间的连续“1”或连续“0”,会影响接收端从数字信号中提取时钟。因为串行数字信号接口不单独传送时钟信号,接收端需从数字信号流中提取时钟信号,所以要采用以“1”和“0”来表示有无电平变换的NRZI码。接收NRZI码流时,只要检出电平变换,就可恢复数据,即使全是“1”信号,导致的信号频率也只是原来时钟频率的一半,再经过加扰,连续“1”的机会减少,也就使高频分量进一步减少了。在数据流的接收端,由SDI解码器从NRZI码流恢复原数据流。

  预加重技术就是在发端把信号放大,均衡技术可以理解为频率补偿,通常是使用滤波器来实现的,通过滤波器来补偿失真的脉冲,判决器得到的解调输出样本,是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益,因而能适应信道的随机变化,使均衡器总是保持最佳的状态,从而有更好的失真补偿性能。自适应均衡器一般包含两种工作模式,即训练模式和跟踪模式。

  训练模式首先由发射机发射一个己知的定长的训练序列,以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的训练序列是一个二进制随机信号或是一串预先指定的数据位,而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。接收机处的均衡器将通过递归算法来评估信道特性,并且修正滤波器系数以对信道做出补偿。在设计训练序列时,要求做到即使在最差的信道条件下,均衡器也能通过这个训练序列获得正确的滤波系数。这样就可以在收到训练序列后,使得均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。而在接收数据时,均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道,自适应均衡器将不断改变其滤波特性来保障数据传输的稳定性。

  但通过预加重和均衡技术来延长SDI的信号传输距离在实际应用中还是存在许多问题,线缆的特性对传输距离影响很大,再加上同轴电缆传输是一个单端传输系统无法抑制共模干扰。模拟监控中工程现场如果线路不好就会带来干扰,这些都会严重影响SDI信号的传输距离,则不难理解目前对于HD-SDI传输距离为何莫衷一是。理论传输距离和实际差异太大,而且最纠结的是如果HD-SDI信号超过它的传输距离,收端就无法解出任何信号来,这一点比传统的标清模拟传输系统的性能差远了。所以HD-SDI传输技术要大面积应用于监控系统还是有很多问题和困难的。
 

    双绞线传输技术

  双绞线传输技术应用于图像传输,在标清模拟监控系统传输中就有应用,而且是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线能有效地抑制共模干扰,即使在强干扰环境下,双绞线也能传送极好的图像信号。例如楼宇的电梯、设备房等处都会存在很强的干扰,处于闹市区的建筑物也会受到来自周围环境的各种干扰,双绞线的强抗干扰能力比同轴电缆既有更大的优势。

  但是双绞线的线路衰减,尤其高频衰减比同轴电缆要大很多,一般说来双绞线传输300米的衰减相当于同轴电缆1000米的衰减,双绞线传输的模拟标清视频信号和同轴电缆传输的信号都是一样的,虽然它的抗干扰能力要强于同轴电缆,但由于高频衰减的原因使其应用受到了很大的限制。在标清模拟视频系统中,同轴电缆传输占据了大多数的市场。

  然而数字传输也有它的特点,双绞线可以采用分路传输模式,即在发端将信号分成多路传输,到终端再合成,比如说常用的超5类网线就有4对双绞线,可以把一路信号分成四路,线上频率也就变为了原来的四分之一,从而抵消了高频衰减的影响,再加上双绞线采用差分信号传输技术,抗干扰能力强,所以在数字传输应用领域内独占鳌头,最典型的应用就是网络信号的传输,从实践的角度证明了在数据传输领域里,双绞线传输模式是优于同轴电缆的。

  但一种通讯技术在某个领域的应用要成功,必须有相应的硬件和标准做支持。简单的说就是要有一个标准的硬件接口和数据通讯协议,只有这样,才能实现设备的互联互通,目前双绞线高速数据传输的硬件标准也很多,其中也不乏成本低,性能好的接口,在不久的将来,我们应该能够看到在监控应用中大量使用。

  光纤传输技术

  无论是同轴电缆,还是双绞线都是基于铜缆传输技术的,由于高频衰减的原因,在高清应用所需要的1G的数据带宽下,传输距离就在100米左右,虽然可以用线路中继的方法提高传输距离,但会增加成本和牺牲图像效果,有一定的局限性。要彻底解决这一难题,必须依靠光传输,这几年随着通讯行业的光进铜退政策的实施,光纤的应用越来越贴近实际使用,光纤传输技术已普遍应用于监控。
 

    光纤以前主要用于标清视频信号室外的远距离传输。光纤传输,即以光线为介质进行传输,使用光脉冲沿光线路传输信息,以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。在系统的一端是发射机,是信息到光纤线路的起始点。发射机接收到的已编码电子脉冲信息来自于铜线电缆,然后将信息处理并转换成等效的编码光脉冲。使用发光二极管或注入式激光器产生光脉冲,同时采用透镜,将光脉冲集中到光纤介质,使光脉冲沿线路在光纤介质中传输。由内部全反射原理可知,光脉冲很容易眼光纤线路运动,光纤内部全反射原理说明了当入射角超过临界值时,光就不能从玻璃中溢出;相反,光纤会反射回玻璃内。应用这一原理制作光纤的多芯电缆,使得与光脉冲形式沿光线路传输信息成为可能。光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点,所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟的优势。

  传输介质是决定传输损耗的重要因素,决定了传输信号所需中继的距离,光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点,目前常用光纤的频带有1.25G和2.5G,完全可以传输一路1080P的高清图像,在传输语音、控制信号或接点信号方面更为优势,光纤传输中的载波是光波,光波是频率极高的电磁波,远远比电波通讯中所使用的频率高,所以不受干扰。且光纤采用的玻璃材质,不导电,不会因断路、雷击等原因产生火花,因此安全性强,在易燃,易爆等场合特别适用。传统的铠装光纤和熔接技术,由于其电工特性不太适应监控工程的需求,所以在多数短距离室内工程中很少使用,但随着这几年光纤到户的发展,室内光纤技术和冷接技术的发展将极大带动光纤在监控领域中的应用,因为室内光纤的电工特性,无论从抗拉性还是弯曲性都与同轴电缆差不多,再者冷接技术的发展代替了熔接,使在工程现场做光纤的连接变得不再麻烦,而且光纤的成本远低于铜缆,因而我们可以预见,在未来的监控应用中,尤其是高清直接传输将率先进入光时代,给使用者带来全新的震撼的体验。

  标准是应用于市场的最大障碍

  通过以上的分析,大家不难看出,其实从技术的基础来看,高清直接传输技术还是成熟的,可以实际应用的,但为何迟迟未能应用于市场?标准是最大的障碍,目前只有广电领域的HD-SDI标准,同轴电缆和光纤都支持这个标准,也有相应的芯片支持,但通过上面的分析,在三种传输方式中,同轴电缆传输是最差的,传输距离,抗干扰性,电工特性都明显低于双绞线和光纤传输技术,光纤虽然性能最佳,但短距离传输成本过高,也制约了光纤技术的应用,而且还有个重要的问题,HD-SDI接口的频率高达1.48G,内部转接非常困难,但高速球,红外机又必须进行内部转接,局限性很大,所以目前应用较少也就不难理解了。

  双绞线传输目前有一些物理层传输技术可以支持,而且可以支持双向传输,还可以利用物理层交换设备进行数据交换,还能用光传输和交换设备进行远距离传输和交换,技术的成熟性和可靠性又是可以保障的,目前最大的问题是苦于没有标准,即可以满足物理层传输和交换的图像数据通讯协议标准,这个标准还要满足目前通用的串行视频和并行视频标准,以适应未来的接口互转和设备接入,才能达到真正的大规模的实际应用。

  结语

  由以上的分析,不难看出,由于传输技术的限制,使得高清的应用受到了很大的限制,目前依然是浮云,技术的发展需要寻找一种有效的传输模式,能将原始的非压缩视频信号传输到终端,后端用视频板卡或者嵌入式DVR进行压缩处理一样,效果、成本、稳定性,施工的便利性都与标清的同轴电缆模拟视频传输系统一样,也只有这样,高清才能拨开浮云,得到大量的实际的应用。

 

 

 

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