傳輸技術(shù)是高清監(jiān)控發(fā)展的關(guān)鍵

　　近幾年隨著圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，低成本的高像素SENSOR越來(lái)越多的應(yīng)用于安防監(jiān)控行業(yè)，高清攝像機(jī)(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網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸?shù)母咔逑到y(tǒng)。前端網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)早在2003年就開(kāi)始進(jìn)入監(jiān)控市場(chǎng)，在標(biāo)清時(shí)代小試牛刀。在國(guó)內(nèi)平安城市項(xiàng)目的推進(jìn)下得到了一些應(yīng)用。但傳輸不穩(wěn)定、斷線、死機(jī)、傳輸延遲，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝工程師要求高，維護(hù)工作量巨大……較難撼動(dòng)傳統(tǒng)同軸電纜圖像傳輸方式的應(yīng)用，普通模擬攝像機(jī)、后端板卡加嵌入式DVR的應(yīng)用仍占絕對(duì)主導(dǎo)。

　　目前大量使用的高清產(chǎn)品都是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的，直接傳輸方式在高清時(shí)代幾乎絕跡，但關(guān)于對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸是否適合監(jiān)控圖像傳輸?shù)臓?zhēng)論從來(lái)就不絕于耳。依然采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模式，但數(shù)據(jù)量更大，這樣的系統(tǒng)要解決傳輸延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)堵塞、支持和維護(hù)量大的死結(jié)幾乎不可能。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議是為文件系統(tǒng)發(fā)送而發(fā)展起來(lái)的，數(shù)據(jù)量小，實(shí)時(shí)性要求不高，但對(duì)終端設(shè)備(計(jì)算機(jī))要求高，傳輸過(guò)程中又附加很多條件，從而造成了目前網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)應(yīng)用的實(shí)際情況。高清圖像信號(hào)的傳輸問(wèn)題卡住了直接傳輸高清應(yīng)用的脖子。

　　圖像監(jiān)控系統(tǒng)要求把現(xiàn)場(chǎng)的圖像信號(hào)傳送到后端的控制系統(tǒng)，傳輸距離涵蓋了幾十米到幾公里，以幾百米的傳輸距離為最多，傳輸技術(shù)的很多特性都是和數(shù)據(jù)頻率相關(guān)的，因?yàn)樵谛盘?hào)線上傳送電信號(hào)，會(huì)和信號(hào)的頻率相關(guān)，頻率越高，衰減越快，傳輸距離就越短;而信號(hào)所攜帶的信息又和頻率相關(guān)，信息量越大，所需要的頻帶越寬，而且傳輸?shù)某杀疽簿驮劫F，因此尋找一種與實(shí)際應(yīng)用相符，技術(shù)能滿足，成本盡量低的傳輸模式對(duì)于監(jiān)控的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。以下就高速數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看未來(lái)高清監(jiān)控的發(fā)展方向。

　　模擬信號(hào)傳輸方式

　　目前標(biāo)清視頻信號(hào)絕大多數(shù)依然采用模擬信號(hào)傳輸方式，帶寬為6M，應(yīng)用75-5的同軸電纜傳輸100米，在犧牲一些高頻細(xì)節(jié)的情況下，可以傳輸200-300米，甚至更遠(yuǎn)。由于這樣的性能，從監(jiān)控應(yīng)用伊始，這種傳輸模式就一直就沒(méi)有改變過(guò)。但是到了高清時(shí)代，由于傳輸?shù)母咔逍盘?hào)帶寬的擴(kuò)大，1080P需要27M的帶寬，用傳統(tǒng)的75-5同軸電纜傳輸，幾米就衰減下去了，根本無(wú)法在監(jiān)控項(xiàng)目中使用，而高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的傳輸方式和標(biāo)清的相比沒(méi)啥變化，所以當(dāng)高清時(shí)代來(lái)臨時(shí)，就成了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的獨(dú)角戲，直接傳輸模式很少有應(yīng)用。

　　數(shù)字傳輸模式

　　既然高清模擬傳輸方式無(wú)法在監(jiān)控實(shí)際應(yīng)用中使用，唯一的方法就只有數(shù)字傳輸了。在討論數(shù)字高清傳輸技術(shù)以前先分析高清信號(hào)的數(shù)字特性，30幀/秒1080P圖像信號(hào)的帶寬是：1920×1080×16×30=995.328M;30幀720P圖像信號(hào)的帶寬是：1280×720×16×30=442.368M，也就是說(shuō)加上一些消隱數(shù)據(jù)，30幀/秒1080P的圖像不超過(guò)1G，720P的不超過(guò)500M，在數(shù)據(jù)通訊技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)這么大數(shù)據(jù)流量的傳輸方法很多，常用的介質(zhì)有同軸電纜，雙絞線和光纖。

　　同軸電纜傳輸技術(shù)

　　同軸電纜傳輸技術(shù)在標(biāo)清時(shí)代廣泛應(yīng)用于標(biāo)清模擬視頻信號(hào)的傳輸，與標(biāo)清模擬視頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是SD-SDI接口(270Mb/s)，這種接口由于成本和性能的原因，在監(jiān)控上很少應(yīng)用。高清數(shù)字信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)是HD-SDI(1.485Gb/s)，在應(yīng)用加解擾技術(shù)，發(fā)端預(yù)加重技術(shù)，收端均衡技術(shù)的前提下，可以把傳輸距離延伸到100米。

　　加解擾技術(shù)是用擾碼的不歸零倒置(NRZI)來(lái)代替早期的分組編碼。在傳送前，對(duì)原始數(shù)據(jù)流進(jìn)行擾頻，并變換為NRZI碼確保在接收端可靠地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這樣在概念上可以將數(shù)字串行接口理解為一種基帶信號(hào)調(diào)制。NRZI碼是極性敏感碼。用“1”和“0”表示電平的高和低，如果出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)“1”或連續(xù)“0”，會(huì)影響接收端從數(shù)字信號(hào)中提取時(shí)鐘。因?yàn)榇袛?shù)字信號(hào)接口不單獨(dú)傳送時(shí)鐘信號(hào)，接收端需從數(shù)字信號(hào)流中提取時(shí)鐘信號(hào)，所以要采用以“1”和“0”來(lái)表示有無(wú)電平變換的NRZI碼。接收NRZI碼流時(shí)，只要檢出電平變換，就可恢復(fù)數(shù)據(jù)，即使全是“1”信號(hào)，導(dǎo)致的信號(hào)頻率也只是原來(lái)時(shí)鐘頻率的一半，再經(jīng)過(guò)加擾，連續(xù)“1”的機(jī)會(huì)減少，也就使高頻分量進(jìn)一步減少了。在數(shù)據(jù)流的接收端，由SDI解碼器從NRZI碼流恢復(fù)原數(shù)據(jù)流。

　　預(yù)加重技術(shù)就是在發(fā)端把信號(hào)放大，均衡技術(shù)可以理解為頻率補(bǔ)償，通常是使用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)濾波器來(lái)補(bǔ)償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過(guò)均衡器修正過(guò)的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應(yīng)均衡器直接從傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)字信號(hào)中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應(yīng)信道的隨機(jī)變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補(bǔ)償性能。自適應(yīng)均衡器一般包含兩種工作模式，即訓(xùn)練模式和跟蹤模式。

　　訓(xùn)練模式首先由發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)己知的定長(zhǎng)的訓(xùn)練序列，以便接收機(jī)處的均衡器可以做出正確的設(shè)置。典型的訓(xùn)練序列是一個(gè)二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)或是一串預(yù)先指定的數(shù)據(jù)位，而緊跟在訓(xùn)練序列后被傳送的是用戶數(shù)據(jù)。接收機(jī)處的均衡器將通過(guò)遞歸算法來(lái)評(píng)估信道特性，并且修正濾波器系數(shù)以對(duì)信道做出補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)訓(xùn)練序列時(shí)，要求做到即使在最差的信道條件下，均衡器也能通過(guò)這個(gè)訓(xùn)練序列獲得正確的濾波系數(shù)。這樣就可以在收到訓(xùn)練序列后，使得均衡器的濾波系數(shù)已經(jīng)接近于最佳值。而在接收數(shù)據(jù)時(shí)，均衡器的自適應(yīng)算法就可以跟蹤不斷變化的信道，自適應(yīng)均衡器將不斷改變其濾波特性來(lái)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

　　但通過(guò)預(yù)加重和均衡技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)SDI的信號(hào)傳輸距離在實(shí)際應(yīng)用中還是存在許多問(wèn)題，線纜的特性對(duì)傳輸距離影響很大，再加上同軸電纜傳輸是一個(gè)單端傳輸系統(tǒng)無(wú)法抑制共模干擾。模擬監(jiān)控中工程現(xiàn)場(chǎng)如果線路不好就會(huì)帶來(lái)干擾，這些都會(huì)嚴(yán)重影響SDI信號(hào)的傳輸距離，則不難理解目前對(duì)于HD-SDI傳輸距離為何莫衷一是。理論傳輸距離和實(shí)際差異太大，而且最糾結(jié)的是如果HD-SDI信號(hào)超過(guò)它的傳輸距離，收端就無(wú)法解出任何信號(hào)來(lái)，這一點(diǎn)比傳統(tǒng)的標(biāo)清模擬傳輸系統(tǒng)的性能差遠(yuǎn)了。所以HD-SDI傳輸技術(shù)要大面積應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)還是有很多問(wèn)題和困難的。[nextpage]

　　雙絞線傳輸技術(shù)

　　雙絞線傳輸技術(shù)應(yīng)用于圖像傳輸，在標(biāo)清模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中就有應(yīng)用，而且是綜合布線工程中最常用的一種傳輸介質(zhì)。雙絞線由兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線組成。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起,可降低信號(hào)干擾的程度，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會(huì)被另一根線上發(fā)出的電波抵消。雙絞線能有效地抑制共模干擾，即使在強(qiáng)干擾環(huán)境下，雙絞線也能傳送極好的圖像信號(hào)。例如樓宇的電梯、設(shè)備房等處都會(huì)存在很強(qiáng)的干擾，處于鬧市區(qū)的建筑物也會(huì)受到來(lái)自周圍環(huán)境的各種干擾，雙絞線的強(qiáng)抗干擾能力比同軸電纜既有更大的優(yōu)勢(shì)。

　　但是雙絞線的線路衰減，尤其高頻衰減比同軸電纜要大很多，一般說(shuō)來(lái)雙絞線傳輸300米的衰減相當(dāng)于同軸電纜1000米的衰減，雙絞線傳輸?shù)哪M標(biāo)清視頻信號(hào)和同軸電纜傳輸?shù)男盘?hào)都是一樣的，雖然它的抗干擾能力要強(qiáng)于同軸電纜，但由于高頻衰減的原因使其應(yīng)用受到了很大的限制。在標(biāo)清模擬視頻系統(tǒng)中，同軸電纜傳輸占據(jù)了大多數(shù)的市場(chǎng)。

　　然而數(shù)字傳輸也有它的特點(diǎn)，雙絞線可以采用分路傳輸模式，即在發(fā)端將信號(hào)分成多路傳輸，到終端再合成，比如說(shuō)常用的超5類網(wǎng)線就有4對(duì)雙絞線，可以把一路信號(hào)分成四路，線上頻率也就變?yōu)榱嗽瓉?lái)的四分之一，從而抵消了高頻衰減的影響，再加上雙絞線采用差分信號(hào)傳輸技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，所以在數(shù)字傳輸應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)占鰲頭，最典型的應(yīng)用就是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸，從實(shí)踐的角度證明了在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域里，雙絞線傳輸模式是優(yōu)于同軸電纜的。

　　但一種通訊技術(shù)在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用要成功，必須有相應(yīng)的硬件和標(biāo)準(zhǔn)做支持。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通，目前雙絞線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布?biāo)準(zhǔn)也很多，其中也不乏成本低，性能好的接口，在不久的將來(lái)，我們應(yīng)該能夠看到在監(jiān)控應(yīng)用中大量使用。

　　光纖傳輸技術(shù)

　　無(wú)論是同軸電纜，還是雙絞線都是基于銅纜傳輸技術(shù)的，由于高頻衰減的原因，在高清應(yīng)用所需要的1G的數(shù)據(jù)帶寬下，傳輸距離就在100米左右，雖然可以用線路中繼的方法提高傳輸距離，但會(huì)增加成本和犧牲圖像效果，有一定的局限性。要徹底解決這一難題，必須依靠光傳輸，這幾年隨著通訊行業(yè)的光進(jìn)銅退政策的實(shí)施，光纖的應(yīng)用越來(lái)越貼近實(shí)際使用，光纖傳輸技術(shù)已普遍應(yīng)用于監(jiān)控。

　　光纖以前主要用于標(biāo)清視頻信號(hào)室外的遠(yuǎn)距離傳輸。光纖傳輸，即以光線為介質(zhì)進(jìn)行傳輸，使用光脈沖沿光線路傳輸信息，以替代使用電脈沖沿電纜傳輸信息。在系統(tǒng)的一端是發(fā)射機(jī)，是信息到光纖線路的起始點(diǎn)。發(fā)射機(jī)接收到的已編碼電子脈沖信息來(lái)自于銅線電纜，然后將信息處理并轉(zhuǎn)換成等效的編碼光脈沖。使用發(fā)光二極管或注入式激光器產(chǎn)生光脈沖，同時(shí)采用透鏡，將光脈沖集中到光纖介質(zhì)，使光脈沖沿線路在光纖介質(zhì)中傳輸。由內(nèi)部全反射原理可知，光脈沖很容易眼光纖線路運(yùn)動(dòng)，光纖內(nèi)部全反射原理說(shuō)明了當(dāng)入射角超過(guò)臨界值時(shí)，光就不能從玻璃中溢出;相反，光纖會(huì)反射回玻璃內(nèi)。應(yīng)用這一原理制作光纖的多芯電纜，使得與光脈沖形式沿光線路傳輸信息成為可能。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強(qiáng)、安全性能高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以在長(zhǎng)距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　傳輸介質(zhì)是決定傳輸損耗的重要因素，決定了傳輸信號(hào)所需中繼的距離，光纖作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點(diǎn)，目前常用光纖的頻帶有1.25G和2.5G，完全可以傳輸一路1080P的高清圖像，在傳輸語(yǔ)音、控制信號(hào)或接點(diǎn)信號(hào)方面更為優(yōu)勢(shì)，光纖傳輸中的載波是光波，光波是頻率極高的電磁波，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比電波通訊中所使用的頻率高，所以不受干擾。且光纖采用的玻璃材質(zhì)，不導(dǎo)電，不會(huì)因斷路、雷擊等原因產(chǎn)生火花，因此安全性強(qiáng)，在易燃，易爆等場(chǎng)合特別適用。傳統(tǒng)的鎧裝光纖和熔接技術(shù)，由于其電工特性不太適應(yīng)監(jiān)控工程的需求，所以在多數(shù)短距離室內(nèi)工程中很少使用，但隨著這幾年光纖到戶的發(fā)展，室內(nèi)光纖技術(shù)和冷接技術(shù)的發(fā)展將極大帶動(dòng)光纖在監(jiān)控領(lǐng)域中的應(yīng)用，因?yàn)槭覂?nèi)光纖的電工特性，無(wú)論從抗拉性還是彎曲性都與同軸電纜差不多，再者冷接技術(shù)的發(fā)展代替了熔接，使在工程現(xiàn)場(chǎng)做光纖的連接變得不再麻煩，而且光纖的成本遠(yuǎn)低于銅纜，因而我們可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)的監(jiān)控應(yīng)用中，尤其是高清直接傳輸將率先進(jìn)入光時(shí)代，給使用者帶來(lái)全新的震撼的體驗(yàn)。

　　標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用于市場(chǎng)的最大障礙

　　通過(guò)以上的分析，大家不難看出，其實(shí)從技術(shù)的基礎(chǔ)來(lái)看，高清直接傳輸技術(shù)還是成熟的，可以實(shí)際應(yīng)用的，但為何遲遲未能應(yīng)用于市場(chǎng)?標(biāo)準(zhǔn)是最大的障礙，目前只有廣電領(lǐng)域的HD-SDI標(biāo)準(zhǔn)，同軸電纜和光纖都支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也有相應(yīng)的芯片支持，但通過(guò)上面的分析，在三種傳輸方式中，同軸電纜傳輸是最差的，傳輸距離，抗干擾性，電工特性都明顯低于雙絞線和光纖傳輸技術(shù)，光纖雖然性能最佳，但短距離傳輸成本過(guò)高，也制約了光纖技術(shù)的應(yīng)用，而且還有個(gè)重要的問(wèn)題，HD-SDI接口的頻率高達(dá)1.48G,內(nèi)部轉(zhuǎn)接非常困難，但高速球，紅外機(jī)又必須進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)接，局限性很大，所以目前應(yīng)用較少也就不難理解了。

　　雙絞線傳輸目前有一些物理層傳輸技術(shù)可以支持，而且可以支持雙向傳輸，還可以利用物理層交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，還能用光傳輸和交換設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸和交換，技術(shù)的成熟性和可靠性又是可以保障的，目前最大的問(wèn)題是苦于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，即可以滿足物理層傳輸和交換的圖像數(shù)據(jù)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還要滿足目前通用的串行視頻和并行視頻標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)未來(lái)的接口互轉(zhuǎn)和設(shè)備接入，才能達(dá)到真正的大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

　　結(jié)語(yǔ)

　　由以上的分析，不難看出，由于傳輸技術(shù)的限制，使得高清的應(yīng)用受到了很大的限制，目前依然是浮云，技術(shù)的發(fā)展需要尋找一種有效的傳輸模式，能將原始的非壓縮視頻信號(hào)傳輸?shù)浇K端，后端用視頻板卡或者嵌入式DVR進(jìn)行壓縮處理一樣，效果、成本、穩(wěn)定性，施工的便利性都與標(biāo)清的同軸電纜模擬視頻傳輸系統(tǒng)一樣，也只有這樣，高清才能撥開(kāi)浮云，得到大量的實(shí)際的應(yīng)用。