監控圖象傳輸方式

監控圖象傳輸方式

1 概述 在監控系統中，監控圖象的傳輸是整個系統的一個至關重要的環節，選擇何種介質和設備傳送圖象和其它控制信號將直接關係到監控系統的質量和可靠性。目前，在監控系統中用來傳輸圖象信號的介質主要有同軸電纜、雙絞線和光纖，對應的傳輸設備分別是同軸視頻放大器、雙絞線視頻傳輸設備和光端機。要組建一個高質量的監控網路，就必須搞清楚這三種主要傳輸方式的特點和使用環境，以便針對實際工程需要採取合適的傳輸介質和設備。 2 同軸電纜和同軸視頻放大器 一提起圖象傳輸，人們首先總會想起同軸電纜，因為同軸電纜是較早使用，也是使用時間最長的傳輸方式。同時，同軸電纜具有價格較便宜、鋪設較方便的優點，所以，一般在小範圍的監控系統中，由於傳輸距離很近，使用同軸電纜直接傳送監控圖象對圖象質量的損傷不大，能滿足實際要求。 但是，根據對同軸電纜自身特性的分析，當信號在同軸電纜內傳輸時其受到的衰減與傳輸距離和信號本身的頻率有關。一般來講，信號頻率越高，衰減越大。視頻信號的頻寬很大，達到6MHz，並且，圖象的色彩部分被調製在頻率高端，這樣，視頻信號在同軸電纜內傳輸時不僅信號整體幅度受到衰減，而且各頻率分量衰減量相差很大，特別是色彩部分衰減最大。 所以，同軸電纜只適合於近距離傳輸圖象信號，當傳輸距離達到200米左右時，圖象質量將會明顯下降，特別是色彩變得暗淡，有失真感。 在工程實際中，為了延長傳輸距離，要使用同軸放大器。同軸放大器對視頻信號具有一定的放大，並且還能通過均衡調整對不同頻率成分分別進行不同大小的補償，以使接收端輸出的視頻信號失真儘量小。但是，同軸放大器並不能無限制級聯，一般在一個點到點系統中同軸放大器最多只能級聯2到3個，否則無法保證視頻傳輸質量，並且調整起來也很困難。因此，在監控系統中使用同軸電纜時，為了保證有較好的圖象質量，一般將傳輸距離範圍限制在四、五百米左右。

同軸電纜在監控系統中傳輸圖象信號存在的一些缺點及雙絞線進行傳輸的優勢、光纖傳輸方式

1）、同軸電纜本身受氣候變化影響大，圖象質量受到一定影響； 2）、同軸電纜較粗，在密集監控套用時布線不太方便； 3）、同軸電纜一般只能傳視頻信號，如果系統中需要同時傳輸控制數據、音頻等信號時，則需要另外布線； 4）、同軸電纜抗干擾能力有限，無法套用於強幹擾環境； 5）、同軸放大器還存在著調整困難的缺點。 3 雙絞線和雙絞線視頻傳輸設備 由於傳統的同軸電纜監控系統存在著一些缺點，特別是傳輸距離受到限制，所以尋求一種經濟、傳輸質量高、傳輸距離遠的解決方案十分必要。早期，在傳輸距離超過五、六百米的監控系統中一般使用多模光纖和多模光端機，這雖然解決了遠距離傳輸的問題，但是系統造價增加了很多，並且，光纖的施工複雜，需要專業人員和專用設備。所以，對這種距離不是太遠的監控系統而言，使用光纖和光端機還是顯得不夠經濟。 最近，出現了一種雙絞線視頻傳輸設備，通過使用此種設備，可以將雙絞線套用於監控圖象傳輸，它很好地解決了上面的難題，在今後的監控系統中必將被大量使用。 其實，雙絞線的使用由來已久，電話傳輸使用的就是雙絞線，在很多工業控制系統中和干擾較大的場所以及遠距離傳輸中都使用了雙絞線，我們今天廣泛使用的區域網路也是使用雙絞線對。雙絞線之所以使用如此廣泛，是因為它具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線容易、價格低廉等許多優點。由於雙絞線對信號也存在著較大的衰減，所以傳輸距離遠時，信號的頻率不能太高，而高速信號比如乙太網則只能限制在100m以內。對於視頻信號而言，頻寬達到6MHz，如果直接在雙絞線內傳輸，也會衰減很大，在傳輸距離為150m左右時視頻信號的衰減曲線如下圖所示。 因此，視頻信號在雙絞線上要實現遠距離傳輸，必須進行放大和補償，雙絞線視頻傳輸設備就是完成這種功能。加上一對雙絞線視頻收發設備後，可以將圖象傳輸到1至2km，如果採用中繼方式，還可以成倍增加傳輸距離，而且，傳輸圖象的質量可以與光端機媲美。雙絞線和雙絞線視頻傳輸設備價格都很便宜，不但沒有增加系統造價，反而在距離增加時其造價與同軸電纜相比下降了許多。所以，監控系統中用雙絞線進行傳輸具有明顯的優勢： 1） 傳輸距離遠、傳輸質量高。由於在雙絞線收發器中採用了先進的處理技術，極好地補償了雙絞線對視頻信號幅度的衰減以及不同頻率間的衰減差，保持了原始圖象的亮度和色彩以及實時性，在傳輸距離達到1km或更遠時，圖象信號基本無失真。如果採用中繼方式，傳輸距離會更遠。 2） 布線方便、線纜利用率高。一對普通電話線就可以用來傳送視頻信號。另外，樓宇大廈內廣泛鋪設的5類非禁止雙絞線中任取一對就可以傳送一路視頻信號，無須另外布線，即使是重新布線，5類纜也比同軸纜容易。此外，一根5類纜內有4對雙絞線，如果使用一對線傳送視頻信號，另外的幾對線還可以用來傳輸音頻信號、控制信號、供電電源或其它信號，提高了線纜利用率，同時避免了各種信號單獨布線帶來的麻煩，減少了工程造價。 3） 抗干擾能力強。雙絞線能有效抑制共模干擾，即使在強幹擾環境下，雙絞線也能傳送極好的圖象信號。而且，使用一根纜內的幾對雙絞線分別傳送不同的信號，相互之間不會發生干擾。 4） 可靠性高、使用方便。利用雙絞線傳輸視頻信號，在前端要接入專用發射機，在控制中心要接入專用接收機。這種雙絞線傳輸設備價格便宜，使用起來也很簡單，無需專業知識，也無太多的*作，一次安裝，長期穩定工作。 5） 價格便宜，取材方便。由於使用的是目前廣泛使用的普通5類非禁止電纜或普通電話線，購買容易，而且價格也很便宜，給工程套用帶來極大的方便。 4 光纖和光端機 光纖和光端機套用在監控領域裡主要是為了解決兩個問題：一是傳輸距離，一是環境干擾。雙絞線和同軸電纜只能解決短距離、小範圍內的監控圖象傳輸問題，如果需要傳輸數公里甚至上百公里距離的圖象信號則需要採用光纖傳輸方式。另外，對一些超強幹擾場所，為了不受環境干擾影響，也要採用光纖傳輸方式。因為光纖具有傳輸頻寬寬、容量大、不受電磁干擾、受外界環境影響小等諸多優點，一根光纖就可以傳送監控系統中需要的所有信號，傳輸距離可以達到上百公里。光端機可以提供一路和多路圖象接口，還可以提供雙向音頻接口、一路和多路各種類型的雙向數據接口（包括RS232、RS485、乙太網等），將它們集成到一根光纖上傳輸。光端機為監控系統提供了靈活的傳輸和組網方式，信號質量好、穩定性高。近些年來，由於光纖通信技術的飛速發展，光纖和光器件的價格下降很快，使得光纖監控系統的造價大幅降低，所以光纖和光端機在監控系統中的套用越來越普及。 光纖分為多模光纖和單模光纖兩種。多模光纖由於色散和衰耗較大，其最大傳輸距離一般不能超過5Km，所以，除了先前已經鋪好了多模光纖的地方外，在新建的工程中一般不再使用多模光纖，而主要使用單模光纖。 光纖中傳輸監控信號要使用光端機，它的作用主要就是實現電-光和光-電轉換。光端機又分為模擬光端機和數字光端機： 1） 模擬光端機 模擬光端機採用了PFM調製技術實時傳輸圖象信號，是目前使用較多的一種。發射端將模擬視頻信號先進行PFM調製後，再進行電-光轉換，光信號傳到接收端後，進行光-電轉換，然後進行PFM解調，恢復出視頻信號。由於採用了PFM調製技術，其傳輸距離很容易就能達到30 Km左右，有些產品的傳輸距離可以達到60 Km，甚至上百公里。並且，圖象信號經過傳輸後失真很小，具有很高的信噪比和很小的非線性失真。通過使用波分復用技術，還可以在一根光纖上實現圖象和數據信號的雙向傳輸，滿足監控工程的實際需求。不過，這種模擬光端機也存在一些缺點： a）生產調試較困難； b）單根光纖實現多路圖象傳輸較困難，性能會下降，目前這種模擬光端機一般只能做到單根光纖上傳輸4路圖象； c）由於採用的是模擬調製解調技術，其穩定性不夠高，隨著使用時間的增加或環境特性的變化，光端機的性能也會發生變化，給工程使用帶來一些不便。 2） 數字光端機 由於數位技術與傳統的模擬技術相比在很多方面都具有明顯的優勢，所以正如數位技術在許多領域取代了模擬技術一樣，光端機的數位化也是一種必然趨勢。目前，數字圖象光端機主要有兩種技術方式：一種是MPEG II圖象壓縮數字光端機，另一種是非壓縮數字圖象光端機。圖象壓縮數字光端機一般採用MPEG II圖象壓縮技術，它能將活動圖象壓縮成N×2Mbps的數據流通過標準電信通信接口傳輸或者直接通過光纖傳輸。由於採用了圖象壓縮技術，它能大大降低信號傳輸頻寬，以利於占用較少的資源就能傳送圖象信號。同時，由於採用了N×2Mbps的標準接口，可以利用現有的電信傳輸設備的富裕通道傳輸監控圖象，為工程套用帶來了方便。不過，圖象壓縮數字光端機也有其固有的缺點。其致命的弱點就是不能保證圖象傳輸的實時性。因為圖象壓縮與解壓縮需要一定的時間，所以一般會對所傳輸的圖象產生１~２Ｓ的延時。因此，這種設備只適合於用在對實時性要求不高的場所，在工程使用上受到一些限制。另外，經過壓縮後圖象會產生一定的失真，並且這種光端機的價格也偏高。 非壓縮數字圖象光端機的原理就是將模擬視頻信號進行Ａ／Ｄ變換後和語音、音頻、數據等信號進行復接，再通過光纖傳輸。它用高的數據速率來保證視頻信號的傳輸質量和實時性，由於光纖的頻寬非常大，所以這種高數據速率也並沒有對傳輸通道提出過高要求。非壓縮數字圖象光端機能提供很好的圖象傳輸質量（如武漢微創光電技術有限公司的非壓縮數字光端機信噪比大於60dB，微分相位失真小於2°，微分增益失真小於2%），達到了廣播級的傳輸質量，並且圖象傳輸是全實時的。由於採用數位化技術，在設備中可以利用已經很成熟的通信技術比如復接技術、光收發技術等，提高了設備的可靠性，也降低了成本。非壓縮數字圖象光端機的優勢體現在： a）採用了數位化技術，極大提高了圖象傳輸質量； b）數位化技術和大規模積體電路的使用，保證了設備工作的穩定性和可靠性，克服了模擬光端機的弊病； c）不會產生傳輸延時，保證了監控圖象的實時性； d）可以方便地將多路圖象和音頻、數據等多種信號集成在一起通過一根光纖傳輸，目前，這種非壓縮數字圖象光端機可以做到在單方向傳輸幾十路、甚至上百路圖象 數字圖象光端機的技術含量高，其在監控工程中的使用時間還不長，目前大都用在多路圖象傳輸方面，主要原因在於目前能夠提供這種光端機的廠家還不多，價格相對模擬光端機而言也稍微偏高。不過，由於數字圖象光端機特別是非壓縮數字圖象光端機的突出優勢，再加上大量使用後會降低成本，模擬光端機必將很快被數字圖象光端機所取代。 5 結束語 傳送圖象監控信號除了以上介紹的三種主要方式外，也有些工程中採用了點到點無線傳輸方式以及有線電視上採用的多路副載波復用射頻傳輸方式。無線傳輸受環境和氣候影響太大，工作不穩定，而且設備安裝調整困難；多路副載波復用射頻傳輸方式需要的設備多，穩定性不高，圖象質量較差，設備安裝調整也很困難。所以，這兩種設備使用得很少，也不推薦用戶使用。對於同軸電纜、雙絞線和光纖三種傳輸方式，用戶可以根據工程實際情況選用。一般來說，距離在二、三百米以內，並且無環境干擾、布線空間大的場所，可以考慮使用電纜；當傳輸距離在兩公里以內，或者環境干擾大、布線要求緊湊的場所，建議使用雙絞線；距離達到幾公里或更遠時，光纖就是必然選擇了。當然，工程實際中，不少用戶不管距離遠近，在同一個工程中統統使用光纖，或者在距離較近的工程中統統使用雙絞線，這完全由工程的實際需要確定。 電話線方式： 在PSTN網上,利用用戶現有的電話線進行多媒體(尤其是視頻信號)傳輸可以採用幾種不同的方式： 第一是採用MODEM接入，採用低數據速率的H.263會議電視視頻壓縮標準，將幾十K的數據流通過28.8Kbps的V.34 MODEM接入PSTN網，傳輸CIF、QCIF每秒5～15幀的圖像。目前33.5Kbps至56Kbps的Modem已很普及，這種傳輸方式有利於低速率的視頻傳輸，幀率也可以進一步提高； 第二是採用XSDL接入，主要包括ASDL(下行速率1.5～9Mbps，上行速率16～640Kbps，傳輸距離5.5KM)，主要用於視頻點播和視頻廣播；HSDL使用一對兩對雙絞線，雙向速率為1.5～2Mbps，傳輸距離約為5KM，可作電視會議或雙向視頻控制。 DDN方式： DDN是利用數字通道提供半永久性連線電路，以傳輸數據信號為主的數字傳輸網路。它主要提供中、高速率，高質量點到點和點到多點的數字專用鏈路，以便向用戶提供租用電路業務。其線路的通信速率為2.4～19.2Kbps，N×64Kbps(N=1～32)。它也可提供VPN業務。我國郵電部門已在全國範圍內建成並開放了DDN業務，通信頻寬為64K～2.048M(E1)，如果用戶沒有自備的遠程數據通信網，可以向當地郵電部門申請DDN業務。採用該方式時，用戶可以根據自己的要求申請頻寬，視頻終端可採用G.703或V.35口將多媒體業務接入DDN網。 ISDN方式： ISDN的信道類型分為信息信道與控制信道，信息信道又包括B信道與H信道，控制信道為D信道。B信道頻寬為64Kbps用於傳送各種話音、數據或位流圖像；H信道頻寬為384Kbps或1536Kbps或1920Kbps，用於傳輸高速率數據或高位流圖像；D信道頻寬為16Kbps，用於傳遞控制信號以控制B信道(H信道)的呼叫，有時D信道也可用於傳輸低速數據。ISDN用戶/網路接口有兩種結構：基本速率接口(BRI)和基群速率接口(PRI)，基本速率接口是將現有電話網中的普通用戶線作為ISDN的用戶線而規定的接口，它由2個B和一個D信道組成，成為2B D口，傳輸速率為144Kbps；PRI接口則是由30個B信道和一個D信道組成成為30B D口，傳輸速率為2Mbps相當於一個E1口。

在ISDN的BRI中傳輸聲像信號時，有三種方案可供選擇

一是將圖像與聲音集中在一條B信道(64Kbps)中傳輸，如圖像用48Kbps，聲音用16Kbps；二是使用兩個B信道，一條傳輸圖像(64Kbps)，另一條傳輸聲音(64Kbps)；三是將兩條B信道混合起來作為一條128Kbps的線路使用，圖像用112Kbps，聲音用16Kbps。ISDN的接口可以通過專用的ISDN通信卡將視頻多媒體監控終端接入。 光纖信道： 光纖信道傳輸質量高，信道穩定是人所共知的優點。光通信端機包括PCM基群復接設備、二次群、三次群、四次群等跳群復接設備。其中PCM基群復接設備向用戶提供符合G.703標準的64Kbps接口，可以將低速率的視頻數據直接送入PCM終端進行傳輸。而復接設備直接向用戶提供符合G.703標準的E1接口，其速率為2.048Mbps的傳輸信道頻寬，經G.703/V.35 E1通信卡將視頻監控終端接入光纖線路。 無線傳輸： 無線傳輸主要是指數傳電台和無線擴頻傳輸，在目前大多數企業單位都有自己的無線專網，無線專網可以支持多點遠端接入，它們一般可以提供64K～42Mbps的信道頻寬。同時，這些無線專網在建設規劃時，大都已預留出用作傳輸視頻圖像的頻寬，只要將視頻終端以IP方式接入並與原來的數據、話音業務作無縫連線，即可實現多媒體通信。 VSAT衛星線路： 衛星傳輸系統覆蓋地域廣，施工量少，是其它傳輸系統無法替代的，特別是對移動的VSAT站，具有機動性，是軍隊國防部門通信的重要手段，衛星甚小口徑地面站也是偏遠地區的主要通信手段，一般用戶可以向衛星運營公司租用衛星線路，如將64Kbps串列數據轉換為v.35接口建立視頻連線。