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张新房的博客 - AI+安防

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闭路电视监控系统图像传输方式  

2007-10-06 18:37:50|  分类: 视频监控系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1. 概述

在监控系统中,监控图像的传输是整个系统的一个至关重要的环节,选择何种介质和设备传送图像和其它控制信号将直接关系到监控系统的质量和可靠性。目前,在监控系统中用来传输图像信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤,对应的传输设备分别是同轴视频放大器、双绞线视频传输设备和光端机。要组建一个高质量的监控网络,就必须搞清楚这三种主要传输方式的特点和使用环境,以便针对实际工程需要采取合适的传输介质和设备。

2 同轴电缆和同轴视频放大器

一提起图像传输,人们首先总会想起同轴电缆,因为同轴电缆是较早使用,也是使用时间最长的传输方式。同时,同轴电缆具有价格较便宜、铺设较方便的优点,所以,一般在小范围的监控系统中,由于传输距离很近,使用同轴电缆直接传送监控图像对图像质量的损伤不大,能满足实际要求。

但是,根据对同轴电缆自身特性的分析,当信号在同轴电缆内传输时其受到的衰减与传输距离和信号本身的频率有关。一般来讲,信号频率越高,衰减越大。视频信号的带宽很大,达到6MHz,并且,图像的色彩部分被调制在频率高端,这样,视频信号在同轴电缆内传输时不仅信号整体幅度受到衰减,而且各频率分量衰减量相差很大,特别是色彩部分衰减最大。 

所以,同轴电缆只适合于近距离传输图像信号,当传输距离达到200米左右时,图像质量将会明显下降,特别是色彩变得暗淡,有失真感。

在工程实际中,为了延长传输距离,要使用同轴放大器。同轴放大器对视频信号具有一定的放大,并且还能通过均衡调整对不同频率成分分别进行不同大小的补偿,以使接收端输出的视频信号失真尽量小。但是,同轴放大器并不能无限制级联,一般在一个点到点系统中同轴放大器最多只能级联2到3个,否则无法保证视频传输质量,并且调整起来也很困难。因此,在监控系统中使用同轴电缆时,为了保证有较好的图像质量,一般将传输距离范围限制在四、五百米左右。 

另外,同轴电缆在监控系统中传输图像信号还存在着一些缺点:

  • 同轴电缆本身受气候变化影响大,图像质量受到一定影响;
  • 同轴电缆较粗,在密集监控应用时布线不太方便;
  • 同轴电缆一般只能传视频信号,如果系统中需要同时传输控制数据、音频等信号时,则需要另外布线;
  • 同轴电缆抗干扰能力有限,无法应用于强干扰环境;
  • 同轴放大器还存在着调整困难的缺点。

3 双绞线和双绞线视频传输设备

由于传统的同轴电缆监控系统存在着一些缺点,特别是传输距离受到限制,所以寻求一种经济、传输质量高、传输距离远的解决方案十分必要。早期,在传输距离超过五、六百米的监控系统中一般使用多模光纤和多模光端机,这虽然解决了远距离传输的问题,但是系统造价增加了很多,并且,光纤的施工复杂,需要专业人员和专用设备。所以,对这种距离不是太远的监控系统而言,使用光纤和光端机还是显得不够经济。

最近,出现了一种双绞线视频传输设备,通过使用此种设备,可以将双绞线应用于监控图像传输,它很好地解决了上面的难题,在今后的监控系统中必将被大量使用。 

其实,双绞线的使用由来已久,电话传输使用的就是双绞线,在很多工业控制系统中和干扰较大的场所以及远距离传输中都使用了双绞线,我们今天广泛使用的局域网也是使用双绞线对。双绞线之所以使用如此广泛,是因为它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、价格低廉等许多优点。由于双绞线对信号也存在着较大的衰减,所以传输距离远时,信号的频率不能太高,而高速信号比如以太网则只能限制在100m以内。对于视频信号而言,带宽达到6MHz,如果直接在双绞线内传输,也会衰减很大,在传输距离为150m左右时视频信号的衰减曲线如下图所示。

因此,视频信号在双绞线上要实现远距离传输,必须进行放大和补偿,双绞线视频传输设备就是完成这种功能。加上一对双绞线视频收发设备后,可以将图像传输到1至2km,如果采用中继方式,还可以成倍增加传输距离,而且,传输图像的质量可以与光端机媲美。双绞线和双绞线视频传输设备价格都很便宜,不但没有增加系统造价,反而在距离增加时其造价与同轴电缆相比下降了许多。所以,监控系统中用双绞线进行传输具有明显的优势:

1) 传输距离远、传输质量高。由于在双绞线收发器中采用了先进的处理技术,极好地补偿了双绞线对视频信号幅度的衰减以及不同频率间的衰减差,保持了原始图像的亮度和色彩以及实时性,在传输距离达到1km或更远时,图像信号基本无失真。如果采用中继方式,传输距离会更远。

2) 布线方便、线缆利用率高。一对普通电话线就可以用来传送视频信号。另外,楼宇大厦内广泛铺设的5类非屏蔽双绞线中任取一对就可以传送一路视频信号,无须另外布线,即使是重新布线,5类缆也比同轴缆容易。此外,一根5类缆内有4对双绞线,如果使用一对线传送视频信号,另外的几对线还可以用来传输音频信号、控制信号、供电电源或其它信号,提高了线缆利用率,同时避免了各种信号单独布线带来的麻烦,减少了工程造价。

3) 抗干扰能力强。双绞线能有效抑制共模干扰,即使在强干扰环境下,双绞线也能传送极好的图像信号。而且,使用一根缆内的几对双绞线分别传送不同的信号,相互之间不会发生干扰。

4) 可靠性高、使用方便。利用双绞线传输视频信号,在前端要接入专用发射机,在控制中心要接入专用接收机。这种双绞线传输设备价格便宜,使用起来也很简单,无需专业知识,也无太多的*作,一次安装,长期稳定工作。

5) 价格便宜,取材方便。由于使用的是目前广泛使用的普通5类非屏蔽电缆或普通电话线,购买容易,而且价格也很便宜,给工程应用带来极大的方便。

4 光纤和光端机

光纤和光端机应用在监控领域里主要是为了解决两个问题:一是传输距离,一是环境干扰。双绞线和同轴电缆只能解决短距离、小范围内的监控图像传输问题,如果需要传输数公里甚至上百公里距离的图像信号则需要采用光纤传输方式。另外,对一些超强干扰场所,为了不受环境干扰影响,也要采用光纤传输方式。因为光纤具有传输带宽宽、容量大、不受电磁干扰、受外界环境影响小等诸多优点,一根光纤就可以传送监控系统中需要的所有信号,传输距离可以达到上百公里。光端机可以提供一路和多路图像接口,还可以提供双向音频接口、一路和多路各种类型的双向数据接口(包括RS232、RS485、以太网等),将它们集成到一根光纤上传输。光端机为监控系统提供了灵活的传输和组网方式,信号质量好、稳定性高。近些年来,由于光纤通信技术的飞速发展,光纤和光器件的价格下降很快,使得光纤监控系统的造价大幅降低,所以光纤和光端机在监控系统中的应用越来越普及。

光纤分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤由于色散和衰耗较大,其最大传输距离一般不能超过5Km,所以,除了先前已经铺好了多模光纤的地方外,在新建的工程中一般不再使用多模光纤,而主要使用单模光纤。

光纤中传输监控信号要使用光端机,它的作用主要就是实现电-光和光-电转换。光端机又分为模拟光端机和数字光端机:

1) 模拟光端机

模拟光端机采用了PFM调制技术实时传输图像信号,是目前使用较多的一种。发射端将模拟视频信号先进行PFM调制后,再进行电-光转换,光信号传到接收端后,进行光-电转换,然后进行PFM解调,恢复出视频信号。由于采用了PFM调制技术,其传输距离很容易就能达到30 Km左右,有些产品的传输距离可以达到60 Km,甚至上百公里。并且,图像信号经过传输后失真很小,具有很高的信噪比和很小的非线性失真。通过使用波分复用技术,还可以在一根光纤上实现图像和数据信号的双向传输,满足监控工程的实际需求。不过,这种模拟光端机也存在一些缺点:

a)生产调试较困难;

b)单根光纤实现多路图像传输较困难,性能会下降,目前这种模拟光端机一般只能做到单根光纤上传输4路图像;

c)由于采用的是模拟调制解调技术,其稳定性不够高,随着使用时间的增加或环境特性的变化,光端机的性能也会发生变化,给工程使用带来一些不便。

2) 数字光端机

由于数字技术与传统的模拟技术相比在很多方面都具有明显的优势,所以正如数字技术在许多领域取代了模拟技术一样,光端机的数字化也是一种必然趋势。目前,数字图像光端机主要有两种技术方式:一种是MPEG II图像压缩数字光端机,另一种是非压缩数字图像光端机。

图像压缩数字光端机一般采用MPEG II图像压缩技术,它能将活动图像压缩成N×2Mbps的数据流通过标准电信通信接口传输或者直接通过光纤传输。由于采用了图像压缩技术,它能大大降低信号传输带宽,以利于占用较少的资源就能传送图像信号。同时,由于采用了N×2Mbps的标准接口,可以利用现有的电信传输设备的富裕通道传输监控图像,为工程应用带来了方便。不过,图像压缩数字光端机也有其固有的缺点。其致命的弱点就是不能保证图像传输的实时性。因为图像压缩与解压缩需要一定的时间,所以一般会对所传输的图像产生1~2S的延时。因此,这种设备只适合于用在对实时性要求不高的场所,在工程使用上受到一些限制。另外,经过压缩后图像会产生一定的失真,并且这种光端机的价格也偏高。

非压缩数字图像光端机的原理就是将模拟视频信号进行A/D变换后和语音、音频、数据等信号进行复接,再通过光纤传输。它用高的数据速率来保证视频信号的传输质量和实时性,由于光纤的带宽非常大,所以这种高数据速率也并没有对传输通道提出过高要求。非压缩数字图像光端机能提供很好的图像传输质量(如武汉微创光电技术有限公司的非压缩数字光端机信噪比大于60dB,微分相位失真小于2°,微分增益失真小于2%),达到了广播级的传输质量,并且图像传输是全实时的。由于采用数字化技术,在设备中可以利用已经很成熟的通信技术比如复接技术、光收发技术等,提高了设备的可靠性,也降低了成本。非压缩数字图像光端机的优势体现在:

a)采用了数字化技术,极大提高了图像传输质量;

b)数字化技术和大规模集成电路的使用,保证了设备工作的稳定性和可靠性,克服了模拟光端机的弊病;

c)不会产生传输延时,保证了监控图像的实时性;

d)可以方便地将多路图像和音频、数据等多种信号成在一起通过一根光纤传输,目前,这种非压缩数字图像光端机可以做到在单方向传输几十路、甚至上百路图像

数字图像光端机的技术含量高,其在监控工程中的使用时间还不长,目前大都用在多路图像传输方面,主要原因在于目前能够提供这种光端机的厂家还不多,价格相对模拟光端机而言也稍微偏高。不过,由于数字图像光端机特别是非压缩数字图像光端机的突出优势,再加上大量使用后会降低成本,模拟光端机必将很快被数字图像光端机所取代。

5 结束语

传送图像监控信号除了以上介绍的三种主要方式外,也有些工程中采用了点到点无线传输方式以及有线电视上采用的多路副载波复用射频传输方式。无线传输受环境和气候影响太大,工作不稳定,而且设备安装调整困难;多路副载波复用射频传输方式需要的设备多,稳定性不高,图像质量较差,设备安装调整也很困难。所以,这两种设备使用得很少,也不推荐用户使用。对于同轴电缆、双绞线和光纤三种传输方式,用户可以根据工程实际情况选用。一般来说,距离在二、三百米以内,并且无环境干扰、布线空间大的场所,可以考虑使用电缆;当传输距离在两公里以内,或者环境干扰大、布线要求紧凑的场所,建议使用双绞线;距离达到几公里或更远时,光纤就是必然选择了。当然,工程实际中,不少用户不管距离远近,在同一个工程中统统使用光纤,或者在距离较近的工程中统统使用双绞线,这完全由工程的实际需要确定。

编辑整理:张新房

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