傳輸技術是高清監(jiān)控發(fā)展的關鍵

　　近幾年隨著圖像傳感器技術的發(fā)展，低成本的高像素SENSOR越來越多的應用于安防監(jiān)控行業(yè)，高清攝像機(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)絡圖像傳輸?shù)母咔逑到y(tǒng)。前端網(wǎng)絡化的監(jiān)控系統(tǒng)早在2003年就開始進入監(jiān)控市場，在標清時代小試牛刀。在國內(nèi)平安城市項目的推進下得到了一些應用。但傳輸不穩(wěn)定、斷線、死機、傳輸延遲，對現(xiàn)場安裝工程師要求高，維護工作量巨大……較難撼動傳統(tǒng)同軸電纜圖像傳輸方式的應用，普通模擬攝像機、后端板卡加嵌入式DVR的應用仍占絕對主導。

　　目前大量使用的高清產(chǎn)品都是基于網(wǎng)絡傳輸技術的，直接傳輸方式在高清時代幾乎絕跡，但關于對網(wǎng)絡傳輸是否適合監(jiān)控圖像傳輸?shù)臓幷搹膩砭筒唤^于耳。依然采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡模式，但數(shù)據(jù)量更大，這樣的系統(tǒng)要解決傳輸延時、網(wǎng)絡堵塞、支持和維護量大的死結幾乎不可能。因為網(wǎng)絡傳輸協(xié)議是為文件系統(tǒng)發(fā)送而發(fā)展起來的，數(shù)據(jù)量小，實時性要求不高，但對終端設備(計算機)要求高，傳輸過程中又附加很多條件，從而造成了目前網(wǎng)絡攝像機應用的實際情況。高清圖像信號的傳輸問題卡住了直接傳輸高清應用的脖子。

　　圖像監(jiān)控系統(tǒng)要求把現(xiàn)場的圖像信號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，傳輸技術的很多特性都是和數(shù)據(jù)頻率相關的，因為在信號線上傳送電信號，會和信號的頻率相關，頻率越高，衰減越快，傳輸距離就越短;而信號所攜帶的信息又和頻率相關，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，因此尋找一種與實際應用相符，技術能滿足，成本盡量低的傳輸模式對于監(jiān)控的應用尤為關鍵。以下就高速數(shù)據(jù)通訊技術的應用來看未來高清監(jiān)控的發(fā)展方向。

　　模擬信號傳輸方式

　　目前標清視頻信號絕大多數(shù)依然采用模擬信號傳輸方式，帶寬為6M，應用75-5的同軸電纜傳輸100米，在犧牲一些高頻細節(jié)的情況下，可以傳輸200-300米，甚至更遠。由于這樣的性能，從監(jiān)控應用伊始，這種傳輸模式就一直就沒有改變過。但是到了高清時代，由于傳輸?shù)母咔逍盘枎挼臄U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，根本無法在監(jiān)控項目中使用，而高清網(wǎng)絡攝像機的傳輸方式和標清的相比沒啥變化，所以當高清時代來臨時，就成了網(wǎng)絡攝像機的獨角戲，直接傳輸模式很少有應用。

　　數(shù)字傳輸模式

　　既然高清模擬傳輸方式無法在監(jiān)控實際應用中使用，唯一的方法就只有數(shù)字傳輸了。在討論數(shù)字高清傳輸技術以前先分析高清信號的數(shù)字特性，30幀/秒1080P圖像信號的帶寬是：1920×1080×16×30=995.328M;30幀720P圖像信號的帶寬是：1280×720×16×30=442.368M，也就是說加上一些消隱數(shù)據(jù)，30幀/秒1080P的圖像不超過1G，720P的不超過500M，在數(shù)據(jù)通訊技術領域，實現(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

　　同軸電纜傳輸技術在標清時代廣泛應用于標清模擬視頻信號的傳輸，與標清模擬視頻信號相對應的數(shù)字視頻信號標準是SD-SDI接口(270Mb/s)，這種接口由于成本和性能的原因，在監(jiān)控上很少應用。高清數(shù)字信號的標準是HD-SDI(1.485Gb/s)，在應用加解擾技術，發(fā)端預加重技術，收端均衡技術的前提下，可以把傳輸距離延伸到100米。

　　加解擾技術是用擾碼的不歸零倒置(NRZI)來代替早期的分組編碼。在傳送前，對原始數(shù)據(jù)流進行擾頻，并變換為NRZI碼確保在接收端可靠地恢復原始數(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)長時間的連續(xù)“1”或連續(xù)“0”，會影響接收端從數(shù)字信號中提取時鐘。因為串行數(shù)字信號接口不單獨傳送時鐘信號，接收端需從數(shù)字信號流中提取時鐘信號，所以要采用以“1”和“0”來表示有無電平變換的NRZI碼。接收NRZI碼流時，只要檢出電平變換，就可恢復數(shù)據(jù)，即使全是“1”信號，導致的信號頻率也只是原來時鐘頻率的一半，再經(jīng)過加擾，連續(xù)“1”的機會減少，也就使高頻分量進一步減少了。在數(shù)據(jù)流的接收端，由SDI解碼器從NRZI碼流恢復原數(shù)據(jù)流。

　　預加重技術就是在發(fā)端把信號放大，均衡技術可以理解為頻率補償，通常是使用濾波器來實現(xiàn)的，通過濾波器來補償失真的脈沖，判決器得到的解調(diào)輸出樣本，是經(jīng)過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。自適應均衡器直接從傳輸?shù)膶嶋H數(shù)字信號中根據(jù)某種算法不斷調(diào)整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的狀態(tài)，從而有更好的失真補償性能。自適應均衡器一般包含兩種工作模式，即訓練模式和跟蹤模式。

　　訓練模式首先由發(fā)射機發(fā)射一個己知的定長的訓練序列，以便接收機處的均衡器可以做出正確的設置。典型的訓練序列是一個二進制隨機信號或是一串預先指定的數(shù)據(jù)位，而緊跟在訓練序列后被傳送的是用戶數(shù)據(jù)。接收機處的均衡器將通過遞歸算法來評估信道特性，并且修正濾波器系數(shù)以對信道做出補償。在設計訓練序列時，要求做到即使在最差的信道條件下，均衡器也能通過這個訓練序列獲得正確的濾波系數(shù)。這樣就可以在收到訓練序列后，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，均衡器的自適應算法就可以跟蹤不斷變化的信道，自適應均衡器將不斷改變其濾波特性來保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

　　但通過預加重和均衡技術來延長SDI的信號傳輸距離在實際應用中還是存在許多問題，線纜的特性對傳輸距離影響很大，再加上同軸電纜傳輸是一個單端傳輸系統(tǒng)無法抑制共模干擾。模擬監(jiān)控中工程現(xiàn)場如果線路不好就會帶來干擾，這些都會嚴重影響SDI信號的傳輸距離，則不難理解目前對于HD-SDI傳輸距離為何莫衷一是。理論傳輸距離和實際差異太大，而且最糾結的是如果HD-SDI信號超過它的傳輸距離，收端就無法解出任何信號來，這一點比傳統(tǒng)的標清模擬傳輸系統(tǒng)的性能差遠了。所以HD-SDI傳輸技術要大面積應用于監(jiān)控系統(tǒng)還是有很多問題和困難的。[nextpage]

　　雙絞線傳輸技術

　　雙絞線傳輸技術應用于圖像傳輸，在標清模擬監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中就有應用，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層的銅導線組成。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起,可降低信號干擾的程度，每一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消。雙絞線能有效地抑制共模干擾，即使在強干擾環(huán)境下，雙絞線也能傳送極好的圖像信號。例如樓宇的電梯、設備房等處都會存在很強的干擾，處于鬧市區(qū)的建筑物也會受到來自周圍環(huán)境的各種干擾，雙絞線的強抗干擾能力比同軸電纜既有更大的優(yōu)勢。

　　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，一般說來雙絞線傳輸300米的衰減相當于同軸電纜1000米的衰減，雙絞線傳輸?shù)哪M標清視頻信號和同軸電纜傳輸?shù)男盘柖际且粯拥?，雖然它的抗干擾能力要強于同軸電纜，但由于高頻衰減的原因使其應用受到了很大的限制。在標清模擬視頻系統(tǒng)中，同軸電纜傳輸占據(jù)了大多數(shù)的市場。

　　然而數(shù)字傳輸也有它的特點，雙絞線可以采用分路傳輸模式，即在發(fā)端將信號分成多路傳輸，到終端再合成，比如說常用的超5類網(wǎng)線就有4對雙絞線，可以把一路信號分成四路，線上頻率也就變?yōu)榱嗽瓉淼乃姆种唬瑥亩窒烁哳l衰減的影響，再加上雙絞線采用差分信號傳輸技術，抗干擾能力強，所以在數(shù)字傳輸應用領域內(nèi)獨占鰲頭，最典型的應用就是網(wǎng)絡信號的傳輸，從實踐的角度證明了在數(shù)據(jù)傳輸領域里，雙絞線傳輸模式是優(yōu)于同軸電纜的。

　　但一種通訊技術在某個領域的應用要成功，必須有相應的硬件和標準做支持。簡單的說就是要有一個標準的硬件接口和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，只有這樣，才能實現(xiàn)設備的互聯(lián)互通，目前雙絞線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布藴室埠芏?，其中也不乏成本低，性能好的接口，在不久的將來，我們應該能夠看到在監(jiān)控應用中大量使用。

　　光纖傳輸技術

　　無論是同軸電纜，還是雙絞線都是基于銅纜傳輸技術的，由于高頻衰減的原因，在高清應用所需要的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)的光進銅退政策的實施，光纖的應用越來越貼近實際使用，光纖傳輸技術已普遍應用于監(jiān)控。

　　光纖以前主要用于標清視頻信號室外的遠距離傳輸。光纖傳輸，即以光線為介質(zhì)進行傳輸，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，是信息到光纖線路的起始點。發(fā)射機接收到的已編碼電子脈沖信息來自于銅線電纜，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動，光纖內(nèi)部全反射原理說明了當入射角超過臨界值時，光就不能從玻璃中溢出;相反，光纖會反射回玻璃內(nèi)。應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、安全性能高、體積小、重量輕等優(yōu)點，所以在長距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。

　　傳輸介質(zhì)是決定傳輸損耗的重要因素，決定了傳輸信號所需中繼的距離，光纖作為光信號的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點，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，在傳輸語音、控制信號或接點信號方面更為優(yōu)勢，光纖傳輸中的載波是光波，光波是頻率極高的電磁波，遠遠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)，不導電，不會因斷路、雷擊等原因產(chǎn)生火花，因此安全性強，在易燃，易爆等場合特別適用。傳統(tǒng)的鎧裝光纖和熔接技術，由于其電工特性不太適應監(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)光纖技術和冷接技術的發(fā)展將極大帶動光纖在監(jiān)控領域中的應用，因為室內(nèi)光纖的電工特性，無論從抗拉性還是彎曲性都與同軸電纜差不多，再者冷接技術的發(fā)展代替了熔接，使在工程現(xiàn)場做光纖的連接變得不再麻煩，而且光纖的成本遠低于銅纜，因而我們可以預見，在未來的監(jiān)控應用中，尤其是高清直接傳輸將率先進入光時代，給使用者帶來全新的震撼的體驗。

　　標準是應用于市場的最大障礙

　　通過以上的分析，大家不難看出，其實從技術的基礎來看，高清直接傳輸技術還是成熟的，可以實際應用的，但為何遲遲未能應用于市場?標準是最大的障礙，目前只有廣電領域的HD-SDI標準，同軸電纜和光纖都支持這個標準，也有相應的芯片支持，但通過上面的分析，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，光纖雖然性能最佳，但短距離傳輸成本過高，也制約了光纖技術的應用，而且還有個重要的問題，HD-SDI接口的頻率高達1.48G,內(nèi)部轉(zhuǎn)接非常困難，但高速球，紅外機又必須進行內(nèi)部轉(zhuǎn)接，局限性很大，所以目前應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備進行數(shù)據(jù)交換，還能用光傳輸和交換設備進行遠距離傳輸和交換，技術的成熟性和可靠性又是可以保障的，目前最大的問題是苦于沒有標準，即可以滿足物理層傳輸和交換的圖像數(shù)據(jù)通訊協(xié)議標準，這個標準還要滿足目前通用的串行視頻和并行視頻標準，以適應未來的接口互轉(zhuǎn)和設備接入，才能達到真正的大規(guī)模的實際應用。

　　結語

　　由以上的分析，不難看出，由于傳輸技術的限制，使得高清的應用受到了很大的限制，目前依然是浮云，技術的發(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傳輸?shù)浇K端，后端用視頻板卡或者嵌入式DVR進行壓縮處理一樣，效果、成本、穩(wěn)定性，施工的便利性都與標清的同軸電纜模擬視頻傳輸系統(tǒng)一樣，也只有這樣，高清才能撥開浮云，得到大量的實際的應用。