摘要：提出一種不同于在模擬信號(hào)的消隱區(qū)傳輸數(shù)字信號(hào)的方法。設(shè)計(jì)了一種基于圖像數(shù)據(jù)，在模擬高清攝像機(jī)中進(jìn)行高速長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)。能利用現(xiàn)有的模擬傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)在同軸線纜上的高速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康摹?/p>
關(guān)鍵詞：集成電路;高清攝像;數(shù)據(jù)傳輸;信號(hào)處理。
本文源自《集成電路應(yīng)用》第36卷第10期，《集成電路應(yīng)用》雜志1984年創(chuàng)刊，是國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司主管，上海貝嶺股份有限公司主辦，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)、深圳市半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)協(xié)辦的電子電工、電力、半導(dǎo)體材料、集成電路等領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)期刊。現(xiàn)為上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)刊，屬國(guó)家一級(jí)刊物。是集學(xué)術(shù)性、應(yīng)用性極強(qiáng)的集成電路產(chǎn)業(yè)權(quán)威中文雜志。
1 引言
2012年高清復(fù)合視頻接口(High Definition Composite Video Interface，HDCVI)模擬高清標(biāo)準(zhǔn)推出，主要應(yīng)用在安防監(jiān)控的模擬高清技術(shù)已經(jīng)取得了很大的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)份額。模擬高清技術(shù)繼承了傳統(tǒng) CVBS 模擬視頻技術(shù)簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，能使用既有的線纜設(shè)備，同時(shí)拓展了模擬信號(hào)傳輸?shù)膸抂1-8]，提高了傳輸視頻的分辨率，并且將報(bào)警、同軸視控和音頻等信號(hào)整合，使得同軸線纜上除了傳輸各種分辨率的視頻外，也能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的雙向傳輸。
目前的模擬高清技術(shù)所承載的數(shù)字信號(hào)的傳輸，是選取在特定消隱行中疊加數(shù)字脈沖信號(hào)，如圖 1。并且，現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只能處理較低速率的數(shù)字脈寬信號(hào)，限制了雙向的數(shù)據(jù)傳輸速率，使得雙向的數(shù)字傳輸速率都極為有限。
而隨著攝像機(jī)端的應(yīng)用越來(lái)越豐富，攝像機(jī)端已經(jīng)不再局限于視頻的采集和傳輸，包括音頻、各種傳感器信號(hào)以及其他功能信號(hào)都希望能通過(guò)同軸線纜傳輸給后端設(shè)備，使得前端攝像機(jī)能作為各種信息的載體，豐富攝像機(jī)的實(shí)際應(yīng)用能力。原有的模擬高清標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字傳輸技術(shù)，已經(jīng)不能滿足這些越來(lái)越多的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此需要提出一種技術(shù)手段，以提高模擬高清攝像機(jī)傳輸數(shù)據(jù)給后端設(shè)備的能力[9-13]。
2 實(shí)現(xiàn)方法
2.1 發(fā)送端處理
基于現(xiàn)有的模擬高清技術(shù)，在不更改接收端接收芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，在發(fā)送端將需發(fā)送的數(shù)字信號(hào)通過(guò)一系列的處理，在圖像數(shù)據(jù)的傳輸行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端的處理流程分為應(yīng)用層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。對(duì)于攝像機(jī)端采集的數(shù)據(jù)，首先將數(shù)字信號(hào)封裝進(jìn)傳輸層協(xié)議(包括校驗(yàn)碼)，然后在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行 DC 平衡編碼，編碼后的每個(gè) bit 在物理層按照合適的采樣頻率做 DA 轉(zhuǎn)換，將信號(hào)承載在現(xiàn)有的有效視頻傳輸行中(通常是最開始的有效視頻傳輸行)，此有效視頻行將不傳輸視頻數(shù)據(jù)而是編碼后的數(shù)字信號(hào)。發(fā)送端數(shù)據(jù)處理見圖 2 所示。
步驟 1，獲取攝像機(jī)采集的數(shù)據(jù)，將其傳輸至傳輸層封裝進(jìn)傳輸層協(xié)議。于傳輸層對(duì)該數(shù)字信號(hào)利用循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)生成校驗(yàn)碼，并封裝進(jìn)傳輸層協(xié)議。
步驟 2，于數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 DC(直流)平衡編碼。直流平衡編碼是使數(shù)據(jù)流中的 1 與 0 的數(shù)量保持相等或者保持固定差值的一種數(shù)據(jù)編碼方法。可以根據(jù)得到的原始數(shù)據(jù)查詢直流平衡編碼表，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。DC 平衡編碼可以使得信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸后較好的保持信號(hào)波形，利于后端解碼端使用簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)。DC 平衡編碼后，在數(shù)據(jù)的前端加入了前導(dǎo)序列，以用于接收端定位和同步數(shù)據(jù)流。
步驟 3，于物理層對(duì)編碼后的每個(gè)比特(bit)按照合適的采樣頻率進(jìn)行DA(數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量)轉(zhuǎn)換，一般而言可以采用每個(gè)比特位 3～5 采樣點(diǎn)的方式。將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)承載在現(xiàn)有的有效視頻傳輸行中(通常是最開始的有效視頻傳輸行)傳輸至數(shù)據(jù)接收端，此有效視頻行將不傳輸視頻數(shù)據(jù)而是編碼后的數(shù)字信號(hào)。
2.2 接收端處理
接收端將通過(guò)軟件處理的方式，對(duì)接收到的特定圖像行數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理。接收端數(shù)據(jù)處理流程見圖 3 所示。
步驟 1，數(shù)據(jù)接收端在接收到數(shù)據(jù)發(fā)送端的視頻信號(hào)后，使用成熟的 RX 芯片，按照正常視頻的 AD 采樣處理。
步驟 2，對(duì)選取的有效視頻行采樣得到的采樣點(diǎn)，按照每個(gè)比特(bit)的采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分組。這里的分組按照發(fā)送端 DA 情況處理，例如在發(fā)送端 1 個(gè)數(shù)據(jù)用 5 個(gè)采樣點(diǎn)標(biāo)識(shí)，那么這個(gè)數(shù)據(jù)就要分成 5 組。
對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸，于分組之前，還需對(duì)獲得的視頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)均衡增強(qiáng)，使得均衡后的信號(hào)更符合發(fā)送端的波形，平衡性更好，如圖 4。當(dāng)然，對(duì)于短距離傳輸也可不進(jìn)行濾波。
步驟 3，對(duì)每組采樣點(diǎn)序列進(jìn)行前導(dǎo)定位、DC 平衡解碼，并進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，其中，前導(dǎo)用來(lái)定位到編碼的數(shù)據(jù)區(qū)，然后對(duì)具體的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行 DC 平衡解碼，解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，如果 CRC 校驗(yàn)成功，則此分組是有效分組，否則繼續(xù)處理另外的分組，直到有效分組。或者全部分組均無(wú)效時(shí)，則此次傳輸失敗。
步驟4，對(duì)經(jīng) CRC 校驗(yàn)檢查正確的分組數(shù)據(jù)，按照傳輸層協(xié)議解出正確的傳輸數(shù)據(jù)。此時(shí)，一行或若干有效視頻行將被用來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)，而后端接收端僅需軟件分析這些行的采樣數(shù)據(jù)，即可得到傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。
2.3 發(fā)送和接收流程
整體的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收處理流程如圖 5 所示。
3 結(jié)語(yǔ)
采用本文的數(shù)字傳輸技術(shù)后，對(duì)于現(xiàn)有的模擬高清 1 080 P@25 fps 制式，若選取 5 行有效視頻行作為數(shù)字傳輸行，攝像機(jī)向后端接收端傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)可達(dá) 6 kb/s。若選取 10 行，那么數(shù)據(jù)率將達(dá)到 12 kb/s，可以承載音頻數(shù)據(jù)和其他傳感器信號(hào)。對(duì)比現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)傳輸速率約 400 b/s，傳輸速率大大提升。
由于采用了 DC 平衡編碼和濾波技術(shù)，對(duì)于常用的 75-3-1 型號(hào)同軸線纜的無(wú)誤碼測(cè)試距離超過(guò) 500 m。而現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)傳輸方式，由于接收端往往采用比較電平接收再采樣的方式，并且無(wú)信號(hào)的預(yù)處理，使得接收性能和距離受限。
使用本文的方法，利用現(xiàn)有的模擬攝像機(jī)和 DVR 系統(tǒng)，可以提供攝像端更大的數(shù)據(jù)傳輸管道，進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠高速傳輸，拓展模擬攝像機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
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