一種模擬高清攝像機高速長距離數據傳輸的方法

　　摘要：提出一種不同于在模擬信號的消隱區傳輸數字信號的方法。設計了一種基于圖像數據，在模擬高清攝像機中進行高速長距離數據傳輸的實現方法及系統。能利用現有的模擬傳輸系統，實現數字信號在同軸線纜上的高速遠距離傳輸的目的。

　　關鍵詞：集成電路;高清攝像;數據傳輸;信號處理。

　　本文源自《集成電路應用》第36卷第10期，《集成電路應用》雜志1984年創刊，是國家新聞出版總署批準，中國電子信息產業集團有限公司主管，上海貝嶺股份有限公司主辦，上海市集成電路行業協會、深圳市半導體行業協會協辦的電子電工、電力、半導體材料、集成電路等領域的綜合性學術期刊。現為上海市集成電路行業協會會刊，屬國家一級刊物。是集學術性、應用性極強的集成電路產業權威中文雜志。

　　1 引言

　　2012年高清復合視頻接口(High Definition Composite Video Interface，HDCVI)模擬高清標準推出，主要應用在安防監控的模擬高清技術已經取得了很大的技術進步和市場份額。模擬高清技術繼承了傳統 CVBS 模擬視頻技術簡單易用的特點，能使用既有的線纜設備，同時拓展了模擬信號傳輸的帶寬[1-8]，提高了傳輸視頻的分辨率，并且將報警、同軸視控和音頻等信號整合，使得同軸線纜上除了傳輸各種分辨率的視頻外，也能進行數字信號的雙向傳輸。

　　目前的模擬高清技術所承載的數字信號的傳輸，是選取在特定消隱行中疊加數字脈沖信號，如圖 1。并且，現有的技術標準只能處理較低速率的數字脈寬信號，限制了雙向的數據傳輸速率，使得雙向的數字傳輸速率都極為有限。

　　而隨著攝像機端的應用越來越豐富，攝像機端已經不再局限于視頻的采集和傳輸，包括音頻、各種傳感器信號以及其他功能信號都希望能通過同軸線纜傳輸給后端設備，使得前端攝像機能作為各種信息的載體，豐富攝像機的實際應用能力。原有的模擬高清標準的數字傳輸技術，已經不能滿足這些越來越多的數據傳輸需求，因此需要提出一種技術手段，以提高模擬高清攝像機傳輸數據給后端設備的能力[9-13]。

　　2 實現方法

　　2.1 發送端處理

　　基于現有的模擬高清技術，在不更改接收端接收芯片實現技術的基礎上，在發送端將需發送的數字信號通過一系列的處理，在圖像數據的傳輸行進行數據傳輸。發送端的處理流程分為應用層、傳輸層、數據鏈路層和物理層。對于攝像機端采集的數據，首先將數字信號封裝進傳輸層協議(包括校驗碼)，然后在數據鏈路層進行 DC 平衡編碼，編碼后的每個 bit 在物理層按照合適的采樣頻率做 DA 轉換，將信號承載在現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據而是編碼后的數字信號。發送端數據處理見圖 2 所示。

　　步驟 1，獲取攝像機采集的數據，將其傳輸至傳輸層封裝進傳輸層協議。于傳輸層對該數字信號利用循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)生成校驗碼，并封裝進傳輸層協議。

　　步驟 2，于數據鏈路層對數據進行 DC(直流)平衡編碼。直流平衡編碼是使數據流中的 1 與 0 的數量保持相等或者保持固定差值的一種數據編碼方法。可以根據得到的原始數據查詢直流平衡編碼表，對數據進行編碼。DC 平衡編碼可以使得信號在長距離傳輸后較好的保持信號波形，利于后端解碼端使用簡單的方式進行信號恢復。DC 平衡編碼后，在數據的前端加入了前導序列，以用于接收端定位和同步數據流。

　　步驟 3，于物理層對編碼后的每個比特(bit)按照合適的采樣頻率進行DA(數字量轉換為模擬量)轉換，一般而言可以采用每個比特位 3～5 采樣點的方式。將轉換后的信號承載在現有的有效視頻傳輸行中(通常是最開始的有效視頻傳輸行)傳輸至數據接收端，此有效視頻行將不傳輸視頻數據而是編碼后的數字信號。

　　2.2 接收端處理

　　接收端將通過軟件處理的方式，對接收到的特定圖像行數據進行解碼處理。接收端數據處理流程見圖 3 所示。

　　步驟 1，數據接收端在接收到數據發送端的視頻信號后，使用成熟的 RX 芯片，按照正常視頻的 AD 采樣處理。

　　步驟 2，對選取的有效視頻行采樣得到的采樣點，按照每個比特(bit)的采樣點數進行分組。這里的分組按照發送端 DA 情況處理，例如在發送端 1 個數據用 5 個采樣點標識，那么這個數據就要分成 5 組。

　　對于長距離傳輸，于分組之前，還需對獲得的視頻信號進行信號均衡增強，使得均衡后的信號更符合發送端的波形，平衡性更好，如圖 4。當然，對于短距離傳輸也可不進行濾波。

　　步驟 3，對每組采樣點序列進行前導定位、DC 平衡解碼，并進行 CRC 校驗，其中，前導用來定位到編碼的數據區，然后對具體的數據區進行 DC 平衡解碼，解碼后的數據進行 CRC 校驗，如果 CRC 校驗成功，則此分組是有效分組，否則繼續處理另外的分組，直到有效分組。或者全部分組均無效時，則此次傳輸失敗。

　　步驟4，對經 CRC 校驗檢查正確的分組數據，按照傳輸層協議解出正確的傳輸數據。此時，一行或若干有效視頻行將被用來傳輸數字信號，而后端接收端僅需軟件分析這些行的采樣數據，即可得到傳輸的數字信號。

　　2.3 發送和接收流程

　　整體的數據發送和接收處理流程如圖 5 所示。

　　3 結語

　　采用本文的數字傳輸技術后，對于現有的模擬高清 1 080 P@25 fps 制式，若選取 5 行有效視頻行作為數字傳輸行，攝像機向后端接收端傳輸的有效數據可達 6 kb/s。若選取 10 行，那么數據率將達到 12 kb/s，可以承載音頻數據和其他傳感器信號。對比現有的數字信號傳輸速率約 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，對于常用的 75-3-1 型號同軸線纜的無誤碼測試距離超過 500 m。而現有的數字信號傳輸方式，由于接收端往往采用比較電平接收再采樣的方式，并且無信號的預處理，使得接收性能和距離受限。

　　使用本文的方法，利用現有的模擬攝像機和 DVR 系統，可以提供攝像端更大的數據傳輸管道，進行數據的可靠高速傳輸，拓展模擬攝像機的應用領域。

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