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視頻監控系統知識 |
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| 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，監控圖像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像和其它控制信號將直接關系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像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絡，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采取合適的傳輸介質和設備。
2 同軸電纜和同軸視頻放大器
一提起圖像傳輸，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，一般在小范圍的監控系統中，由于傳輸距離很近，使用同軸電纜直接傳送監控圖像對圖像質量的損傷不大，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。視頻信號的帶寬很大，達到6MHz，并且，圖像的色彩部分被調制在頻率高端，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，同軸電纜只適合于近距離傳輸圖像信號，當傳輸距離達到200米左右時，圖像質量將會明顯下降，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，并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盡量小。但是，同軸放大器并不能無限制級聯，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，并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像質量，一般將傳輸距離范圍限制在四、五百米左右。
另外，同軸電纜在監控系統中傳輸圖像信號還存在著一些缺點：
1）、同軸電纜本身受氣候變化影響大，圖像質量受到一定影響；
2）、同軸電纜較粗，在密集監控應用時布線不太方便；
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，無法應用于強干擾環境；
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
由于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，并且，光纖的施工復雜，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，可以將雙絞線應用于監控圖像傳輸，它很好地解決了上面的難題，在今后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局域網也是使用雙絞線對。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。由于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，而高速信號比如以太網則只能限制在100m以內。對于視頻信號而言，帶寬達到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就已經很大了。
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后，可以將圖像傳輸到1至2km，如果采用中繼方式，還可以成倍增加傳輸距離，而且，傳輸圖像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。由于在雙絞線收發器中采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，保持了原始圖像的亮度和色彩以及實時性，在傳輸距離達到1km或更遠時，圖像信號基本無失真。如果采用中繼方式，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類非屏蔽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，即使在強干擾環境下，雙絞線也能傳送極好的圖像信號。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。由于使用的是目前廣泛使用的普通5類非屏蔽電纜或普通電話線，購買容易，而且價格也很便宜，給工程應用帶來極大的方便。
4 光纖和光端機
光纖和光端機應用在監控領域里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、小范圍內的監控圖像傳輸問題，如果需要傳輸數公里甚至上百公里距離的圖像信號則需要采用光纖傳輸方式。另外，對一些超強干擾場所，為了不受環境干擾影響，也要采用光纖傳輸方式。因為光纖具有傳輸帶寬寬、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像接口，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、以太網等），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，由于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應用越來越普及。
光纖分為多模光纖和單模光纖兩種。多模光纖由于色散和衰耗較大，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
模擬光端機采用了PFM調制技術實時傳輸圖像信號，是目前使用較多的一種。發射端將模擬視頻信號先進行PFM調制后，再進行電-光轉換，光信號傳到接收端后，進行光-電轉換，然后進行PFM解調，恢復出視頻信號。由于采用了PFM調制技術，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。并且，圖像信號經過傳輸后失真很小，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像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像傳輸較困難，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路圖像；
c） 由于采用的是模擬調制解調技術，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
由于數字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，所以正如數字技術在許多領域取代了模擬技術一樣，光端機的數字化也是一種必然趨勢。目前，數字圖像光端機主要有兩種技術方式：一種是MPEG II圖像壓縮數字光端機，另一種是非壓縮數字圖像光端機。
圖像壓縮數字光端機一般采用MPEG II圖像壓縮技術，它能將活動圖像壓縮成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。由于采用了圖像壓縮技術，它能大大降低信號傳輸帶寬，以利于占用較少的資源就能傳送圖像信號。同時，由于采用了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像，為工程應用帶來了方便。不過，圖像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像傳輸的實時性。因為圖像壓縮與解壓縮需要一定的時間，所以一般會對所傳輸的圖像產生１~２Ｓ的延時。因此，這種設備只適合于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，經過壓縮后圖像會產生一定的失真，并且這種光端機的價格也偏高。
非壓縮數字圖像光端機的原理就是將模擬視頻信號進行Ａ／Ｄ變換后和語音、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，由于光纖的帶寬非常大，所以這種高數據速率也并沒有對傳輸通道提出過高要求。非壓縮數字圖像光端機能提供很好的圖像傳輸質量（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于60dB，微分相位失真小于2°，微分增益失真小于2%），達到了廣播級的傳輸質量，并且圖像傳輸是全實時的。由于采用數字化技術，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。非壓縮數字圖像光端機的優勢體現在：
a） 采用了數字化技術，極大提高了圖像傳輸質量；
b） 數字化技術和大規模集成電路的使用，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，保證了監控圖像的實時性；
d） 可以方便地將多路圖像和音頻、數據等多種信號集成在一起通過一根光纖傳輸，目前，這種非壓縮數字圖像光端機可以做到在單方向傳輸幾十路、甚至上百路圖像
數字圖像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像傳輸方面，主要原因在于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，由于數字圖像光端機特別是非壓縮數字圖像光端機的突出優勢，再加上大量使用后會降低成本，模擬光端機必將很快被數字圖像光端機所取代。
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