一种模拟高清摄像机高速长距离数据传输的方法

　　摘要：提出一种不同于在模拟信号的消隐区传输数字信号的方法。设计了一种基于图像数据，在模拟高清摄像机中进行高速长距离数据传输的实现方法及系统。能利用现有的模拟传输系统，实现数字信号在同轴线缆上的高速远距离传输的目的。

　　关键词：集成电路;高清摄像;数据传输;信号处理。

　　本文源自《集成电路应用》第36卷第10期，《集成电路应用》杂志1984年创刊，是国家新闻出版总署批准，中国电子信息产业集团有限公司主管，上海贝岭股份有限公司主办，上海市集成电路行业协会、深圳市半导体行业协会协办的电子电工、电力、半导体材料、集成电路等领域的综合性学术期刊。现为上海市集成电路行业协会会刊，属国家一级刊物。是集学术性、应用性极强的集成电路产业权威中文杂志。

　　1 引言

　　2012年高清复合视频接口(High Definition Composite Video Interface，HDCVI)模拟高清标准推出，主要应用在安防监控的模拟高清技术已经取得了很大的技术进步和市场份额。模拟高清技术继承了传统 CVBS 模拟视频技术简单易用的特点，能使用既有的线缆设备，同时拓展了模拟信号传输的带宽[1-8]，提高了传输视频的分辨率，并且将报警、同轴视控和音频等信号整合，使得同轴线缆上除了传输各种分辨率的视频外，也能进行数字信号的双向传输。

　　目前的模拟高清技术所承载的数字信号的传输，是选取在特定消隐行中叠加数字脉冲信号，如图 1。并且，现有的技术标准只能处理较低速率的数字脉宽信号，限制了双向的数据传输速率，使得双向的数字传输速率都极为有限。

　　而随着摄像机端的应用越来越丰富，摄像机端已经不再局限于视频的采集和传输，包括音频、各种传感器信号以及其他功能信号都希望能通过同轴线缆传输给后端设备，使得前端摄像机能作为各种信息的载体，丰富摄像机的实际应用能力。原有的模拟高清标准的数字传输技术，已经不能满足这些越来越多的数据传输需求，因此需要提出一种技术手段，以提高模拟高清摄像机传输数据给后端设备的能力[9-13]。

　　2 实现方法

　　2.1 发送端处理

　　基于现有的模拟高清技术，在不更改接收端接收芯片实现技术的基础上，在发送端将需发送的数字信号通过一系列的处理，在图像数据的传输行进行数据传输。发送端的处理流程分为应用层、传输层、数据链路层和物理层。对于摄像机端采集的数据，首先将数字信号封装进传输层协议(包括校验码)，然后在数据链路层进行 DC 平衡编码，编码后的每个 bit 在物理层按照合适的采样频率做 DA 转换，将信号承载在现有的有效视频传输行中(通常是最开始的有效视频传输行)，此有效视频行将不传输视频数据而是编码后的数字信号。发送端数据处理见图 2 所示。

　　步骤 1，获取摄像机采集的数据，将其传输至传输层封装进传输层协议。于传输层对该数字信号利用循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)生成校验码，并封装进传输层协议。

　　步骤 2，于数据链路层对数据进行 DC(直流)平衡编码。直流平衡编码是使数据流中的 1 与 0 的数量保持相等或者保持固定差值的一种数据编码方法。可以根据得到的原始数据查询直流平衡编码表，对数据进行编码。DC 平衡编码可以使得信号在长距离传输后较好的保持信号波形，利于后端解码端使用简单的方式进行信号恢复。DC 平衡编码后，在数据的前端加入了前导序列，以用于接收端定位和同步数据流。

　　步骤 3，于物理层对编码后的每个比特(bit)按照合适的采样频率进行DA(数字量转换为模拟量)转换，一般而言可以采用每个比特位 3～5 采样点的方式。将转换后的信号承载在现有的有效视频传输行中(通常是最开始的有效视频传输行)传输至数据接收端，此有效视频行将不传输视频数据而是编码后的数字信号。

　　2.2 接收端处理

　　接收端将通过软件处理的方式，对接收到的特定图像行数据进行解码处理。接收端数据处理流程见图 3 所示。

　　步骤 1，数据接收端在接收到数据发送端的视频信号后，使用成熟的 RX 芯片，按照正常视频的 AD 采样处理。

　　步骤 2，对选取的有效视频行采样得到的采样点，按照每个比特(bit)的采样点数进行分组。这里的分组按照发送端 DA 情况处理，例如在发送端 1 个数据用 5 个采样点标识，那么这个数据就要分成 5 组。

　　对于长距离传输，于分组之前，还需对获得的视频信号进行信号均衡增强，使得均衡后的信号更符合发送端的波形，平衡性更好，如图 4。当然，对于短距离传输也可不进行滤波。

　　步骤 3，对每组采样点序列进行前导定位、DC 平衡解码，并进行 CRC 校验，其中，前导用来定位到编码的数据区，然后对具体的数据区进行 DC 平衡解码，解码后的数据进行 CRC 校验，如果 CRC 校验成功，则此分组是有效分组，否则继续处理另外的分组，直到有效分组。或者全部分组均无效时，则此次传输失败。

　　步骤4，对经 CRC 校验检查正确的分组数据，按照传输层协议解出正确的传输数据。此时，一行或若干有效视频行将被用来传输数字信号，而后端接收端仅需软件分析这些行的采样数据，即可得到传输的数字信号。

　　2.3 发送和接收流程

　　整体的数据发送和接收处理流程如图 5 所示。

　　3 结语

　　采用本文的数字传输技术后，对于现有的模拟高清 1 080 P@25 fps 制式，若选取 5 行有效视频行作为数字传输行，摄像机向后端接收端传输的有效数据可达 6 kb/s。若选取 10 行，那么数据率将达到 12 kb/s，可以承载音频数据和其他传感器信号。对比现有的数字信号传输速率约 400 b/s，传输速率大大提升。

　　由于采用了 DC 平衡编码和滤波技术，对于常用的 75-3-1 型号同轴线缆的无误码测试距离超过 500 m。而现有的数字信号传输方式，由于接收端往往采用比较电平接收再采样的方式，并且无信号的预处理，使得接收性能和距离受限。

　　使用本文的方法，利用现有的模拟摄像机和 DVR 系统，可以提供摄像端更大的数据传输管道，进行数据的可靠高速传输，拓展模拟摄像机的应用领域。

　　参考文献

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