视频信号传输（精选8篇）
视频信号传输 篇1
摘要：目前市场上的双绞线视频传输方案大多采用外部固定均衡, 但是, 固定均衡不能补偿电缆差异、不同传输距离以及分立元件误差产生的影响。本文介绍的自适应均衡传输方案能够在1200米视频信号传输中获得较好的图像质量。
关键词：视频传输,均衡器,双绞线,视频切换系统,安全监控系统
在安防监控系统中，视频信号传输是整个系统中一个至关重要的环节，选择何种介质和设备传送视频信号将直接关系到监控系统的质量和可靠性。目前，在监控系统中用来传输视频信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤，对应的传输设备分别是同轴视频放大器、双绞线视频传输设备和光端机。
同轴电缆是较早使用，也是使用时间最长的传输方式。后来，由于远距离和大范围图像监控的需要以及人们对监控图像质量要求的提高，监控网络中开始大量使用光纤来传输视频信号。至于双绞线被使用到视频监控网络中则是近来的事, 它的出现主要很好地解决了两个方面的问题:一方面它解决了200米至2000米距离范围内高质量视频信号传输的问题，因为在这段距离范围内同轴电缆传输难以达到要求而光纤传输又显得不经济;另一方面它解决了大规模密集型监控网络的布线问题，双绞线自身的尺寸和柔软性克服了大量使用同轴电缆时的布线难题。当然，双绞线还具有抗干扰能力强、价格便宜等优点。正是由于双绞线很好地解决了长期困扰着人们的这些问题，所以它在监控网络的应用立即引起了业界广泛的关注，在较短的时间内已经被大量使用到工程实践中，并且取得了很好的应用成果。
视频信号双绞线传输的典型应用
图1示出双绞线传输的典型应用框图。
在摄像机端, 一般采用无源变压器将单端CVBS视频信号转换成差分视频信号;双绞线传输设备完成差分信号至单端信号的转换以及视频信号的放大、滤波、驱动;信号输出可接至监视器、DVR设备或视频矩阵设备。双绞线一般是5类双绞线, 如网线。
视频信号双绞线传输的传统解决方案
传统解决方案一般采用无源发射 (如不平衡变压器) 和有源接收 (如EL5175) 。有源接收电路里需要设计由阻容构成的均衡网络，采用拨码开关来设置不同补偿距离下的补偿参数，同时一般还需要增设两个机械电位器，用于亮度和色度的微调。
由于传统方案采用手动均衡方式，而实际应用中网线质量、安装距离和阻容器件参数分散性等因素，造成拨码开关设置的补偿参数的补偿效果不是很理想。虽然通过微调两个机械电位器可以改善补偿质量，但由于两个电位器的调节是相互影响的，现场工程人员不好掌握调节的尺度。
视频信号双绞线传输方案
Maxim提供的1200米自适应视频信号传输方案是：M A X 4 4 4 5+M A X 7 4 7 4+MAX11504，采用三级结构：第一级采用MAX4445配合外部阻容均衡网络，实现差分信号至单端信号的转换并进行预均衡;第二级采用MAX7474，实现信号自动均衡，补偿由于网线质量、安装距离、阻容器件参数分散性等带来的差异;第三级采用MAX11054，实现信号滤波、缓冲和ESD保护。原理电路如图2所示。
该方案的优势在于：
·消除线材质量的差异带来的补偿效果的差异
由于实际安防工程中，用户采用的网线品牌有多种，质量会有差异，而传输设备中设置好的补偿参数又是在特定一种材质的网线下调试的。因此当工程中铺设另一种网线时，补偿效果就会有差异。在Maxim方案中，由于采用了具有自动均衡功能的芯片MAX7474，从而可以很好地消除线材质量的差异带来的补偿效果的差异。
·消除工程中实际安装距离的差异带来的补偿效果的差异
传输设备中设置好的补偿参数一般是在特定距离下调试的，如600米。而在实际安防工程中，安装距离不会刚好是600米，可能是650米，则设备中拨码开关设置的补偿参数的补偿效果就会有差异，图2中由于采用了具有自动均衡功能的芯片MAX7474，从而可以很好地消除工程中实际安装距离的差异带来的补偿效果的差异。
·消除均衡网络中阻容器件参数的差异带来的补偿效果的差异
众所周知，常用的电阻和电容的精度都较低，电阻的精度一般是1%或5%，电容的精度一般是10%甚至20%。因此，即使在特定安装距离和特定材质的网线下调试均衡网络的补偿参数，两组阻容器件由于参数的分散性，补偿效果就会有差异。图2电路由于采用了具有自动均衡功能的芯片，从而可以很好地消除均衡网络中阻容器件参数的差异带来的补偿效果的差异。
对比图3、图4和图5，我们可以清楚地看到该方案对视频信号的补偿效果。
结语
MAX7474为复合视频信号通过非屏蔽双绞线传输时提供电缆损耗补偿，通过监测输出端彩色视频信号的同步信号和色同步信号的幅度调节增益，自适应均衡电缆长度。采用网线传输时，MAX7474可完全均衡300米传输电缆的损耗，并可有效提高600米传输电缆的信号完整性。MAX7474接受NTSC和PAL制式的差分视频信号，包含单位增益视频输出驱动和可调节的后肩钳位直流电平，器件还提供LOS和LOB逻辑输出指示。
在本方案中，我们采用MAX4445配合外部阻容均衡网络固定补偿特定的传输距离，并结合MAX7474自动均衡的特点来补偿网线质量、安装距离和阻容器件参数分散性等带来的差异，很好地解决了1200米视频信号的自适应传输。
参考文献
[1]MAX7474数据手册[R], Maxim公司
[2]MAX4445 Datasheet[R], Maxim
[3]MAX11504 Datasheet[R], Maxim
[4]Ben Nader.模拟视频滤波技术[J].电子产品世界, 2008, 3:110-112
[5]崔澎.未来的视频依赖转码技术[J].电子产品世界, 2008, 7:110-112
视频信号转换与光纤传输技术研究 篇2
1 几种视频信号转换器的转换分析
视频信号转换主要是针对几种视频信号转换器之间的转换, 例如:AV转换为HDMI、S-Video转换为VGA、DVI转换为VGA以及AV转换为VGA等。
(1) AV转换为HDMI。该转换器能够把S-Video信号、AUDIO (L/R) 立体声信号经过数字化处理, 进而转换成为HDMI信号输出, 其主要作用是在很大程度上提升图像与声音的质量与效果。并且将CVBS信号提高至1080P的逐行信号, 其图像表现的更为稳定, 更为清晰。主要是把VCD、DVD以及普通摄像机等的模拟数字机顶盒的音视频信号转换成为HDTV信号, 然后再通过HDMI接口接到数字电视中。并且, HDMI在输出上的分辨率非常高, 可达1920*1080@85Hz[2]。
(2) S-Video转换为VGA。主要运用于高质量的视频转换, 并且能够在视频、SVIDEO以及电脑主机之间进行切换。具有的主要功能为冻结功能。通过转换所形成的图像具有稳定性而且清晰度非常高。色彩还原性强, 画面通透感强烈。
(3) DVI转换为VG。可以对图表分辨进行自动检测, 并且能够对最优越的图形分辨率进行调整。通过DVI转换为VG能够将图形与图像文字无损且精细地显示出来, 普遍运用在数字显示当中。
(4) AV转换为VGA。该转换器具有便携式的特点, 它的主要功能是把计算机输出信号转换为电视机能够接受的信号。其分辨率具有很高的特性, 可达1280x1024@85Hz。并且可以提供电脑与电视同步显示、垂直位置与独立水平调整、触键面板等特别的功能。它在供电方面采用USB接口或者键盘口, 安装具有简易性, 结构精简, 便于携带。其影像处理技术的优越性可以为广大用户的简报、产品演示以及游戏娱乐提供极大便利。
2 光纤传输技术在数字电视中的应用探究
基于光纤传输技术中的1550纳米技术系统和SDH传输网络技术在数字电视中有着极其广泛的应用。下面笔者便从这两大方面的应用进行分析探究。
2.1 1550纳米技术系统在数字电视中的应用
近年来, 由于1550纳米技术其设备价格下降, 且技术相当成熟, 所以在数字电视中得到了极其广泛地运用。在数字电视中, 采用1550纳米技术拥有技术指标优势以及成本控制优势。能够在本地HFC网络里将数字电视信号传输出来, 该传输方式的费用低, 传输容量大。因为整个网络里仅有一个数字前端系统, 所以网络维护显得简单化、在管理方面即为方便以及运营费用也非常低。但是在增加传输的频道数量与频道的频率提高之后, 随之而来也出现了一些问题。所出现的问题主要会对运营以及服务质量造成影响。总体上来说, 1550纳米技术系统在数字电视中的应用还是具有很大的实效性与科学性。
2.2 SDH传输网络技术在数字电视中的应用
目前, 通信网以大容量标准化为发展方向, 而之前的PDH传输系统因为接口无统一规范、复用方式不当, 并且运行维护不便利等缺陷, 已经逐渐成为了现代通信网所面临的难题。鉴于此, 近年来, 研发了一种SDH传输网络技术。该技术在接入网中运用具有有效性, 能够把核心网里的宽带优势以及技术优势带进接入网的领域内。并且通过SDH同步复用、具有标准特性的光接口以及高强度的网管能力等的辅助, 能够让接入网在未来的发展领域中处于安稳状态。目前, 已经有50%以上电视用户的光纤采用了SDH技术, 按照预测, 在今后两年, 采用SDH技术的电视客户将达到70%[3]。另外, SDH技术也在不断地进步和创新, 例如:网络业务的自动生成、报警监控以及故障辅助定位等领域, 都是其发展的方向。并且, 从用户等级定义的支持、宽带出租以及宽带计费等功能可以看出SDH技术有着极其广泛的发展前景。
3 结语
通过本课题的分析与探究, 充分认识到视频信号转换的几种形式, 如:AV转换为HDMI、S-Video转换为VGA、DVI转换为VGA以及AV转换为VGA等。通过视频信号转换, 能够在很多方面提供便利。进而对SDH传输网络技术在数字电视中的应用与1550纳米技术系统在数字电视中的应用进行了分析。最后得出结论:光纤传输技术是一种非常安全的传输方法, 并且能够提供非常宽广的通信频率资源。
摘要：视频信号转换与光纤传输技术有着非常密切的联系, 现如今光纤传输技术主要运用于数字视频信号与计算机视频信号当中。本课题首先分析了几种视频信号转换器的转换, 进而针对光纤传输技术在数字电视中的应用进行了分析与研究。
关键词：视频信号转换,光纤传输技术,数字电视
参考文献
[1]马昕.视频模拟光纤传输系统的探讨[J].中国安防产品信息, 2012, 08 (11) :23-24.
[2]刘广法.胡晓吉.基于TMDS差分技术的VGA长线传输系统研究与设计[J].计算机工程与设计, 2011, 09 (11) :12-14.
视频传输方式优缺点 篇3
常见的有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输、宽频共缆传输方式，且还有一种CDMA监控。
① 视频基带传输：是最为传统的电视监控传输方式，对0~6MHz视频基带信号不作任何处理，通过同轴电缆（非平衡）直接传输模拟信号。其优点是：短距离传输图像信号损失小，造价低廉。缺点：传输距离短，300米以上高频分量衰减较大，无法保证图像质量；一路视频信号需布一根电缆，传输控制信号需另布电缆；其结构为星形结构，布线量大、维护困难、可扩展性差。
② 光纤传输：常见的有模拟光端机和数字光端机，是解决几十甚至几百公里电视监控传输的最佳解决方式，通过把视频及控制信号转换为光信号在光纤中传输。其优点是：传输距离远、衰减小，抗干扰性能最好，适合远距离传输。其缺点是：对于几公里内监控信号传输不够经济；光熔接及维护需专业技术人员及设备操作处理，维护技术要求高，不易升级扩容。
③ 网络传输：是解决城域间远距离、点位极其分散的监控传输方式，采用MPEG音视频压缩格式传输监控信号。其优点是：采用网络视频服务器作为监控信号上传设备，有Internet网络安装上远程监控软件就可监看和控制。其缺点是：受网络带宽和速度的限制，只能传输小画面、低画质的图像；每秒只能传输几到十几帧图像，动画效果十分明显并有延时，无法做到实时监控。
④ 微波传输：是解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控传输的解决方式之一。采用调频调制或调幅调制的办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波在空中传输。其优点是：省去布线及线缆维护费用，可动态实时传输广播级图像。其缺点是：由于采用微波传输，频段在1GHz以上常用的有L波段（1.0~2.0GHz）、S波段（2.0~3.0GHz）、Ku波段（10~12GHz）,传输环境是开放的空间很容易受外界电磁干扰；微波信号为直线传输，中间不能有山体、建筑物遮挡；Ku波段受天气影响较为严重，尤其是雨雪天气会有严重雨衰。
⑤ 双绞线传输（平衡传输）：是解决监控图像1Km内传输，电磁环境复杂场合的解决方式之一，将监控图像信号处理通过平衡对称方式传输。其优点是：布线简易、成本低廉、抗共模干忧性能强。其缺点是：只能解决1Km以内监控图像传输，而且一根双绞线只能传输一路图像，不适合应用在大中型监控中；双绞线质地脆弱抗老化能力差，不适于野外传输；双绞线传输高频分量衰减较大，图像颜色会受到很大损失。
⑥ 宽频共缆传输：是解决几公里至几十公里监控信号传输的最佳解决方案，采用调幅调制、伴音调频搭载、FSK数据信号调制等先进技术，可将四十路监控图像、伴音、控制及报警信号集成到“一根”同轴电缆中双向传输。其优点是：充分利用了同轴电缆的资源空间，四十路音视频及控制信号在同一根电缆中双向传输、实现宽频共缆“一线通”；施工简单、维护方便，大量节省材料成本及施工费用；频分复用技术解决远距传输点位分散，布线困难监控传输问题；射频传输方式只衰减载波信号，图像信号衰减很小，亮度、色度传输同步嵌套，保证图像质量达到4.5级以上国家标准；采用75Ω同轴不平衡方式传输使其具有非常强抗干扰能力，电磁环境复杂场合仍能保证图像质量。其缺点是：采用弱信号传输，宽频调制端需外加AC220V交流电源，但目前大多监控点都具备这个条件。
视频信号传输 篇4
关键词：趋肤效应,电缆包层间的电容,幅频特性,相频特性
视频信号用长电缆传输过程中, 由于同轴电缆的直流电阻、电感、包层间电容及趋肤效应等因素的影响, 其信号特别是信号的高频分量幅度将严重衰减, 且相位滞后, 大大降低了图像的清晰度, 严重影响图像的重视。在这几个因素中, 趋肤效应和电缆包层间的电容影响最大。
这样我们可以近似的将一段长电缆看作如图 ( 3) 所示的阻容网络, 由基尔霍夫定律得:
参考文献
[1]李杰.电视学导论[M].北京:国防工业出版社, 2008.
[2]陈其纯.电子线路 (模拟与数字电路) (第二版) [M].北京:高等教育出版社, 1992.
视频信号传输 篇5
1 系统整体方案设计
本设计是以LATTICE公司的ECP3系列的FPGA为核心，对DVI视频进行硬件实时压缩并利用以太网传输中ARP包格式进行点对点传输。系统分为发送端和接收端两部分，发送端由预处理模块、存储模块、压缩模块、数据发送模块、电源等组成。接收端由数据接收模块、解压缩模块、显示设备等构成。本设计的方法是先对服务器输出的DVI视频做预处理，提取图像数据中的行同步信号(HSYNC)及场同步信号(VSYNC)，将信号转换成标准的RGB信号并送到FPGA中处理。FPGA将标准RGB信号进行压缩，最后将压缩后的信号封装成ARP包的格式，通过千兆以太网卡的物理层协议进行点对点传输，从而有效增加了传输距离。在接收端，网卡收到包后将解出的数据送给FPGA，由FPGA完成解压缩，并进行RGB到DVI的格式变换，最后送到显示器显示。系统功能模块如图1所示。
2 发送端各模块设计
2.1 预处理模块
DVI接口采用最小化传输差分信号(Transition Minimized Differential Signal,TMDS)进行传输。其中TMDS发送端在每个时钟周期对图像数据和行、场同步信号进行编码，并通过链路传输。本文中图像色深为24 bit,DVI接口采用单链路模式。其单链路模式结构图[1]如图2所示，其中通道0、通道1、通道2为数据通道。
在单链路模式中，每个颜色分量都有一个编码器，对8 bit的图像数据和2 bit的控制信号(行、场同步信号)进行编码，输出10 bit信号并在链路中传输。在数据使能信号(DE)有效即DE=1时，对8 bit图像数据进行编码;在DE=0时，对2 bit控制信号进行编码。
DVI接口输出信号中包含编码后的控制信号和图像信号，不能直接进行压缩。采用Silicon Image的SiI1661[2]对DVI信号进行解码预处理。SiI1661支持DVI2.0标准并可以往下兼容DVI 1.0标准，在接收到DVI接口输出的4对差分信号后，解出的24 bit的RGB原始图像数据，同时解出行、场同步信号及使能信号。输入输出简图如图3所示。
由SiI1661输出标准的RGB数字视频的红绿蓝3个分量存放在3个DRAM中，供FPGA读取。
2.2 图像压缩与重编码模块
目前视频监控系统中为了节省带宽通常采用基于帧间预测的压缩算法，并与码率控制算法相结合，控制传输时码流的稳定，使得编码效率大幅提高，压缩与解压缩复杂度也大幅提高。本系统使用千兆以太网传输数据，优先考虑画面的清晰度和实时传输，所以采用了较低复杂度的压缩算法。
本模块使用的是一种以二维整数DCT变换为核心的帧内压缩算法。由于DCT变换具有良好的特性，JPEG及H.264帧内编码都是用DCT变换作为核心算法。在本系统中，需要压缩的数据是由SiI1661输出的整形数据，使用优化后的二维整数DCT算法。
做1次二维DCT变换时，相当于做2次一维变换，二维DCT变换可用矩阵[3]表示为
A=CXCT(1)
式中:X为像素值;C为DCT变换矩阵。在二维整数DCT变换中，通过算数运算，将矩阵C元素全部变为整数，并将比例因子矩阵放到量化过程中，从而实现了整数化。二维整数DCT变化矩阵表示为
式中:S表示比例因子。
在本压缩算法中，先将图像划分成多个4×4的像素块，然后分别对像素块就行二维整数DCT变换，变换矩阵[4]为
然后对得到16个DCT系数进行量化，量化的目的有两个，一是使能量较低的系数为0，达到压缩的目的，同时通过量化来控制压缩比;二是减小各系数的幅度，从而使其能够用8 bit表示，为使用8b/10b码传输提供便利。最后对每个量化后的4×4的DCT系数矩阵进行Zig-Zag扫描，形成一维矩阵。
本设计使用一根超五类线作为传输介质，控制信号与图像信号必须使用同一条链路传输，因此要对压缩后的数据重新进行编码，根据画面实时传输的特点，选用以太网协议规定的ARP包格式进行传输。重编码的目的是将8 bit图像信号通过特定的编码规则变成10 bit码，并将2 bit的行、场同步信号通过映射变成10 bit码[1]。2 bit控制信号对应的10 bit如表1所示。
控制信号的10 bit码不符合图像信号的解码规律，即接收端能够轻易判断出是控制信号还是图像信号。
2.3 数据发送模块
在现场工程应用中，点对点传输是最常用的方式，又因为数据需封装成以太网中的帧格式，因而选用ARP包格式。ARP包的帧头开销较小，能有效地节约带宽资源，并且以广播的方式进行传播，完全满足实际需求。以太网帧格式如图4所示。
本文采用的是ARP协议，类型的2 byte为0806，表明是ARP包，根据此协议，发送端输出的为广播包，故目的地址的6 byte为FFFFFFFFFFFF。在压缩与重编码模块，对视频的3个颜色分量分别做压缩，又为降低帧头开销，故数据部分为1 200 byte，即三个颜色分量各400 byte。
3 接收端各模块设计
3.1 数据接收模块
在以太网传输中，网卡只对以太网帧中的帧头进行解析，解析出这是ARP包后，进行接收，并丢弃帧头，将数据部分送至FIFO中，以供后续模块处理。
3.2 解压缩模块
在接收到ARP包中的数据部分后，将3个颜色分量分别放入3个DRAM。在解压缩之前，先对10 bit码进行解码，分离出8 bit图像信号和2 bit控制信号，并回复出数据使能信号DE。完成解码之后，进行解压缩。对4×4的矩阵中元素进行反量化，并进行二维整数DCT反变换，得到重构的图像矩阵。
3.3 格式转换模块
数据完成解压缩之后已经是每像素24 bit的RGB数字视频图像，但还不能在具有DVI接口的显示器上显示，本模块利用Silicon Image公司的SiI1660芯片[5]完成这一转换。
SiI1660芯片支持DVI2.0协议并向下兼容DVI1.0协议。其输入为24 bit图像信号、行同步信号、场同步信号、数据使能信号(DE)、时钟信号。其输出为4对差分信号，即3对图像信号与1个时钟信号。芯片输出视频流与DVI视频流完全一致，输出信号直接送于显示器进行显示。其输入输出及部分配置引脚如图5所示。
其中DIE[0:7]为蓝色分量的8 bit数据，DIE[8:15]为绿色分量的8 bit数据，DIE[16:23]为红色分量的8 bit数据。本文中一个时钟处理24 bit数据，故将PIXS引脚置低，此时使用DIE[23:0]作为像素信号的输入。SiI1660与具有DVI接口的显示器连接，完成图像的显示。
4 仿真与测试
目前，根据本文所述开发了一个视频传输系统，并对系统进行了仿真及初步的测试。应用场景为校区内道路监控。对监控拍摄图像采用整数DCT变换压缩，当分辨率为1 280×1 024@60 Hz时，压缩比约为5∶1时效果如图6所示，画面清晰自然，拥有高达36.61 dB的峰值信噪比，此时数据速率为1 280×1 024×60×10×3/5=472(Mbit/s)，完全满足用千兆网进行长距离传输的比特率要求，依据IEEE802.3ab标准，使用千兆网卡物理层芯片在UTP双绞线上，传输距离可达100 m。
对压缩与解压算法复杂度的仿真在ModelSim中完成，压缩算法波形如图7a所示，解压算法波形如图7b所示。
对4×4像素块做二维整数变换得到，并对矩阵B做反变换得到A，体现了整数变换无偏移的特点。由波形图看出压缩只需4个时钟周期，解压只需7个时钟周期，以1 s内压缩或解压60帧1920×1080的图像为例，每秒处理23.328×106个4×4像素块，依托FPGA强大的并行处理能力，完全可以在1 s之内完成60帧图像压缩及解压缩，而在市场上使用铜缆延长DVI视频传输距离的同类产品中，传输1 920×1 080高清视频时，只能达到25 f/s。
5 结论
本文针对高清DVI视频信号数据量大、传输距离短的特点，提出了一种低复杂度实时压缩算法，并结合工业场合无法使用光纤传输这一问题，提出了将图像进行压缩并利用千兆以太网进行点对点传输的方法。物理层采用了满足IEEE802.3ab标准[6]网络芯片，这类芯片可以在五类双绞线上，传输距离达到100 m。与市场上使用光纤延长DVI视频的产品相比较，本设计使用预留五类双绞线，解决了工业现场布线困难问题。与市场上使用五类线延长DVI视频的同类产品相比较，本文使用低复杂度的压缩算法，解决了传输高清视频时，帧数过低的问题。本文对方案中的关键模块进行了论证和仿真，在初步的实验中实现了1 600×1 200分辨率的高清显示。
摘要：针对DVI高清视频传输距离短的问题,提出了一种利用千兆以太网物理层协议进行点对点低延时传输的方法。该方法通过对DVI视频的采集,并通过一种改进的低复杂度压缩算法,压缩后的数据利用千兆以太网底层协议的ARP包承载数据传输,从而实现实时点对点传输。用此方法可使高清DVI信号延长传输到100 m以上,满足了工程中对高清视频远程实时监控的要求。
关键词：视频压缩,DVI,DCT,以太网,FPGA
参考文献
[1]Digital Display Working Group(DDWG),Digital visual interface specification 1.0[S].1999.
[2]Silicon Image.SiI1661 Panellink receiver date sheet[S].2013.
[3]郁光珍,郑博,李松亭,等.H.264/AVC整数DCT变换与量化的FPGA实现[J].电视技术,2011,35(9):20-22.
[4]李清扬,伍瑞卿,樊丰.H.264整数DCT变换与量化系统实现[J].电视技术,2006,30(8):29-32.
[5]Silicon Image.SiI1660 Panellink transmitter date sheet[S].2013.
视频信号传输 篇6
2008年工业和信息化部发布了中国超宽带(Ultra Wide-band,UWB)频谱规划,推进了UWB技术在中国的推广应用。UWB技术作为一种新型的短距离、高速率无线通信技术,其传输速率可以达到480 Mb/s以上,UWB技术已经成为视频设备和便携多媒体设备等需要高品质视频传输的技术基础[1]。UWB信号无线传播环境的特性是UWB通信系统研究的基础[2],建立能够真实反映UWB信号传播特性的信道传播模型是进行UWB系统设计的首要任务[3,4]。
在UWB无线视频传输环境中,无线发射模块发射的UWB信号在传播路径上往往会遇到多个障碍物。利用时域一致性绕射理论(TD-UTD)的方法可以分析UWB信号经历单个半平面、劈形和圆形障碍物绕射后的时域传播特性。TD-UTD方法也能够被应用于分析UWB信号经历多个障碍物后的时域传播特性,但是利用TD-UTD理论分析过渡区的传播特性时,需要引入复杂的高阶绕射项[5,6,7]。因此,TD-UTD方法无法分析障碍物数目比较多的多重绕射模型。文献[8]利用物理光学(PO)在分析多重绕射时的优势,提出了一种利用UTD理论和PO方法的混合方法,并利用这种混分方法在频域内研究了多重绕射的绕射系数。本文将频域内UTD-PO方法推广到时域,利于时域UTD-PO方法分析UWB信号在典型传播环境下经历多个障碍物后的时域传播特性。该方法利用PO方法中的递推关系代替过渡区内的高阶绕射项,在时域内分析了Bertoni模型[6]的多重绕射系数。利用简单的卷积运算,可以预测接收点的UWB信号,从而分析无线视频传输系统中UWB信号的多重绕射传播特性。
1 UWB信号的多重绕射传播模型
在本文研究的无线视频传输环境中,UWB信号多重绕射传播模型如图1所示。N个障碍物被等效成平顶长方形的结构体,这种结构体的障碍物可以看成由两个直角劈拼接而成,横截面的宽度为v,同时假定具有相同的高度hb,相邻障碍物之间的距离都为w,天线的高度为ht,距离第一个障碍物的距离为d。接收设备的高度为hr,放置于第n个障碍物和第n+1个障碍物之间,距离第n个障碍物的水平距离为dr。从发射模块发射的UWB信号以入射角为α的平面波入射到这排障碍物上。从图1中可以看到,UWB信号在到达第n个障碍物右顶点后会经历两条不同的路径(路径长度分别为d1和d2)后抵达接收模块。
2 频域模型
文献[9,10,11,12]利用物理光学在分析多重绕射特性方面的优势,利用UTD-PO的混合方法分析超宽带信号经历多个障碍物后的绕射传播特性。该方法利用一组递推关系回避处理UTD理论中的高阶绕射项,提高了运算效率。本文将上述混合方法引入到分析图1所示的无线视频传输系统中,利用基于UTD-PO的混合方法分析上述传播环境时,只需要分析一条射线的简单绕射,通过递推关系能够得出接收点的场强表达式。根据文献[6]的分析方法,图1所示传播环境中参考点的场强E(n)(ω)可以表示为:
其中距离参数Sm=(n-m)(v+w)-w,Sp=(n-p)(v+w)。
式中:k是波数;E0是入射UWB信号的幅度。
UWB信号在平顶障碍物的左顶角的场强Em(ω)可以表示为:
其中距离参数Sq=(m-q)(v+w),Sr=(m-r)(v+w)+w。
Dl(ω,Lm,q)和Dr(ω,Lp,r)是图1传播环境中UWB信号在障碍物左、右顶角的频域绕射系数。根据文献[8],两个绕射系数的参数可以表示为:
3 时域模型
式(1)给出了接收点场强的频域递推关系,利用拉普拉斯变换可以得到时域递推表达式,利用时域递推关系可以分析超宽带信号在图1所示的传播环境下的时域多重绕射传播特性。根据拉普拉斯变换,图1所示的参考点的时域脉冲响应可以表示为:
图1中障碍物左顶点的时域脉冲响应可以表示为:
式中:c代表光速;δ()∙是Dirac Delta函数;s和h分别代表水平极化和垂直极化。ds,h(L,t)是时域UTD绕射系数,可以表示为:
文献[8]给出了时域反射系数rs,h(t)的表达式,文献[3]给出了式(7)中的各项di(t)的表达式:
ϕ和ϕ′分别是式(3)和式(4)中的绕射角和入射角。
UWB信号在到达图1中所示的参考点后,分别经历两条不同路径(路径长度分别为d1和d2)抵达接收模块。因此,接收模块会收到两个在时间轴上分开的脉冲信号,这两个脉冲信号可以表示为:
式中:RH,V是文献[5]中给出的反射系数;d1和d2是从参考点到接收模块经历的两条路径的距离;d1s,h(t)和d2s,h(t)是上述两条路径在参考点处的时域绕射系数。
4 仿真结果
本节利用式(5)来研究图1所示的无线视频传输环境中的UWB信号的多重绕射传播特性。在图1所示的UWB信号的传播环境中,障碍物的高度为hb=2m,相邻障碍物之间的距离为w=1.5m,障碍物横截面宽度为v=0.5m,接收天线的高度为hr=1m,距离左边障碍物的水平距离为dr=0.5m,障碍物的相对介电常数εr=5.5,电导率为σ=0.023S/m。本文中使用的UWB信号是高斯二阶导脉冲信号,其数学表达式为:
式中τ决定信号的脉冲宽度,这里τ=0.1ns。在仿真中,天线的高度参数ht和障碍物的个数参数n可以根据仿真的需要调整。
为了验证上述基于UTD-PO方法的有效性,假设图1所示的传播环境中有2个障碍物,分别用基于斜率绕射场的UTD方法[7](S-UTD)和本文基于UTD-PO的方法来预测图1接收点的接收信号。假设发射模块发射一个水平极化(soft)UWB信号,入射角α=π20,接收模块收到的信号r1(t)和r2(t)如图2所示。从图2中可以看出,用本文提出的混合方法预测的接收点的UWB信号和用基于高阶绕射场的UTD方法预测的信号吻合。因此,本文提出的混合方法能够准确地分析UWB信号在无线视频传输系统中的多重绕射传播特性。另外,尽管经历了两条不同的传输路径,接收模块收到的信号r1(t)和r2(t)在波形上差异很小。这是因为经历路径2(路径长度分别为d2)抵达接收模块的UWB信号在到达第二个障碍右顶点绕射后还需要经历一次反射后才能到达接收模块,而在路径1(路径长度分别为d1)上,接收模块处于深阴影区内。因此,后文在分析抵达接收模块的UWB信号时,只给出了经历路径1(路径长度分别为d1)抵达接收模块的UWB信号r1(t)。图3给出了在上述传播环境中,水平极化(soft)和垂直极化(hard)入射时,接收模块处的UWB信号。从图3可以看出,相同传播环境下,相比垂直极化的入射信号,水平极化的入射信号衰减更为明显。这对设计无线视频传输系统而言有很好的工程指导意义。
接下来在含有4个障碍物的传播环境下调整发射模块所处位置的高度ht,研究不同发射模块位置高度ht下,无线视频传输环境中UWB信号的多重绕射传播特性。假设发射模块发射的信号的入射角α分别为π15和π20时,接收模块处的UWB信号如图4所示。从图4中可以看出,由于障碍物和接收模块都处于发射模块的非视距内(NLOS),随着发射信号入射角度的增加,接收点的UWB信号的幅度有所增加。这是因为在图1所示的传播环境中的参考点处接收到的信号是经发射模块发射的直达信号和经障碍物多重绕射后的信号的叠加信号,随着入射角度的增加,参考点处的接收信号幅度有所增加;接收模块处收到的信号是在经过参考点处信号绕射后的信号,随着角度的增加,绕射信号的强度会增强。因此,在入射角度增加时,接收模块的信号有所增强。另一方面,相比于参考相位点,随着UWB信号入射角度的增加,UWB信号经历的路径长度有所减少,所以在时间轴上入射角为α=π15时入射信号的到达时间会先于入射角为α=π20入射信号的到达时间。
为了说明本文中提出的混合方法在分析无线视频传输环境中UWB信号多重绕射传播特性的优越性,假设图1传播环境中分别含有2个,3个和4个障碍物,发射模块发射的信号入射角为α=π20的入射信号。分别用基于斜率绕射场的UTD方法[7]和本文基于UTD-PO的方法预测图1所示传播环境中的UWB信号多重绕射传播特性,并比较两种方法的运算时间,如表1所示。从表1中可以看出,随着障碍物数目的增加,本文中的混合方法相比基于S-UTD的方法有更高的运算效率。这是因为对于含有n个障碍物的传播环境而言,利用基于S-UTD的处理方法,需要处理22n条射线;利用本文提出的方法,计算过程只需要考虑2条射线(经第一个障碍物左顶角和右顶角绕射后的绕射射线),接收点的多重绕射信号可以看成一组绕射信号的算术平均值。因此,本文中提出的时域方法不仅能够准确地应用于分析无线视频传输系统中含有多个障碍物的多重绕射模型,而且在障碍物数目比较多时,还能够明显节省计算时间。
5 结语
本文在时域内将物理光学的方法引入到一致性绕射理论中,利用这种混合方法能够回避处理过渡区内复杂的高阶绕射项。通过这种混合方法研究了典型Bertoni模型中的时域绕射系数,从而分析了UWB信号在无线视频传输系统中多重绕射传播特性。结果表明这种方法不仅能够准确有效地应用于分析无线视频传输系统中UWB信号的多重绕射传播特性,而且随着绕射障碍物数目的增加这种方法的运算效率更高。
参考文献
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视频信号传输 篇7
关键词：红外热像仪,信号完整性,反射,阻抗匹配
随着数字电路信号速度的提高, 信号完整性问题的影响也愈加突出。信号完整性 (简称SI) 指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅值到达, 则该电路具有较好的信号完整性。否则, 当信号不能正常响应时, 就出现了误触发、过冲等造成时钟间歇振荡和数据错误的信号完整性问题 (简称SI) [1]。
从广义上讲, 信号完整性指的是在高速数字电路中由互连线引起的所有问题。它主要研究互连线与数字信号的电压, 电流波形相互作用时, 电气特性参数如何影响产品的性能。信号完整性问题主要包括各种传输线效应现象, 如信号反射、时延、振铃、信号的过冲与下冲以及信号之间的串扰等, 涉及传输线上的信号质量及信号定时的准确性[2]。
良好的信号质量是确保稳定时序的关键。本文从信号阻抗匹配的角度针对所设计的手持式红外热像仪系统的视频信号的传输进行了反射问题研究, 并利用Altium Designer进行了系统反射模型的仿真。
1系统中信号完整性问题
手持式红外热像仪具有系统复杂, 结构紧凑, 附属设备多等特点, 如图所示。
由于系统存在一些功率器件和电磁设备如电机等, 而且系统空间结构非常紧凑, 因此很容易对系统中传输的视频信号产生电磁干扰问题, 对于这一类问题, 通常采用的做法是屏蔽, 即对系统主要电路模块加金属屏蔽外壳, 同时传输导线采用同轴屏蔽线等方式解决[3]。从结构图中我们还可以看出由于视频信号在多个模块之间同时进行传输, 因此传输线间的阻抗匹配问题将会带来严重的信号反射, 从而影响系统正常使用。
通过理论分析可知, 一般有两种情况会导致反射的存在: (1) 走线上的阻抗不均匀; (2) 终端阻抗不匹配。假设我们已经仔细设计了走线, 并保证它有恒定的、受控制的特征阻抗。如果它的终端阻抗合适, 就不会在这一端造成反射。但是如果终端阻抗选择得不合适, 就会产生反射。反射的大小用反射系数ρ来衡量。在单个的终端电阻并联在走线远端的情况下, 电压反射系数的定义为[4]:
式 (1) 中RL是终端电阻或负载电阻, Z0是传输线特征阻抗。
如果RL=Z0, 那么反射系数的大小就变为0, 从而不存在反射。如果走线是开路的 (即RL是无限大) , 那么反射系数就是RL/RL=1。这表明反射是100%, 并且反射信号的符号是正的。如果把走线短路, 那么终端阻抗是0, 从而反射系统是-Z0/Z0=-1;这说明反射是100%, 只是反射信号的方向与原信号方向是相反的。所以反射系数值的范围在-1到+1之间, 在走线开路的情况下, 反射系数的值是+1;在走线短路的情况下, 反射系数的值是-1。反射系统是0, 说明走线终端阻抗精确匹配。
综上分析可知, 只要在信号传输路径上出现瞬态阻抗改变, 信号就会发生反射。为减小这一基本特性造成的信号完整性问题, 可使用可控阻抗负载线和传输线接的方法, 从而实现传输线阻抗匹配, 这是高速电路设计追求的理想目标。
2 阻抗匹配方式
控制传输线一端或两端的阻抗从而减小反射的方法称为传输线的端接。传输线终端匹配最常用的形式有五种[5]。
2.1 并联方式
等于传输线特征阻抗的一个电阻 (RL=Z0) 连接在传输线的末端。在走线上传播的所有能量都被电阻吸收, 从而不存在反射, 如图2 (a) 所示。这种方式具有电阻的值易于确定;只有一个元件;容易连接;对分布负载 (即负载沿着走线分布) 来说性能良好等优点。但有一个缺点是它提供了一个连续到地的直流路径, 因些带来了功率的损耗。
2.2 戴维宁方式
如图2 (b) 它包括一对电阻, 一个连接到电源, 一个连接到地。这对电阻在终端阻抗匹配功能之外还提供了上位/下拉的作用。因此, 它除了给分布的负载提供并联的终端阻抗之外, 还可以在某些特定的场合提高噪声裕度。但这种方式相对于并联方式并没有减弱功率的损耗, 反而增加了一个额外的元件, 而且这种方法只适合于双极型器件 (两个状态) , 不适合于三态逻辑系列。
2.3交流终端匹配方式
即给并联终端电阻串联一个电容, 如图2 (c) 所示, 这种方式优点是电容阻止了直流电流, 但带来的问题是增加了一个元件, 而且在电容阻值选择上也会带来一些信号影响问题。
2.4串联方式
该方式在高速设计中越来越常见, 如图2 (d) 所示。它只使用了一个元件而且没有DC电流。然而串联终端匹配电阻放置在走线的开始位置而不是末端, 因此, 走线末尾如果是开路的就会出现100%反射。
2.5二极管匹配方式
使用二极管进行终端匹配不是为了把反射减少到最小, 而只是为限制反射。这种技术仅仅是把反射信号的幅度限制在VCC和地电平之间, 如图2 (e) 所示。
3 系统模型仿真
在一个已有的PCB上分析和发现SI问题是一件非常困难的事情, 即使找到了问题, 在一个已成形的板上实施有效的解决办法也会花费大量时间和费用。为此, 期望能够在物理设计完成之前查找发现, 在电路设计过程中消除或减小SI问题, 这就是EDA工具需要完成的任务。先进的EDA工具可以仿真实际物理设计中的各种参数, 对电路中的SI问题进行深入细致的分析。在本系统的设计中, 采用TVP5150视频解码芯片由DSP进行视频的采集, 并通过CH7024芯片将DSP处理后的视频进行编码输出, 采用了Altium Designer的信号完整性分析工具对所设计的PCB板的视频信号部分电路 (如图3所示) 对并联阻抗匹配和串联阻抗匹配两种阻抗匹配方式进行了仿真。
在仿真时, 我们设置匹配电阻的阻值为75 Ω, 敷铜皮的厚度为35 μm, 仿真传输100 ns周期内的视频信号, 其中纵坐标表示信号幅度, 单位为V, 横坐标表示信号传输时间, 单位为ns。仿真结果示意图如图4。
由图4中可以看出, 两种匹配方式都能很好地保持信号的完整性, 同时我们还注意到, 由于视频输出端需要同时驱动两块液晶屏, 因此在驱动信号上升和下降沿上都有一部分过冲, 但其幅度还不至于影响系统正常工作。考虑到手持式设备对功耗问题的敏感性, 我们在该系统采用了串联电阻匹配方式来抑制信号的反射。
4 总 结
基于信号完整性基本理论, 利用EDA工具的信号完整性仿真功能, 对自行研制的手持式红外热像仪系统进行了信号反射问题的分析, 通过对系统参数的优化选择, 确定了解决系统信号反射的方案, 由仿真结果可以得出, 我们的方案合理可行。
由于目前随着高速电路设计技术的发展, 在PCB板实际加工以前, 通过对PCB板进行软件仿真, 可以提前发现系统问题, 不仅缩短了硬件设计的开发周期, 还降低了研发的费用。
参考文献
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[4]刘雷波, 赵岩译.信号完整性问题和印制电路板设计.北京:机械工业出版社, 2005:96—97
视频信号传输 篇8
关键词：三网融合,传输方式
经过多年的网络建设,运营商的省级干线网络覆盖了省内各个地市,各地市的本地传送网络也已覆盖了市区及郊县的大部分区域,形成了以光缆传输为主,以微波传输为辅的混合传输网络。目前,重大赛事的举办经常涉及主赛区及各个分赛区,运营商四通八达的网络给信号在传输过程中提供了保障。
广播电视信号的传输技术一般可以分为三种,即微波、卫星和光纤传输技术,而在与运营商共同搭建的网络中则以光纤传输技术为主。在转播的过程中,对信号的要求种类繁多,而各种信号对传输和光缆的要求也不尽相同。比如公共信号,因为其重要性,一般要求提供主备两路光端机,配合对应的双物理路由的光纤进行传输,以便于在其中一路发生故障时能及时切换至另一路;而如单边信号和演播室返送信号,则可以采用单路由传输。在光纤传输应用于广播电视信号传送的情况下,又可以根据实际情况分为全程非压缩信号传输和非压缩信号传输与压缩信号传输结合的方式。
1 非压缩信号传输
非压缩信号传输是通过视频光端机利用基带光纤直连实现,将高清HD-SDI信号无压缩的送到IBC(国际广播中心)TER机房。
通常,在各比赛场馆的电视转播机房设立TOC(电视转播机房)机房(距离电视台转播车不超过50米),将场馆高清HD-SDI信号通过光端机发机转换为光信号,经运营商提供的本地光缆进行传输到IBC通信机房,通过光端机收机转换成HD-SDI信号。每个通路占用1芯光纤,直接通过视频光端机收发,两端提供BNC接口,对信号进行无损的传输,可以覆盖主赛区市内所有场馆,传送效果好。
其中,公共信号采用1+1主备用传输,即采用端到端的双设备、双光缆传输。用户在TOC提供两个HD-SDI接口;在IBC TER通信机房同时提供主备信号给CDT机房相应的视频交换系统,主用传输通道故障不会造成服务中断,主备通道具有同样的可用性和传输质量。重点的开闭幕式场馆,主备用光缆要求采用物理分开的双路由,确保一个方向的光缆中断或设备故障时,信号不中断。
单边信号采用冷备设备和双光缆的传输,用户在TOC提供1个HD-SDI接口,TOC和IBC TER通信机房之间开通主备光缆,配置一定数量的冷备设备,当主用传输通道故障时,进行相应的设备或光缆替换,主备通道具有同样的可用性和传输质量。
2 非压缩信号传输与压缩信号传输相结合
一般而言,若大型比赛的转播涉及多个地市,那么在各个分赛区所在地市至主赛区所在地市需要用非压缩信号传输与压缩信号传输相结合的方式。在分赛区所在地市内,采用视频光端机利用基带光纤直连,长途部分采用编解码器和传输接口设备利用SDH传输电路,将高清信号HD-SDI经过压缩编解码后送到IBC TER机房。同时,因为压缩编码方式会以牺牲信号码速率为前提,因此采用这种方式传输的信号可依据其重要性对带宽进行灵活的增加。
分赛区所在的外地市场馆,一般在赛事集中的体育中心各自建立运营商的TER机房作为汇聚节点,将传输电路开到该场馆的TER通信机房,场馆内各个TOC机房到TER机房通过光端机的方式传输HD-SDI信号。将高清信号通过编码器进行压缩编解码,输出ASI信号到传输接口单元,进行网络适配后,通过运营商提供的长途SDH传输电路传送到IBC通信机房。IBC通信机房通过传输接口单元输出ASI信号到一一对应的解码器,解出HD-SDI信号。
同样的,公共信号采用1+1主备用传输,即采用端到端的双设备(光端机、编解码器)和双光缆(场馆TOC电视转播机房至该市TER机房)传输。用户在TOC提供两个HD-SDI接口;主备具有同样的可用性和传输质量,在IBC TER通信机房同时提供主备信号给CDT机房,相应的视频交换系统主用通道故障不会造成服务中断。
而单边信号采用配置冷备设备(光端机、编解码器和传输接口设备)和双光缆(场馆TOC电视转播机房至该市TER机房)传输,用户在TOC提供1个HD-SDI接口。TOC和运营商TER通信机房之间开通主备光缆,配置一定数量的冷备设备,当主用传输通道故障时,进行相应的设备或光缆替换,主备通道具有同样的可用性和传输质量。TER通信机房到IBC通信机房之间编码器设备具有一定的数量的冷备,长途传输电路为带保护倒换的SDH电路,当主用设备故障时,进行相应的编解码器、传输接口单元设备替换,主备通道具有同样的可用性和传输质量。
3 总结
运营商丰富的光缆和传输资源为广播电视信号采用光纤传输方式提供了渠道。当然,赛事的转播需要结合各种信号传输的手段,并互相依托互为备份,这样才能保障转播的顺利进行。
参考文献