（通信与信息系统专业论文）副载波调制的数字视频传输系统研究.pdf

中文摘要 随着经济的迅速发展，安全防范系统在人们的日常生活中应用的越来越广 泛，视频监控系统是安全防范系统中的一个重要的组成部分，目前视频监控的产 品主要是集中在小范围监控领域，对于大范围多点监控还没有十分有效的办法。 针对这种情况，本文提出了一种可以应用于大范围多点监控的系统，这个系 统不但监控距离长，而且很好的解决了目前系统中存在的带宽不足和成本偏高这 两个比较突出的问题，既能够实现多点的长距离的监控的功能，又能够兼容小范 围监控的功能。 该系统以模拟的视频处理系统为基础，采用了光电结合的副载波调制技术， 复用设计巧妙，充分发挥了光通信和电调制的特长，同时又结合了数字处理技术， 采用数字压缩算法处理视频信号，提高了系统的稳定性，更保证了信号的质量， 本工作中完成了系统的结构的设计，包括系统结构框图，使用的主要技术，并详 细设计了系统中三种节点的工作流程，同时完成了节点核心电路板的仿真设计流 程，针对电路板工作频率较高的特点，采用了高速电路设计与仿真的方法，从信 号完整性分析入手，并应用c a d e n c ee d a 设计工具，重点解决了反射，串扰和 时序这三个关键问题。保证了电路板上的信号完整性，并使用仿真的结果直接指 导了p c b 电路的设计工作。 关键词：大范围视频监控副载波调制信号完整性c a d e n c e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , s a f e t ya n dp r o t e c t i o ns y s t e mh a sb e e n m o v ea n dm o r ew i d e l yu s e di no u rd a i l yl i f e t h ev i d e om o n i t o rs y s t e mi so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h es a f e t ya n dp r o t e c t i o ns y s t e m ，c u r r e n t l ym o s to ft h ev i d e o m o n i t o rp r o d u c ti sd e s i g n e dt ou s ei nt h es h o r tr a n g ev i d e om o n i t o r , w el a c ka n e f f e c t i v ew a yu s e di nt h el o n gr a n g ev i d e om o n i t o r t os o l v et h i sp r o b l e m ，w ed e s i g n e dan e wl o n gr a n g ev i d e om o n i t o rs y s t e m ，i ti s n o tj u s tt h em o n i t o rd i s t a n c ei sv e r yl o n g ，t h es y s t e ma l s os o l v e dt h et w om a i n p l - o b l e m si nt h ep r e s e n tu s e ds y s t e m ：i n s u f f i c i e n to f t h eb a n d w i d t ha n dt o om u c hc o s t t h en e ws y s t e mh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nt h em u l t i - p o i n t sl o n gr a n g ev i d e om o n i t o r j o b ；i tc a na l s ob eu s e da sas h o r tr a n g ev i d e om o n i t o rs y s t e m t h i ss y s t e mi sb a s e do n 觚a n a l o gv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m i ta d o p t st h e t e c h n i q u eo fs u bc a r r i e rm o d u l a t i o n ，w h i c hi st h ei n t e g r a t i o no ft h eo p t i c a la n dt h e e l e c t r i c a lm o d u l a t i o nt e c h i n i q u e ，b e c a u s eo ft h ei n g e n i o u sd e s i g no ft h em o d u l a t i o n m o d e ，t h es y s t e mf u l l yu s e dt h ea d v a n t a g e so ft h eo p t i c a la n dt h ee l e c t r i c a l m o d u l a t i o n ，a n dt h eu s eo fd i g i t a lp r o c e s s i n gi nv i d e os i g n a lp r o c e s sg r e a t l yr a i s e st h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dp r o o ft h eh i g hq u a l i t yo ft h ev i d e os i g n a l i nt h i sa r t i c l ew e f i n i s h e dt h e s ej o b s ：t h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e m ，i ti n c l u d e st h ed e s i g no ft h ew o r k f l o w , t h ed e t e r m i n eo ft h em a i nt e c h n i q u e ，t h ed e s i g no ft h et h r e ek i n d so fk e yp o i n t s ， a n da l s ot h es i m u l a t i o no ft h ep c bb o a r d ，t h eb o a r dw o r k sa tav e r yh i g hf r e q u e n c y , s ow eu s et h em e t h o df o rt h eh i g hs p e e dc i r c u i t si nt h es i m u l a t i o n w i t ht h ec a d e n c e e d at o o l s ，w ef o c u so nt h ep r o b l e m so fr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l ka n dt i m es e q u e n c e ， f i n d i n gt h er u l e st ok e e ps i g n a li n t e g r i t y , a n du s et h er e s u l t st od i r e c tt h ed e s i g no ft h e p c bb o a r d k e y w o r d s ：l o n gr a n g ev i d e om o n i t o r , s u bc a r r i e rm o d u l a t i o n ，s i g n a li n t e g r i t y , c a d e n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴做储鹕：歹计易祥隰沙扩幽n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：沙铲年 导师签名： 签字日期：驴汐年6 月r 日 日 g r p j 尹阳 第一章绪论 1 1 视频监控系统简介 第一章绪论 安全防范系统作为一个新兴的产业在短短的几年内迅速的发展，目前已经形 成了了一套完整的体系，安防系统广泛的应用于各个领域中，在人们的生活中起 到越来越重要的作用，同时安防系统中的科技含量也越来越高，与科技进步的联 系也越来越紧密，在科技高速发展的环境下，安防产业的发展也是越来越迅猛。 视频监控是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系 统。视频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富的特点而广泛应用于许多场 合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控 技术也有了长足的发展。对于视频监控技术和高质量的视频传输系统越来越强烈 的需求，给视频监控技术的发展带来了一个契机，同时也对视频监控技术提出了 更高的要求。 1 2 视频监控系统分类 从目前的国内外发展状况来看，视频监控系统主要有以下几个大的类别 1 2 1 从监控范围来区分 1 、小范围监控 目前广泛应用的小区安防系统就是这个系统的代表，它的特点是，监控的点 很密集的分布在一个比较小的范围内，监控点和监控中心之间通过电缆直连，监 控的实时性比较高，成本相对较低。 2 、大范围监控 这一类系统的应用领域其实是比较广泛的，它可以很好的应用到需要多节点 长距离监控的领域内，它既可以在一定区域内实现小范围监控的功能，更能将多 个距离较远的小范围监控结合到一起，但是目前还没有比较成熟的技术，可行的 技术也主要是基于互联网的或是无线技术的，成本问题和技术创新问题是这类监 控目前存在的两个主要的问题。 第一章绪论 1 2 2 从使用的视频信号的模式来区分 1 、模拟视频监控系统 监控的信号采用的是原始的模拟信号，这种系统出现的最早，大概在上世纪 九十年代初以前，当时占主导地位的闭路电视系统就是它的一个典型代表，这类 系统也被称为第一代模拟监控系统。随着技术的不断发展，这种技术已经基本淡 出了市场，但是由于成本低廉，少数的地方还在应用。 2 、数字视频监控系统 监控的信号采用的是数字化的信号，针对不同的数字化的方法衍生出了很多 不同的子类，这种系统最早出现在上世纪九十年代中期，随着计算机处理能力的 提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和 处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量， 这种基于pc 机的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监控系统。 3 、网络监控( 嵌入式视频监控系统) 在上个世界九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速 提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代， 称为第三代远程视频监控系统。第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频 的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频 监控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视。 1 3 大范围数字视频监控系统 本文意在讨论一种可以用于大范围监控的数字视频监控系统，这一系统能够 很好的解决成本问题，并能保证比较高的图像传输质量。首先来介绍一下目前比 较成熟的大范围视频监控的方案，然后再分析一下这些方案在应用于大范围监控 的时候存在的主要问题。 目前主要的两种大范围视频监控的方案分别是网络监控方案和无线监控方 案。 无线监控方案主要是利用微波作为载波传输信号，一般是利用目前已有的无 线通信网络，系统的结构主要是分为视频采集和无线编码部分，中继部分和接收 部分三个部分1 1 | 。 视频采集可以使用传统摄像头也可以使用无线摄像头，视频一般需使用压缩 率比较高的压缩方法，如m p e g - 4 等进行处理，无线编码部分需要根据具体应用 的通信网络选择，目前比较常用的是c d m a 制式的编码设备。中继设备主要是 第一章绪论 目前的无线基站，它们的功能是完成信号的再生放大，接收部分目前主要使用的 是计算机，利用计算机来完成信号的接收，还原，以及显示，随着技术的不断进 步，手机功能的不断强大，也有部分系统使用手机作为接收端。 目前已经有一些公司推出了无线监控的产品，最成功的应用是在对太平洋群 岛上生态进行的监控的项目中，使用的名称为t u r b o c e l l 的无线监控系统。 网络监控方案是目前应用的最多的方案，该方案主要是利用目前已经广泛覆 盖的i n t e r n e t 网络，并使用基于i p 的结构。 目前常用的解决方案主要有以下几种： 1 、利用高速公路的s d h 通信平台提供的e l 电路，加上m p e g 2 编解码器 实现； 2 、利用a t m 网： 3 、用专用数字视频环网； 4 、使用千兆环网； 5 、使用r p r 环； 网络监控系统主要是由视频采集，网络服务器，接收端三部分组成的，视频 采集主要是完成模拟视频信号的采集，a d 转换，并上传到i n t e m e t 上的工作， 网络服务器的功能主要是为视频信号提供传输和存储的媒介，接收端一般是根据 服务器的i p 地址，访问服务器获得视频数据，并下载到本地进行d a 转换和显 示等工作。 由于互联网络的技术已经发展的相当成熟，因此目前开发网络监控的公司有 很多，比较成熟的产品也不少，这些产品的应用也很广泛，现在绝大多数的远程 监控都是使用这种系统。 网络监控和无线监控可以说是各有各的优点，首先，网络监控产品成熟，应 用方便，几乎没有任何的额外成本，只要是有i n t e r n e t 的地方都可以很方便的使 用，但是个别i n t e m e t 没有覆盖到的环境比较恶劣的地方，就没有办法应用了， 而无线监控在这些地方应用起来就很方便了，由于无线监控不需要固定的传输渠 道，所以应用起来也非常的灵活，在目前无线基站覆盖广泛的前提下，使用的方 便程度上也不比网络监控逊色。 不过，这两种监控方案的缺点也是比较明显的，首先就是监控的范围相对比 较小，这两种方案提出的时候都是针对不超过1 0 0 米范围的传统监控，所以这两 种方案目前比较成熟的产品都是针对应用距离在l k m 到1 0 k m 的情况的，在真正 的大范围监控的条件下( 1 0 0 k m 以上) ，这些系统基本都不能应用。 另外，无线监控由于受到目前无线传输制式的限制，可以使用的传输带宽太 小，所以只能使用压缩率很高的视频格式，图像的质量和实时性都很难保证。 第一章绪论 同样的，网络监控也面对着这个带宽不足的问题，网络监控是以互联网为依 托的，而要想得到好的视频监控效果，就必须要保证有良好的网络环境，充足的 带宽是必不可少，但是目前网络服务供应商( i s p ) 面向普通用户的网络服务的 带宽都是很有限的，如果想要足够的带宽就势必要建立自己的互联网专线，实现 点对点的高速互联，而互联网专线的建设和使用成本又和专线的长度成正比，这 也就决定了这种方式可以应用的距离不能太长，还有，虽然目前的互联网的主干 网已经都是光纤网络了，但是接入部分还是电路，这就严重限制了互联网的实际 带宽，在监控点数比较少的情况下，带宽不足的问题还不是很明显，但当涉及多 点的监控，而且距离又很长的时候，带宽不足的问题就很严重了，带宽不足就会 造成数据传输速度严重下降，图像的质量和实时性得不到保证，视频监控也就无 从谈起了。 而且由于传输距离上的限制，当需要应用到距离更长的环境中去的时候，就 会造成成本严重上升的问题。 本文通过以下的设计，可以很好的解决目前无线监控和网络监控中存在的问 题 l 、传输距离问题 本文设计的系统是针对监控距离在l o o k m 以上的应用的，节点间的距离可以 达到5 0 k i n 甚至更高，由于使用了光纤作为传输媒介，可以很大的减少传输中的 衰减，再配合发射功率可调的发射机，就可以很好的解决传输距离的问题。 2 、带宽问题 本文讨论的系统的传输载体是光纤，这就能很好的解决带宽的问题，光纤传 输的带宽理论上可以到达t b 的量级，虽然目前技术还达不到这个水平，但是应 付数字视频信号的传输还是绰绰有余的。 3 、成本问题 这个问题的解决主要是从两个方面进行的，首先是巧妙的设计了复用的方 式，本系统采用了副载波调制技术，将波分复用和频分复用巧妙的结合到了一起， 不但大大提高了传输距离，而且扩展了一路光纤可以传输的视频流的数量，使得 成本能够大大的降低。 其次就是采用了数字视频处理技术，它与模拟视频相比，主要有以下几个优 势： 第一，便于计算机处理。由于对视频图像进行了数字化，所以可以充分利用 计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。通过视频分析，可 以及时发现异常情况并进行联动报警，从而实现无人值守。 第二，适合远距离传输。数字信息抗干扰能力强，由于数字信号可以很方便 第一章绪论 的再生，因此同样的传输条件下，数字信号的质量比模拟信号优秀很多。 第三，便于查找。在传统的模拟监控系统中，当出现问题时需要花大量时间 观看录像带才能找到现场记录；而在数字视频监控系统中，利用计算机建立的索 引，在几分钟内就能找到相应的现场记录。 第四，提高了图像的质量与监控效率。利用计算机可以对不清晰的图像进行 去噪、锐化等处理，通过调整图像大小，借助显示器的高分辨率，可以观看到清 晰的高质量图像。 第五，系统易于管理和维护。数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成 度高，视频传输可利用有线或无线信道。这样，整个系统是模块化结构，体积小， 易于安装、使用和维护。 也正是由于以上的几个特点，能够很好的控制视频采集，传输以及最后还原 的成本。 本文讨论的这个系统能够成功的解决大范围监控中面临的成本高，带宽不足 等问题，而且由于巧妙的复用设计，能够充分的利用光、电各种资源，能够为解 决大范围监控提供一种新的思路，下文中将详细的讨论系统的原理性设计以及核 心电路的设计仿真的过程，对于系统的特点和电路的设计中的主要问题做详尽的 介绍。 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 2 1 副载波调制的数字视频传输系统的总体设计 2 1 1 系统的总体结构 本系统的总体原理框图如下图2 1 ： 中间节点1 图2 1 系统总体框图 6 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 从图中我们可以很清晰的看出，系统中工作的节点主要分为三类，他们分别 是终端节点，接收节点和中间节点，从数量上看，终端和接收节点每种一般只有 一到二个，而中间节点的数量浮动的范围较大，这也正是本系统的主要优点之一， 而且系统中的节点都可以代表一个小范围监控系统，其中限制节点数量的最主要 的因素就是节点间的距离和调频信号复用的间隔，以及数字视频压缩的效果等。 由于是应用于大范围监控的系统，设计中的节点的间隔最大可达5 0 k m ，节 点的数目最多可以扩展到1 0 0 个以上。 下面就分别将这三类节点做比较详细的介绍，其中重点介绍中间节点。 从系统框图中可以看出，终端节点一般位于系统的最开始处，该节点的主要 任务是完成本地模拟视频信号的数字化，调制，并最终通过激光器转化为光信号 发射出去。 具体的工作过程如下： 首先采集本地的视频信号，采集的工具可以是标准摄像头或其他标准模拟视 频采集工具，采集之后的模拟视频传送到核心电路板的视频解码器部分。 视频解码器的功能就是将模拟的视频信号数字化，系统中实际使用的是t i 公司的t v p 5l5 0 这款解码器，它可以将n t s c ，p a l 视频信号转换成数字色差信 号y u v 4 ：2 ：2 ，并输入到d s p 中去。 d s p 微处理器首先将y u v 4 ：2 ：2 格式的信号转换成为可进行m p e g 编码的 y u v 4 ：2 ：0 格式，然后再调用m p e g 2 的a p i 函数，完成对于数字信号的m p e g 2 编码，编码后的码流交给视频编码器处理。 视频编码器的功能就是将数字视频的并行码流转换成为串行码流，系统中使 用的视频编码器是p h i l i p s 公司的s a a 7 1 2 1 ，这款编码器能够和d s p 无缝连接， 并能够支持标准视频和超级视频( sv i d e o ) 两种输出。 串行的视频码流进入调制器，这样基带信号就变成了调频信号，调制之后的 信号采用直接调制的方式输送到激光器上，发送到光路之中。 发射节点的整体工作过程就是上述的过程，实际的核心电路板上最多可以集 成四路视频解码器，这也就是说实际每个节点可以处理的视频可以有四路之多， 如果考虑并联工作等因素，那么可以处理的视频路数还可以更多，这就是在前文 中说到的，每一个节点都可以单独构成一个小范围监控系统。从上面的叙述可以 看出这个节点的工作任务相对来说比较单一，没有不同信号的混合和再调制等问 题。 中间节点是指位于终端和接收节点之间的所有中继节点，这些节点一方面要 选择性的接收之前节点发送来的同波长信号，并将其解复用，另方面还要完成 本地模拟视频信号的数字化任务，并最终将先前节点的信号和本地的信号整合之 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 后，一齐调制到激光器上发送到光路之中，这个节点上比较复杂的任务就是信号 的整合，高频信号的混合对于电路的设计要求相对较高，如何克服串扰，并能够 以最高的质量还原信号都是比较复杂的问题。另外，在一定程度上可以将中间节 点看作是将终端和接收节点整合之后的新节点，因此系统中的关键就是中间节点 的设计工作。 中间节点的具体工作过程如下： 首先是光信号分离工作，使用的器件为o a d m ，将我们所需要的波长的信号 从光路中分离出来，分离出的光信号从o a d m 的d r o p 脚输入到光电转换器p i n 之中。 然后通过光电转换器件p i n 转换成为电流信号，使用m a x i m 公司的 m a x 3 2 6 7 和m a x 4 4 4 5 ，完成电流信号预放大，放大后的电流信号转换电压信 号，转换后的电压信号再次放大的一系列功能，得到的放大后的信号就是前面节 点发送来的数字视频信号。 为了将这些视频信号和本地的视频信号混合，需要使用合路器，合路器的功 能就是将两路信号混合，并能保证基本不发生串扰。系统中使用的合路器型号为 l r p s 一2 一卜7 5 j ，具体的参数指标如下表2 - 1 所示： 表2 1l r p s 一2 1 7 5 j 的参数指标 s p l i t t e re l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o n s f r e q 塔o l a t i o ni n $ e r t i o nl o s si d b p h a s ea m p l 邢d e r a n g e i d b ) a b o v e 3 乃d b 嘲b a l a n c eu 列b a l a n c e l m b l z i d e = o i - g e s ll d b l mulmulmulmu 狮t y p m i 、t y p t y p m a r = t 嬷m a = ，t m a r = m 瓤h 。t a l 莨m a x 砒艮i _ 2 5 0 。3 5 e3 5 2 52 72 。0 r 3d ed 3 5o 卫 口j01 卫 2 - o 3 乃0 50 工 d - 3 l 暑 2 口m j z = 互幽u = m 5 村 在频率2 0 2 5 0 m h z 的时候，它的信号隔离度典型值为3 5 d b ，可以很好的防 止信号混合时的串扰。 本地的视频信号采用与发射节点类似的方法，采集后首先通过视频解码器转 换为数字视频流，经d s p 微处理器做m p e g 2 数字压缩算法后，再发送到视频 编码器上，转换成串行的视频流，该基带视频流经调制器，调制到与之前节点不 同频率的载波上。 然后这个视频流将与上面说到的之前节点的视频流混合，混合的过程中区分 这些信号的主要方法就是不同的调制频率，混合后的信号仍然采用光直接调制的 方式调制到激光器l e d 上。 再经过0 a d m 的a d d 端加入到光路中去。 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 由上面的叙述可以看出，中间节点涉及到模拟信号和数字信号，而且既有电 调频，又有光调制，所以这个节点的设计是相当复杂的，如何保证模拟信号，数 字信号，都能有一个比较高的质量是设计中的核心问题。当然中间节点也可以同 时处理四路模拟视频，这个功能和终端节点是一样的。在后文中我们将重点论述 中间节点核心电路板设计的仿真过程。 接收节点顾名思义就是指位于系统的结束处的节点，这个节点的主要功能是 完成多路信号的接收，解复用，再放大，并最终还原为原始的模拟视频信号传送 给显示终端。 具体的工作过程如下： 首先，解波分复用，主要是使用c w d m ，将光路上混合的各个波长的光信 号还原成分开的单独波长的信号。 然后使用p i n 光电二极管，将单独波长的光信号还原成电信号，并使用 m a x i m 公司的m a x 3 2 6 7 和m a x 4 4 4 5 ，这两个芯片组合，完成光信号转换成 电压信号的过程，m a x 3 2 6 7 的功能是将p i n 输出的电流信号进行预放大， m a x 4 4 4 5 则是把放大后的电流信号转换成电压信号，并对电压信号进行再放大。 经过以上步骤得到的电压信号可以通过软件解码和硬件解码两种方式转换 成模拟视频信号，软件解码就是以p c 电脑为基础，使用p c 电脑的资源，运用 软件编写的m p e g 2 视频解码器将数字视频转换成模拟视频，并显示到监视器中， 硬件解码就是使用与发射节点类似的电路，首先将数字视频通过视频解码器转换 成视频流，再交给d s p 微处理器进行m p e g 2d e c o d e r 的运算，解码后的视 频再经过视频编码器就可以发送到监视器上进行显示了。 可以看出硬件解码的开销比较大，所以软件解码是接收节点的首选方式，由 于软件解码涉及到w i n d o w s 编程部分，在本文中不做详细讨论。 2 2 系统中采用的主要技术 2 2 1 副载波调制技术 所谓副载波调制技术就是指系统中有两种以上的信号作为传输的载体载 波，由于本设计中采用了频分复用光强调制，把每路视频基带信号，分别对某个 指定的射频( r f ) 电信号进行调频( f m ) ，然后用组合器把多个预调r f 信号组合成多 路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。光载波经光纤 传输后，由远端接收机进行光电转换和信号分离。因为传统意义上的载波是光 载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的r f 电载波称为副载波，所以把这 种复用方式称为副载波调制1 2 j 。 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 采用副载波技术的优点是很显而易见的，采用多个载波可以很容易的突破单 一载波的传输容量上限，同时能够很好的解决单一载波传输中存在的各种问题， 如串扰，失真等等，通俗的讲就是副载波调制技术能够很好的整合不同载波的优 点，同时克服他们的缺点。 目前的模拟电视系统就是采用的副载波调制技术。 介绍完了副载波调制技术的基本概念以后，接下来介绍一下本系统中的副载 波调制技术的具体应用情况：本数字视频传输系统很好的整合了光波通信和电波 通信的优点，采用光波作为主载波，电波作为辅助的副载波，同时光载波的复用 采用了现在已经相当成熟的波分复用w d m 技术，而电载波的复用也选用了抗干 扰性能较好的频分复用技术，由于采用的是两个相对来说比较成熟的复用技术， 因此降低了系统在复用方面的技术难度。 前文提到本系统主要是用于长距离的多路视频图像的传输和处理中，采用光 波作为主载波可以很好的发挥光波带宽充足，已有的传输网络分布广泛等特点， 同时对视频信号做调频处理并进行数字化，可以很好的抑制模拟视频信号长距离 直传中串扰和衰减等问题。 2 2 2 波分复用技术( w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 波分复用技术( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 是将一系列载有信息、 但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将 各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多 路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，我们称其为一个波长信道【3 j 。 光的波分复用技术主要包括频分复用和波分复用。光频分复用 ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 技术和光波分复用( w d m ) 技术无明显区 别，因为光波是电磁波的一部分，光的频率与波长具有单一对应关系。通常也可 以这样理解，光频分复用指光频率的细分，光信道非常密集。光波分复用指光频 率的粗分，光信道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口。 光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器( 也称合波分波器) 分别置 于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。光波分 复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。其主要特性 指标为插入损耗和隔离度。通常，由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损 耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长1 1 ，1 2 通过同一光纤传送时，分波 器中输入端1 2 的功率与1 1 输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。光 波分复用的技术特点与优势如下： ( 1 ) 充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使根光纤传送信 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱 ( 1 3 1 0 n m - 1 5 5 0 n m ) 极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约 2 5 t h z ，传输带宽充足。 ( 2 ) 具有在同一根光纤中，传送2 个或数个非同步信号的能力，有利于数字 信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出 或加入信道。 ( 3 ) 对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率 余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大 改动，具有较强的灵活性。 ( 4 ) f l j 于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少， 当出现故障时，恢复起来也迅速方便。 ( 5 ) 有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。 ( 6 ) 系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性【4 】。 目前，由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高， 技术实施有一定难度，同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现 特别紧缺的局面，因而w d m 的实际应用还不多。但是，随着有线电视综合业务 的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经 济费用的考虑等等，w d m 的特点和优势在c a t v 传输系统中逐渐显现出来，表 现出广阔的应用前景，甚至将影响c a t v 网络的发展格局。 本系统中采用的光波的波长为1 5 1 0 n m ，1 5 3 0 n m ，1 5 5 0 n m ，1 5 7 0 r i m ，由于 是实验系统，波长的间隔相对比较大，真正的实际系统中，为了提升系统的容量， 可以将波长的间隔调整为5 1 0 n m ，目前已有相对比较成熟的商用的复用元件。 系统中合波器使用的是无源的o a d m ，该器件的示意图如下图2 2 。 o a d m 图2 2o a d m 示意图 其中的i n 和o u t 引脚分别负责光信号的输入和输出，而a d d 和d r o p 引脚则分 别是用来实现对器件对应的波长信号实现加入和滤出功能的，具体来说就是可以 通过d r o p 脚滤出需要的波长的信号，经过处理，和本地信号混合以后，再通过 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 a d d 管脚重新调制到光路中去，所以，通过这两个功能就能实现光波上的前节点 信号的滤出，前节点与本地信号的混合，再次加入光路之中这样的个过程。 系统中使用的具体器件型号为三端口光分插复用器o a d m - 0 2 0 - a ，具体的参数 如下表2 - 1 所示 表2 1o a d m 0 2 0 a 指标 参数单位o a d m 中心波长( 入c )n m1 5 1 0 、1 5 3 0 、1 5 5 0 、1 5 7 0 通带带宽 m l nn m 6 5 隔离度 相邻上行下行信道 m i nd b3 0 非相邻上行下行信道m i n4 0 直通信道 m i n1 2 插入损耗上行下行信道 m a x d b 0 7 ( t y p 0 6 ) 直通信道t a a x 0 4 ( t y p 0 3 ) 分波器采用的是无源的c w d m ，器件的示意图如下图2 3 。 x p , 2 h h 二= = x n c 册m 图2 - 3c w d m 示意图 1510 153 0 155 0 157 0 其中的i n 引脚对应着系统的输入，该输入包含了从1 5 l o n m 到1 5 7 0 n m 的4 个波长的信号，而1 5 1 0 n m ，1 5 3 0 n m ，1 5 5 0 n m ，1 5 7 0 n m 引脚对应着这四个波长 的光波的输出。每一个信号输出后再迸入接收节点进行相应的电信号的还原等处 理。 系统中使用的具体器件型号为c w d m ：k c w m - a - 0 4 ，参数如下表所示 与一一一 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 表2 - 2 器件c w d m ：k c w m a 0 4 指标 参数单位 c w d m 信道数 c h4 中心波长( 入c ) n m1 5 1 0 、1 5 3 0 、1 5 5 0 、1 5 7 0 通带带宽 m l nn m入c 6 5 隔复用器相邻上行下行信道 m i nd b1 5 离非相邻上行下行信道m i n1 5 度 解复用器相邻上行下行信道 m i n3 0 非相邻上行下行信道m i n 5 0 插入损耗 m a 】【d b2 5 由于这两个器件都是采用的无源器件，因而整合到系统中的时候相当的方 便，不会增加额外的开销，为多路复用提供了方便。 2 2 3 频分复用( f d m ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 频分复用( f d m ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 就是将用于传输的信道的总 带宽划分成若干个子频带( 或称子信道) ，每一个子信道传输1 路信号。频分复 用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的 信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰。 频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传 输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。 传统的频分复用 传统的频分复用典型的应用莫过于广电h f c 网络电视信号的传输了，不管 是模拟电视信号还是数字电视信号都是如此，因为对于数字电视信号而言，尽管 在每一个频道( 8m h z ) 以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复 用的方式传输的。 这种技术实现的成本和难度相对较低，而且性能也能够满足本系统实际的使 用要求。系统中的频分复用过程的实现主要是依赖专业的调制器，模型框图如下 图2 - 4 所示， 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 图2 - 4 调制器模型框图 复用器主要有4 个管脚，其中i n ，o u t 分别为基带信号输入和调制信号输出， v c c 为该调制器提供的一路1 2 v 的直流稳压电源，a d j 调试管脚主要是调节输 出的调制信号的强度的，具体的调制强度可以在0 v 到1 5 v 左右变化，根据具 体的要求可以自行设定。调制器的频率从最低的6 8 m 到最高的8 1 0 m ，间隔为 3 2 m ，具体的参数如下表2 3 所示。 表2 3 调制器参数表 项目单位标称值 视频输入电平 v p p l v 视频输入阻抗 q 7 5 视频基带 m n z7 7 载波带宽 m h z2 7 输出阻抗 q7 5 数据传输速率b p s 3 0 0 - 9 6 0 0 频率输出范围 m h z6 8 - 8 1 0 输出电平 v0 - 1 5 2 2 4 数字视频m p e g 2 压缩技术 本系统中采用了比较成熟的数字视频处理技术，m p e g 2 压缩算法。 1 、m p e g 2 算法的并行输出到串行的转换问题 m p e g 2 是一种应用比较广泛的视频编码方式，目前比较通用的方式是使用 d s p 微处理器来实现，虽然编码算法比较成熟，但是没有专门的编码芯片产品， 常见的只有解码芯片产品和整合的机顶盒一类的编解码产品。 本系统的设计采用了d s p 微处理器来进行m p e g 2 的编解码过程，但是由 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 于d s p 微处理器的输出数据为并行数据，而激光器只能发送串行数据，所以设 计中需要进行并行到串行的转换，也就是要将并行数据重新打包，目前设计的方 案是使用视频编码器芯片将数字的并行数据打包成串行视频格式，但是真正比较 理想的方式是使用f p g a 芯片来进行专业的并行到串行的处理，使用f p g a 提供 缓冲区，针对m p e g 2 视频的具体格式，确定串行封包的大小，这样处理的灵活 性更高，而且可以真正实现在线路中传输的信号为数字比特流，更有利于减少噪 声等不利影响。由于客观原因，目前还没有进行这方面的实际实验，不过使用 f p g a 来进行并行到串行的转换是下一步实验的不二选择。 2 2 4 1m p e g m p e g 是活动图像专家组( m o v i n g p i c t u r e e x p o r t s g r o u p ) 的缩写，于1 9 8 8 年成 立。目前m p e g 已颁布了两个活动图像及声音编码的正式国际标准，分别称为 m p e g 1 和m p e g 2 t 5 1 。 2 242m p e g 2 m p e g 一2 制定于1 9 9 4 年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的 传输率。m p e g 2 所能提供的传输率在3 1 0 m b i t s s e c 间，其在n t s c 制式下的 分辨率可达7 2 0 4 8 6 ，m p e g 2 也可提供并能够提供广播级的图像和c d 级的音 质。由于m p e g 2 在设计时的巧妙处理，使得大多数m p e g 2 解码器也可播放 m p e g 1 格式的数据，如v c d 。 同时，由于m p e g 2 的出色性能表现，已能适用于h d t v ，使得原打算为 h d t v 设计的m p e g - 3 ，还没出世就被抛弃了。( m p e g 3 要求传输速率在 2 0 m b i t s s e v 一4 0 m b i t s s e c 间，但这将使画面有轻度扭t t t t ) 。除了作为d v d 的指定 标准外，m p e g 2 还可用于为广播，有线电视网，电缆网络以及卫星直播 ( d i r e c t b r o a d c a s t s a t e l l i t e ) 提供广播级的数字视频。 m p e g 2 的另一特点是，可提供一个改变范围较广的压缩比，以适应不同画 面质量，存储容量，以及带宽的要求。 m p e g 一2 的编码图像被分为三类，分别称为l 帧、p 帧和b 帧。 i 帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有 利用时间相关性。p 帧和b 帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间 上的相关性。p 帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。p 帧图像中可以包含帧内编码的部分，即p 帧中的每一个宏块可以是前向预测，也 可以是帧内编码。b 帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。 第二章采用副载波调制技术的数字视频传输及处理系统的设计 2 243m p e g - 2 视频编码系统原理及关键技术 概括地说，m p e g 2 图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关 性和时间相关性。一帧图像内的任何一个场景都是由若干像素点构成的，因此一 个像素通常与它周围的某些像素在亮度和色度上存在定的关系，这种关系叫作 空间相关性；一个节目中的一个情节常常由若干帧连续图像组成的图像序列构 成，一个图像序列中前后帧图像间也存在一定的关系，这种关系叫作时间相关性。 这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去 除，只保留少量非相关信息进行传输，就可以大大节省传输频带。而接收机利用 这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量的前提下恢 复原始图像。一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信 息。 2 2 4 4m