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网络高清摄像头组网新技术一

网络高清摄像头组网新技术一

来源:本站 作者:管理员 浏览:1572 次 发布时间:2014-3-11 11:43:13

网络高清摄像头自诞生以来,由于其组网灵活、便于管理、便于升级而备受市场期待。但是时至今日,模拟摄像头系统仍然是市场主流,网络高清摄像头似乎有点“叫好不叫座”的味道。究其原因,不少业内人士认为网络高清摄像头价格高,组网、配置需要专业技术支持,限制了其只能用于高端市场。笔者认为,价格和现场应用难度这两个因素非常关键,但是又流于表象。我们需要全面、动态地考察网络高清摄像头从购置到安装、调测等全过程的成本,并充分考虑组网所带来额外的人员开销(尤其是现场应用工程师),以寻求扩大网络高清摄像头应用范围,降低其应用成本的新途径。

在本文里,笔者将向业界介绍一种也已在欧美、日本广泛应用的,利用同轴线实现网络高清摄像头组网新技术——基于小波的OFDMwavelet OFDM)。并着重分析该技术如何降低了网络高清摄像头整体成本(TCOtotal cost of ownership),并降低了组网的技术难度。

一、旧媒体,新技术

1.1 历史回顾

目前几乎所有的网络高清摄像头都会带有RJ45接口,提供10BASE-T/100BASE-TX以太网接口。从某种意义上说,IP就等于以太网,以太网就等于5类双绞线。但是从以太网发展历史上看来,情况并非如此。

以太网诞生早期,所采用的媒体是同轴电缆。IEEE定义了10BASE210BASE5两种同轴电缆规格,分别应用于200米内组网应用和500米内组网应用。10BASE2/51975年诞生以来,应用非常广泛,在20年间一直是局域网的主流技术。直到1990IEEE通过了10BASE-T标准,才逐渐退出商用局域网市场。

同轴通信技术之所以在局域网领域被双绞线技术取代,主要原因是:

1 星形拓扑结构(以双绞线为代表)比总线型拓扑结构(以同轴线为代表)更适合商业应用环境;

2 100BASE-TX等新标准率先采用了新型传输编码技术,性能得到大幅度提高,远远超过当时同轴线传输技术。

随着载波通信技术发展,业界已经在同轴线、双绞线和电力线等多种媒体上实现了更先进、更高效的传输编码(如OFDM编码)和纠错编码技术(如LDPC编码),可以达到接近极限的传输能力。在采用同样技术时,由于同轴线结构可以有效屏蔽噪声影响,其性能远远超过双绞线和电力线。同时,由于同轴线结构稳定,不易受外界电磁环境影响,所以其性能也比其他通信媒体稳定、可靠。

在以网络高清摄像头组网为代表的一些应用中,业界逐渐发现同轴线的总线型组网结构有其独特优势,非常适合物理上分散、需要动态加入/去除新设备、各个设备网络吞吐量变化很大的组网环境。同轴电缆的直流阻抗远小于五类线。PoCpower over cable)供电模式可以同时为接入同轴电缆的多个设备同时提供电力,大大简化了供电设计和施工成本;供电能力远远超过PoEpower over Ethernet/;供电也更安全。

近年来,随着IEEEWavelet OFDM纳入其P1901规范,基于同轴线的高速传输技术在网络高清摄像头组网、高速车辆视频服务、工业现场控制、大型仓储管理等领域得到了快速的应用,获得了比5类双绞线和光纤为媒体的组网方式更好的用户体验,也大大降低了整体成本。

1.2 基于小波的OFDM技术——IEEE P1901

1.2.1 OFDM基本概念

OFDM意即“正交频分复用”,是多载波调制技术的一种。OFDM技术和普通FDM(频分复用)一样,是将信息调制在多个载波上,在频率上分开,然后同时在同一个信道里传输。但是OFDMFDM技术最大的区别在于OFDM各个载波在频域上是可以部分重叠的。各个载波是通过傅立叶变换的正交性,保证了其在同一个信道里彼此独立,相互没有干扰。

OFDM系统频谱利用率、抗干扰能力等性能是业界已知的载波调制技术里最优秀的,理论上可以无限制接近香农极限。目前,正交频分复用(OFDM)技术被认为是第四代移动通信技术的关键技术之一,已经被认可为一种高效的无线电通信技术。同样原因,OFDM技术也广泛应用于电力载波通信、xDSL等有线通信系统中。

OFDM的频谱示意如下:

从数学分析角度看,OFDM信号的解析表达式为:







在接收端,可以用如下公式实现各个载波信号的解调:




基于傅立叶变换(FFT)技术的OFDM技术最大缺陷是PAPR过高,PAPR是峰值-平均功率比值。我们知道,一个通信信道里,能容忍的最大信号幅度(能量或者电压幅度)是有限的。当PAR过高时,要么降低平均输出功率,以保证信号不失真(削顶);要么对信号进行预失真处理,保证峰值功率不超过信道容忍值。这两种模式对整个系统的信噪比(SNR)都是有较大影响的,严重时会导致系统性能剧烈下降。

此外,FFT技术的OFDM对通信节点之间的频差非常敏感。理论分析表明,1%的频差即可使SNR下降30dB以上。

为了避开FFT OFDM的弊端,业界寻求了多种解决方案。小波包多载波调制(Wavelet Packet Division MultiplexingWPDM)是数学中的小波/小波包分析理论与通信中的多载波调制技术相结合所产生的一种新的多载波调制技术,具有频谱效率高和良好的抗符号间串扰、信道间干扰、脉冲干扰和单频干扰的优良特性,并且易于多速率传输等优良特性。将WPDMOFDM结合,即为wavelet OFDM。此技术被认为是下一代有线和无线传输技术的关键,广受关注;并被IEEE P1901标准组采纳,成为室内和远程电力通信的技术标准。

1.2.2 Wavelet OFDM

小波分析是20 世纪80 年代后期发展起来的新的数学分支。小波变换是一种信号的时频分析方法,具有多分辨率分析的特点。小波变换能够完成对单一波段或多个波段的融合运算,也能正好符合人类的视觉特性。小波变换(Wavelet Transform)属于时频分析的一种,其核心是多分辨率分解

根据小波理论,小波变换同时在时域和频域正交,频域上旁瓣压缩比最高可以达到45 dB,而OFDM系统的旁瓣压缩比最高只有13 dBFFT OFDM技术对频偏非常敏感,易产生严重的子信道间干扰;而且加入循环前缀,又大大降低了频谱利用率。而小波变化恰好可以避免这两方面的问题,这就是业界在OFDM系统中采用小波变换代替傅立叶变化,发展Wavelet OFDM的根本原因。

下图是Wavelet OFDM调制解调过程:

上图中的WPT/IWPT即为小波包变化(wavelet packet transform)。

这里不详细解释小波变化的原理、理论分析和仿真结果,有兴趣的读者请和笔者联系。下面仅从应用角度解释Wavelet OFDM的一些技术优势,并指出这些技术优势在实际应用中带来的好处:

1 抗干扰能力强。由于采用小波变化,所以信号在频域和时域上同时保持正交,所以基于Wavelet的技术抗干扰能力远远超过其他的相干技术;

2 功耗低。小波变化的计算量相当于同样功能的FFT计算量的1/8,存储容量也差不多为FFT1/8,所以功耗远远低于其他类型的载波调制技术;

3 兼容性好。不仅可以兼容IEEEP1901,也可以和ITU-TG.hn保持共存;

4 动态范围广。Wavelet OFDM的对灵敏度要求不高,配合业界领先的模拟前端(AFE),整个系统的动态范围可以达到90dB以上。

1.2 CABLE vs 5类双绞线

5类双绞线在商业应用环境(比如办公室)里,具有其他技术都无法比拟的优势。这主要得益于5类双绞线引入了集中器(后来发展为交换机)的概念,将传统的总线型局域网改造为星形拓扑结构,简化了布线,提高了性能。这些对于当时还在采用略显笨拙的曼切斯特编码技术,需要将细缆或粗缆在地板上拖来拖去的10BASE2/5来讲,都是无法企及的。所以在很短的时间里,10BASE-T等采用双绞线技术的以太网组网模型迅速成为主流。

但是,网络高清摄像头的应用环境和普通商业环境差别很大。星形拓扑结构不仅不是优势,反而成为现场施工最大成本来源之一;点到点的通信模式在商业环境里简化了网络连接,但是在网络高清摄像头组网时却导致网络接口无限制扩张,机房里需要采用多端口高端交换机。这些都增加了组网的成本。实际上,当我们考察“网络高清摄像头成本较高”这一论断时,我们常常发现相当多的成本是来自于现场铺设线缆、采购复杂的网络设备上!

PoE在一条网线上只能支持一个PDpowered device),网络供电复杂,成本高企。这也进一步降低了网络高清摄像头的价格竞争力。

由于五类线的衰减较大,所以其支持的最大传输距离一般不超过100米。实际测试时发现,100BASE-TX的物理层芯片能够达到的最远距离和五类线质量关系很大。在阻抗控制不够理想、线缆较细的五类线上,一般30米就会出现误码和丢包。对于短距离应用,这个问题并不突出——TCPUDP等网络层协议甚至一些应用层协议会通过“出错重传”机制避免丢包带来不可控制的影响。但是有不少施工单位反映在超过50米的长距离应用中发现信号质量受到了严重影响,主要表现为丢帧、马赛克和图像质量下降。

五类线较易受外界电磁干扰影响,也可以发射电磁波干扰其他设备(尤其是包括航空通信在内的短波无线电设备)。同轴电缆屏蔽性远远优于双绞线,所以不存在此类问题。

五类线和同轴电缆通信系统的比较小结如下:

 

同轴电缆

五类线

通信性能

物理层编码可以达到2Gbps

物理层编码速度可以达到125Mbps

同一根电缆上所有节点共享带宽

通过交换机可以实现各节点独占带宽

传输延迟固定有保障——低于3ms

受网络环境和包长度影响,延迟变动
范围很大

组网灵活性

在同一根电缆上支持多个节点

同一根网线上为点-点应用;
如需支持多节点,需要多条网线+多口交换机

即插即用,无需复杂网络配置

服务器(NVR)、交换机、网络高清摄像头的配置
要保持一致

端口收敛,普通16端口交换机可以
支持200个以上网络高清摄像头

交换机端口数随网络高清摄像头线性增加

电磁干扰

优秀

室外应用有一定EMI问题

安全

内置AES128加密

无加密传输

供电

40W@500M,成本低

20W@100M,成本高