В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Передача цифрового видеосигнала по оптическим каналам связи

Область применения цифрового оптического оборудования для передачи сигналов в системах безопасности довольно широка: CCTV, системы контроля и управления дорожным движением, охраны государственных и стратегически важных объектов. Статья посвящена принципам работы и преимуществам данного вида оборудования.

А.Г. Сиротченков
Главный специалист ЗАО "Эскорт-Центр"

Для передачи видеосигнала по оптоволоконному кабелю используется оптическое оборудование с различными видами модуляции сигнала (амплитудная, частотная модуляции) и цифровым кодированием аналогового сигнала. Процесс передачи видеоинформации характеризуется тремя основными параметрами: отношение сигнал/шум, дифференциальная фаза и дифференциальное усиление.

АМ- и ЧМ-оборудование: слишком сильные недостатки

Необходимо упомянуть о некоторых существенных недостатках, присущих аналоговым системам с амплитудной и частотной модуляцией, которые способствовали появлению систем с цифровым преобразованием. Оборудование с амплитудной модуляцией обычно работает в многомодовом режиме и, как следствие, ограничено дальностью передачи видеосигнала в несколько километров. Отношение сигнал/шум АМ-оборудования линейно снижается с ростом длины оптического кабеля, а нелинейность модуляционной характеристики оптического излучателя приводит к заметным искажениям дифференциальной фазы и дифференциального усиления.

Оборудование с частотной модуляцией работает уже и в одномодовом, и во многомодовом режимах. Дальность передачи видеосигнала в ЧМ-устройствах достигает десятков километров, но зависимость отношения сигнал/шум от дальности передачи существенно нелинейна.

Поэтому стабильная работа ЧМ-оборудования на расстояниях, близких к максимальным, не гарантирована. Кроме того, модули ЧМ могут обладать повышенной чувствительностью к внешним электромагнитным полям. Широкое распространение объективов и телекамер с повышенным разрешением на рынке охранного теленаблюдения потребовало от оптических систем передачи повышения качества и стабильности передаваемого изображения. Разработка оборудования, использующего цифровые методы передачи видеосигнала и лишенного недостатков предшественников, кардинально изменила ситуацию в лучшую сторону.

Забегая вперед, отметим, что в результате разработки цифровых систем удалось в 2-3 раза снизить искажения типа "дифференциальная фаза" и "дифференциальное усиление" по сравнению с аналоговыми методами.

Цифровое преобразование видеосигнала: основные принципы

Принцип работы модуля, использующего оцифровывание поступающего видеосигнала, во многом схож с принципом работы аналоговых систем.

Модули цифрового оптического оборудования нового поколения используют цифровое кодирование входящего аналогового видеосигнала основной полосы частот (от камеры охранного теленаблюдения) через внутренний аналого-цифровой конвертер, расположенный внутри модуля оптического передатчика. Далее оцифрованный сигнал преобразуется светодиодным или лазерным излучателем в световой поток, распространяющийся по оптическому кабелю до модуля оптического приемника. Полученный цифровой сигнал обратно преобразуется внутренним цифроаналоговым конвертером в аналоговый видеосигнал основной полосы частот. Следует отметить, что оптическая система полностью электрически прозрачна от разъема модуля оптического передатчика (включая оптическую среду передачи видеоинформации) до разъема модуля оптического приемника и совместима с любой NTSC-, PAL- или SECAM-телекамерой CCTV, доступной на данный момент. Важно понимать, что видеосигнал при оцифровке не подвергается какой-либо компрессии. Сигнал оцифровывается, но не сжимается видеокодеком, поэтому на выходе оптического приемника пользователь получает 100-процентный аналоговый сигнал без прореживания, потери информации и качества.

Показатель качества передачи цифрового изображения преимущественно определяется количеством бит, используемых в системе. Число бит, в конечном счете, определяет электрический динамический диапазон системы и отношение сигнал/шум, оказывающее существенное влияние на характеристики передачи сигнала. На сегодняшний день любая система с 6-бит-ным разрешением считается технической системой нижнего уровня и не отвечает современным требованиям. Такая система, как следует ожидать, будет вносить в изображения значительные артефакты, что приведет к ухудшению передаваемого видеосигнала. Поэтому минимальное число бит, которое должно использоваться в системе передачи цифрового видеосигнала - 8. Такое разрешение обеспечивает качество передачи видеосигнала, которое соответствует требованиям ГОСТ Р 50725-94 и международного стандарта RS-250C средней протяженности и даже превышает их, а 10-битное разрешение имеет характеристики, которые заведомо превышают требования по передаче стандарта RS-250C малой протяженности, обеспечивая студийное качество передачи видео.

Основные преимущества цифровой передачи видеосигнала

• Настоящее студийное качество сигнала, превышающее параметры, определяемые российскими ГОСТ и международными стандартами RS-250C в защищенных системах, разработанных для инсталляций практически на любом объекте и в системах наблюдения за дорожным движением. Изображение высокого качества, предлагаемое 8- и 10-битными цифровыми системами, легко достигается при использовании данного типа оборудования.

• Отношение сигнал/шум, дифференциальное усиление и дифференциальная фаза, а также другие параметры передачи видеосигнала являются постоянными независимо от расстояния (рис. 1): начиная от самого короткого (с минимальными оптическими потерями) и заканчивая самым длинным (с максимально допустимыми потерями).

• Характеристики передаваемого видеосигнала являются стабильными, предсказуемыми и неизменяемыми при многократной регенерации по всей длине линии связи.
• Минимальное ухудшение сигнала на первом физическом уровне системы передачи, от выхода видеокамеры до модуля передатчика, остается неизменным на всем протяжении оптической линии связи от начала и до конца, оставляя его без изменений.
• Малое количество компонентов, составных частей увеличивает системное MTBF (среднее время наработки на отказ) и надежность в течение длительного времени; система невосприимчива к воздействию внешних источников радиомагнитных излучений и электромагнитных помех.
• Передача видеосигнала в цифровом виде идеально подходит для тех приложений, где применяются современные телекамеры охранного теленаблюдения с высоким разрешением, поскольку качество изображения с применением оборудования, использующего оптические модули AM или ЧМ, было бы заметно хуже.
• Стоимость цифрового оборудования сравнима по стоимости с аналогичным по функциональности ЧM-оборудованием, используемым повсеместно, но характеристики цифровой передачи видеосигнала значительно лучше и стабильней.

10- и 8-битные системы: основные различия

Необходимо отметить существенные отличия и преимущества 10-битных систем перед 8-битными, в том числе по отношению "сигнал/шум", дифференциальному усилению и дифференциальной фазе.

• 8-битному сигналу соответствуют 256 уровней амплитуды сигнала, в то время как для 10-битных систем этот показатель составляет 1024. В соответствии с этим у 10-битного сигнала самый низкий начальный уровень дискретизации (приблизительно 1 мВ), который в 4 раза меньше по сравнению с 8-битным начальным уровнем   (составляющим   приблизительно 4 мВ) для стандартного композитного видеосигнала. Таким образом, 10-битный сигнал обладает более высокой разрешающей способностью и хорошим динамическим диапазоном.
• Великолепное качество изображения (более высокая цветопередача) у 10-битного видеосигнала по сравнению с 8-битным (см. рис. 2, где в связи с печатным способом отображения приведен пример изображений меньшей битности, но с сохранением кратности). Очевидно, что при разработке систем передачи информации по оптическим каналам связи предпочтительно использовать цифровое оборудование, как наиболее технически совершенное и перспективное.

  

Вышеперечисленные преимущества отчетливо обозначают области применения цифрового оборудования в системах безопасности. Это системы охранного теленаблюдения, контроля и управления дорожным движением, комплексной охраны государственных и стратегически важных объектов.

Справочная информация

• ГОСТ Р 50725-94 "Соединительные линии в каналах изображения" задает следующие значения для соединительных линий, будь то коаксиальный кабель, радиорелейная система передачи или оптоволоконная система передачи: отношение сигнал/шум (на самом деле "отношение сигнала яркости к взвешенной флюктуационной помехе в полосе частот 10 кГц - 6 МГц") - не менее 63 дБ; дифференциальное усиление в пределах ±5%; дифференциальная фаза в пределах ±5 град.
• Международный стандарт EIA/TIA RS-250C формирует требования к системам передачи видеоинформации большой, средней и малой протяженности.
• Требования стандарта RS 250C (LongHaul Transmission) к системам передачи большой протяженности (десятки и сотни километров): отношение сигнал/шум - от 54 до 59 дБ, дифференциальное усиление в пределах ±8%, дифференциальная фаза в пределах ±2,5 град. К передаче видеосигнала на средние расстояния (MediumHaul Transmission) требования ужесточаются: отношение сигнал/шум в пределах 60-67 дБ, дифференциальное усиление не более 5%, дифференциальная фаза - 1,3 град. Стандарт RS 250C малой протяженности (ShortHaul Transmission) требует от оборудования соответствия студийному качеству изображения: отношение сигнал/шум - более 67 дБ, дифференциальное усиление в пределах ±2%, дифференциальная фаза в пределах ±0,7 град.                                                    
  

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2010
Посещений: 13418

Автор Сиротченков А. Г. Главный специалист ЗАО "Эскорт-Центр" Всего статей:  1

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций