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原创]浅述共缆(同轴)传输方式在电视监控系统中的应用
2008-04-04 22:44

由于作者水平有限,文中难免存在一些缺点和错误,敬请读者批评指正。
因篇幅关系许多段落也难展开
未经作者本人同意不得节选、全文转载。

因共缆的含义范围比较大,给出一个很明确的定义会引起一些偏颇,比如在输电线路上传输载波电话也是共缆传输方式中的一种。将电话的语音电平脉冲信号和输电的交流信号载波调制后一同传送,在接受端通过解调,将语音电平脉冲信号和输电的交流电分离出来,实现输电线路载波电话的一个传送过程;

对于电视监控系统来说,也有许多采用共缆传输的形式,比如通过计算机网络的远程图象调看图象和控制前端的云台设备,一般也是通过光缆、数据电缆来实现,虽然有多芯,但还是在一条缆内完成;

在一些电化教学系统中,我们还可以看到一些利用校园CATV(闭路有线电视)网络来进行双向互动(交换)多媒体的应用系统,也同样在一条CATV主干线路上跑着双向各种视频流、音频流、控制流等~~~~~

所以,我就不对这个共缆(同轴)传输下什么定义了,只要认同在一条电缆上实现多种有目的加入的信号,并在上面有效传送就可以了~~~~~

浅述的范围也仅只限于在视频方式下,同轴视频电缆内进行的关于图象视频和控制的传输。

在常见的同轴视频电缆内实现对前端设备的控制有多种方式,主流有两种。
一种是利用同一视频电缆,用频率不同,方向相反的传输控制形式,实现一条物理的通道采用频分复用的方式,间隔出上传的视频流和下传控制流。
当然还可以将一些需要上传反馈的流会在后面应用上提到;
另一种为主要机制是时分复用方式,利用上传的视频图象全电视信号(基带视频)的场消隐脉冲的间隙的一个短暂的(无图象信号)时间,将控制信号插上去,下传控制流信号到前端解码器。控制信号并没有调制到视频信号中。
其他的一些非主流的同轴视频电缆内实现对前端设备的控制的方式,比如波分复用、副载波、边带传输、频移相控等方式就不在这里复述了~~~~~~

下面就这两种常见的同轴视频电缆内实现对前端设备的控制方式做一肤浅的技术说明。

第一种:频分复用的方式:
监控系统的下传控制数据流与上传图象视频流,虽然信号需要传送的路径相反,传输时间上尽管是重叠的,但在频率上是相互分离,各行其道。
通俗的理解,可以这样比方:
甲乙两地,有一条比较宽阔的马路,需要A、B两个车队把甲乙两地的不同物资相互转运。为了避免交通堵塞,在行驶的方向我们可以用双向车道来处理,规定车道和不同的流向的问题,这样马路上就可以行驶运送各种不同物资的车辆,并且行驶的方向也是相向而行,各行其道,都能够顺畅的到达各自的不同目的地了。
如果把甲地看成是监控中心,乙地看成是前端,(按照习惯,把发送控制指令端的控制中心称上,把接受控制指令的前端设备称下),这条同向甲乙两地的公路看成是同轴视频电缆。
那么,忽略电子在这段传输路径上所消耗的时间,几乎可以达到从前端摄象机上传的图象视频信号到监控中心,和从监控中心下传到前端的控制信号流,不受阻碍的同时到达目的地。
该类方式的参考资料:
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参考Molynx矩阵厂家“C”型解码器提供为的技术说明文件:(原文部分)
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电缆使用建议:[此段为引用.gif>
视频信号和远端控制信号以不同频率和不同的传输方向在同一电缆上传输。远端控制信号在11.5MHZ链路负载26dB下工作。所有视频图像在电缆中衰减将大于6dB。按照实际的距离和允许的衰减值选择适用的同轴电缆。参阅电缆生产商提供的数据及NACOSS(NAC20)原则以获得更多信息和技术细节。

信号特性:
11.50MHZ载波调制,9600波特。

显示图像无法控制:

⒉“C”型数据——确保来自发射器和摄像机的同轴电缆连接正确。如果接反,接收的将是视频图像信号而无控制信号。
对“摄像机到CAM”和“发射器到LINE”进行同轴电缆的连接。
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从厂家提供的技术资料说明文件可以看出,视频信号和远端控制信号以不同频率和不同的传输方向在同一电缆上传输。
不仅频率不同而且方向不同!两种信号特征也不同!
从厂家提供的维修提示上看~~~~~
两种不同的信号只是都共存在这条电缆里~~~~~~
说白了只是线缆在带宽上的借用技术,也就是我们说的频分制的一种应用。

同轴视频控制局部电路图:图号1(为遵守和保护知识、技术、智慧等产权,元器件参数、型号等省略)


从图号:1中可见我大致划分的A、B、C、D、E五个小功能区域块。E区还可以再细分,由于厂家的一些相关权益,我已经把相关元件的参数删除,电路图也做了相关处理,就不多展开讨论。犁叟只在此肤浅地谈信号流向过程。当然这些元件的取值都是经过细致的推敲和计算的,也在实际应用中得到验证。
我国规定的基带视频的带宽为0~6MHz,厂家设备控制流信号频率在11.5MHZ。
A区:由接口、C1、L1、L2、C2构成,主要完成:
1:从控制器(同轴电缆接口端输入)来的控制信号送至C区;
2:从B区来的摄象机信号,通过同轴电缆接口,上传到监控中心;
3:上传视频、下传控制,前端和控制中心连接的汇合点;
电感L1和L2构成一个相对低通的频率回路,保障从B区来的摄象机视频信号能够通过;又利用电感对高频呈现出更大的阻碍特性,使得相对高频的控制流信号不便通过L1L2回路进入B区;
利用电容C2对高频呈现比较低的阻碍特性,使得少许通过电感L1的高频对地旁路;
B区:由接口、C3、C4、L3构成,主要完成:
1:将前端摄象机输出的视频信号送到A区;
电容C4和电感L3构成一个6—11.5MHZ选频滤波回路,滤掉两信号频率间的干扰杂波;
C区:由C5、L4、C6、L5、C7、R1构成,主要完成:
1:接受由A区送来的控制流信号,继续传到D区;
2:截止掉A区传来的视频信号,不再继续传到D区;只能够单向通过A区的同轴接口将视频信号上传到监控中心;
C5、L4构成一个高通滤波回路,高频经电容C5通过,部分低频通过电感对地旁路;
C6、L5又构成一个两级LC滤波器,将小部分混进的视频成分再一次对地旁路;C6、L5也是一个LC回路;
C7、R1构成第三级滤波;C7和R1(也兼三极管的射极直流通路)构成的高通滤波网络)
从前面ABC三个区来看,C1、L1、L2、C2 、C3、C4、L3、C5、L4、C6、L5、C7、R1组成了一个复杂的频分网络。仔细去推敲每一个电容、电感、电阻所关联起来的网孔的选值的确感到其中的奥妙不少。
D区、E区:主要完成:
1:接受C区控制信号放大解调
2:解调出来控制信号DATA数据送80C51的第10脚(RXD);

实现了同时将视频流上传到监控中心观看,控制流下传到前端解码器解码出来,控制前端的云台、镜头、防护罩上等执行机构的动作。仅犁叟个人分析过程。

第二种: 时分复用方式:
为了方便进一步对时分复用方式同轴视频控制过程的描述,下面将涉及到视频信号等相关的一些基本构成的描述。
视觉暂留或视觉残留:[此段为引用.gif>
当光线消失后的视觉残留现象称为视觉暂留或视觉残留。
人眼视觉暂觉留时间,在日间视觉时约为0.02秒,中介视觉时为0.1秒,夜间视觉时为0.2秒,中介视觉是介于日视觉与夜视觉之间的状态。人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化,以及视觉暂留特性,总称为视觉惰性。并近似为指数曲线暗淡下去。

如果按显示方式来计算,一幅静止电视图象约包含几十万个象素,若采用同时传送,这就要需要几十万个信息通道,同时将这些像素信息点一次表达出来,采用什么方式才能够实现呢?
古老的皮影戏、照相技术的幻灯片,就是一个这样的模式。

电影又是一种什么模式呢?
在幻灯片的基础上,通过环境实验和计算,当每秒出现24张连续恒(匀)速的画面,(1/24)帧/秒时,大多数人可以接受是连续的画面了,这里就不多谈慢影镜头、快影镜头了~~~~~~

既然不能够同时显示几十万的像素,电视又是采用的一种什么模式呢?
那就把每个像素点都按顺序的从左到右,从上到下一行行以及足够快速的速度,在肉眼的视觉暂留现象消失前将一帧帧图象显示出来。
当然,在一些特殊领域也有慢传静止图象的电视系统,犁叟这里也不罗嗦了~~~~
在炽热的灯丝作用下,先让电子从阴极(直热式、旁热式)里蒸发出来,阴极金属被加热,电子得到能级跃迁后,核外层电子逃逸电子层的束缚;形成游离电子团;到达控制栅极。控制电子束的强度;在加速极(第一阳极)得到加速后;通过第二阳极;穿越电子透镜(聚焦极)飞逸出来;同时在方向又受控于行、场偏转电磁线圈的作用;在第四阳极形成的极高正电场的吸引下,准确得通过荫罩上一个个整齐排列的小孔或栅条轰击到显象管内壁的荧光涂层一个细小的荧光粉,使其产生发光效应和产生余辉效应,保证了一帧帧图象能够匀速在视觉暂留或视觉残留的时间内完成。
伴随着,一个个细小的荧光粉被电子束轰击和不轰击或轰击的强度变化,在屏幕的前方将产生光的变化,也就是我们常说的图象信号的白、黑、灰电平,随着这些不断变化的电平波动,屏幕前的光也跟随着变化,就呈现出各种光栅的图象了~~~~
我在这里就不多介绍显象管什么铝箔层、石墨层、单枪三束、三枪三束、自会聚结构、荧光涂敷材料选择、多次涂敷及腐蚀涂层、矫正磁环片、电子枪(管)尾的拼接、屏幕和锥管间如何精密安装荫罩等等工艺过程了,有兴趣的朋友可以和我单独再交流~~~
当然,电子束为了准确得通过荫罩上一个个小孔或栅条,轰击到屏幕上的荧光涂层,这里将涉及到一些电视制式方面订正为:扫描方式的问题了。下面将要涉及到逐行扫描和隔行扫描的方式。
当然,在一些特殊要求的行业里会用到一些其他方式的扫描方式,比如直线型的测量部件投影尺寸的检测扫描;螺旋型的外观、内部结构形状可视化扫描;圆形的扇形角雷达扫描等;比如传真机、平板扫描仪、占大多数的滚筒鼓式复印机等的扫描方式就是典型的直线形相对运动扫描方式,犁叟就不多介绍了。

什么是逐行扫描和隔行扫描的方式?
在行偏转线圈电磁正向作用力去控制电子束在水平(略倾斜)方向上的恒(匀)速从左到右扫描完成后,行正程。
在场偏转线圈电磁正向作用力下,和行偏转线圈电磁反向作用力,合力方向同时作用下,进行从右到左的行逆程(行消隐期)的回扫,电子束此时间段将不在轰击荧光涂层下。
电子束到达下一个工作行的左端起点位置,继续行正程、行逆程(行消隐期)循环下去~~~~
当电子束(电子束这时将不在轰击荧光涂层下)到达场正程期间的最后一行的某止点位置时,进入到场逆程(场消隐期),电子束场偏转线圈电磁在向作用力下,被送下一个工作行的启始位~~~
开始下一个周期的循环。

注:文章中出现的通电方向和电磁作用力的方向,是以交变脉冲逐渐变化的过程来叙述的。为了叙述的简便,没有按照按约定的定义的方向上逐渐增大到某点,达到最大值,然后逐渐减小到某点,达到最小值。而是用,正、反方向来描述,当然,电流值、磁通量是逐渐变化的。对于等幅脉冲来说,改变参考点的位置,就可以得到一个假象的0电位参考点。比如:电视机中长电路。就有一些以场推挽方式工作的电路,以NPN和PNP型对管工作,也是按正负两个半周工作的。犁叟这里就不从电路原理扩展开去描述了。有兴趣的朋友可以去查阅相关电路图和分析。以下叙述过程也如此。

如果在电子束向下移动过程中。如果是一行行向下移动,称为逐行扫描方式;
如果按所有奇数行向下移动完成后,再从偶数行开始向下移动,就为隔行扫描方式。
(电视显象管从约70~110度的偏转角,故采用作用力大的电磁方式,相对也比较容易实现去控制,电子束从电子透镜出来后去轰击显象管的荧光涂层效果;摄象管的偏转角比较小,可以采用两种方式去实现。)
对于隔行扫描的电视系统,若行频不满足于是帧的整数倍关系时,则会出现相邻场的光栅出现并行,甚至发生奇偶重行,直接导致垂直解像力下降。奇数行偶数行出现嵌套异常。
15625/25=625
上式中的常数:
15625Hz为我国规定的行频
25帧/秒(50场/秒)为我国PAL D/K制式采用的场频率
两者的商正好为625行/每帧的标准
这个推导过程,要涉及到《无线电数学》,《无线电数学》一书上有好几种不同的具体推导过程,犁叟这里就不复述了。有兴趣的朋友也可以自己去推导。

为什么采用奇数行隔行扫描?
是为了场脉冲信号简单化,否则就需要一个不对等幅度的场锯齿波,电路相对复杂。采用奇数行隔行扫描,只要控制好奇、偶场频率,这样的锯齿波波形容易产生。

由于我国广播电视和安防行业的若干规定,在电视监控系统中需要采用PAL -D/K制式,当然,暂有:我国香港采用标准PAL -I制式,我国台湾省采用NTSC-M制式。
图号:2为PAL制式隔行方式的行场脉冲作用及显示示意图

图号2的模拟波形图上可以看出:场正程脉冲,从A点开始,将行正程的H1脉冲放到第一行,行正程的H1脉冲从1-1’段电子束在水平方向,从左(1)到右(1’)一个点一个点的去轰击显象管的荧光涂层发光,扫完一行屏幕上的荧光涂层;用数学方法去分析,(1’)这个点为连续线段上非断点函数中的一个拐点,具有特质性,这里我也不多多展开,知道这是个转折点。在一个行周期内,此点之前后行偏转电磁线圈通电方向相反,对行扫描的电子束的作用力在水平方向上相反~~~~~在1’-2段,有是三个个主要同时动作的时序:1:由于行逆程(行消隐)脉冲起作用,电子束停止轰击,这时,屏幕上的荧光物质不受轰击了,但已经被电子束轰击过的荧光粉将继续持续余辉~~~~~2:这时,电子束也到达屏幕右(1’)位置,由于行消隐脉冲的作用,行偏转线圈输出逆向磁场,令其回到屏幕的左方;为下一轮即将轰击的电子束做准备;3:场正程脉冲持续,为H2行脉冲做准备;……在2-2’段上:H2行正程脉冲启控,电子束重复上述的从左到右的水平扫描过程~~~场正程脉冲通过场偏转输出的正向磁场扭力,已经将电子束垂直向下放到奇数第三行扫描行上~~~~在时间上可以理解为一个水平和垂直方向的合力,将电子束推到了第三行,电子束从前一奇数行末端(屏幕右)至后一奇数行启始端(屏幕左)~~~~重复上述动作过程~~~~~偶数行也是如此的一个过程,只是按偶数行次序完成。场消隐过程:从图号2可以看出:H5行脉冲的正行程的后半段、H5行的消隐段、H6行脉冲的正行程前半部,在第一场奇数场消隐期间内,电子束此时不轰击荧光粉,但也不在显示。场逆程脉冲通过场偏转输出的反向磁场扭力,已经将电子束垂直向上放到偶数第一行(’扫描行上;继续完成H6行脉冲的正行程后半部。由于H6行脉冲是正行程后半部,行扫描将在屏幕中部开始,向右完成该段扫描行程。H11行脉冲由于整个时间段在偶数场消隐脉冲时间段里,整个行扫描过程将没有电子束轰击荧光粉的过程。场逆程脉冲通过场偏转输出的反向磁场扭力,已经将电子束垂直向上放到奇数第一行(1-1’)扫描行上;可以看出,行场消隐的过程对于屏幕不显示来说是一个“或 ”函数关系;只要有消隐脉冲段到来,电子束就停止对荧光粉的轰击,电子束也是由行正程脉冲来控制其同步过程的。附图号:3,(于图号2对应关系)屏幕显示模拟图,

电子束在正程和逆程消耗的时间相同吗?
我国规定行扫描频率fh为15625Hz,行扫描周期TH为64μs。并规定从左到右扫描为正程扫描,时间为52μs;规定从右到左扫描为逆程扫描,时间为12μs。
我国规定场扫描频率fv为50Hz,场扫描周期Tv为20ms。并规定从上到下扫描为正程扫描,时间为18.388ms(287TH+20μs);规定从下到上扫描为逆程扫描,时间为1 .612ms(25 TH +12μs)。
对于较普遍电视技术运用而言,为达到较好的观看效果,在各逆程期间不传送图象信号分量的成分。为此采取一些相应的技术措施,通过相关的同步电路,令行消隐、场消隐期间电子束处于截止状态,从而不轰击荧光涂层,造成回扫线干扰正常显示的图象效果。
为了节约非显示瞬间的空余消耗,让电子束尽早到达需要轰击的各行启始位置点,正程时间远大于于逆程时间。

电视技术里有许多地方用到许多各种不同的信号、同步、脉冲,比如:图像信号、复合消隐信号、复合同步信号、全电视信号、色差信号、行同步、场同步、正同步头信号,负(倒)同步头信号、相位同步、色同步等等~~~我就不多罗嗦,单就场同步里使用的一些技术手段简短的一笔划过~~~~

场同步开槽:
由于场同步脉宽为:2.5TH=2.5×64=160μs
在场同步的过程中,会引起前沿的几个行出现失步(不同步),同步跟踪总是滞后于出现失步,偏差出现后,积分调节才有作用。这样就出现了图象的行于行对位不准确了,就在复合同步信号里,对场同步开槽。槽宽为(4.7μs)和行同步脉宽一样为4.7μs;

前后均衡脉冲:[此段引用《黑白电视维修170例》.gif>
在场同步脉冲前后各设5个频率等于二倍、脉宽等于行同步一半的脉冲。在场同步之前称为均衡脉冲,在场同步之后称为后均衡脉冲。前均衡脉冲使得奇偶两场场同步积分的起始值一致。为了使频率提高后行同步的平均电平不变,所以均衡脉冲的脉宽只取行同步的一半2.35μs。
将场同步中的槽脉冲增加到5个,并使它们在奇、偶两场场同步中的位置对应相同,这使奇偶两场场同步对积分电路的充放电时间相同。所以两种过渡的积分曲线将完全重合,从而保证了隔行扫描的准确性。
从现在的一些认识和观点看,“前后均衡脉冲”,有点画蛇添足,但由于长期约定,就保留下来,做为一种信号段内的特殊标识。

复合消隐脉冲:
在两场的一个周期里出现一次循环,也一个帧周期里出现一次。

关于在同轴视频控制系统里可以利用场消隐期间的空闲数据扫描行,当然,也适用其他相关系统中应用:见图号:4


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