CN101277439A - 基于shdsl的深海长距离无中继点对点视频传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SHDSL宽带传输技术的深海长距离无中继点对点视频传输系统。现有技术传输率低，误码率高，无法满足大数据量的视频信号实时传输要求。本发明包括同轴电缆，同轴电缆的两端分别通过电话线接口RJ11与甲板调制解调器和水下调制解调器连接，甲板视频服务器与甲板调制解调器通过以太网接口RJ45连接，水下视频服务器与水下调制解调器通过太网接口RJ45连接。本发明充分利用了SHDSL宽带传输技术传输速率高、传输距离长、对传输介质传输特性依赖小的优点，即使在深海恶劣工作环境下，也可以实现大容量视频信号的长距离无中继实时传输，并且获得的视频信号彩色信息和细节完整，清晰度高。

Description

基于SHDSL的深海长距离无中继点对点视频传输系统

技术领域

本发明涉及长距离有线通信技术领域，具体涉及一种基于SHDSL(Symmetric High-Speed Digital Subscriber Line，对称高速数字用户线路)宽带传输技术的深海长距离无中继点对点视频传输系统。

技术背景

随着世界各国对海洋经济以及海底矿产资源开发的日益重视，如何开发出基于水下的、可靠的、高效的实时视频传输技术以获取海底的各类要素信息是当前各国海洋开发的关注焦点。

由于深海视频传输系统需要长期工作于水下环境，并且绝大多数情况下依附于具有频繁、复杂机械运动的深海科考设备，因而与普通视频传输相比，深海视频传输必须克服深水高压、瞬时撞击、深海浪涌等恶劣环境造成的传输介质特性不稳定，以及传输距离过长造成的视频质量下降等难点。目前已获得广泛应用的信号传输技术均难以应用于深海长距离无中继视频传输。在无线传输方式中，电磁波在水中衰减很快，不适合水下通信；声纳系统要求的功率大，且信号传输的延迟很严重，无法满足视频信号传输的实时性要求。在有线传输方式中，电缆模拟传输对视频信号中的高频分量(细节和彩色部分)衰减严重，视频传输质量难以保证，并且除视频信号以外的其他信号(如控制或状态信息)的传输会对视频信号的传输产生严重干扰；电缆数字基带传输由于不经过调制与解调过程，在无再生中继器的情况下难以传输较远的距离；电缆普通频带传输尽管可以进行远距离传输，但传输率低，误码率高，无法满足大数据量的视频信号实时传输要求。而在已获得广泛应用的各类串行通信总线中，RS232由于采用单端传输导致传输距离过短，RS485尽管采用差分传输方式大幅提升了传输距离，但由于受到电气标准的限制，信号只能进行主、从结构的轮询方式通讯，通讯的实时性和可靠性较差，最大传输距离仅为1200米；CAN总线的传输距离最大可以达到10000米，但CAN总线的总线传输速率与传输距离成反比，当传输距离接近10000米时，总线传输速率仅为5Kbps，无法实现视频信号的实时传输；光纤通信虽然比电缆更加适合于大容量、远距离的高质量视频传输，但光纤受力易弯折，一旦弯折造成的弯曲损耗会导致传输性能大幅下降，并且光纤的端面制备和接续技术要求非常高，海上维护困难且成本很高，这使得光纤难以应用于工作环境恶劣、损耗大并且维护频繁的深海科考装备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SHDSL宽带传输技术的深海长距离无中继点对点视频传输系统。该系统可以实现视频信号的深海万米高可靠性实时传输，满足各类深海科学考查设备的可视化需求。

基于SHDSL的深海长距离无中继点对点视频传输系统，包括同轴电缆，其特征在于同轴电缆的两端分别通过电话线接口RJ11与甲板调制解调器和水下调制解调器连接，甲板视频服务器与甲板调制解调器通过以太网接口RJ45连接，水下视频服务器与水下调制解调器通过太网接口RJ45连接。

甲板视频服务器和水下视频服务器均包括主控模块，MPEG-4视频编/解码模块采用串行外设接口与主控模块进行连接，以太网模块采用数据总线与地址总线相连接的连线方式与主控模块进行连接；具体地：主控模块采用ARM9 S3C2410芯片，负责视频服务器中各模块的初始化、各模块间的协调控制、高层以太网数据包的创建以及与对应的宽带调制解调器之间的通信，并通过RS232串口与外部状态控制信号进行通信；MPEG-4视频编/解码模块采用ADSP Blackfin533，实现MPEG-4标准的视频编/解码；以太网模块采用DM9000，负责利用RJ45以太网接口发送/接收包含MPEG-4视频数据的高层以太网数据包。

甲板调制解调器和水下调制解调器均包括主控模块、DSL收发模块、以太网转换模块、模拟前端模块和混合线路模块，其中主控模块与DSL收发模块之间采用数据总线与地址总线相连接的方式连接；主控模块与以太网转换模块之间采用I²C总线进行通讯；以太网转换模块与DSL收发模块之间以及DSL收发模块与模拟前端模块之间分别采用串行连接方式进行连接；模拟前端模块的模拟端口与混合线路模块连接；具体地：主控模块采用S3C44B0X，负责系统中各模块的初始化、各模块间的协调控制、传输状态的实时监控以及与对应的视频服务器、应用层之间的通信；DSL收发模块采用M28945，负责将输入的成帧和非成帧模式信号转换成相应的DSL帧数据流，并完成数据的编/解码，产生发送端码元定时和恢复提取接收端码元定时、线路均衡、回波抵消、根据对线路功率衰减的探测调整发送功率电平；以太网转换模块采用RC7222，负责将以太网数据转换为DSL收发模块能够接收的E1数据；模拟前端模块采用M28927，完成数字信号与SHDSL信号的转换功能，即D/A和A/D变换、信号滤波、增益控制和线路驱动；混合线路模块采用EP13型变压器Midcom50722，用于保证系统电路具有良好的线性特性和回波抵消性能，保持较高的信噪比，该技术为成熟技术。

甲板调制解调器和水下调制解调器中的混合线路模块通过电话线接口RJ11与同轴电缆连接，以太网转换模块与对应的甲板视频服务器和水下视频服务器的以太网模块通过以太网接口RJ45连接。

本发明充分利用了SHDSL宽带传输技术传输速率高、传输距离长、对传输介质传输特性依赖小的优点，与背景技术相比，可以获得的显著技术效果为：在深海恶劣工作环境下，可以实现大容量视频信号的长距离无中继实时传输，并且获得的视频信号彩色信息和细节完整，清晰度高。同时，在不附加任何传输设备与接口的前提下，可以实现其他信号(如控制和状态量信号)与视频信号的捆绑传输。由于视频信号在传输之前首先由视频服务器转换为以太网数据，因而除视频信号以外的其他控制与状态信息可同时参与转换过程，转换为以太网数据后再与视频信号进行捆绑传输而不需要采用频分复用加低通滤波的方式进行独立传输，大大降低了控制与状态信息对视频信号传输产生干扰的可能性以及传输设备接口的复杂度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中甲板视频服务器和水下视频服务器的结构示意图；

图3为图1中甲板调制解调器和水下调制解调器的结构示意图；

图4为图2的工作流程图；

图5为图3的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，基于SHDSL的深海长距离无中继点对点视频传输系统由甲板调制解调器3、水下调制解调器5、甲板视频服务器2、水下视频服务器6和深海万米铠装同轴电缆4构成。其中，水下视频服务器6采用以太网接口RJ45与水下调制解调器5连接；甲板视频服务器2同样采用以太网接口RJ45与甲板调制解调器3连接；水下调制解调器5和甲板调制解调器3均采用电话线接口RJ11与深海万米铠装同轴电缆4相连；水下视频服务器6通过视频传输线与水下摄像机7的BNC接口连接，并通过RS232串口与外部状态控制信号进行通信；甲板视频服务器2通过网线与甲板监控平台1的以太网口连接。系统工作时，由水下摄像机7获取的PAL(或NTSC)制模拟视频信号首先由水下视频服务器6经数据采集和压缩编码(MPEG-4)后，与状态信息和控制信号一同转换为可以在网络上传输的以太网数据流送入水下调制解调器5。水下调制解调器5将以太网数据流经DSL成帧和栅格编码脉冲幅度调制(TC-PAM)后送入深海万米铠装同轴电缆4中传输。甲板调制解调器3将接收到的以太网数据进行解调后再经过甲板视频服务器2的解码和控制/状态信号分离就可获取实时、清晰的数字视频。

如图2所示，水下视频服务器6和甲板视频服务器2由MPEG-4视频编/解码模块2-1、主控模块2-2和以太网模块2-3构成。主控模块2-2采用ARM9 S3C2410芯片，主要负责视频服务器中各模块的初始化、各模块间的协调控制、高层以太网数据包的创建以及与调制解调器之间的通信等；MPEG-4视频编/解码模块2-1采用ADSP Blackfin533，主要实现MPEG-4标准的视频编/解码；以太网模块2-3采用DM9000，主要负责利用RJ45以太网接口发送/接收包含MPEG-4视频数据的高层以太网数据包。其中，主控模块2-2与MPEG-4视频编/解码模块2-1采用串行外设接口(SPI)进行连接；主控模块2-2与以太网模块2-3之间采用数据总线与地址总线相连接的连线方式。水下视频服务器6工作时，主控模块2-2不断检测水下摄像机7的输入情况，当有视频数据输入时通过DMA通知MPEG-4视频编/解码模块2-1，MPEG-4视频编/解码模块2-1对视频数据流进行编/解码，完成后通过DMA通知主控模块2-2，由主控模块2-2负责将编/解码后的视频数据流通过以太网模块2-3进行传输。

如图3所示，水下调制解调器5和甲板调制解调器3主要由主控模块3-1、DSL收发模块3-2、以太网转换模块3-3、模拟前端模块3-4以及混合线路模块3-5构成。主控模块3-1采用S3C44B0X，主要负责系统中各模块的初始化、各模块间的协调控制、传输状态的实时监控以及与视频服务器、应用层之间的通信等；DSL收发模块3-2采用M28945，主要负责将输入的成帧和非成帧模式信号转换成相应的DSL帧数据流，并完成数据的编/解码，产生发送端码元定时和恢复提取接收端码元定时、线路均衡、回波抵消、根据对线路功率衰减的探测调整发送功率电平等功能。以太网转换模块3-3采用RC7222，主要负责将以太网数据转换为M28945能够接收的E1数据；模拟前端模块3-4采用M28927，主要完成数字信号与SHDSL信号的转换功能，即D/A和A/D变换、信号滤波、增益控制和线路驱动等；混合线路模块3-5主要采用EP13型变压器Midcom50722，用于保证系统电路具有良好的线性特性和回波抵消性能，保持较高的信噪比等。其中，主控模块3-1与DSL收发模块3-2之间采用数据总线与地址总线相连接的连线方式；主控模块3-1与以太网转换模块3-3之间采用I²C总线进行通讯；以太网转换模块3-3与DSL收发模块3-2之间以及DSL收发模块3-2与模拟前端模块3-4之间均采用串行连接方式进行连接。模拟前端模块3-4的模拟接口与混合线路模块3-5相连接。

水下视频服务器6的工作流程图如图4所示，程序开始运行后首先进行初始化并加载、运行操作系统，然后循环检测连接水下摄像机7的BNC接口、网络接口以及串口是否触发了外部中断。如果有外部中断产生，判断该中断的中断源，如果该中断由水下摄像机7数据到达事件触发，则首先采用DMA方式通告MPEG-4视频编/解码模块2-1进行视频编码，然后借助以太网模块2-3进行网络发送；如果该中断由串口数据到达事件触发，则首先将串口数据进行协议转换，转换为以太网数据后借助以太网模块2-3进行网络发送；如果该中断由网络数据到达事件触发，则首先进行数据解析以分离视频数据和传感数据，对于视频数据，采用MPEG-4视频编/解码模块2-1解码后进行视频输出，而对于传感数据，借助协议转换将其转换为串行数据后进行串口发送。

水下调制解调器5和甲板调制解调器3的工作流程图如图5所示，程序开始运行后首先进行系统初始化并配置以太网转换模块3-3使其工作在E1数据转换模式并处于透明传输状态。然后，重复下载操作码至DSL收发模块3-2直至下载成功为止。操作码下载成功后，使用API消息对DSL收发模块3-2进行配置以决定DSL收发模块3-2的接口方式、传输速率、时钟模式等。配置完成后即可激活传输过程开始传输，在传输过程中需定时轮询DSL收发模块3-2以及以太网转换模块3-3的内部状态寄存器和外部配置开关，从而以对系统进行有效的状态监控。

Claims (1)

1、基于SHDSL的深海长距离无中继点对点视频传输系统，包括同轴电缆，其特征在于同轴电缆的两端分别通过电话线接口RJ11与甲板调制解调器和水下调制解调器连接，甲板视频服务器与甲板调制解调器通过以太网接口RJ45连接，水下视频服务器与水下调制解调器通过太网接口RJ45连接；

所述的甲板 视频服务器和水下视频服务器均包括主控模块，MPEG-4视频编/解码模块采用串行外设接口与主控模块进行连接，以太网模块采用数据总线与地址总线相连接的连线方式与主控模块进行连接；具体地：主控模块采用ARM9S3C2410芯片，负责视频服务器中各模块的初始化、各模块间的协调控制、高层以太网数据包的创建以及与对应的宽带调制解调器之间的通信，并通过RS232串口与外部状态控制信号进行通信；MPEG-4视频编/解码模块采用ADSP Blackfin533，实现MPEG-4标准的视频编/解码；以太网模块采用DM9000，负责利用RJ45以太网接口发送/接收包含MPEG-4视频数据的高层以太网数据包；

所述的甲板调制解调器和水下调制解调器均包括主控模块、DSL收发模块、以太网转换模块、模拟前端模块和混合线路模块，其中主控模块与DSL收发模块之间采用数据总线与地址总线相连接的方式连接；主控模块与以太网转换模块之间采用I²C总线进行通讯；以太网转换模块与DSL收发模块之间以及DSL收发模块与模拟前端模块之间分别采用串行连接方式进行连接；模拟前端模块的模拟端口与混合线路模块连接；具体地：主控模块采用S3C44B0X，负责系统中各模块的初始化、各模块间的协调控制、传输状态的实时监控以及与对应的视频服务器、应用层之间的通信；DSL收发模块采用M28945，负责将输入的成帧和非成帧模式信号转换成相应的DSL帧数据流，并完成数据的编/解码，产生发送端码元定时和恢复提取接收端码元定时、线路均衡、回波抵消、根据对线路功率衰减的探测调整发送功率电平；以太网转换模块采用RC7222，负责将以太网数据转换为DSL收发模块能够接收的E1数据；模拟前端模块采用M28927，完成数字信号与SHDSL信号的转换功能，即D/A和A/D变换、信号滤波、增益控制和线路驱动；混合线路模块采用EP13型变压器Midcom50722，用于保证系统电路具有良好的线性特性和回波抵消性能，保持较高的信噪比；

甲板调制解调器和水下调制解调器中的混合线路模块通过电话线接口RJ11与同轴电缆连接，以太网转换模块与对应的甲板视频服务器和水下视频服务器的以太网模块通过以太网接口RJ45连接。

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