CN1564591A - 双工传输视频信号与控制数据的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单根同轴电缆基带双工传输视频信号和控制数据的方法与实现方案。本发明的技术方案是利用视频信号的场消隐期间反向传送数据信号，因而对正程图像质量无影响，方案中考虑到收发两端的视频阻抗匹配、双向传输的相对延时可能导致控制数据对同步信号的干扰及分离时产生误码问题的解决。此外除了具有基带双工传输视频信号和控制数据的功能外，本发明还具有视频信号接收端给视频信号的发送端反向发送一直流信号，用以控制该端的某个物理参量，如电源的开关等功能。本发明的实现方法简便可靠。

Description

双工传输视频信号与控制数据的方法与装置

一、技术领域：

本发明属于电视监控领域，涉及到模拟视频信号的传输和摄像机前端控制。

二、背景技术

电视监控系统中，常需要在接收前端摄像机输出的模拟视频信号的同时，又需反向传送对摄像机、三可变镜头、云台等的控制数据信号。这些控制数据信号若能在单根同轴电缆中与视频信号双工传输则在实际应用中具有一定的价值。

单缆双工传输模拟视频信号与控制数据信号的实现方法有多种。如通过调制将数据信号的频谱移至视频信号频率范围以外进行反向传输，接收端采用滤波器滤出其频率分量，之后再进行解调即可。但这种方法实现起来较为复杂，总体的成本高，且由于双工传输时系统中频率成分复杂，系统的非线性易引起新的失真，给正向传输的视频信号的图像质量带来不良影响。

另一种做法是在视频信号发送端和接收端分别采用高速减法器分离出反向传送的控制数据和正向传输的视频信号，由于很难做到二信号的完全分离，因此反向传送的数据信号仍会对正向传辅的视频图像信号带来干扰。

由于上述二种方案的不足因而实际应用中多不采用，而是除采用一根同轴电缆传输视频信号外，另外再采用一根多芯电缆上行传输控制信号。

三、发明内容

本发明的目的是：克服现有的单缆双工传输模拟视频信号与控制数据信号的实现方法复杂和信号处理的困难，或克服现有二根电缆分别传输视频信号和反向传送控制信号，导致施工成本高和接线复杂的不足。本发明的目的是利用视频信号的场消隐期间反向传送数据信号，对正程图像质量无影响，且方法的实现简便可靠。

本发明的技术方案包括如下几个方面：

1、双工传输时阻抗匹配的实现。

如图一，视频信号发送端有三组电路并联后接在同轴电缆的输入端口上，为保证阻抗匹配，必须使得三组电路从电缆端口往外看过去的等效阻抗为75欧姆，设计时使得视频缓冲与隔离电路(14)的输出阻抗为83欧姆，直流信号提取与信号隔离电路(12)的输入阻抗为大于1K欧姆，控制码分离与电平转换电路(15)的输入阻抗为大于3K欧姆。为确保同轴电缆输入端口视频信号的幅度为1Vp-p，要求视频缓冲与隔离电路(14)的放大倍数要略大于2倍。

视频信号接受端有三组电路并联后接在同司轴电缆的输出端口上，为保证三组电路的等效阻抗与同轴电缆匹配，设计时使得直流叠加与隔离电路(01)的输出电阻大于1K欧姆。控制码叠加电路(04)工作在开关状态，场正程时为几乎开路，场消隐期间有发送信号时才工作。隔直流与阻抗匹配电路(06)和视频缓冲与隔离电路(18)并联后的交流输入阻抗等效电阻为81欧姆，使得从同轴电缆的右端口往外看的等效电阻为75欧姆。从而在视频信号接受端实现阻抗的匹配。

2、控制码的发送与接受

控制码的发送与接受是利用视频信号的场消隐期间反向传送数据信号，即视频信号发送端在发送视频信号的同时亦接收视频信号接收端反向传输过来的数据脉冲信号，该信号经控制码分离与电平转换(15)后送由单片机(MCU)(17)组成的解码电路解码，还原出原始的控制信息。

视频信号接收端根据传输电缆的最大距离，确定反向发送数据帧的长度。由同轴电缆单位长度的延时量和传输距离确定单向传输延时量(ΔT)，为了不干扰视频收发端的行、场同步脉冲，并考虑到同步分离和软件响应时间，实际的每行可传输数据的时间长度由如下公式决定：

2X单向传输延时量(ΔT)+数据帧时间长度+同步分离和软件处理时间≤64微秒。

单向传输延时量(ΔT)与传输电缆长度成正比，由此可知电缆越长则每帧可发的数据就越少。模拟视频信号传输时一般以电缆长度不超过400-600M为宜，故而推算出本发明每次发送的一帧控制数据的时间长度为20-26微秒比较妥当。这个长度可以满足一般的电视监控系统的需要，电缆过长时需要借助于双向中继的技术。

发送时，数据发送端的单片机(MCU)(08)在收到键盘输入控制指令(10)后，将进入控制数据发送程序。该程序首先对由视频信号同步分离电路(07)输出的场同步信号进行监测，在监测到场同步信号后，开始对场消隐期间的行同步进行计数，以确定目前是处于场消隐期间的第几行。在进入场消隐期间的第九行时，该行消隐期一结束，单片机(MCU)(08)就将待发出的一帧控制数据送至码流变换电路(05)、控制码叠加电路(04)，将控制数据直接叠加在场消隐期间场同步后的第九至二十四行中的任意一行或几行的行正程中发出，经同轴电缆反向传输。

解码时，数据接受端的控制码分离与电平转换电路(15)对叠加有控制数据脉冲的视频信号先进行缓冲隔离，然后将视频信号中的同步信号箝位到同一直流电平上，再通过电压比较器将箝位后的信号与判决门限电平设置(19)确定的电平值比较，控制码分离与电平转换电路(15)将把超出判决门限电平的电压信号分离出来，这其中就有控制数据码的脉冲信号；解码时，数据接受端的单片机(MCU)(17)对由视频信号同步分离电路(16)输出的场同步信号进行监测，在监测到场同步信号后，开始对场消隐期间的行同步进行计数，以确定目前是处于场消隐期间的第几行。在进入场消稳期间的第九行时，该行消隐期一结束，单片机(MCU)(17)就读取由控制码分离与电平转换电路(15)输出的一帧控制数据信号，并经相关程序分析后产生出相应的控制信号输出。

3、直流信号的发送与接受

直流信号的反向发送过程是，数据发送端的单片机(MCU)(08)在收到键盘输入控制指令(10)后，将待发送的信号写入数据锁存器(03)、经电平转换(02)、直流叠加与隔离电路(01)后送入同轴电缆。

直流信号接受时，由直流控制信号提取与信号隔离(12)从同轴电缆中提取出反向发送的直流信号，并可用该信号直接驱动诸如小型继电器、光耦合继电器等类型的器件。

本发明的特点是：利用视频信号的场消隐期间反向传送数据信号，对正程图像质量无影响，且方法的实现简便可靠。装置的应用方便，成本低，解决数据反向传输的相对延时可能导致控制数据码分离时产生误码的问题。

四、附图说明

图1是本发明的基带双工传输视频信号和控制数据的方法框图；

图2是本发明的具体实施电路框图

图3是采用本发明的具体实施方案：一种8X4监控系统控制/切换器与前端解码器

五、具体实施方案：一种8X4监控系统控制/切换器与前端解码器

下面以采用本项发明技术制作的一种8X4监控系统控制/切换器与前端解码器为例，说明该技术的具体实施方式。

1、电路结构设计说明(参考图2)

实例系统由一台“8X4监控系统控制/切换器”(又称主控机)和一至八台“前端解码器”(又称解码器)及摄像机和监控电视机组成(见图3)。

主控机接受多路视频信号，并可以反向对其中任意一路摄像机的电源开启、镜头与云台状态进行控制。

主控机中采用AT89C51单片机(08)为控制芯片，并与程序存贮器(E²ROM)、地址锁存器等电路构成一个基本控制系统(MCU)。直流叠加与隔离电路(01)采用由电阻、电感和电容组成的低通电路，且其从同轴电缆端看进去的阻抗大于1K欧姆，从而起到隔离视频信号，传输直流成分的目的。电平转换电路(02)由集电极开路的门电路与PNP三极管组成，实现TTL电平到12V电压的转换，并具有5MA电流的输出能力。数据锁存(03)由8D锁存器组成，用于将AT89C51单片机(08)输出的数据保持住。控制码叠加电路(04)为一种开关电路，受码流变换(05)电路输出的串行数据脉冲信号的控制，场正程期间为断开，对电路的工作无影响。场消隐期间受码流变换(05)电路输出的串行数据脉冲信号电平的控制，将数据信号以≤0.7Vp-p的幅度叠加在视频信号上，实现反向传输。码流变换(05)为一个16位并入串出的移位寄存器，用于在一帧时间内移位发出寄存的数据信号。隔直流与阻抗匹配(06)主要由电解电容和电阻组成，用于实现交流视频阻抗的匹配和隔去由直流叠加与隔离电路(01)发出的直流成分。视频缓冲与隔离电路(18)为一高输入阻抗低输出阻抗的视频放大器，用于将视频信号放大后驱动监视用的电视机。视频信号同步分离电路(07)采用LM1881专用集成电路实现行、场同步信号的分离。分离出来的行、场同步信号以中断方式接入AT89C51单片机(08)，从而保证发送数据时的准确定时。工作状态显示(09)由一组发光二极管、数据锁存器、驱动三极管组成，用于显示输入的信息和当前工作状态。控制指令输入(10)为按键电路，用于输入信息。故障报警(11)为一蜂鸣器及其驱动电路，用于对系统工作过程中出现的异常问题及时发出有声提示。

前端解码器的交流电源受主控机发出的直流信号的控制。正常工作时，边发送视频信号边接受主控机发出的控制数据，并根据这些数据的编码来对不同的控制对象进行相应的控制。

前端解码器中的直流控制信号提取与信号隔离电路(12)可以采用与直流叠加与隔离电路(01)相同的电路，其功能亦相同。电源控制(13)为控制前端机电源开关的装置，可以采用高灵敏的继电器或光耦合继电器，这里采用的是型号为GTJ2-2A的光耦合继电器。视频缓冲与隔离电路(14)可采用高输入阻抗低输出阻抗的视频放大器，其作用是将视频信号放大后驱动同轴电缆。控制码分离与电平转换电路可采用型号为LM393的电压比较器作为控制数据脉冲的分离电路，为保证信号分离的精度，减少误码，需要对视频信号的同步脉冲进行箝位，以保持其黑电平的一致，然后通过判决门限电平设置电路(19)来准确设置其门限参考电位。判决门限电平设置电路(19)可采用多圈电位器对高稳定的电压进行分压来实现。前端解码器中的视频信号同步分离电路(16)与主控机中的(07)电路结构和作用完全相同。单片机系统亦采用AT89C51单片机(17)为控制和解码芯片，分离出来的行、场同步信号通过中断方式接入单片机(17)，从而保证接受数据时的准确定时。

2、工作原理说明(参考图2)

“8X4矩阵切换控制系统”工作时，首先由控制指令输入(10)要求开通某前端机的电源，视频接受端单片机系统(MCU)(08)响应该指令后，通过其数据与控制总线向数据锁存(03)内写入相应的控制字，经电平转换(02)、直流叠加与隔离(01)、同轴电缆反向传输到相应前端机的同轴电缆端口。再经直流控制信号提取与信号隔离(12)电路提取出其中的直流控制电流后，驱动电源控制(13)中的光耦合继电器导通，使得该前端机供电，摄像机开始工作并输出视频信号，该信号经视频缓冲与隔离电路(14)、同轴电缆传输到主控机端，再经隔直流与阻抗匹配(06)、视频缓冲与隔离(18)电路送入监控电视机显示出图像。

当操作人员通过控制指令输入(10)发出其他控制要求时，视频接受端单片机系统(MCU)(08)响应该指令后，在其内部准备好相应的控制数据，但并不立即发出，而是等到场同步脉冲发出中断，并计算到场消隐期间第9行的同步中断后，才通过其数据与控制总线向码流变换(05)电路内的并入串出移位寄存器中写入相应的控制数据，从而在一帧时间内移位发出寄存的数据信号。这些数据脉冲信号叠加在场消隐期间第9行至24行视频信号行正程上，经同轴电缆反向传输。

反向传输的控制脉冲信号到达前端后，经控制码分离与电平转换(15)电路对视频信号的箝位，并与判决门限电平在电压比较器中进行比较后分离出主控端所发出的控制数据脉冲。这些信号与其他分离出来的信号一起送至单片机系统(MCU)(17)。单片机系统(MCU)(17)只在场同步中断后，才打开行同步的中断，并开始计数。当数到场消隐中的第9行时开始采集数据口上输入的信号，并对这些信号进行解码，然后确认其控制要求，根据该要求再向相应的控制对象发出控制命令。

Claims (8)

1、一种单根同轴电缆基带双工传输视频信号和控制数据的方法，如图一所示。其特征在于，利用视频信号的场消隐期间反向传送数据信号，即视频信号发送端在发送视频信号的同时亦接收视频信号接收端反向传输过来的数据脉冲信号，该信号经幅度分离和电平变换后送由单片机(MCU)组成的解码电路解码，还原出原始的控制信息。收发两端的电路阻抗与同轴电缆的阻抗匹配。数据反向传输由下述方法解决：

视频信号接收端根据传输电缆的最大距离，确定反向发送数据帧的长度。由同轴电缆单位长度的延时量和传输距离确定单向传输延时量(ΔT)，并计算出反向传输控制数据帧的时间长度。

控制数据直接叠加在场消隐期间场同步后的任意一行或几行的行正程中发出，发送时自动监测接收视频信号的行、场同步信号的相位。首先对由视频信号同步分离电路(07)输出的场同步信号进行监测，在监测到场同步信号后，开始对场消隐期间的行同步进行计数，以确定目前是处于场消隐期间的第几行。在进入场消隐期间的可发送行时，该行消隐期一结束，单片机(MCU)(08)就将待发出的一帧控制数据送至码流变换电路(05)、控制码叠加电路(04)，经同轴电缆反向传输。

数据接受端的控制码分离与电平转换电路(15)对叠加有控制数据脉冲的视频信号先进行缓冲隔离，然后将视频信号中的同步信号箝位到同一直流电平上，再通过电压比较器将箝位后的信号与判决门限电平设置(19)确定的电平值比较，控制码分离与电平转换电路(15)将把超出判决门限电平的电压信号分离出来，这其中就有控制数据码的脉冲信号；解码时，数据接受端的单片机(MCU)(17)对由视频信号同步分离电路(16)输出的场同步信号进行监测，在监测到场同步信号后，开始对场消隐期间的行同步进行计数，以确定目前是处于场消隐期间的第几行。在进入场消隐期间的相应发送行时，该行消隐期一结束，单片机(MCU)(17)就读取由控制码分离与电平转换电路(15)输出的一帧控制数据信号，并经相关程序分析后产生出相应的控制信号输出。

2、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的方法，其特征是控制数据直接叠加在场消隐期间的第九至二十四行中的任意一行或几行的行正程中发出，每行可传输数据帧的时间长度由如下公式决定：

2X单向传输延时量(ΔT)+数据帧时间长度+同步分离和软件处理时间≤64微秒。

3、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的方法其特征在于反向传输的数据脉冲信号幅度可调整，一般为≤0.7Vp-p。

4、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的方法，其特征是视频信号接受端有三组电路并联后接在同轴电缆的输出端口上，使得直流叠加与隔离电路(01)的输出电阻大于IK欧姆。控制码叠加电路(04)工作在开关状态，场正程期间几乎开路，场消隐期间有发送信号时才工作。隔直流与阻抗匹配电路(06)的交流输入阻抗与视频缓冲与隔离电路(18)并联后的等效电阻为81欧姆，从而使得从同轴电缆的输出端口往外看的等效电阻为75欧姆。从而在视频信号接受端实现阻抗的匹配。

5、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的方法，其特征是直流信号提取与信号隔离电路(12)的输入阻抗为大于1K欧姆，控制码分离与电平转换电路(15)的输入阻抗为大于3K欧姆。为确保同轴电缆输入端口视频信号的幅度为1Vp-p，要求视频缓冲与隔离电路(14)的放大倍数要略大于2倍。

6、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的装置，其特征是视频发送/控制数据接受端由直流控制信号提取与信号隔离(12)、电源控制(13)、视频缓冲与隔离(14)、控制码分离与电平转换(15)、视频信号同步分离(16)、视频发送端单片机系统(MCU)(17)、控制码分离的判决门限电平设置(19)电路组成。

其连接关系是摄像机输出的视频信号一路经视频缓冲与隔离(14)电路经放大后送同轴电缆左端口下行传输，另一路送视频信号同步分离(16)电路用于分离出其中的行、场同步信号，并将两同步信号送单片机系统(MCU)(17)的中断输入端，用于对控制码分离与电平转换(15)电路输出的接受数据进行解码时的定时。场消隐期间上行传输的控制数据仍由同一同轴电缆端口送控制码分离与电平转换(15)电路，同时判决门限电平设置(19)电路将设置的分离电平送控制码分离与电平转换(15)电路，经其中的电压比较器比较后分离出来的信号送单片机系统(MCU)(17)，由其进行解码。该同轴电缆端口上行传输的控制直流信号送直流控制信号提取与信号隔离(12)电路，电路提取出其中的直流信号后送电源控制(13)电路，同时该电路将其他信号隔离开。

7、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的装置，其特征是视频接受/控制数据发送端由直流叠加与隔离(01)、电平转换(02)、数据锁存(03)、控制码叠加(04)、码流变换(05)、隔直流与阻抗匹配(06)、视频缓冲与隔离(18)、视频信号同步分离(07)、视频接受端单片机系统(MCU)(08)、控制指令输入(10)电路构成，

其连接关系是下行传输的视频信号由同轴电缆右端口送隔直流与阻抗匹配(06)电路，并在该端口处与直流叠加与隔离(01)、控制码叠加(04)的交流输出阻抗并联后成为75欧姆的电阻；下行传输的视频信号经隔直流与阻抗匹配(06)电路送视频缓冲与隔离(18)电路放大后一路送电视机(或显示器)显示图像，另一路送视频信号同步分离(07)电路分离出其中的行、场同步信号，然后送单片机系统(MCU)(08)的中断输入端，用于发送控制码时的准确定时；控制指令输入(10)电路用中断方式连接单片机系统(MCU)(08)，而单片机系统(MCU)(08)输出的8位控制数据送码流变换(05)进行变换后再送控制码叠加(04)电路，在场消隐期间从同轴电缆右端口上行传输；单片机系统(MCU)(08)输出的直流控制信号经数据锁存(03)后送电平转换(02)电路，再由直流叠加与隔离(01)将电平转换后的直流控制信号也从同轴电缆右端口上行传输。

8、由权利要求1所述的基带双工传输视频信号和控制数据的方法，其特征是视频信号接收端给视频信号的发送端反向发送一直流信号，用以控制该端的某个物理参量，如电源的开关等。直流信号的反向发送过程是，数据发送端的单片机(MCU)(08)在收到键盘输入控制指令(10)后，将待发送的信号写入数据锁存器(03)、经电平转换(02)、直流叠加与隔离电路(01)后送入同轴电缆；直流信号接受时，由直流控制信号提取与信号隔离(12)电路从同轴电缆中提取出反向发送的直流信号，并用该信号直接驱动诸如小型继电器、光耦合继电器等类型的器件，从而实现相应的控制功能。

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