KR100273929B1 - 디지털 무선 씨씨티브이 송, 수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아날로그 영상신호를 디지탈화하고 무선전파의 간섭 장해에 강한 스펙트럼 확산(Spread Spectrum) 방식을 이용한 디지털 통신에 의해 영상을 전송함으로써 선명한 화질의 영상신호를 얻을 수 있도록 한 디지털 무선 CCTV 송, 수신기에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 송신측에서 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변환하여 압축하며, 무선전파의 간섭 장해에 강한 스펙트럼 확산 방식을 이용하여 대역을 확장한 후 PSK위상 변조 방식으로 위상을 변조하여 전송하고, 수신 측에서 수신된 신호의 위상을 복원하고 그 복원된 신호를 역확산시키고 신장시켜 원래의 디지털 영상 데이터로 만든 후 아날로그 영상신호로 변환하여 모니터에 디스플레이 함으로써 선명한 화질의 영상을 얻게 되는 것이다.

Description

디지털 무선 씨씨티브이 송, 수신기

본 발명은 디지털 무선 CCTV(Closed Circuit Television ; 폐회로 텔레비젼) 송, 수신기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 아날로그 영상신호를 디지탈 화하고 무선전파의 간섭 장해에 강한 확산 스펙트럼(Spread Spectrum) 방식을 이용한 디지탈 통신에 의해 영상을 전송함으로써 선명한 화질의 영상신호를 얻을 수 있도록 한 디지털 무선 CCTV 송, 수신기에 관한 것이다.

일반적으로, 산업화, 자동화 되어 가는 산업현장에서 인력과 운용비용의 절감을 위해서는 효율적인 관리, 감시가 필요하다. 이에 CCTV 시스템은 관리 감시자의 시각적 관리, 감시를 만족시키기 위해 영상이 가지는 편리함과 정확성에 기인하여 많이 사용되고 있다.

이러한 일반적인 CCTV 시스템은, 카메라측과 촬상된 영상을 처리하여 모니터에 디스플레이해주는 시스템간에 유선을 이용하여 서로 연결하게 되는데, 이와 같이 유선방식을 이용하는 경우 제어대상물과 제어자간의 물리적인 거리가 변하게 되는 경우, 예를 들면 이동차량(열차, 자동차, 크레인)의 제어, 대형구조물의 위치조정, 그 밖에 원거리 제어를 필요로 하는 곳(강, 하천, 도로상황)에는 재설비를 해야하는 단점을 가지고 있다.

다시 말해, 물리적인 거리가 변하는 곳에서 그 변화 거리에 따라 유선을 변경하여 설치하면 사용은 가능하나, 이는 사용할 때마다 배선을 다시 하거나 카메라 및 시스템을 자주 이동시켜야 하므로 매우 불편하다.

또한, 기존의 유선방식을 이용한 CCTV는 영상의 전송이 아날로그 방식이므로 신호 손실이 많아 정확한 영상의 재현이 불가능하다.

아울러 유선 방식에 의한 CCTV의 설치시, 선로의 안정성이 확보되지 못하는 경우나 장거리 또는 가설환경이 열악한 곳에서는 선로 가설이 어려울뿐만 아니라 설치비용이 많이 들고, 유지보수 비용도 상대적으로 많이 소요되는 제반 문제점을 발생한다.

한편, 상기와 같은 유선 방식에서 발생하는 다수의 문제점을 해결하기 위해서 기존에는 RF통신 방식을 이용한 무선 통신 방식의 CCTV를 구현하였는데, 이는 아날로그 영상 전송 방식으로서 인접 사용주파수와의 간섭, 또는 공중 전파 매체의 잡음, 주변 환경에서 발생되는 고주파 잡음 등에 의한 영상신호의 파괴 또는 감소로 인하여 고품질의 영상을 얻기가 불가능한 문제점을 발생하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 유선 CCTV 및 RF 방식 아날로그 CCTV에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로,

본 발명은 아날로그 영상신호를 디지털 무선전파의 간섭 장해에 강한 스펙트럼-확산(Spread-Spectrum) 방식을 이용한 디지탈 통신에 의해 영상을 전송함으로써 선명한 화질의 영상신호를 얻을 수 있도록 한 디지털 무선 CCTV 송, 수신기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명(장치)은,

CCTV 카메라로 촬상한 촬상 영상신호부터 수직, 수평 동기신호를 제거하고 순수한 비디오 신호만을 검출하여 소정 레벨로 증폭한 후 출력시키는 영상 검출 및 증폭수단과;

상기 영상 검출 및 증폭수단에서 검출된 아날로그 비디오 신호를 R, G, B 3원색 밴드로 구분하고 디지탈 비디오 신호로 변환하는 아날로그/디지탈 변환수단과;

상기 아날로그/디지탈 변환수단에서 디지탈화된 비디오 데이터를 수직동기 신호에 따라 인터레이스 화면 데이터로 변환하고 그 변환한 화면 데이터를 영상 압축 방식으로 압축하여 출력하는 비디오 압축수단과;

상기 비디오 압축수단에서 압축된 화면 데이터를 수평 주사선 라인별 데이터로 묶어 패킷화하며 직접 시퀀스 스펙트럼 확산 방식에 의해 주파수 대역을 확장하여 출력하는 대역 확장수단과;

상기 대역 확장수단에서 출력되는 비디오 데이터를 소정 대역의 중간주파수로 위상 변조하는 위상 변조수단과;

상기 위상 변조수단에서 중간주파수로 변조된 베이스밴드 신호를 반송파에 혼합하여 고주파로 만드는 고주파 업 컨버터와;

상기 고주파 업 컨버터에서 얻어지는 고주파를 전력 증폭하는 전력 증폭수단과;

상기 전력 증폭수단에서 증폭된 고주파를 송신하기 위한 송신 안테나로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 발명(장치)은,

송신 안테나로부터 송신된 고주파를 수신하기 위한 수신 안테나와;

상기 수신 안테나에서 수신된 고주파를 소정 레벨로 증폭하는 저잡음 증폭수단과;

상기 저잡음 증폭수단에서 증폭된 고주파로부터 반송파를 제거하여 베이스밴드 신호로 출력하는 고주파 다운 컨버터와;

상기 고주파 다운 컨버터에서 얻어지는 베이스밴드 신호의 위상을 복조하는 위상 복조수단과;

상기 위상 복조수단에서 복조된 베이스밴드 신호를 역확산시켜 디지탈 영상 데이터로 복구하는 역확산수단과;

상기 역확산수단에서 얻어지는 압축된 디지탈 영상 데이터를 신장시키는 비디오 신장수단과;

상기 비디오 신장수단에서 신장된 디지탈 비디오 신호를 그에 상응하는 아날로그 비디오 신호로 변환하는 디지탈/아날로그 변환수단과;

상기 디지탈/아날로그 변환수단에서 얻어지는 아날로그 비디오 신호를 NTSC칼라 포맷에 맞는 신호로 인코딩하여 모니터로 전송해주는 NTSC인코더로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 의한 디지털 무선 CCTV 송, 수신기 블록 구성도,

도 2 는 본 발명에서 패킷화된 데이터의 프레임 구조도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

2:영상 검출 및 증폭부 3:아날로그/디지털 변환기

4:비디오 압축부 5:대역 확장부

6:위상 변조부 7:고주파 업 컨버터

8:전력 증폭부 11:저잡음 증폭기

12:고주파 다운 컨버터 13:위상 복조부

14:역확산부 15:비디오 신장부

16:디지털/아날로그 변환기 17:NTSC인코더

도 1 은 본 발명에 의한 디지털 무선 CCTV 송, 수신기 블록 구성도이다.

여기서, 참조번호 1은 피사체를 촬상하여 광-전 변환하는 CCTV카메라이고, 참조번호 2는 상기 CCTV 카메라(1)로 촬상한 촬상 영상신호부터 수직, 수평 동기신호를 제거하고 순수한 비디오 신호만을 검출하여 소정 레벨로 증폭한 후 출력시키는 영상 검출 및 증폭부이다.

또한, 참조번호 3은 상기 영상 검출 및 증폭부(2)에서 검출된 아날로그 비디오 신호를 R, G, B 3원색 밴드로 구분하여 디지탈 비디오 신호로 변환하는 아날로그/디지탈 변환기이고, 참조번호 4는 상기 아날로그/디지탈 변환기(3)에서 디지탈화된 비디오 데이터를 수직동기 신호에 따라 인터레이스 화면 데이터로 변환하고 그 변환한 화면 데이터를 영상 압축 방식으로 압축하여 출력하는 비디오 압축부이며, 참조번호 5는 상기 비디오 압축부(4)에서 압축된 화면 데이터를 수평 주사선 라인별 데이터로 묶어 패킷화하며 직접 시퀀스 스펙트럼 확산 방식에 의해 주파수 대역을 확장하여 출력하는 대역 확장부이다.

또한, 참조번호 6은 상기 대역 확장부(5)에서 출력되는 비디오 데이터를 소정 대역의 중간주파수로 위상 변조하는 위상 변조부이고, 참조번호 7은 상기 위상 변조부(6)에서 중간주파수로 변조된 베이스밴드 신호를 반송파에 혼합하여 고주파로 만드는 고주파 업 컨버터이며, 참조번호 8은 상기 고주파 업 컨버터(7)에서 얻어지는 고주파를 전력 증폭하는 전력 증폭부이고, 참조번호 9는 상기 전력 증폭부(8)에서 증폭된 고주파를 송신하기 위한 송신 안테나이다.

그리고, 참조번호 10은 상기 송신 안테나(9)로부터 송신된 고주파를 수신하기 위한 수신 안테나이고, 참조번호 11은 상기 수신 안테나(10)에서 수신된 고주파를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기이며, 참조번호 12는 상기 저잡음 증폭기(11)에서 증폭된 고주파로부터 반송파를 제거하여 베이스밴드 신호로 출력하는 고주파 다운 컨버터이다.

또한, 참조번호 13은 상기 고주파 다운 컨버터(12)에서 얻어지는 베이스밴드 신호의 위상을 복조하는 위상 복조부이고, 참조번호 14는 상기 위상 복조부(13)에서 복조된 베이스밴드 신호를 역확산시켜 디지탈 영상 데이터로 복구하는 역확산부(14)이며, 참조번호 15는 상기 역확산부(14)에서 얻어지는 압축된 디지탈 영상 데이터를 신장시키는 비디오 신장부이다.

그리고, 참조번호 16은 상기 비디오 신장부(15)에서 신장된 디지탈 비디오 신호를 그에 상응하는 아날로그 비디오 신호로 변환하는 디지탈/아날로그 변환기이고, 참조번호 17은 상기 디지탈/아날로그 변환기(16)에서 얻어지는 아날로그 비디오 신호를 NTSC칼라 포맷에 맞는 신호로 인코딩하여 모니터(18)로 전송해주는 NTSC인코더이다.

이러한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의한 "디지털 무선 CCTV 송, 수신기"의 작용을 설명하기에 앞서 먼저 본 발명이 적용되는 비디오 압축기술이나 통신 방식에 대한 개념을 간략히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, NTSC방식의 칼라 영상신호를 전송하기 위해서는 5MHz의 아날로그 주파수 밴드가 필요하다. 이는 1초 동안에 30 풀 프레임(Frame)을 실시간내로 전송하는 데 필요한 전송파에 필요한 대역폭이다.

디지탈 통신을 하기 위해서는 1초 동안 30 프레임의 영상을 디지탈화 하여야 한다. 한 영상을 가로 640포인트, 세로 480포인트로 양자화하고 R(적), G(녹), B(파랑) 칼라 코드 정보를 각 포인트에 부가하면 약 1M바이트의 디지탈 데이터가 한 영상에 필요로 하는데, 이 영상을 1초에 30장을 전송하게 되면 30M바이트, 즉 30*8 Mbit/sec = 240Mb/s의 디지털 데이터를 전송할 수 있는 공중파 채널이 있어야 한다.

현실적으로 이와 같은 고속 공중 전송 능력을 구현하기가 불가능하므로, 본 발명에서는 전체 화면을 1/4로 축소하고, 엠펙(MPEG)방식으로 동화상의 데이터를 압축하여 전송하는 방법을 이용한다.

이미 표준 규격으로 채택하고 있는 지역 무선 통신망 규격인 IEEE 802.11에 의하면 고주파 스펙트럼 통신 방식을 이용 2Mb/s의 디지탈 데이터 전송을 허용하고 있으므로 신뢰성을 강구 1Mb/s의 데이터 전송을 구현한다.

240Mb/s를 1/4로 감소시킨 60M비트를 1M비트로 압축하기 위해서는 최소 60 : 1의 실시간대 압축이 가능해야한다.

이와 같이 압축된 디지탈 비디오 데이터는 송신측과 수신측에 미리 약정된 PN(Pseude Noise)코드에 혼합하고, RF 반송 전파에 변조하여 송신한다. 여기서 반송파는 허용 주파수 대역으로 주파수 화장하여 전송하므로써 종래 협대역 FM신호파가 주변 잡음에 의하여 방해되는 단점을 개선하고, 또한 전송파 출력이 협대역에 집중됨으로써 규제받는 송신 전력의 제한 규정을 해소시키게 된다.

따라서 본 발명에서는 주파수 확장 통신을 활용하므로써 협대역 통신에서 필요로하는 송신 출력을 확장된 주파수 대역에 좁은 펄스로 고출력 전송함으로써 전송 거리를 증가시키게 되는 것이다.

이하에서는 상기와 같은 개념을 참조로 구현한 본 발명에 의한 디지탈 무선 CCTV 송, 수신기의 동작 및 작용을 구체적으로 설명한다.

먼저, CCTV카메라(1)는 일반 상업용 아날로그 NTSC방식 칼라 카메라로서 피사체를 촬상하여 광-전변환하는 역할을 한다.

영상 검출 및 증폭부(2)는 상기와 같이 촬상되는 촬상 영상신호로부터 수직, 수평 동기신호를 제거하고, 1V_P-P(1Volt Peak to Peak) 순수 영상신호를 검출한 후 소정 레벨로 증폭하여 다음단인 아날로그/디지탈 변환기(3)에 전달해준다.

그러면 아날로그/디지탈 변환기(3)는 상기 순수 검출된 아날로그 칼라 비디오 신호를 적(R), 녹(G), 파랑(B)의 3원색 밴드로 구분하고, 각각 8비트 컬러 디지탈 데이터로 디지탈화하게 된다.

여기서 NTSC영상은 1초 동안에 30프레임을 디지탈화 하여야 하는데, 가로 640포인트, 세로 480포인트로 한 프레임을 R, G, B칼라로 디지탈화하면 한 프레임에 약 8M비트의 데이터가 발생하므로 1초 동안에 30프레임을 실시간대로 직접 디지탈 통신을 하기 위해서는 240Mb/s의 디지탈 공중 전파 할 수 있는 공중파 채널이 필요하다.

이와 같은 대용량 공중파 전송 채널은 일반 ISM 밴드에서는 불가능하므로, 비디오 압축부(4)는 입력되는 비디오 데이터를 수직 동기 신호대로 인터레이스 화면 데이터로 비디오 데이터를 정리한 후 JPEG,MPEG방식으로 비디오 데이터를 압축한다.

즉, 비디오 압축부(4)는 약 120분의 1로 데이터를 압축하여 2Mb/s 디지탈 무선 비디오 데이터 통신이 가능하도록 한다.

무선 통신에서 반송파에 아날로그 영상 신호를 복합 변조시킨 전송파는 협대역 고주파로써, 이 전송파와 동일한 잡음이 삽입되면 아날로그 데이터 파형이 변형되어 원래의 파형을 복구시키기가 불가능하다.

또한, 무면허 ISM 밴드(예;2.4GHz)에서 허용되는 송신 출력 제한 10mWatt로 유용한 통달 거리를 얻기가 힘들다. 그러나 실신호 데이터를 ISM 허용 주파수 대역 약 50MHz 전 대역폭에 디지탈 펄스로 주파수 확장시키면 5MHz 협대역에서 허용된 10mWatt이상의 출력을 사용하여 송, 수신 거리를 확장할 수 있다.

따라서 대역 확장부(5)는 고속 디지탈 통신에 적합한 직접 시퀀스 방식을 채용하여 대역을 확장시키게 된다. 실제 필요한 아날로그 신호 대역폭 5MHz를 10배 이상, 즉 50MHz 이상 대역폭으로 확장시키기 위해서는 실제 데이터와 관계없는 잡음 데이터(Pseudo Noise)를 만들어 실 데이터와 혼합하여 전송 대역폭을 확장시키게 된다.

아울러 대역 확장부(5)는 압축된 비디오 데이터를 CCTV 수평 주사선 라인별 데이터로 묶어 패킷(Packet)화 한다.

여기서 패킷은 도 2와 같이, 프리앰블(Preamble), 헤더(Header), 데이터(Data)로 구성되는데, 프리앰블에는 수신기가 송신 전파를 검출하고 동기를 맞출 수 있는 데이터가 수용되어 있으며, 헤더에는 송신원에 대한 정보 데이터에 대한 정보, 즉 수평 라인 넘버, 길이 등에 대한 정보가 수용되어 있다. 그리고 데이터에는 인위적 잡음 데이터(Data)와 디지탈 데이터가 확장되어 수용되며, I(In-Phase), Q(Quadrature) 위상 레이트로 출력된다.

한편, 위상 변조부(6)는 상기 대역 확장부(5)에서 얻어지는 I, Q 채널 데이터를 200 - 500MHz의 중간 주파수(IF)로 바이너리 또는 Quadrature 위상 변조하여 베이스밴드 신호로 출력한다.

이에 따라 고주파 업 컨버터(7)는 상기 IF 변조된 베이스밴드 신호를 반송파에 혼합하여 출력하게 되는데, 여기서 반송파는 국제 ISM 밴드인 2.4GHz를 사용한다.

그리고, 전력 증폭부(8)는 상기 고주파 업 카운터(7)에서 얻어지는 2.4GHz의 반송파 출력을 200mW로 전력 증폭하여 송신 안테나(9)에 전달해줌으로써 송신이 이루어지게 된다.

상기와 같이 송신 데이터가 출력되면 수신측의 수신 안테나(10)는 이를 수신하여 저잡음 증폭기(11)에 전달해주게 되고, 저잡음 증폭기(11)는 잡음을 배제한 상태의 신호만을 소정 레벨로 증폭하여 출력시키게 된다.

고주파 다운 컨버터(12)는 상기 저잡음 증폭기(11)에서 증폭된 신호로부터 반송파를 제거하여 베이스밴드 신호를 추출하게 되며, 위상 복조부(13)는 PSK위상 변조된 신호의 위상을 원래의 위상으로 복구하게 된다.

역확산부(14)는 상기와 같이 위상이 복구된 신호를 역확산시켜 디지탈 데이터로 복구를 하여 IEEE 802.11에 의한 통신 프로토콜을 수행, 신호 동기, 송신원 정보, 데이터 정보를 처리하여 통신 링크를 설정하게 된다.

아울러 비디오 신장부(15)는 상기 역확산부(14)에서 얻어지는 압축된 디지탈 데이터를 신장시켜 원래의 데이터로 만들게 되고, 디지탈/아날로그 변환기(16)는 그 복원된 디지탈 데이터를 그에 상응하는 아날로그 영상신호로 변환을 하게된다.

그러면 NTSC인코더(17)는 그 변환된 아날로그 영상신호에 NTSC 규격 수평, 수직 동기신호를 인가하여 모니터(18)에 주사함으로써 CCTV모니터(18)에 선명한 화질의 영상이 디스플레이 되는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 디지탈 무선 통신 방식에 의해 영상을 송, 수신함으로써 물리적인 거리가 변하는 곳에서의 제어, 대영구조물의 위치 조정 등 제어대상의 위치가 자주 변하는 경우의 제어, 유선에 의한 제어가 불가능하거나 그 선로의 안정성이 확보되지 못하는 경우 등에서 제어 기능을 완벽히 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 장거리, 가설환경이 열악한 곳에서의 선로 가설에 따르는 제공사를 할 필요가 없으므로 설치비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있으며, 아울러 설치후 발생되는 유지보수비용도 절감할 수 있고, 더불어 경제적인 시스템 구성 및 운용도 가능한 것이다.

Claims (2)

1. 영상을 송신하는 CCTV 시스템에 있어서,

   CCTV 카메라로 촬상한 촬상 영상신호부터 수직, 수평 동기신호를 제거하고 순수한 비디오 신호만을 검출하여 소정 레벨로 증폭한 후 출력시키는 영상 검출 및 증폭수단과;

   상기 영상 검출 및 증폭수단에서 검출된 아날로그 비디오 신호를 R, G, B 3원색 밴드로 구분하여 디지탈 비디오 신호로 변환하는 아날로그/디지탈 변환수단과;

   상기 아날로그/디지탈 변환수단에서 디지탈화된 비디오 데이터를 수직동기 신호에 따라 인터레이스 화면 데이터로 변환하고 그 변환한 화면 데이터를 영상 압축 방식으로 압축하여 출력하는 비디오 압축수단과;

   상기 비디오 압축수단에서 압축된 화면 데이터를 수평 주사선 라인별 데이터로 묶어 패킷화하며 직접 시퀀스 스펙트럼 확산 방식에 의해 주파수 대역을 확장하여 출력하는 대역 확장수단과;

   상기 대역 확장수단에서 출력되는 비디오 데이터를 소정 대역의 중간주파수로 위상 변조하는 위상 변조수단과;

   상기 위상 변조수단에서 중간주파수로 변조된 베이스밴드 신호를 반송파에 혼합하여 고주파로 만드는 고주파 업 컨버터와;

   상기 고주파 업 컨버터에서 얻어지는 고주파를 전력 증폭하는 전력 증폭수단과;

   상기 전력 증폭수단에서 증폭된 고주파를 송신하기 위한 송신 안테나를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 디지탈 무선 CCTV 송신기.
2. 영상을 수신하여 모니터에 디스플레이하는 CCTV 시스템에 있어서,

   송신 안테나로부터 송신된 고주파를 수신하기 위한 수신 안테나와;

   상기 수신 안테나에서 수신된 고주파를 소정 레벨로 증폭하는 저잡음 증폭수단과;

   상기 저잡음 증폭수단에서 증폭된 고주파로부터 반송파를 제거하여 베이스밴드 신호로 출력하는 고주파 다운 컨버터와;

   상기 고주파 다운 컨버터에서 얻어지는 베이스밴드 신호의 위상을 복조하는 위상 복조수단과;

   상기 위상 복조수단에서 복조된 베이스밴드 신호를 역확산시켜 디지탈 영상 데이터로 복구하는 역확산수단과;

   상기 역확산수단에서 얻어지는 압축된 디지탈 영상 데이터를 신장시키는 비디오 신장수단과;

   상기 비디오 신장수단에서 신장된 디지탈 비디오 신호를 그에 상응하는 아날로그 비디오 신호로 변환하는 디지탈/아날로그 변환수단과;

   상기 디지탈/아날로그 변환수단에서 얻어지는 아날로그 비디오 신호를 NTSC칼라 포맷에 맞는 신호로 인코딩하여 모니터로 전송해주는 NTSC인코더를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 디지탈 무선 CCTV 수신기.

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