Современные методы сбора видеоинформации

Рисунок 6. Камера с закрепленным на ней «накамерным» передатчиком

 

В беспроводных камерах обычно используется режим 2 k , так как больший частотный зазор между соседними ортогональными несущими делает радиолинию менее подверженной воздействию фазовых шумов и нестабильностей частоты, вносимых повышающими и понижающими конверторами при передаче и приеме, в том числе за счет эффекта Doppler при движении передатчика. Степень избыточности для помехоустойчивого кода Viterby / Trellis выбирается на уровне кодового отношения 1/2 для максимальной защиты и 7/8 – для минимальной

Выбор кодового отношения, параметров модуляции несущих и длительности защитного интервала зависит от конкретных условий применения.

1. Для стационарных применений  рекомендуется выбирать 64 QAM , кодовое  отношение 2/3, и защитный интервал  – 1/8, что в итоге дает битовую  скорость, равную 22,12 Мбит/сек. Оператор  может выставить минимальный  уровень компрессии при кодировании MPEG , что позволит уменьшить задержку обработки при кодировании и декодировании.

 

 

 

Рисунок 7. Размещение «беспроводной камеры» на вертолете.

2. Для мобильных применений, когда камера находится либо  в руках оператора,  либо перемещается  с незначительной скоростью, лучшим  оказывается выбор в пользу 16QAM. При этом следует установить  кодовое отношение 1/2 и защитный  интервал 1/4. Это соответствует битовой  скорости, равной  9,95Мбит/сек.

3. При размещении камеры  на любом транспортном средстве, которое движется со значительной  скоростью, может быть применен  исключительно только режим QPSK. При  кодовом отношении  1/2 и защитном интервале 1/4  битовая скорость будет равна 4,98Мбит/сек. Эта скорость достаточна для передачи качественного изображения, однако при этом задержки, вызванные обработкой, достигнут величины 2сек.

Дальность связи между беспроводной камерой и базовой станцией сильно зависит от условий распространения. Хотя COFDM и не требует «прямой видимости», в условиях города здания и деревья будут заметно ослаблять радиосигнал. В Таблице 1 показаны некоторые типичные величины, характерные для работы  беспроводных камер в городских условиях.

Антенны для беспроводных камер должны иметь круговую диаграмму направленности (коэффициент усиления более 2дБ). Если воспользоваться направленной антенной со значительно большим коэффициентом усиления, то можно существенно увеличить

 

 

 

 

Таблица 1.

дальность связи. Выбор типа антенны определяется той конкретной задачей, которая решается в данный момент. Естественно, на транспортном средстве в случае, если съемку предполагается вести в движении, необходимо применить антенну с круговой диаграммой направленности. В указанном диапазоне частот это будет преимущественно коллинеарная антенна, коэффициент усиления которой зависит от количества вибраторов (в конечном счете, от ее длины). При разумной длине обычно коэффициент усиления не больше 8,5дБ. Если передачу предполагают вести с неподвижного передатчика, лучше использовать направленную или секторную антенны, обладающие большим коэффициентом усиления. Чем большим набором разнообразных антенн будет обладать оператор, тем с большим успехом он сможет решить поставленную задачу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Типичные применения.

Наиболее часто беспроводные камеры применяют во время парадов, фестивалей и спортивных игр (таких как, например, Олимпийские игры). При показе спортивных соревнований беспроводная камера (обычно с «накамерным» передатчиком, см. рисунок 6) может свободно перемещаться вокруг объекта или сопровождать его, не теряя при этом связи с мобильной или стационарной базой.

Другим интересным применением для COFDM систем может быть мобильное применение, при котором беспроводная камера устанавливается на каком-либо транспортном средстве. При питании системы от бортовой сети автомобиля или вертолета можно допустить большие токи нагрузки для батарей питания и увеличить таким путем выходную мощность передатчика до 10Вт. Дальность связи в данном случае как за счет увеличения мощности передатчика, так и за счет высоко поднятой при базировании на вертолете передающей антенны увеличится до 10Км и более.

Теперь о некоторых проблемах, возникающих при приеме COFDM.  Наиболее неприятное явление происходит тогда, когда прямой и отраженный сигналы близки по уровню и времени прихода в точку, где расположена приемная антенна. В облучателе антенны они могут сложиться в противофазе, что приведет к их взаимному подавлению и провалу в уровне сигнала. Причем сами по себе сигналы могут иметь высокий уровень напряженности электромагнитного поля. И, тем не менее, провал может оказаться настолько глубоким, что прием будет невозможен. Такой случай отражен на рисунке 8.  При этом максимум напряженности поля находится  рядом, а именно, на расстояниях, равных нечетному числу четвертей длины волны в свободном пространстве, т.е. в нашем случае 3,25см х n, где n=1, 3, 5, 7… и т.д. Последним достижением в технике COFDM является применение приемников, которые параллельно используют два или более независимых каналов приема. Антенны при этом смещаются на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны. Теперь в случае, если одна из антенн попадает в минимум напряженности поля, другая обязательно будет в максимуме. Этот метод борьбы с частотными федингами получил название Antenna Diversity (разнесенный прием с автовыбором). Метод Antenna Diversity позволяет достичь выигрыша в отношении сигнал/шум на уровне 5-7дБ.

 

6. Технические требования, предъявляемые к основным элементам системы.

При использовании модуляции COFDM к основным элементам системы предъявляются некоторые специфические требования. Как было сказано выше, основной особенностью модуляции COFDM является использование для передачи данных большого количества

несущих. Малый зазор по частоте между соседними ортогональными несущими, который тем меньше, чем большее количество несущих используется (меньше для режима 8к, чем для режима 2к) вынуждает предъявлять повышенные требования к фазовому шуму и стабильности частоты всех частотозадающих устройств в конверторах передатчика и приемника. Общая относительная нестабильность частоты должна быть на уровне +/- 1-3ppm. Фазовые шумы для систем COFDM нормируются при отстройке от несущей на 10КГц и должны быть равны не более -90дБн.

 

Рисунок 8. Провалы напряженности электромагнитного поля, которые вызваны противофазным сложением прямого и отраженного лучей в приемной антенне базовой станции.

Еще одним специфическим требованием является высокий уровень подавления «зеркальных» частот, который должен быть не меньше 60дБн.

Применение большого количества несущих влечет за собой также повышение требований к линейности трактов приема и передачи. Причем, для приемника они даже более жестки. При эксплуатации системы недопустима перегрузка приемника, при которой интермодуляционные искажения 3-го порядка достигнут величины более  -50дБн.

Для усилителя мощности передатчика главным показателем степени линейности является коэффициент PAR (отношение пиковой мощности к средней), который определяет запас по мощности передатчика, необходимый для неискаженной передачи сигнала, состоящего из множества несущих. Для беспроводных камер данный коэффициент обычно выбирают в пределах 8-10дБ, т.е. передатчик должен работать при уровне выходной мощности в 7-10 раз ниже его максимальной мощности. Это, пожалуй, главный недостаток системы, который выражается в низком КПД передатчика. Однако потери в энергетике системы в целом оказываются значительно меньшими благодаря тому, что модуляция COFDM позволяет получить в приемнике выигрыш в отношении сигнал/шум в среднем на 5дБ.

Реализовать этот выигрыш можно только в том случае, если собственные шумы приемников (т.е. приемных конверторов) не будут превышать 2дБ.

Сиcтема COFDM не имеет четко выраженного порогового уровня по чувствительности.

Невыполнение какого-либо из приведенных ниже требований приводит к монотонному падению чувствительности системы (т.е. радиус действия передатчика уменьшается).

     

 

 

 

 

 

 

 

7. Специальная РРЛ COFDM модуляции.

Для осуществления мобильного видеорепортажа или построения мобильных пунктов видеонаблюдения ЗАО «РОКС» предлагает свою новую разработку – специальную РРЛ COFDM модуляции. Специальная РРЛ COFDM модуляции (приемопередающий комплект) представляет собой радиорелейную линию, работающую в симплексном режиме в диапазоне частот 2,35 … 2,6 ГГц. Комплект предназначен для передачи и приема сигналов стандарта DVB-T (метод модуляции COFDM). По линии передаются сигналы “Video”, “Audio 1”, “Audio 2”. Возможен вариант исполнения, позволяющий передавать сигналы от четырех телекамер одновременно (т.е. 4 сигнала «видео» и 8 сигналов «аудио»). Однако такой режим работы возможен только при стационарном размещении передатчика и приемника.

Приемопередающий комплект состоит из передающей и приемной частей.

 

В состав передающей части входят:

- передатчик DVB-T;

- усилитель мощности;

- антенна передающая коллинеарная  или другого типа (зависит от  применения).

 

В состав приемной части входят:

- антенна приемная (2 шт.);

- конвертор понижающий (2 шт.);

- приемник (ANTENA-DIVERSITY).

 

На входы передатчика “Video”, “Audio 1”, “Audio 2” подаются видеосигнал и сигналы звукового сопровождения стандартного уровня, которые затем оцифровываются, сжимаются и далее модулируются методом COFDM. На выходе передатчика DVB-T  получаем сигнал стандарта DVB-T  в диапазоне 2,35 … 2,6 ГГц.  Далее модулированный сигнал с выхода передатчика DVB-T  через усилитель мощности и передающую коллинеарную антенну

(Ku ≥ 13 дБ) излучается в эфир.

 

Из эфира модулированный сигнал в диапазоне частот 2,35 … 2,6 ГГц принимается на две приемные антенны (“DLink”) и далее на два малошумящих понижающих конвертора. Конверторы переносят спектр сигнала без инверсии в диапазон 470÷862 МГц.

 

Приемник предназначен для приема сигналов стандарта DVB-T  (метод модуляции COFDM) в диапазоне 470÷862 МГц при отсутствии прямой видимости. Принцип приема “ANTENA-DIVERSITY” (разнесенный прием с автовыбором) состоит в автоматическом выборе в приемнике того из двух входных сигналов, который дает на выходе приемника меньший коэффициент ошибок.

 Основные технические  данные РРЛ приведены в Таблице 2.

 

Таблица 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Мобильный пункт видеонаблюдения.

Один из вариантов построения пункта видеонаблюдения с базированием на автомобиле показан на рис. 9. Его главной особенностью является расположение камеры на крыше автомобиля. На данный момент многие производители предлагают большое разнообразие камер (в том числе - купольного типа), которые снабжены механизмом для дистанционного управления. Этот механизм позволяет нацеливать камеру на объект наблюдения по двум координатам и устанавливать фокусное расстояние объектива камеры, изменяя таким образом масштаб изображения. Некоторые из камер имеют также дешифратор команд телеуправления, команды на который обычно подаются по витой паре. Эти проводные системы могут быть легко преобразованы в беспроводные. Для этой цели в систему должны быть введены модулятор, передатчик, а также приемник и демодулятор. При таком подходе к решению задачи беспроводная система видеонаблюдения может быть реализована без какого-либо вмешательства в конструкцию камеры. Система телеуправления дает возможность оператору находиться далеко от объекта наблюдения, а именно – на центральной станции рядом с монитором и аппаратурой регистрации. Обычно с одного пульта дистанционного управления можно управлять большим количеством (до 200) камер.

 

Все оборудование мобильного пункта видеонаблюдения питается от бортовой сети автомобиля, которая в отдельных случаях может быть усилена за счет дополнительной батареи.

        Оборудование  размещено следующим образом. На  крыше автомобиля находятся:

        - камера  купольного типа с механизмом  управления и дешифратором команд;

        - усилитель  мощности S-диапазона (2,3-2,7ГГц);

        - коллинеарная  передающая антенна;

        - штыревая  антенна для приема сигналов  телеуправления.

Остальные элементы системы находятся в салоне автомобиля.

 

Система работает следующим образом. Видеосигнал от телевизионной камеры  через отдельный разъем поступает на блок модулятора COFDM, в котором оцифровывается и сжимается в соответствии со стандартом MPEG-2 (MPEG-4 AVC). Полученный транспортный поток модулирует множество несущих, лежащих в полосе 36,125+/-4МГц. Повышающий преобразователь преобразует этот сигнал в одну из полос частот в

S-диапазоне. Затем этот  сигнал поступает на усилитель  мощности, который расположен на  крыше автомобиля. Усиленный данным  усилителем сигнал излучается  коллинеарной антенной ANT1.

Сигнал дистанционного управления принимается антенной ANT2 и подается на приемник, который располагается в салоне автомобиля. Команды управления и напряжение питания для камеры подаются через разъем X2.

Двухуровневая система сбора видеоинформации (видеонаблюдения).

На практике во многих случаях те расстояния, которые были указаны в приведенной ниже таблице, оказываются недостаточными. Увеличение зоны обслуживания только за счет  увеличения мощности передатчика в действительности и невозможно, и нерационально.  Для решения задачи доставки сигнала, переданного  беспроводной станцией, на значительные (до 50Км) расстояния ЗАО «РОКС» предлагает применить двухуровневую систему сбора видеоинформации. Суть данной системы состоит во введении дополнительного элемента – поста сбора видеоинформации (видеонаблюдения). Пост сбора видеоинформации – это активный  ретранслятор, который принимает сигналы от одного или нескольких пунктов сбора видеоинформации (видеонаблюдения) (стационарных и мобильных), преобразует сигналы разных стандартов к одному виду, а именно, - к виду транспортных потоков DVB (TS)

 

 

 

 

 

Рис. 9. Пункт видеонаблюдения автомобильного базирования.

 

мультиплексирует данные транспортные потоки в один общий поток данных и модулирует им несущую в L-диапазоне (см. структурную схему на рис. 10). Далее этот сигнал подается на мощный повышающий преобразователь и антенну сантиметрового диапазона, с помощью которой передается на центральную станцию, которая может находиться на значительном расстоянии от поста сбора видеоинформации (видеонаблюдения). На той же мачте, на которой располагаются передатчик (повышающий преобразователь) и антенна для передачи сигналов видеонаблюдения, находится также антенна метрового диапазона, предназначенная для приема сигналов телеуправления. Кроме всего прочего, дополнительная камера может подключаться к посту сбора видеоинформации (видеонаблюдения) непосредственно с помощью кабеля. В таком случае антенна метрового диапазона, приемник и модем системы дистанционного управления размещаются в пределах поста сбора видеоинформации (видеонаблюдения). Понятно, что в том случае, когда пункт сбора видеоинформации связывается с постом сбора видеоинформации по радиоканалу, антенна, приемник и модем ДУ принадлежат пункту сбора видеоинформации.