安防中的传输

传输是通过各种手段(经媒介例如电线、同轴电缆、微波、光纤,或者无线电频率等)实现的信号传播。这其中有两点,其一是传输的手段,即使用的传输媒介,其二是传输的信号。

安防系统中需要传输的信号主要有电源,视频,音频,报警I/O,控制信号等。

主要的传输方式和介质有:同轴电缆,双绞线,光纤,无线(Wi-Fi及4G等),微波,卫星等。

下面详细说明。

传输的信号

电源信号

安防摄像机一般使用DC12V电源供电,有些球机使用AC24V电源,一些家用Wi-Fi智能摄像机使用DC5V电源。

硬盘录像机DVR/NVR,普通交换机一般使用DC12V电源或者直接使用AC220V电源。

POE交换机使用AC48-52V电源供电。

后端设备,比如各种服务器,矩阵,电视墙等一般多使用AC220V电源供电。

视频信号

安防摄像机分类 一文中说过,按照输出信号的不同,摄像机可以分为模拟,数字,网络三种。

模拟信号是指在时域上数学形式为连续函数的信号,与数字信号相对应。

模拟视频信号传输的是一组随时间改变的视频图像的亮度和色度数据。用数字函数来表示,时间是自变量而信号本身则是应变量。这个函数在时间轴上连续不断的取值。

若只在固定时间节点上取样,这样的信号我们称为离散时间信号,用有限的字长来表示所有取样点的值,这样的离散时间信号称为数字信号。

从概念上讲,数字信号是量化的离散时间信号,而离散时间信号则是已经采样的模拟信号。

因为连续不断取值,显然,模拟信号更容易受噪声干扰。同时,几乎所有的传输介质,例如同轴电缆、无线电波、光纤等,应用在数字或模拟信号上都可以,但是数字信号相较于模拟信号,可以更有效的利用这些介质。

网络信号,准确讲应该叫经过编码的数字信号,通过计算机网络进行传输,其传输的还是数字信号。

音频信号

声音是振动产生的声波,通过介质(气体、固体、液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。

声音的频率一般会以赫兹表示,记为Hz,指每秒钟周期性震动的次数。而分贝是用来表示声音强度的单位,记为dB。

音频信号和视频信号一样,通过模拟信号来模拟音频,因此音频信号可以和视频信号通过同样的介质传输。特别的,音频也可以像视频信号一样进行编码,通过网络传输。
更详细的可以参考阅读 网络摄像机中的音频功能 一文。

控制信号

安防中的控制信号主要有RS-485云台控制信号,RS-232串口信号。

RS-485使用缆线两端的电压差值来表示传递信号,不同的电压差分别标识为逻辑1及逻辑0。两端的电压差最小为0.2V及以上时有效,任何不大于12V或者不小于-7V的差值对接受端都被认为是正确的。

RS-485仅仅规定了接受端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。(早期使用云台控制功能时,需要设置球机的地址码,协议,波特率。现在要求没有这么严格,可能任意的协议或者波特率都可以正常控制云台设备)

RS-485推荐使用在点对点网络中,线型、总线型,不能是星型、环型网络。假如必须要使用星型网络,需要配合特殊的RS-485分配器/中继器使用。

RS-232是美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准,被广泛用于计算机串行接口外设连接。

在RS-232标准中,字符是以一串行的位串来一个接一个的串列方式传输,优点是传输线少,配线简单,发送距离可以较远。

RS-232使用的电缆和连接器可能是3到25个管脚的,典型应用的是4到6个管脚的。

RS-232串行通信在软件设置里需要做多项设置,最常见的设置包括波特率、奇偶校验和停止位。

报警I/O信号

报警输入输出信号,一般是高低电平或者开关量。其实质是数字电路。

数字电路中研究的主要问题是输出信号的状态(“0”或“1”)和输入信号(“0”或“1”)之间的逻辑关系,即电路的逻辑功能。(在正逻辑下,“0”是低电平,“1”是高电平,高低电平没有明确的界限)

摄像机外部接口一文中有对报警输入输出接口及信号的详细介绍说明,这里不赘述。

传输设备及介质

关于安防中使用的各种线缆的的要求可以阅读 安防中使用的线缆 一文。这里主要说说一些特殊的传输功能和其他。

电源线传输

电源线除了传输电源信号以外,借助电力载波技术,还可以传输视频信号,网络信号等。

电力载波通讯即PLC,是英文Power line Carrier的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式,电力载波通讯是指利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递。

使用电力线传输视频信号,网络信号时,需要使用对应的电力线网桥,类似于无线网桥,一个发射一个接收,也可以多对一使用。

电力载波传输的问题:

  1. 只能在一个配电变压器区域范围内传送;
  2. 只能在单相电力线上传输;
  3. 电力线对载波信号造成高削减;
  4. 电力线存在本身固有的脉冲干扰。

因为以上种种弊端,电力线传输技术只是有益的补充,很难大面积应用和发展。

同轴电缆传输

类似于电力载波技术,同轴电缆也可以用来传输网络信号,这一技术被称为EOC(Ethernet Over Cable)。

同样的,EOC传输也需要借助相应的网桥,一个发射一个接收,也可以多对一使用。

EOC主要问题:抗干扰能力差,传输距离短,标准众多。更重要的是,网络带宽早已普及,使用同轴有线电视的市场存量越来越少,因此使用EOC改造网络的必要性越来越低。

双绞线传输

双绞线是由两条外面被覆塑胶类绝缘材料、内含铜缆线,互相绝缘的双线互相缠绕(一般以顺时针缠绕),绞合成螺旋状的一种电缆线。

两条导线中,每条导线感应的电流几乎相等。两条导线螺旋绞合确保两条线与干扰源的平均距离相同,并且受到的影响相同。噪声因此产生共模信号,该共模信号可以在接收器处仅通过检测差分信号来消除。

因此双绞线可减少信号发送中的衰减、减少串扰及噪声、并改善了对外部电磁干扰的抑制能力。

双绞线过去主要是用来传输模拟信号,现在同样适用于数字信号的传输,属于信息通信网络传输介质。

使用双绞线来传输模拟视频需要使用相应的双绞线传输器(一收一发成对使用),用来传输数字网络信号时,使用RJ-45接头,俗称水晶头。

多个网络摄像机,网络设备通过网线传输,使用交换机汇聚到一起。关于交换机的相关介绍可以参考阅读 安防视频监控中的交换机选用PoE供电 这两篇文章。

双绞线规格型号

EIA/TIA为双绞线电缆定义了基于不同质量的型号规格。

型号规格
CAT-1主要用于语音传输
CAT-2传输频率为1MHz,最高传输速率4Mbps
CAT-3传输频率为16MHz,最高传输速率为10Mbps
CAT-4传输频率为20MHz,最高传输速率16Mbps
CAT-5传输频率为100MHz,最高传输速率为100Mbps
CAT-5e衰减小,串扰少
CAT-6传输频率为250MHz,传输速度为1Gbps,标准外径6mm
CAT-6A传输频率为500MHz,传输速度为10Gbps,标准外径9mm
CAT-6e传输频率为500MHz,传输速度为10Gbps,标准外径6mm
CAT-7传输频率为600MHz,传输速度为10Gbps
CAT-8传输频率为2000MHz,传输速度为40Gbps

光纤传输

无论是同轴电缆,还是双绞线,传输距离都有限,当需要有线传输几公里,几十公里时,需要使用光纤。

光纤,全称光导纤维(Optical fiber),是一种由玻璃或塑料制成的纤维,利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。

微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。通常光纤的一端的发射设备使用发光二极管或一束激光将光脉冲发送至光纤中,光纤的另一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。包含光纤的线缆称为光缆。由于信息在光导纤维的传输损失比电在电线传导的损耗低得多,更因为主要生产原料是硅,蕴藏量极大,较易开采,所以价格很便宜,促使光纤被用作长距离的信息传输介质。

光纤传输数据除了光纤线缆外,还需要使用光纤收发器,一收一发成对使用。还可以将光纤收发功能内置到交换机里,即交换机的光纤接口(SFP)来实现光信号的传输。

使用发光二极管传输多束光的叫多模光纤。使用激光发射单束光的是单模光纤。单模多模光纤不能混用,对应的光纤收发器也不能混用。

一般的我们把传输网络数字信号的光纤设备叫光纤收发器,把专门传输视频信号的光纤设备叫光端机。

光纤的接头

常见的光纤接头分为FC和SC两种。
FC即Ferrule Connector圆型带螺纹,多用于配线架上。SC即Snap-in Connector卡接式方型,多用于路由器,交换机上。

以上都是有线传输,下面介绍无线传输。如论如何,无线传输稳定性,可靠性都要比有线差,无线传输仅作为有线传输的有益补充而存在。

无线传输

Wi-Fi

关于Wi-Fi的基本原理介绍等可以参考安防中的相关Wi-Fi知识一文,这里不赘述。

理论上使用有线网络传输的安防设备,比如网络摄像机,DVR,NVR等都可以通过增加无线Wi-Fi网卡的方式,将有线网络扩展成无线Wi-Fi。安防中的相关Wi-Fi知识一文中已有详细说明。

无线网桥

无线Wi-Fi的传输距离一般有限,特殊需要时,我们可以通过大功率的无线网桥,来远距离无线传输网络数字信号或者视频信号。

无线网桥也是成对使用,一个接收,一个发送,当然也可以多对一使用。传输距离可以几公里到几十公里。进行无线传输时,网桥之间一般不能有障碍物,距离很远时,需要调整网桥之间的天线角度,以达到最好的无线传输效果。

4/5/6G

关于移动通信在安防中的应用参考阅读以下三篇文章:
4G LTE cat.1在物联网,安防中的应用 , 5G , 6G

微波传输

微波通讯是指一种综合技术,将信号以频率在0.3 GHz 至300 GHz的微波(波长0.1毫米到1米之间)作为载体传输。5G通信使用的毫米波段就是微波。

微波通信是直接使用微波作为介质进行的通信,不需要固体介质,当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。一般使用抛物面天线来发射和接收微波信号。

微波通信具有良好的抗灾性能,对水灾、风灾以及地震等自然灾害,微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送,易受干扰,在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向,因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。

卫星传输

无线电通信使用电磁波来传递信号,这些波是直线传输的,因此它们会被地球的弯曲表面挡住,因而可以使用通信卫星来传递地球表面的信号从而实现地面远距离的通信。

卫星轨道离地很高,天线波束能覆盖地球广大面积,且电波传播不受地形限制。卫星装有由接收和发射设备组成的转发器,将收到的信号经放大、移频后发射给地面。

另外,物联网的主要传输方式,相关介绍可以参考阅读这篇文章 物联网,智能家居连接标准,传输方式

参考资料:

  1. 模拟信号
  2. 数字信号
  3. 数据传输
  4. 声音
  5. 视频编码的相关概念
  6. RS485
  7. RS-232
  8. 数字电路
  9. 昆山网电科技
  10. EOC技术汇总
  11. 维基百科:双绞线
  12. 维基百科:光导纤维
  13. 维基百科:微波通讯
  14. 维基百科:通信卫星
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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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