在視頻監(jiān)控應用中利用單線對以太網(wǎng)

為幫助更大限度地提高安全性，工業(yè)、辦公室和住宅建筑的監(jiān)控基礎設施正在穩(wěn)步增加。在過去十年中，攝像頭技術在圖像傳感器、視頻處理、連接性和通過人工智能進行視頻分析等方面取得了巨大進步。大多數(shù)攝像頭都使用移動行業(yè)處理器接口(MIPI)將圖像傳感器連接到視頻處理器，從而使用各種分辨率的圖像傳感器來升級攝像頭。圖1展示了組成視頻監(jiān)控攝像頭系統(tǒng)的各種元件。

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圖1：基本互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)監(jiān)控攝像頭

人們對高分辨率圖像和視頻的持續(xù)需求推動了圖像傳感器的改進和創(chuàng)新，使分辨率從320 x 240像素提升至4,096 x 2,160像素甚至更高，增幅約達十倍。像素數(shù)的增加也意味著需要通過MIPI接口將更多數(shù)據(jù)從圖像傳感器傳輸?shù)揭曨l處理器。為了支持高質(zhì)量的視頻傳輸，IP攝像頭中的以太網(wǎng)物理層(PHY)也需要從10Mbps提高到1Gbps。正因如此，視頻處理器運行視頻壓縮算法的能力變得很重要，它可以更大限度地減少通過以太網(wǎng)電纜傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

幀率為30fps的4K分辨率圖像傳感器產(chǎn)生的未壓縮視頻的數(shù)據(jù)速率為9.56Gbps。盡管MIPI旨在支持如此高或甚至更高的速率，但是通過以太網(wǎng)以這種速率傳輸數(shù)據(jù)和存儲未壓縮的高分辨率視頻在經(jīng)濟上不可行（需要龐大的存儲空間）。利用H.265等高效視頻壓縮算法，即使是使用4K圖像傳感器壓縮到中等質(zhì)量，數(shù)據(jù)速率要求也可降至低于10Mbps。當圖像傳感器公司試圖制造更高分辨率的傳感器時，國際電工委員會、國際標準化組織和國際電信聯(lián)盟等標準機構(gòu)正在研究視頻壓縮算法，從而在某些工作場景下將通過以太網(wǎng)的視頻數(shù)據(jù)速率限制在10Mbps以下。

IP攝像頭中的標準以太網(wǎng)接口受規(guī)范所限制，僅支持100m的電纜傳輸距離；然而，有一種新技術可以將最小電纜長度增加到1,000m。IP攝像頭到網(wǎng)絡視頻錄像機的距離可以是1km或更長，而通過標準以太網(wǎng)在上述距離實現(xiàn)連接需要用到中繼器或光纖電纜。一種替代方法是使用同軸電纜(RG-59)來達到更長的距離，但這需要使用無源適配器將以太網(wǎng)信號從CAT 5e轉(zhuǎn)換到同軸電纜，反之亦然。每100m同軸電纜的成本往往高于標準以太網(wǎng)電纜的成本。

最近，電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE) 定義了一項新的以太網(wǎng)標準 IEEE 802.3.cg，通過單對平衡導體實現(xiàn) 10Mbps 的運行以及相關的電力輸送。更具體地說&10BASE-T1L: IEEE 802.3 PHY規(guī)范適用于通過單對平衡導體的10Mbps以太網(wǎng)局域網(wǎng)，電纜傳輸距離至少為1,000m（使用18 AWG導線進行點對點連接可實現(xiàn)長傳輸距離）。由于單線對電纜現(xiàn)可同時支持數(shù)據(jù)傳輸和電力輸送，所以采用IEEE 802.3.cg可顯著節(jié)約成本，并且在視頻監(jiān)控應用中更容易安裝。

10BASE-T1L PHY在單對平衡導體上使用全雙工通信，每個方向同時具有10Mbps的有效數(shù)據(jù)速率。10BASE-T1L PHY使用三級脈沖振幅調(diào)制(PAM3)，在鏈路段以7.5兆波特的速率傳輸。33位擾頻器可幫助改善電磁兼容性。使用4B3T編碼（即4個二進制對應3個三進制）對MII傳輸數(shù)據(jù)(TXD<3:0>)進行編碼，使傳輸?shù)腜AM3符號的運行平均值（直流基準）不超出范圍。使用管理數(shù)據(jù)輸入/輸出界面將10BASE-T1L PHY的發(fā)送器輸出電壓設置為1.0Vpp或2.4Vpp差分，有助于在不同電纜上實現(xiàn)更長的通信距離。

DP83TD510E是一款符合IEEE 802.3cg 10Base-T1L規(guī)范的超長傳輸距離PHY收發(fā)器。該器件由3.3V單電源供電，并支持IEEE 802.3cg 10Base-T1L規(guī)范定義的2.4V p2p和1V p2p電壓模式。PHY具有噪聲非常低的耦合接收器架構(gòu)，可支持長達2,000m的電纜長度。該器件提供媒體獨立接口(MII)、簡化MII、簡化千兆位MII和RMII低功耗5MHz主模式與處理器的MAC相連。DP83TD510E診斷工具包括時域反射法(TD R)、主動鏈路電纜診斷(ALCD)、信號質(zhì)量指標(SQI)、多個環(huán)回接口和集成PRBS數(shù)據(jù)包發(fā)生器，簡化了開發(fā)過程中的調(diào)試和現(xiàn)場故障情況檢測。

單線對以太網(wǎng)(SPE)網(wǎng)絡還支持通過視頻監(jiān)控應用中的低通濾波器沿著同一根單線對電纜進行數(shù)據(jù)線供電(PoDL)，如圖2所示。

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圖2：視頻監(jiān)控中的PoDL示例

表1列出了IEEE 802.3.cg標準支持的各種功率等級。可向負載提供的最大功率為52W，定義為15級。IEEE 802.3.bu涵蓋了低于10的功率等級。?

表1：IEEE 802.3.cg標準支持的功率等級
來源：IEEE以太網(wǎng)標準

8和9級（48V穩(wěn)壓電源設備）或14和15級（最大50V至58V）可支持IP攝像頭所需的功率等級，該攝像頭可能需要高達52W的功率才能運行。此功率足以支持大多數(shù)攝像頭系統(tǒng)，即使是帶有內(nèi)置加熱器的攝像頭系統(tǒng)也不例外。對于需要升級的建筑物，中間解決方案可使用標準以太網(wǎng)至SPE轉(zhuǎn)換器。圖3提供了IP攝像頭系統(tǒng)的連接示例。

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圖3：IP網(wǎng)絡攝像頭連接

未來的IP攝像頭產(chǎn)品有望支持SPE，從而更容易安裝，網(wǎng)絡視頻錄像機也將提供電源設備端口。通過簡化的SPE網(wǎng)絡實現(xiàn)壓縮率更高的視頻，可以在不增加復雜性和成本的情況下實現(xiàn)更好的監(jiān)控。