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運用單對乙太網路於影片監視設施應用
[作者 Navaneeth Narayanasamy]   2021年06月11日 星期五 瀏覽人次: [1713]

人們對於高解析度影像與影片的持續要求,讓影片處理器執行影片壓縮演算能力相對的重要,藉以將透過乙太網路纜線傳輸的資料最小化。預計未來IP攝影機產品將可支援SPE轉換器,網路錄影機也將可提供電源設備埠。而透過簡化SPE網路轉為更佳的壓縮影片,即可在不增加複雜性或成本的情況下提升監視性能。


監視基礎設施的使用在各產業、辦公室及住宅建築中穩定成長,協助達到最高的安全性。近十年來,攝影機技術在影像感測器、影片處理、連線與影片分析方面,都透過人工智慧而有顯著進步。多數攝影機採用行動產業處理器介面(MIPI)將影像感測器連接至影片處理器,讓攝影機可透過各種影像感測器解決方案進行升級。圖1說明組成影片監視攝影機系統的各種元件。



圖1 : 基本網路協定(IP)監視攝影機
圖1 : 基本網路協定(IP)監視攝影機

對高解析度影像與影片的持續要求推動了影像感測器的進步與創新,使解析度從320 x 240像素提升到4,096 x 2,160像素(含)以上,增加將近十倍像素的技術提升。像素數的增加也代表需從影像感測器透過MIPI介面傳送至影片處理器的資料增加。


IP攝影機中的乙太網路實體層(PHY)也面對更多需從10 Mbps轉移至1 Gbps,以進行高品質影片傳輸。這時候影片處理器執行影片壓縮演算能力就變得很重要,以將透過乙太網路纜線傳輸的資料最小化。


30 fps的4K解析度影像感測器可產生資料速率9.56 Gbps的未壓縮影片。雖然MIPI專為支援此速率或執行更高的速率而設計,但若以此速率透過乙太網路進行傳輸,同時要儲存未壓縮的高解析度影片(需要大量記憶體儲存空間),是較為不經濟惠實的作法。透過H.265等有效影片壓縮演算法,即便使用4K影像感測器壓縮至中等影片品質,資料速率需求仍可降至10 Mbps以下。


影像感測器供應商嘗試打造具更高解析度的感測器,國際電子電機委員會、國際標準化組織與國際電信聯盟等標準化組織也針對影片壓縮驗算法進行努力,讓透過乙太網路的影片資料速率在特定運作情境下,能夠限制在10 Mbps以下。


IP攝影機中的標準乙太網路介面會因規格而產生100公尺纜線範圍限制,但有一種新技術可將最低纜線長度延長至1,000公尺。IP攝影機與網路錄影機的距離可達1公里或以上,若要縮短與標準乙太網路進行此距離的橋接,則需使用中繼器或光纖纜線。替代方式是透過同軸電纜(RG-59)來延伸距離,但需以被動式轉接器將乙太網路訊號從CAT 5e轉至同軸電纜,反之亦然。同軸電纜每100公尺成本通常較標準乙太網路纜線來得高。


電機電子工程師學會(IEEE)最近針對以單對平衡導體進行10-Mbps 運作與相關電力輸送定義了新的乙太網路標準IEEE 802.3.cg。更具體來說是10BASE-T1L:透過單對平衡導體的 10-Mbps乙太網路區域網路IEEE 802.3 PHY規格範圍為至少1,000公尺(利用18 AWG纜線進行點對點連接以實現長距離範圍)。由於單對纜線現可支援資料與電力傳輸,若採用IEEE 802.3.cg將可大幅節省成本,在影片監視應用中的安裝也將變得更簡單。


在建築自動化中運用單對乙太網路

10BASE-T1L PHY透過單對平衡導體進行全雙工通訊,於各方向同時以10 Mbps的有效資料速率運作。10BASE-T1L PHY則使用三階脈衝振幅調變(PAM3),在鏈路區段以7.5 megabaud 進行傳輸。33位元擾頻器有助於提升電磁相容性。MII傳送資料(TXD<3:0>)以四二進位三元(4B3T)方式編碼,以將傳送PAM3符號的執行平均(DC基準)維持在界限內。利用管理資料輸入/輸出介面將10BASE-T1L PHY的發射器輸出電壓設定為1.0-Vpp或2.4-Vpp壓差,可幫助在不同纜線下延伸通訊距離。


DP83TD510E是符合IEEE 802.3cg 10Base-T1L規格的超長距離乙太網路PHY收發器。此裝置可以單一3.3-V電源供應器運作,並支援2.4-V p2p與1-V p2p電壓模式,如IEEE 802.3cg 10Base-T1L規格定義。PHY透過超低雜訊耦合接受器架構,可支援高達2,000 m的纜線長度。此裝置提供媒體獨立介面(MII)、簡化式MII,簡化式Gigabit MII與RMII低功率5-MHz 主要模式,以提供與處理器MAC的介面。其診斷工具包含時域反射儀(TDR)、主動鏈路纜線診斷(ALCD)、訊號品質指數(SQI)、多重回送與整合式PRBS封包產生器,可在開發過程與現場偵測故障情況時簡化偵錯程序。


單對乙太網路(SPE)也支援透過數據線(PoDL)供電並沿相同單對纜線,以影片監視應用中顯示的低通濾波器傳送電力,如圖2所示。



圖2 : 影片監視中的 PoDL 範例
圖2 : 影片監視中的 PoDL 範例

表1列出IEEE 802.3.cg標準支援的各種功率等級。可輸送至負載的最大功率為52 W,並定義於等級15以下。功率等級10以下由IEEE 802.3.bu涵蓋。


表1:IEEE 802.3.cg標準支援的功率等級(來源:乙太網路IEEE標準)

表 104-1a – 等級 10 到 15 的 PSE、PI 與 PD 等級功率需求矩陣

[課程]

10

11

12

13

14

15

VPSE(max) (V)

30

30

30

58

58

58

VPSE_OC(min) (V)

20

20

20

50

50

50

VPSE(min) (V)

20

20

20

50

50

50

IPI(max) (mA)

92

240

632

231

600

1579

Pclass(min) (W)

1.85

4.8

12.63

11.54

30

79

VPD(min) (V)

14

14

14

35

35

35

PPD(max) (W)

1.23

3.2

8.4

7.7

20

52


等級8與9(48-V穩壓電源設備)或等級14與15(最高50至58-V)可支援IP攝影機所需的功率位準,可能需要52 W功率才能運作。此功率對多數攝影機系統皆已足夠,包含具內建加熱器者。針對需要升級的建築物,中介解決方案是使用標準乙太網路至SPE轉換器。圖3提供IP攝影機系統的連線範例。



圖3 : IP網路攝影機連線
圖3 : IP網路攝影機連線

預計未來IP攝影機產品將可支援SPE,可使安裝更加便利,網路錄影機也將可提供電源設備埠。透過簡化SPE網路轉為更佳的壓縮影片,即可在不增加複雜性或成本的情況下提升監視性能。


(本文作者Navaneeth Narayanasamy任職於德州儀器)


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