2.2 视频监控系统传输设备
传输设备在视频监控系统中充当着重要的角色，无论是将前端设备采集的信息传送到监控中心，还是由监控中心给前端设备发送控制命令，以及各级设备之间的信息传输，都依赖于传输设备。传输设备及其相关接口的质量直接影响整个系统的运作效果。
2.2.1 信号传输的基本原理
1.通信的基本模型
通信的基本模型如图2-26所示。
图2-26 通信的基本模型
（1）信源（信息源）把各种信息转换成原始电信号，可分为模拟信源和数字信源，如麦克风属于模拟信源，而计算机信息属于数字信源。
（2）发送设备把原始信号转换为适合信道传输的电信号或光信号。
（3）信道是把来自发送设备的信号传送到接收设备的物理媒介，可分为有线信道和无线信道。无论是有线信道里的电信号、光信号或是无线信道里的无线电波，其实质都是电磁波信号。电信传输的基本过程，就是用电磁波的快速变化来表示我们能够直接识别的各种信息，然后通过有线传输或无线辐射的方式对电磁波进行传输的过程。
（4）接收设备对受到减损的原始信号进行调整补偿，进行与发送设备相反的转换工作，恢复出原始信号。
（5）信宿（受信者）把原始信号还原成相应信息，如扬声器、监视器、显示器等。
2.模拟信号与数字信号
我们最先使用的电话、电视、广播等通信技术都属于模拟电子技术，其对信息进行原始性采集，并将其转换为连续变化的电磁波信号。现在这些领域基本采用的都是数字电子技术，其对视频信息进行数字化处理，将其转换为二进制数字信号。数字信号可进行无限次的无损复制，能够实现更为智能化的系统分析与控制，其在传输过程中也更为可靠。
1）模拟信号
模拟信号指幅度的取值是连续的，这些幅值可由无限个数值表示，也是用一系列连续变化的电磁波来表示，例如麦克风的输出电压，如图2-27所示。
图2-27 麦克风输出电压
2）数字信号
数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内，是一系列二进制数字信息，例如计算机串行口输出的信号，如图2-28所示。
图2-28 计算机串行口输出信号
3.信号的传输方式
1）基带传输与频带传输
（1）基带传输。基带传输又叫数字传输，是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上传输，例如计算机网络中的信号传输就属于基带传输。基带传输是把数字信号以脉冲的形式在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带，不需要调制、解调，设备花费少，适于短距离的传输系统。由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，信道容量基本不变，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。常用的数据编码方法有：非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码等。
（2）频带传输。频带传输又叫模拟传输，是指把要传输的数据转换为模拟信号，以正弦波形式在信道上传输，我们现有的电话、模拟电视信号等，都是属于频带传输。频带传输是采用调制、解调技术，在发送端，采用调制手段，把数字信号变换成具有一定频带范围的模拟信号，在模拟信道上传输。接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为数字信号。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制等。
2）通信方式
（1）单工通信方式。单工通信方式就是信号只能单方向传输的工作方式。例如：广播和电视就是单工传输方式，收音机和电视机只能分别接收来自电台和电视台的信号，而不能进行相反方向的信息传输。单工通信方式原理图如图2-29所示。
图2-29 单工通信方式原理图
（2）半双工通信方式。半双工通信方式就是通信双方都能收发信息，但不能同时收发的工作方式。例如：对讲机通信就是典型的半双工通信方式，在一方讲话的时候另一方不能讲话，但通过开关切换，可以改变通话方式。半双工通信方式原理图如图2-30所示。
图2-30 半双工通信方式原理图
（3）全双工通信方式。全双工通信方式就是通信双方可同时进行收发信息的工作方式。例如：计算机间的通信，普通电话就是典型的全双工通信。全双工通信方式原理图如图2-31所示。
图2-31 全双工通信方式原理图
3）串行通信与并行通信
串行通信是指在一条数据线上将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。串行通信只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。常见的串行接口有USB接口、RS-232接口、RS-485接口等。
并行通信是指数据的各个位以字或字节为单位，并行进行、同时传输。并行通信速度快，但通信线多、成本高，适用于近距离通信，如计算机或PLC各种内部总线就是以并行方式传送数据的。
2.2.2 传输接口
这里的“接口”是指行业统一的连接标准，它规定了接口的机械结构、电气特性、信号功能及所需线缆类型等。下面分别介绍在视频监控系统中常用的各种接口。
1.模拟接口
1）音频接口
（1）RCA接头。RCA接头俗称AV端子、莲花插头，采用铜制的芯针和壳体通过同轴电缆进行连接传输。除了音频信号，也广泛应用于视频信号的传输，一般为左右声道的红白两个音频（Audio）接口，同时配合一个黄色的复合视频（Video）接口，如图2-32所示。
（2）BNC接口。BNC接口俗称Q9头，是一种带有锁扣的同轴电缆接口，配合不同型号的同轴电缆，常用于视频线路的连接，有时也作为音频线路的接口使用，如图2-33所示。
2）视频接口
视频接口的主要作用是将视频信号输出到外围设备，或者将外部采集的视频信号收集起来。
（1）VGA接口。VGA接口也叫D-Sub接口，共有15针，分成3排，每排5个，如图2-34所示。它直接传输摄像机采集的R（红）、G（绿）、B（蓝）模拟信号以及H（行）、V（场）同步信号，是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口，其接口定义如表2-1所示。
图2-32 RCA接头与接口
图2-33 BNC接头与接口
图2-34 VGA接口
表2-1 VGA接口定义
（2）S-Video接口。S-Video接口全称是Separate Video，它实际上是一种五芯接口，由两路视频亮度信号、两路视频色度信号和一路公共屏蔽地线共五条芯线组成，如图2-35所示。
图2-35 S-Video接口
它将亮度和色度分离输出，避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了图像的清晰度。但它仍要将两路色差信号（Cr、Cb）混合为一路色度信号C进行传输，然后再在显示设备内解码为Cr和Cb进行处理，这样会因一定的信号损失而导致失真。
（3）复合视频接口。复合视频接口传输的是一种混合视频信号，它把混合的色度信号C与亮度信号Y作叠加，由同一信道进行传输。我们常见的标有Video字样的视频接口都是复合视频接口，常与音频接口配合使用。
2.数字接口
1）RS-232接口
RS-232接口是现在主流的串行通信接口之一，被广泛用于计算机串行接口外设的连接，有DB25接口和DB9接口两种，现在普遍使用的基本上都是DB9接口，如图2-36所示。RS-232接口传输距离最大约为15m，其电气标准为，电平为逻辑“0”时：+3V～+15V；电平为逻辑“1”时：-3V～-15V。DB9接口定义如表2-2所示。
图2-36 DB9接口
表2-2 DB9接口定义
2）RS-485接口
RS-485是为弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而产生的，有两线制和四线制两种接线，两线制是半双工通信方式，四线制是全双工通信方式。RS-485接口为一般的端子型接口，没有规定引脚定义、信号功能，只需保持两根信号线相邻，在同一个双绞线中，引脚A、B不能互换就可以了。其电气标准为，+2V～+6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。
在视频监控系统中，有些厂家的设备接口为RS-232，有些为RS-485，经常需要进行RS-232与RS-485接口转换，这就出现了RS-232与RS-485接口转换器。图2-37和图2-38所示分别为“西元”展柜中展示的无源485码转换器和有源485码转换器。
图2-37 无源485码转换器
图2-38 有源485码转换器
3）DVI接口
DVI接口，即数字视频接口，全称为Digital Visual Interface，目前的DVI接口分为两种：一种是DVI-D接口，只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空；另外一种则是DVI-I接口，可同时兼容模拟和数字信号。数字视频接口（DVI）是一种国际开放的接口标准，在PC、DVD、高清晰电视（HDTV）、高清晰投影仪等设备上有广泛的应用。如图2-39所示，为DVI的两种接口。
图2-39 DVI的两种接口
4）HDMI接口
HDMI接口全称“高清晰度多媒体接口”（High Definition Multimedia Interface），是一种数字化视频/音频接口，如图2-40所示。它是适合影像传输的专用型数字化接口，可同时传送音频和影像信号，最高数据传输速度为4.5GB/s，同时无须在信号传送前进行数/模或者模/数转换。HDMI接口常用于液晶电视、监控显示设备、数字音箱等设备。
5）USB接口
通用串行总线（Universal Serial Bus）接口，是连接计算机系统与外围设备的一种串口总线接口，也是一种输入输出接口，如图2-41所示。由于其即插即用、支持热插拔、传输速度快等特点，被广泛地应用于个人计算机和移动设备等信息通信产品，并扩展至摄影器材、数字电视机等其他相关领域。
图2-40 HDMI接口
图2-41 USB接口
6）RJ-45网络模块和水晶头
随着网络摄像机、网络交换机、视频服务器等网络设备在视频监控系统中的广泛应用，视频监控系统已经成为一种典型的计算机网络应用系统，各种信息传输接口、控制接口也逐步被网络接口所取代。目前的以太网主要为10Base-T和100Base-T标准，使用RJ-45网络模块和水晶头进行连接，通过4对网络双绞线进行信息的传输，图2-42所示为RJ-45网络模块实物照片和结构，图2-43所示为RJ-45网络水晶头实物照片和结构。
图2-42 RJ-45网络模块实物照片和结构
图2-43 RJ-45网络水晶头实物照片和结构
10/100Base-T标准仅使用1、2、3、6四芯线进行数据的传输，而1000Base-T标准中会使用全部的八芯线，其网络接口引脚定义如表2-3所示。
表2-3 网络接口引脚定义
符号说明：TX-写；RX-读；BI-双向；DA、DB、DC、DD为四组数据线对。
7）光纤接口
光纤接口也称为光纤耦合器，它是连接光纤和光缆的物理接口，实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，通常有SC、ST、FC、LC四种类型，如图2-44所示。
图2-44 光纤耦合器
8）光纤配线架
光纤配线架是光缆和光通信设备之间或光通信设备之间的配线连接设备，用于光纤通信系统中局端主干光缆的成端和分配，可方便地实现光纤线路的连接、分配和调度。图2-45所示为西元组合型光纤配线架。
图2-45 西元组合型光纤配线架
9）光电转换器
光电转换器又名光纤收发器，是一种类似于数字调制解调器的设备，不同的是其接入的是光纤专线，传输的是光信号。光电转换器将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互相转换，一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中。图2-46所示为光电转换器及其连接示意图。
图2-46 光电转换器及其连接示意图
2.2.3 传输线缆
在视频监控系统中使用的线缆主要有同轴电缆、双绞线电缆和光缆。各种线缆在信号传输过程中的有效性和可靠性，将直接影响系统的工作性能，因此对这些线缆的充分了解和学习是必不可少的，下面我们分别介绍这些常用的传输线缆。
1.同轴电缆
同轴电缆（Coaxial Cable）是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，最里层为铜线导体，其外部为环形的绝缘保护层，保护层的外部是另一层网状环形导体，然后最外层由聚氯乙烯或特氟龙材料的护套包裹，如图2-47所示。
图2-47 同轴电缆
我国同轴电缆型号采用字母和阿拉伯数字标示，格式依次为：分类代号—绝缘材料—护套材料—派生特性—特性阻抗—芯线绝缘外径—结构序号，其中的字母含义如表2-4所示。
表2-4 同轴电缆字母含义
例如：SYV-75-3-1型电缆表示同轴射频电缆，用聚乙烯绝缘，用聚氯乙烯做护套，特性阻抗75Ω，芯线绝缘外经为3mm，结构序号为1。
2.双绞线电缆
两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起，即形成一对双绞线。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆，日常生活中一般把“双绞线电缆”直接称为“双绞线”。
在双绞线电缆内，不同线对具有不同的扭绞长度，两根导线绞绕得越紧密其抗干扰能力越强，同时，不同线对之间又不会产生串模干扰。为了方便安装与管理，每对双绞线的颜色会有所区别，一般规定四对线的颜色分别为：白橙/橙、白绿/绿、白蓝/蓝、白棕/棕。
1）双绞线电缆的分类
双绞线一般分为5类、超5类、6类、7类等，还有屏蔽和非屏蔽等多种型号和规格。
目前，常用的双绞线电缆一般分为两大类：第一大类为非屏蔽双绞线，简称UTP，如图2-48所示；第二大类为屏蔽双绞线，简称为STP，如图2-49所示。屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹着，以减小辐射。
图2-48 非屏蔽双绞线电缆
图2-49 屏蔽双绞线电缆
双绞线电缆分类如图2-50所示。
2）双绞线电缆的接头标准
双绞线电缆的接头标准为TIA/EIA568A和568B标准，T568A线序为白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕，其接线图如图2-51所示。T568B线序为白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕，其接线图如图2-52所示。
图2-50 双绞线分类
图2-51 T568A接线图
图2-52 T568B接线图
两种接头标准的传输性能相同，唯一区别在于1、2和3、6线对的颜色不同。不同国家和行业选用不同的接头标准。在中国一般使用568B标准，不使用568A标准。在同一个工程中只能使用一种标准，禁止混用，如果标准不统一，就会出现牛头对马嘴，布线永久链路不通，更严重的是施工过程中一旦出现标准差错，在成捆的线缆中是很难查找和剔除的。
3）直通线与交叉线
直通线：一根网线，两端的线序相同，即都是568B标准线序。不同类型设备连接使用直通线，如：网卡到交换机、交换机到路由器等。
交叉线：一根网线，一端为568B线序，另一端为568A线序，即1-3、2-6对调。相同类型设备连接使用交叉线，如：两台计算机的网卡，交换机与交换机、交换机与集线器等。因为线分为两组，1-2和3-6，一组用来发送数据，一组用来接收数据，同样的设备端口都是一样的，交叉后发送对应对方接收。
标准规范对双绞线的规定：
10/100/1000 BASE-T直通线：T568B—T568B。
10/100 BASE-T交叉线：T568B—T568A。
1000 BASE-T交叉线：T568B—另一端线序，如表2-5所示。
表2-5 1000 BASE-T交叉线另一端线序
3.光缆
在光缆绝缘层内的通信介质为光纤，光纤是一种由玻璃或者塑料制成的通信纤维，其利用“光的全反射”原理，作为一种光传导工具。光是一种电磁波，可见光部分波长范围是：390～760nm，大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1310nm，1550nm三种。光纤跳线类型有SC、ST、FC、LC，如图2-53所示。
图2-53 光纤跳线
1）光纤分类
单模光纤：主要用来承载具有长波长的激光束，单模只传输一种模式，和多模光纤相比色散要少。由于使用更小的玻璃芯和单模光源，所以其纤芯较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，需要高质量的激光源，成本较高。为与多模光纤区别，国际电信联盟规定室内单模光缆的外护套为黄色。
多模光纤：主要使用短波激光，允许同时传输多个模式，覆盖层的反射限制了玻璃芯中的光，使之不会泄漏。多模光纤的纤芯粗，传输速率低、距离短，激光光源成本较低，国际电信联盟规定室内多模光缆的外护套为橙色。
2）光纤通信
光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。
光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如视频信号）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
2.2.4 无线（微波）传输
在视频监控系统中，有些工程需要使用无线传输方式，例如在大型工厂、矿山以及无法布线的情况下，经常需要使用无线传输方式，将几千米外摄像机的图像传输到监控中心。无线传输是指利用无线技术进行数据传输的一种方式，可分为模拟微波传输和数字微波传输。
1.模拟微波传输
模拟微波传输就是把视频信号直接调制在微波的信道上，通过天线发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，然后再通过微波接收机解调出原来的视频信号。如果需要控制云台镜头，就在监控中心加相应的指令控制发射机，监控前端配置相应的指令接收机。这种监控方式图像非常清晰，没有延时，没有压缩损耗，造价便宜，施工安装调试简单，适合一般监控点不是很多、需要中继也不多的情况下使用。模拟微波传输的缺点是抗干扰能力较差，易受天气、周围环境的影响，传输距离有限，已逐步被数字微波取代。
2.数字微波传输
数字微波传输就是先把视频编码压缩，然后通过数字微波信道调制，再通过天线发射出去，监控中心通过天线接收信号，微波解扩，视频解压缩，最后还原出原来的视频信号。监控中心也可微波解扩后通过计算机安装相应的解码软件，用计算机软件解压视频，而且计算机还支持录像、回放、管理、云镜控制等功能。这种监控方式，图像可进行分辨率选择，通过解码的存储方式，视频有0.2～0.8s左右的延时。它可集中传输多路视频，抗干扰能力比模拟的要好，适合监控点比较多、需要中继也多的情况下使用。
无线传输与传统的有线方式相比，能够避免大量的布线工作，节省施工费用，重定位能力强，灵活性高。但由于无线通信本身的特性所致，也存在网络宽带与频率资源有限、速率带宽稳定性差、传输误码率高等问题。