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本文闡述了非標準電纜長線傳輸CCD視頻信號及其接收的方法。通過對油井下CCD視頻圖像信號用非標準電纜長線傳輸的實現，設計了一套小體積遠距離的圖像通信系統。本文所提出的圖像采集、傳輸與接收系統異地時鐘不同步情況下數據的恢復方法，使圖像數據能以更高的數據率、更可靠地恢復出來。本文提出的用非標準電纜傳輸圖像的通信方法對各種部分惡劣的情況具有一定的參考價值和應用前景。

一、前言

隨著光電技術、計算機技術、通信技術的進展，各種圖像通信業務蓬勃發展。但由于圖像中包含的信息量相當大，視頻信號的頻帶可寬達6MHz，轉換成的掃描電信號變化相當快，即使是變化較慢的可視電話信號，其頻帶也達到了1MHz。對應于這種情況，圖像的傳輸除了研制和開發大容量的廉價的寬帶傳輸線路以外，還應采用有效的頻帶壓縮技術。
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隨著計算機、大規模集成電路及數字技術的迅速發展，使數字圖像編碼壓縮技術獲得成功。當前，用標準的同軸電纜進行遠程圖像傳輸，一般采用脈沖編碼調制方式。但在現實中，從方便和經濟著眼，有時需要用非標準電纜來遠程傳輸有用的圖像信號，這是一個很有實用價值的問題。我們研制了一個從油田注水井的井下用三千多米普通油礦電纜，遠距離傳輸圖像的傳輸與接收系統，并獲得了成功。下面就介紹一下這種傳輸與接收系統的結構、原理及我們采取的措施。

二、傳輸系統的結構及原理

系統的結構及工作原理如圖1所示。

將微型CCD攝像機置于井下，輸出的視頻信號經前置放大至A/D轉換器進行量化、壓縮與保存，并/串轉換，然后經信源編碼合成送至放大器放大到一定幅度，并采用一定的信道編碼送至非標準電纜。經非標準電纜長線傳輸到接收器，接收部分首先經波形匹配、放大、整形變為數字信號后對數據進行重新采集，并通過一個“強制判1”電路重新判出“1”、“0”，經數據恢復、串/并轉換至微機進行處理和顯示。

三、圖像信號的合理采集與量化

由于我們是用非標準電纜進行長線傳輸，這種電纜的傳輸特性即高頻衰減與相移特性都不很好，所以它能夠傳輸的信號頻率存在一個上限。這就不能對圖像信號采取模擬傳輸，而只能以一定的比特率傳輸數字信號，大多數情況下只能傳輸比實時傳輸低得多的比特率，這就需要對圖像信號進行合理地采集。

圖像的壓縮技術是基于對圖像的合理的、必要的編碼。從信息論角度來說，圖像數字編碼是指信源編碼，其實質是：在一定信噪比的條件下，以最小比特數來傳送一幅圖像，這種編碼也稱為圖像壓縮編碼。由于圖像信號具有大量的冗余度，因而使對圖像的傳輸數碼率進行這種壓縮編碼成為可能。這在圖像數字傳輸、存貯、交換中有著廣泛的應用。

圖像信號的壓縮方法有許多種，JPEG與MPEG的算法可以用硬件來實現。如C-Cube公司的CL-550、Intel公司的i750、IIT公司的VP(Vision Processor)、AT&T公司的三個標準芯片等。在基于計算機直接采集圖像信號的情況下，可以用這些標準芯片直接編程達到我們所需的壓縮比，然后用標準的解壓芯片恢復原來的圖像。然而，在不能直接用計算機進行采集的情況下，我們無法對有些芯片的總線接口進行編程，這就限制了這些標準芯片的使用。在有些工業場合，如油田井下的圖像檢測時，由于其體積的限制（在φ50mm內）使得我們更無法使用這些標準芯片，因為這些標準芯片的面積往往比較大，如i750的DVI系統的82750PB象素處理器，芯片面積為7.85×6.62cm2，共132條腿，在體積要求很小的情況下根本無法使用。

一種最直接了當也是最迫不得已的方法就是降低幀速。當進行3000m井下的圖像采集時，決定采用哪一種壓縮方法的主要因素是油礦電纜的特性。由于是非標準電纜，其特性值（Z、C、L、G）各不相同，我們用信號發生器對電纜作了實測，其波形如圖2所示。測試結果是電纜對信號發生了衰減及不同程度的相移。18KHz以內，信號幾乎沒有什么畸變；1MHz以上2MHz以下，方波變為不對稱的三角波；2MHz以上，信號衰減十分厲害，噪聲變得幾乎淹沒了信號。

如果我們能將圖像信號的傳輸頻段壓縮至18KHZ以內當然是最好的。但一幅圖像信號經數字化后，按常規的512×512來計算，8bit、50幀的容量為512×512×8×50=102.4Mbits，要壓縮至18KHz即壓縮比為1.7×10-4， 這在不直接應用計算機進行采集時是根本無法用任何一種算法通過硬件來完成的，所以我們不可能選用這個頻段的信號。如果一定要用，只有采用降低幀數的方法，而一幀圖像的容量為512×512×8=2048kbits，要降到18KHz，只有幾乎每2分鐘傳一幀圖像，這種傳輸速度慢得根本無法進行動態圖像檢測。

因此，我們選擇1MHz左右信號，加以適當的編碼，并結合其他手段，以盡可能每秒多采集幾幀為目標進行圖像采集。

在直接用計算機作為圖像接收、處理工具時，圖像的采樣頻率及量化等級可以做到512×512×8bit，甚至更高。但在脫機的長線傳輸中，采樣頻率越高、量化等級越高，面臨的圖像壓縮的問題就越嚴重。這樣，就必須以圖像傳輸的目的為決定因素，合理地進行采樣和量化。

一幅彩色圖像的頻帶在6MHz以內，而一幅黑白圖像的頻帶就窄多了，因為它僅僅傳送亮度信號而沒有色彩信號。在工業用途中，我們往往選用黑白圖像，因為工業用圖像往往用于檢測某部件是否完整，或監控其是否正常。

我們采集一幅黑白圖像，并對它作付氏分析，結果發現其2.5MHz以上的信號所占的能量很少。這樣，根據奈奎斯特抽樣定理，我們可以把采樣頻率定在5MHz，即從理論上來說，可以對2.5MHz以下的信號不失真地采集，而對2.5MHz以上的信號按混疊的方式來采集。少部分變化十分尖銳的細節將變得有些模糊，但這對大部分工業場合是毫無影響的。在這種采樣頻率下每一行將采集到51.2×10-6×5×106=256個樣點。為了便于后續處理，我們采集256行，這樣，一幅黑白圖像將有256×256=64K個樣點。

確定了采樣頻率，也就是確定了其分辨率。接下來，還應當確定的是其量化等級。我們按不同的量化等級來采集一幅圖像，結果發現對于主觀得分而言，量化等級為8bit的黑白圖像并不比量化等級為4bit的黑白圖像好多少，二者不存在質的差別，按4bit的圖像足夠用于工業檢測中，其灰度等級可達16個等級。

通過這種合理地采樣、量化，一幅用于長線傳輸的工業用黑白圖像至少可壓縮為256×256×4=256kbit的容量，與常規情況下相比，其壓縮比為1:8。

在3000m井下圖像的采集的實現中，如果以256×256×4來采集一幅圖像，則由于其場正程時間為64×10-6×256=16.4ms，而20ms為一場，故其逆程時間為3.6ms，如果要進行實時傳輸，則在3.6ms的時間內要傳送256Kbits的數據，其數據率高達256K/3.6ms=71Mbps，而正如在前面所討論的，電纜傳輸的數據最好選在1MHz左右，故其壓縮比高達1:70，這在脫機狀態下是很難完成的。這就只好降低幀數。由于實際情況中，攝像機在井下運動的速度十分有限，大致為10cm/S，加之它是垂直運動，攝像頭又有一定的景深，所以我們將傳輸頻率定在1MHz，考慮到一定的編碼，將幀數定為3.25幀/秒。

由此可見，長線脫機圖像采集其采集幀數、采樣速率、量化等級都成為影響圖像壓縮及傳送正確與否的重要因素。

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四、圖像數據的傳輸編碼

在確定了一幅圖像的壓縮方案及傳輸的速率之后，就是如何將這幀數據發送出去。在數字傳輸方式下，有幾個問題是至關重要的，那就是編碼（通信的方式）、信道的特性、傳輸的波形。這幾個問題解決得成功與否，直接關系到通信能否達成。我們總是力求以最佳的方式來傳輸信號。無一例外地，數字通信都必須采用一定的規則進行編碼傳輸。至于具體采用哪一種編碼及碼形進行傳輸，要受限于傳輸的環境（包括電纜特性、干擾等因素）。

在長線傳輸中如何選用正確的編碼及碼形對能否正確恢復數據是至關重要的，由于電纜的傳輸特性是以指數衰減的，其信號傳輸的上限為1.5MHz，如果想要以一定的幀數傳輸圖像，就不能把傳輸速率定得太低，這樣我們將信號傳輸率定為1MHz。可以看到，如果采取數字調制進行頻譜搬移，則會超過信道本身的通帶允許傳輸頻率的上限，而且由于必須采取一定的方法識別幀同步，所以其他的數字調制辦法也不合適。在這種情況下，只有采取基帶傳輸的方法，這時我們就要認真分析以什么樣的碼形來傳輸而使基帶系統達到最佳狀態。

在基帶傳輸系統中選擇合適的碼型是十分重要的，盡可能選擇滿足奈氏準則的雙極性歸零碼。因為雙極性歸零碼的功率譜最為集中，在“1”與“0”出現的概率為1/2的情況下其平均功率接近于0，而最佳基帶傳輸系統的平均誤碼率Pe與基帶碼波形平均功率Ps成正比，故這種碼形的誤碼率較小。總之，在不得已要用到基帶傳輸時，圖像數據的編碼最好能夠使得 Ps最小，這樣誤碼率最小。

長線傳輸是一個分布參數的網絡，可用圖3的模型來描述每一個微分長度ΔZ。其中R為單位長度的電阻，單位為Ω/m；L為單位長度的電感，單位為H/m；G為單位長度的電導，單位為S/m；C為單位長度的電容，單位為F/m。

如果在傳輸線終端接有負載，則由其模型可知，在不同的頻率段上將表現出不同的阻抗特性，但是，在我們實際應用的傳輸線中，一般來說，其容性效應占主導地位，因此我們往往根據電流的變化與電容成正比的關系來加大電流驅動能力，以驅動更大的容性負載。

此外，長線傳輸的一個重要問題就是其阻抗匹配問題。就源端條件而言，有限長的傳輸線可用Zi來等效，如圖4所示。圖中輸入電壓Vi和輸入電流Ii很容易用這個等效電路來確定：

Vi=ZiVg/(Zg+Zi)                            (1)

Ii=Vg/(Zg+Zi)

當然，線上其它位置不能用上述等效電路來確定。通過適當地調節源端阻抗，就能使傳輸效果接近于最佳。

在3000m井下圖象傳輸中，我們使用了與現有的信號發生器中相類似的驅動電路，如圖4，其容性負載驅動能力可達0.2μF，驅動前后圖像數據波形如圖5所示，可看出有明顯的改善。其根本原理就是如上述討論的，加大電流驅動能力，且用電位器R3來調整其傳輸最佳情況。

長線傳輸在終端的模型問題，事實上是一個接收電路中長線與放大器之間接口電路的問題。

其傳輸方式與模型都有一定的選擇余地。在常規傳輸中，我們采用的是圖6（a）所示的模式。但這種模式，由于其傳輸信道是一個分布參數互相影響的網絡，在終端接負載構成一個回路時，分布參數對后續網絡的影響較大。在井下3000m電纜實測時，空載時二根導線間電容為0.1μF(1MHz時)，而加上負載后達到了1μF。這對于數據的延遲及對驅動電路的要求來說都面臨著嚴重的問題。因此我們采取另一種模型進行傳輸，即雙屏蔽等電位自舉電路，如圖6(b)所示，也就是雙線傳輸中的屏蔽線由輸入信號的共模信號來驅動。由于電纜分布參量RC的作用，當出現交流共模信號時，相移將使其共模抑制降低，對于屏蔽電纜也會出現同樣的效果。但采取（b）模式后，電纜的電容受到“自舉效應”的影響，結果使電纜線對共模信號的等效電容為零。這樣使差動相移減至最小，防止了共模抑制和系統帶寬的降低。

五、圖像數據的接收與恢復

以最佳基帶系統傳輸過來的數據并不是說就可以直接應用了。因為，信道不可能是一個無碼間串擾的信道，再加上附加噪聲的影響，所以信號的前置放大的第一準則就是降低噪聲與碼形失真。而前置放大器的倍數不能太大，以適合于一定的信噪比及帶寬。在井下3000m信號接收端由于放大的是一個雙極性信號，因此要格外注意其工作點的選擇。由于信號的碼率為1MHz，而經過3000m的長線后信號幅度降到了0.5V，因此將第一級放大器的放大倍數定為2倍，作反相放大，再經第二級作同樣的處理。

要想準確地恢復傳輸來的圖像數據就涉及到系統的同步與對于“1”“0”的門限規定等。同步是通信中一個重要的實際問題。同步性能的降低，會直接導致通信系統性能的降低，甚至通信系統不能工作。可以說，在通信系統中，“同步”是進行信息傳輸的前提，為了保證信息的可靠傳輸，要求同步系統有盡可能高的可靠性。

為了提高同步系統的性能，在載波同步和位同步系統中廣泛使用著鎖相環，主要是利用其跟蹤、窄帶濾波和記憶性能。由于鎖相環的跟蹤性能，使同步系統可提取出的載波或位同步信號，不僅頻率與所要求的相同，而且相位誤差也很小；由于其窄帶濾波性能，可改善同步系統的噪聲性能；由于其記憶性能，當傳輸信號中斷時，同步信號仍具有一定時間的保持能力。鎖相環有一個重要的概念便是其同步保持時間tc，它是指鎖相環原已鎖定的情況下，由于信號中斷，壓控振蕩器輸出信號的相位變化不超過某一允許值 Δθo= 2πε (ε為常數)。tc表示如下：

式中，Δf為壓控振蕩器的頻偏；a為環路濾波器放電支路的時間常數的倒數。

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由于信息是一串相繼的信號碼元序列，解調時就必須知道每個碼元的起止時刻。例如對積分器或匹配濾波器進行取樣判決，判決的時刻應位于每個碼元的終止時刻，故接收端就必須產生一個用于取樣判決的定時脈沖序列，它和接收碼元的終止時刻應對齊。這種接收端產生與接收碼元的重復頻率一致的定時脈沖序列就稱之為碼元同步或位同步。

鎖相環的基本原理與載波同步類似，在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產生的位同步信號的相位，若二者相位不一致，鑒相器就產生誤差信號去調整位同步信號的相位，直至獲得精確的位同步信號為止。鎖相法就是采用鎖相環來提取位同步信號的。

數字通信時，一般總是以一定數目的碼元組成一個個的“字”、“句”，即組成一個個的群進行傳輸，因而群同步信號很容易由位同步信號經分頻而得出。但是，每群的開頭和結尾卻無法由分頻器的輸出決定，群同步的任務就是要給出這個“開頭”和“結尾”的時刻。為了完成這個任務，通常是在數字流中插入一些特殊群碼作為每群的頭尾標記。接收端根據這些特殊碼組的位置就可以實現群同步，群同步有時也稱為幀同步。

圖象數據一般包括位同步（在這種情況下又稱為比特同步）與幀同步兩類同步信號。在常規作法中，發出如圖7(a)所示的波形。它采用數據信號中不會出現的特殊碼字節結構在數據信號流中發出幀同步信號，而在接收端，存儲著相同的幀同步碼，逐個輸入碼進行比較，若碼字相同，則檢出幀同步一次。為了避免由于誤碼使信號碼流中出現與幀同步相同的結構，接收端往往采用一種飛輪同步（或稱慣性同步）電路。在失去同步的狀態中，若檢測到一次幀同步還不算同步，只有經過一幀，若再收到幀同步，就算進入同步狀態，否則再繼續尋找一個幀同步信號。當進入同步狀態后，仍繼續每隔一幀核對一次同步信號，只有連續三次，核對都不對，才算進入失步狀態，這時開始重新尋找同步。用這種方法的好處是，節省比特率，收發兩端可以用鎖相環進行鎖相法同步來提取整個系統的時鐘。

但在長線傳輸時，誤碼增大，如果此時圖像內容的數據灰度等級本來就不多，則一來很難確定一個特殊的碼組來作為幀同步碼，二來誤碼造成的同步丟失情況比較嚴重。這樣，我們就無法以一個特殊的碼組來作為幀同步碼來確定一幅圖像信號的始未，其結果是在接收端我們無法正確恢復出原圖像內容的數據。在這種情況下，我們只有采取幀同步自然確立的方法，即數據流中的位同步信號不是在整個時間軸上都存在的，如圖7 (b)所示，而是在只有當一幀圖像內容的數據信號有效時，才存在位同步信號，即每一幀圖像從間隔一定時間后，第一次檢測到位同步作為開始。

經實測，本系統誤碼率為0.1%，也即64K的數據中有640個數據會發生錯誤，這樣每個碼組的誤碼概率為6.25×10-5也較大了，所以采取幀同步是不合適的。這樣，只能采取圖7(b)的方法，在一段無信號之后，檢測到的第一個位同步脈沖就為一幀的開始，而檢測到256×256個數據后，一幀就結束，等待下一個位同步頭的到來再開始新的一幀。

在場正程，即16.4ms的采樣期間，我們是不發同步脈沖的。根據鎖相環同步保持時間公式2，要保證數碼在理論值上不發生串擾，至少要保證“1”的放電周期不至延伸到下一個碼元的1/2周期，即1Mbps數據率的放電時間常數應為1μS（最大值）。此時a為1MHz，然后我們來考察Δf，壓控振蕩器的頻偏若以f為界限，則Δf =1MHz。然后來考察Δf較小的情況，由于中心頻率為1MHz，所以我們以Δf=0.1%f=10K的情況來計算。ε=Δθ/2π，它不會超過1，則在這種情況下可以算出tc=1ms，即其最長保持時間只能為1ms。若想要保持至少16.4ms，則Δf至少要達到5000Hz 左右，這在長線傳輸系統中幾乎是不可能的。在這種情況下我們無法提取供接收端用的定時時鐘。因此接收端只有采用自己獨立的晶振來產生供系統接收信號所需要的時鐘信號。但如果收、發二端的時鐘完全沒有關系，則恢復出來的數據很有可能是完全錯誤的。

既不能同步又不能不同步，處于這種二難選擇中，我們采取稱之為“強制判1”的方法來恢復數據。

我們用一個比碼元的周期小得多的信號去重新采樣接收到的數據流（已分離出了同步的圖像內容數據），計數到合理的個數時，才判斷這個信號為“1”或者為“0”。這樣一方面提高了整個接收電路的抗干擾能力，另一方面，使得我們總能在兩地時鐘不同步的情況下恢復出“1”和“0”。

但是，即使重新采樣后已判出數據流為“1”或者是“0”。我們依然不能保證在后續與計算機并行傳輸數據時數據的正確性，如圖8所示。由于串行數據的數碼率與串一并轉換時鐘的頻率一致，因此在整個系統不同步的情況下，“1”有可能轉換為“0”，而“0”有可能轉換為“1”，造成整個系統數據的混亂。但是，如圖8所示那樣，在CLK轉換時鐘為誤判時，可采用/CLK進行轉換，由于數碼率與時鐘頻率一致，所以CLK與/CLK這兩個轉換時鐘中總有一個可以保證我們正確地進行轉換。

這樣，在數據已重新采樣判“1”或“0”的情況下，我們可以采用自動選擇串-并轉換時鐘的方法來實現數據到計算機的并行傳輸。我們可以在每一幀圖象的開頭，發若干個固定碼組，在考慮誤碼率的情況下，如果經串-并轉換后有一大半（事實上不止）數據與已知固定碼組相同，則采用CLK信號進行轉換，否則自動采用/CLK信號進行串-并轉換。

由于數碼率為1Mbps，而每個碼元為單極性歸零矩形脈沖。所以用20MHz的鐘頻對數據流進行采樣，并計數到方波半周期的一大半，即第7個脈沖時，對數據判為“1”，計不到7就判為“0”。這樣在采樣恢復出的數據中，實際上是“1”為一個占空比為70%的矩形波，而“0”還是0電平。所以，在串-并轉換時當用CLK無法采到正確的“1”時，用/CLK即可。每一幀圖象發10個“A”，經串-并轉換后只要判出有大于5個“A”，即用CLK進行轉換否則自動將轉換時鐘換為/CLK。為了確定每組數據的計數開始，用位同步信號來控制每4bits的數據計數開端。

接收電路中數據的放大、位同步與圖像內容數據的分離（采取“1”、“－1”幅度分離法）、數據的整形（采用施密特整形）在這里不作詳述。值得注意的是，放大的幅度直接涉及到數據流的寬度及系統數據恢復的準確性，所以放大器必須根據實際的需要進行調節。

在我們井下3000m圖像數據與計算機接口中，由于每個字節的速率為250K/字節，因此它屬于低速傳輸。如果要恢復出直觀的圖像，由于它的行、場掃描格式不是標準視頻信號的格式，所以不能在監視器上直接恢復出原圖像，只有通過計算機處理，才能得到一幅直觀的圖像。這樣，其圖像數據與計算機采用口地址傳輸圖像的方式，在計算機的顯示緩沖區中直接寫入要寫的數據，然后可通過現有的VGA-視頻轉換卡顯示到普通的監視器上，并可通過其視頻輸出口與錄像機等其它設備聯接，使圖像更易于存貯。

六、結束語

由上述討論和實踐驗證可得出如下結論：

1、在系統誤碼率較高的情況下，采用圖像數據的位同步信號起點與幀同步信號起點一致的方法，保證無誤碼擴散地可靠地傳輸數據；

2、在非標準電纜傳輸特性差，在小體積無法利用計算機直接通信的情況下，可采用基于信息冗余量的壓縮編碼方法來壓縮信號頻帶，用雙屏蔽等電位法傳輸歸零雙極性數字圖像基帶信號，以達到盡可能接近實時傳輸的目的；

3、在較高誤碼率傳輸壓縮數字圖像的情況下，異地通訊無需采用傳統的同步方法，可采用時鐘不同步的“強制判1”法，從而提高了系統的抗干擾能力，使通訊的可靠性與速度得到提高。

本文所討論的電纜特性差、無中繼、長距離、小體積情況下圖像信號的通信，對于各種部分惡劣情況，具有一定的參考價值。本文所提出的同步通信方法，可以在許多實際應用中，使數據以更可靠的方法傳輸與接收。這種圖像傳輸方法為圖像通信工業應用提供了廣闊的應用前景。