基于同軸電纜的多路視頻混合傳輸技術(shù)的研究*

簡 偉，于海濱，盛慶華

(杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018)

在國家863 計劃的支持下，我國深?？茖W考察設(shè)備有了長足的進步。一批重要深?？茖W考察設(shè)備如電視抓斗、深海淺鉆、集成化拖體、電視多管取樣等相繼投入使用［1］。這些設(shè)備都需要由電力能源來對其進行供電，目前國內(nèi)絕大部分仍采用水下大功率鋰離子電池供電，但這種供電方式存在較多缺陷，如使用時間受限、可靠性差、體積龐大、效率低下、使用麻煩、維護成本高等。

針對水下供電能力不足的這一現(xiàn)狀，課題組采用現(xiàn)有常用的鎧裝10 km(無中繼)同軸電纜及其混合傳輸技術(shù)，在圖像信息與高壓直流電能同纜混合傳輸系統(tǒng)中，傳輸距離長、無法實現(xiàn)中繼，易受到多種干擾，因此，在混合傳輸條件下實現(xiàn)多路視頻信號的實時耦合傳輸就成為一項關(guān)鍵技術(shù)。本課題擬通過對EDSL 調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)原理研究，研制一種能源與雙路彩色視頻同纜混合傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)能源、雙路視頻數(shù)據(jù)、水下傳感器數(shù)據(jù)與控制信息的同纜混合傳輸。

1 多路視頻混合傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

本研究以研制在同軸電纜上同時傳輸直流電源和多路視頻信號的混合傳輸技術(shù)為目標。即將直流電源通過鎧裝同軸電纜將電能傳到深海，在深海將直流電通過相應(yīng)的電源變換，供給水下設(shè)備用電;同時將水下兩路實時彩色圖像信息、傳感器數(shù)據(jù)信息經(jīng)過高速采集、壓縮、編碼后，通過數(shù)據(jù)耦合器疊加到同軸電纜上，傳至甲板操作臺進行解碼顯示和數(shù)據(jù)處理;甲板操作臺命令信息也能通過輸電線路傳送到水下信息中心，進行相應(yīng)的操作?；旌蟼鬏斚到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 混合傳輸系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

功率能源與多路視頻混合傳輸系統(tǒng)分為水上位機和水下位機兩部分，水下部分包括電源分配、水下采集控制單元、攝像機、視頻服務(wù)器、照明燈、傳輸單元和數(shù)據(jù)耦合器;水上部分包括電源、計算機、甲板傳輸單元和數(shù)據(jù)耦合器。兩個子系統(tǒng)通過一條10 km 長的鎧裝同軸電纜連接，構(gòu)成一個完整的深海監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

多路視頻混合傳輸系統(tǒng)可劃分為電源傳輸模塊、信號傳輸模塊、甲板數(shù)據(jù)分析控制和視頻顯示模塊、數(shù)據(jù)耦合器模塊、水下采集控制模塊。

1.2 同軸電纜

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是要求在深海遠距離、高速率的情況下進行的，需同時傳輸能源、兩路實時彩色視頻圖像以及其它數(shù)據(jù)信息。在現(xiàn)有的深?？茖W探測設(shè)備中，采用的傳輸介質(zhì)主要有兩種:鎧裝同軸電纜和鎧裝帶有動力傳輸線的光纜。鎧裝同軸電纜具有操作簡單、易于維護等方面優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于深海探測，除了上傳數(shù)據(jù)、實時彩色視頻圖像的任務(wù)，還承擔上位機下傳命令和深海探測設(shè)備的承重收放工作。而鎧裝光纜由于價格昂貴、難維護、操作復雜，一般很少使用。本系統(tǒng)所采用的是鎧裝同軸電纜［2］，下面就主要分析下同軸電纜的傳輸特性。

1.2.1 高壓輸電的必要性

本課題組已經(jīng)做過很多實驗來比較同軸電纜的電壓與系統(tǒng)傳輸效率的關(guān)系，得到以下結(jié)論:隨著傳輸電壓的增大，系統(tǒng)傳輸效率會逐漸升高，當傳輸功率達到7 500 W 時，若不進行升壓輸電，系統(tǒng)傳輸效率僅為10%左右，這樣的輸電不僅沒有意義，海下作業(yè)裝置也會因為得不到所需的380 V 工作電壓而不能正常工作。即使升壓使得海下作業(yè)裝置得到所需的380 V 電壓，也只有20%的效率，這是絕對不能忍受的。所以供電電壓不能過低，否則線路上的能量損耗十分巨大，以至于傳輸?shù)膭恿﹄妼⑹钟邢?，不能達到效率的要求。所以，需提高供電電壓，對于7 500 W 功率負載，1 500 V傳輸時效率可達70%左右，水下可以獲得1 200 V 左右的電壓;對于3 000 W 功率負載，1 200 V 傳輸時效率可達83%左右，水下可獲得1 000 V 左右的電壓，滿足所需效率的要求。

1.2.2 交直流輸電的比較

一般來說，輸電形式有兩種:交流方案和直流方案。由于本課題是專門針對“大洋一號”科考船為背景而所做的開發(fā)，因此在決定使用何種方案進行傳輸時離不開“大洋一號”上所給的條件限制。

(1)同軸電纜條數(shù)的限制:“大洋一號”上只有一條同軸電纜，而如果直接用三相交流電至少需要三根導線，而同軸電纜價格昂貴，且傳輸距離長達10 km，不可能再買一條，所以如果想要用交流傳輸，則只能傳單相電，這就需要將船上三相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)成單相交流系統(tǒng)再往海下供電，否則將引起三相負載的不平衡。這樣一來，需將三相交流整流成直流，再逆變成單相交流往下傳輸，然后在海下再反逆變過來，但是這樣環(huán)節(jié)眾多，系統(tǒng)可靠性不高。而如果采用直流的話，只需將三相交流整流成直流后就可通過兩根導體往下傳輸，并在海下進行降壓逆變過程就可以了，環(huán)節(jié)減少，可靠性增加。

(2)傳輸電壓的限制:“大洋一號”上所配備的同軸電纜的額定電壓為AC 1 500 V，這就表明如果用AC 傳輸，輸送電壓將不能超過1 500 V，而實際使用時應(yīng)再低一點。而如果用DC 進行傳輸?shù)脑?，同軸電纜的額定電壓將可以提高至3倍［3］，達到4 500 V，因此若要傳輸1 500 V 的直流電，將會非常輕松。

(3)輸電線路功耗的比較:由于交流輸電不僅有電阻功率損耗，而且由于交流線路所導致的電感及電容的存在，還會有感抗和容抗等多種阻抗損耗，而直流輸電只有電阻功率損耗，在相同條件下，輸出有功功率相等的條件下，直流線路功率損耗僅為交流線路損耗的2/3［4］。

(4)線上傳輸?shù)臄?shù)字信號的限制:由于“大洋一號”上的同軸電纜不僅要傳輸能源，還需傳輸數(shù)字信號，這就帶來一個如何從傳輸能源的線纜中將數(shù)字信號取出來的問題。很明顯，取出直流輸電線上的數(shù)字信號比交流輸電線上的數(shù)字信號容易得多［5］。

1.3 水下電源系統(tǒng)的設(shè)計

由于同軸電纜存在直流電阻，因此，傳輸電能時的電纜存在損耗。在一定的傳輸功率下，傳輸電壓越高，其傳輸效率也越高。為了提高水上電源向水下設(shè)備傳送功率能源的效率，減少傳輸電纜上對電源的消耗，應(yīng)盡量減少傳輸線上的電流，因此，我們需要盡可能提高甲板直流電源的輸送電壓，這就要求在同軸電纜功率輸出端后接有高變低的DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

目前，水下設(shè)備供電子系統(tǒng)要向水下圖像傳輸系統(tǒng)(包括水下CCD 攝像機和照明燈)和水下控制系統(tǒng)(下位機)提供功率能源。因為是深海作業(yè)，海底的自然照明度為0，所以水下設(shè)備裝有2個額定工作電壓為24 Vdc、額定功率為100 W、可以承受6 000 m 水深壓力的照明燈。供電子系統(tǒng)的主要功率消耗對象是2個照明燈，每個照明燈的功耗為100W，其他的負載功耗都相對比較小，水下CCD 攝像機的功耗小于2 W，視頻服務(wù)器的功耗小于20 W，水下圖像傳輸部分的功耗約為5 W，水下控制系統(tǒng)(下位機)的設(shè)計功耗小于20 W，因此供電子系統(tǒng)的整體負載約為270 W。

由于功率開關(guān)的開啟或斷開，水下設(shè)備的工作電流變化很大(約為600 mA～3 A)，同軸電纜的電阻也比較大(10 km 同軸電纜的直流阻抗約為50Ω)。當水下設(shè)備工作電流大范圍變化時，電纜上的壓降也會大范圍內(nèi)變化，但是甲板上的交直流變換電源基本上是穩(wěn)定的，所以到達水下設(shè)備的電壓也會在較大范圍內(nèi)變化。

因此選用了2個輸出功率為150 W 的寬輸入電壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器分別為兩個照明燈提供穩(wěn)定的24 V 電源，對于水下兩路CCD 攝像機、兩路視頻服務(wù)器、EDSL 傳輸單元，則選用輸出功率為150 W 的+12 V 的DC/DC 轉(zhuǎn)換器;水下設(shè)備控制系統(tǒng)(下位機)的DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計在控制系統(tǒng)內(nèi)部，供電子系統(tǒng)只向其提供24 V 的輸出電壓即可。

考慮到所使用的DC/DC模塊的轉(zhuǎn)換效率為80%，所以在DC/DC 轉(zhuǎn)換器以前的輸入功率約為350 W。

1.3.1 DC/DC 外圍電路設(shè)計

變換器應(yīng)當接入交流阻抗很低的輸入電源。如果輸入電源的阻抗不清楚，則應(yīng)當在模塊輸入腳上接入一只電解電容，這樣，可使輸入電源具有較低的阻抗。本系統(tǒng)功率能源由甲板提供，通過10 km 長的同軸電纜后接到DC/DC，為此需在DC/DC 轉(zhuǎn)換器前加上一個1 000μF 的電解電容。

模塊應(yīng)用中，瞬態(tài)輸入電壓不能超過變換器的額定值。在離線式開關(guān)電源中，或者在負載變化或保險絲熔斷等可能產(chǎn)生瞬態(tài)輸入電壓的電源中，可以加入浪涌抑制器，還需加入適當?shù)臑V波器。為防止損壞DC/DC 轉(zhuǎn)換器，模塊必須接上一個抑制器件，比如瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，可以直接跨接到輸入端上，一個1.5KE 系列的TVS 能承受達到1.5 J就很合用。TVS 的鉗制電壓必須選擇出來，這樣就不會超出模塊的最高電壓或瞬態(tài)抑制。

模塊基板的工作溫度，不能過高。需將所有DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊都安裝到散熱器上，同時涂上導熱硅膠。

1.4 信號傳輸模塊

信號傳輸模塊主要由EDSL 組成。以太網(wǎng)數(shù)字用戶線EDSL(TDD based Ethernet Digital Subscriber Line)［6］，它結(jié)合了目前廣為應(yīng)用的兩大通信技術(shù)DSL和Ethernet 的精華，首次在接入網(wǎng)范疇內(nèi)實現(xiàn)了IP 的直接傳送。TDD/EDSL［7］利用DSL 技術(shù)的基本概念，在傳統(tǒng)的電話線上實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)DSL 技術(shù)比較，它不僅克服了DSL 技術(shù)的許多局限性，如對線路的挑選、串擾等，并且增大了傳輸距離，提高了傳輸效率。TDD/EDSL 技術(shù)利用電話銅線頻帶的30 kHz～3 MHz 部分，將其分割為12個小的頻帶，其中最小頻帶帶寬為62.5 kHz，最大頻帶帶寬為1.667 MHz。根據(jù)線路狀況，TDD/EDSL 采用其中某一段頻譜，以既避免其它用戶環(huán)路對它產(chǎn)生干擾，也同時避免影響其它用戶環(huán)路。EDSL 技術(shù)集成了DSL［8］技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)兩個方面的優(yōu)勢，具有很好的兼容性，可以避免與線纜中其它高速業(yè)務(wù)的彼此干擾，如T1/E1、ISDN/IDSL、HDSL、SHDSL、SDSL、ADSL等。其調(diào)制方式可以采用正交相移鍵控(QPSK)或正交調(diào)幅(QAM)。經(jīng)過QPSK 調(diào)制，最大傳輸速率可達3.33 Mbit/s;經(jīng)過QAM16 調(diào)制，最大傳輸速率可達6.666 Mbit/s;若經(jīng)過QAM64 調(diào)制，最大傳輸速率可達10 Mbit/s。利用以太網(wǎng)半雙工模式和數(shù)據(jù)包交換技術(shù)以彌補DSL 的缺點，傳輸距離可達6 km～12 km，能滿足我們所需的10 km 距離的傳輸要求。

1.5 數(shù)據(jù)耦合器的設(shè)計

數(shù)據(jù)耦合器模塊的基本功能框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)耦合器的基本功能圖

調(diào)制解調(diào)器是將需要傳輸?shù)男盘栠M行調(diào)制，使之可以同時傳輸多路電信號而不會產(chǎn)生任何的互損，并且將其調(diào)制到低頻，利于長距離電纜傳輸。甲板系統(tǒng)和水下系統(tǒng)之間的功率能源與數(shù)據(jù)信息混合傳輸主要是通過一個三出口的定向數(shù)據(jù)耦合器來實現(xiàn)的。該模塊中包括一個以互聯(lián)的高通和低通濾波器組成的電纜出口、一個通訊分配出口和一個電力分配出口的頻感方向耦合器。由于電容具有良好的“隔直通交”功能，對功率直流電源呈高阻抗狀態(tài)，而對頻率較高的載波信號呈低阻抗狀態(tài)，幾乎沒有衰減就耦合到同軸電纜上。因此，我們選用電容器作為高通濾波器［9］，稱為耦合電容器。它連接在通信設(shè)備和同軸電纜之間，同時具有隔離高電壓性能。低通濾波器［10］與同軸電纜串聯(lián)，連接在耦合電容器與同軸電纜的連接點和功率電源之間。低通濾波器主要由能通過全部線路直流電流的強流線圈、調(diào)諧元件和保護電路組成。

1.5.1 高通濾波器的設(shè)計

數(shù)據(jù)耦合器中的高通濾波電路，即高壓直流載波通信耦合電路，它有多方面的作用。一方面，為高頻數(shù)據(jù)載波信號提供通路;另一方面，阻止高壓直流電流，從而使得高壓強電與通信弱電系統(tǒng)相隔離。眾所周知電容器的容抗與頻率成反比，對高頻信號呈現(xiàn)低阻抗，而對直流信號呈現(xiàn)高阻抗。因此，我們采用電容器作為高壓直流載波通信的耦合電路。其電路圖如圖4所示。

圖4 耦合電路

選取耦合電容時除電容容量外，還需要考慮其穩(wěn)定性、固有損耗、耐壓、體積、溫度系數(shù)等。經(jīng)綜合考慮后，課題組選用具有高額定電壓、性能穩(wěn)定并且損耗較低的聚丙烯電容(CBB)，其電容值為0.1μF。D1起限幅作用，用來保護通信電路。

1.5.2 低通濾波器的設(shè)計

本設(shè)計研究的低通濾波器是一個無源網(wǎng)絡(luò)，用來阻止交流數(shù)據(jù)信號通過數(shù)據(jù)耦合器傳導干擾電源電子設(shè)備;由于濾波器內(nèi)部電路的對稱性，所以同時也能有效防止電源電子設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的干擾噪聲通過數(shù)據(jù)耦合器傳導干擾數(shù)據(jù)信號，影響通信效果。該低通濾波器允許直流信號通過，對高頻數(shù)據(jù)載波信號起到阻隔作用。高頻數(shù)據(jù)調(diào)制信號通過耦合電容器與同軸電纜和低通濾波器接口處相連，所以該點為三支路節(jié)點。要使高頻數(shù)據(jù)調(diào)制信號往同軸纜方向傳輸，而不是往低通濾波器方向流失，則低通濾波器應(yīng)該為高輸入阻抗，阻止高頻數(shù)據(jù)調(diào)制信號通過。為此，我們設(shè)計的低通濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

2 實驗

本系統(tǒng)設(shè)計最終式要應(yīng)用于深海監(jiān)控系統(tǒng)，因此，在實驗室調(diào)試的時候需要根據(jù)實際應(yīng)用情況具體仿真其功能。攝像機仿真水下圖像采集攝像機，直流電源采用高性能的程控直流電源，將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為直流電。其采用零電壓(軟開關(guān))技術(shù)，具有高效率，低噪聲和高可靠性等優(yōu)點，最大輸出功率為1 200 W，而且電壓在0～330 V 可調(diào)，電流在0～4 A可調(diào)。由于實際應(yīng)用中的主要功率消耗對象是2個照明燈，每個照明燈的功耗為100 W，其它負載相對都比較小。因此采用程控負載模擬水下功率設(shè)備，模擬負載為350 W。水下電源轉(zhuǎn)換采用3個輸出功率為150 W，轉(zhuǎn)換效率高達80%的DC/DC 轉(zhuǎn)換器。低通濾波器的設(shè)計采用LC 的T 型巴特沃思低通濾波器結(jié)構(gòu)［11］，其截止頻率為1 kHz，特征阻抗為50。耦合電容器C1、C2選用耐壓高的瓷介電容。

實驗結(jié)果表明，在功率傳輸穩(wěn)定的情況下，下位機對應(yīng)執(zhí)行單元能正確執(zhí)行上位機發(fā)來的一系列控制命令，水下傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息也能傳送到水上控制平臺，同時下位機所采集到的兩路視頻圖像可在上位機無損實時顯示，上位機顯示圖像如圖6所示。這樣，就在原有信號傳輸方式的基礎(chǔ)上，增加了功率傳輸功能，實現(xiàn)同軸電纜的功率能源與雙路視頻信號的混合傳輸。

3 總結(jié)

實驗表明基于同軸電纜的能源與多路視頻混合傳輸技術(shù)獲得了成功，且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。該技術(shù)除可應(yīng)用于深海探測、深海科學考察領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于深海和近海海洋資源探測和海洋水體調(diào)查監(jiān)測、近海岸與河流污染監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)測、深海養(yǎng)殖與遠洋捕撈、近海潛水、海底電纜或管道作業(yè)、智能鉆井等多個領(lǐng)域。也可以應(yīng)用于其他監(jiān)控領(lǐng)域，具有很好的適應(yīng)性。

圖6 上位機實時顯示圖像

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