Коммутатор видеосигнала что это
Обновлено: 05.07.2024
Проблема обеспечения передачи сигналов от видеокамер в сети является одной из ключевых при построении систем видеонаблюдения.
В современной литературе достаточно широко и подробно описаны способы получения видеосигнала, то есть, преобразования оптических сигналов в электрические. Также специалистам хорошо известны современные устройства, обеспечивающие обработку и хранение информации, - видеорегистраторы и серверы.
Однако есть еще необходимость передачи сигналов от видеокамер до устройств, обеспечивающих хранение и архивирование видеоинформации.
Как для аналоговых, так и для цифровых сигналов характерны одни и те же проблемы: затухание (потеря мощности сигнала, после того, как он пройдёт определённое расстояние), шумы и наводки.
Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный поток, характеризующийся изменением частоты и амплитуды. Когда сигнал затухает, его амплитуда должна быть увеличена. Усилитель повышает общий уровень сигнала в линии, в том числе, и уровень шумов. Каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал. В конце концов, наступает момент, когда усиливать больше нельзя, так как шумы становятся соизмеримы с полезным сигналом. Регенерировать аналоговые сигналы невозможно.
Обычно при передаче сигнала по коаксиальному кабелю из-за высокого значения коэффициента затухания требуется установка ретрансляторов через каждые 50-1000 м. При передаче сигнала по витой паре применяется следующее передающее оборудование:
- пассивное симметрирующее устройство, устанавливаемое на передающей стороне с дальностью передачи видеосигнала до 500м;
- активное устройство с размахом выходного напряжения до 3В и дальностью передачи до 1000 м;
- активное устройство с размахом выходного напряжения до 18В и дальностью передачи до 2000 м.
При создании видеосистем подобного типа сигнал от камеры по коаксиальному кабелю или витой паре для обработки передаётся на мультиплексоры или видеорегистраторы, имеющие, как правило, 8, 16 или 32 входа. Нетрудно посчитать, что стоимость ретрансляторов сигналов и проводов, особенно при создании систем видеонаблюдения протяжённых объектов (например, промышленных предприятий), составляет немалую часть стоимости всей системы.
Цифровые сигналы состоят из дискретных значений. Цифровой сигнал может принимать только два значения, при этом разрешены некоторые отклонения от этих значений. Для передачи цифровых сигналов на большие расстояния используются активные цифровые устройства – коммутаторы, которые передают сигнал дальше с уровнем исходного сигнала. То есть, имеется возможность регенерировать цифровой сигнал при каждом преобразовании.
Построение сети с помощью коммутаторов переводит её на новый, более высокий уровень. Ведь для организации резервирования передачи видеосигнала по направлению, что следует учитывать в высоконадежных системах видеонаблюдения, необходимо разделять видеосигнал, применять переключатели видеопотока, рассчитывать систему передачи видеосигнала таким образом, чтобы минимизировать потери данных при обрывах кабельных линий.
Коммутаторы не только улучшают качество сигнала, но и собирают сигнал от нескольких источников и обеспечивают его передачу на определённое расстояние по одному кабелю, а не по значительному количеству проводов, как в предыдущем примере.
При этом коммутатор не создаёт перегрузку сети. Он передаёт информацию из одного сегмента в другой, если только такая информация необходима, что повышает общую производительность передачи данных в сети и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным. Кроме того, коммутатор является маршрутизатором, осуществляя выбор маршрута передачи данных.
При этом коммутаторы поддерживают как традиционные Ethernet-протоколы, так и собственные.
В настоящее время широко известны и используются как стандартные: CISCO, D-LINK, Allied Telesyn, NORTON, ALCATEL, Edge-Core, так и промышленные комутаторы: HIRSCHMANN, RuggedCom, CTRLink, Korenix, N-Tron, Taiko Network, SixNet, Garrettcom и пр.
Рассмотрим подробно принципы передачи сигнала на примере отдельных коммутаторов каждого из классов.
Все современные коммутаторы обеспечивают маршрутизацию и резервирование по стандартной технологии Spanning Tree. Эта технология, определяемая стандартом IEEE 802.1d, осуществляет выбор наиболее рационального маршрута передачи данных. Коммутаторы, работающие по алгоритму Spanning Tree, автоматически создают древовидную конфигурацию связей без петель в компьютерной сети. Такая конфигурация и называется покрывающим деревом - Spanning Tree. Конфигурация покрывающего дерева строится между коммутаторами автоматически с использованием обмена служебными пакетами. Организован этот протокол следующим образом. Создание связующего дерева начинается с выбора корневого моста (root switch), от которого будет строиться дерево. Корневым мостом автоматически назначается коммутатор с наименьшим значением идентификатора. Но такой выбор может быть не самым рациональным. Тогда администратор сети, исходя из структуры сети, может вручную присвоить какому-либо коммутатору наименьший идентификатор. Это устройство и будет корневым мостом. Затем происходит выбор корневого порта (root port) для каждого из остальных коммутаторов сети. Корневой порт коммутатора – это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до корневого коммутатора. Потом происходит определение назначенных портов. Каждый сегмент в коммутируемой сети имеет один назначенный порт (designated port). Назначенный порт сегмента имеет наименьшее расстояние до корневого моста, среди всех портов, подключенных к данному сегменту.
При ретрансляции кадров каждый коммутатор для каждого своего порта запоминает минимальное расстояние до корня. При завершении процедуры установления конфигурации покрывающего дерева каждый коммутатор находит свой корневой порт, - это тот порт, который ближе других находится по отношению к корню дерева.
То есть, технология Spanning Tree обеспечивает поиск наиболее рационального пути от одной точки сети к другой. Классическая локальная сеть строится по древовидной структуре. К корневому коммутатору подключаются коммутаторы более низкого уровня, к ним - еще более низкого и так далее. При построении сложной локальной сети для повышения надежности используется не классическая древовидная схема, а структура с избыточными связями между сетевыми устройствами. Такую сеть обычно строят на коммутаторах с поддержкой стандарта IEEE 802.1d (Spanning Tree - покрывающее дерево). Они позволяют создать логическое дерево (структуру) сети и избежать логических петель.
На рис.1 представлена схема подключения коммутаторов Nortel
Стандарт IEEE 802.1p позволяет разделять трафик по степени важности и отправлять в первую очередь кадры, специально отмеченные как важные. Такая технология дает возможность передавать звук или видеоизображение при прямой трансляции без разрывов.
Стандарт IEEE 802.1s (Multiple Spanning Tree) позволяет строить логические деревья для нескольких виртуальных подсетей большой локальной сети.
Использование коммутаторов, поддерживающих этот стандарт, дает возможность повысить отказоустойчивость сети, а также сбалансировать ее.
Стандарт IEEE 802.1Q (VLAN - виртуальная локальная сеть) позволяет внутри одной физической сети строить независимые виртуальные (логические) сети. Данные в виртуальных сетях циркулируют независимо и не проникают из одной сети в другую.
Однако у технологии Spanning Tree есть и недостаток: если в сети имеется больше семи коммутаторов, то для восстановления связи может потребоваться до нескольких минут, чтобы обнаружить и обойти аварию линии связи. На это время все сетевые решения будут изолированы. Разумеется, подобное недопустимо при построении охранных систем.
В таких случаях целесообразно применение стандарта IEEE 802 1.w. При отказах в сети или обрыве соединений применяется протокол Rapid Spanning Tree (IEEE 802.1w), восстанавливающий работоспособность по резервным маршрутам за доли секунды. Протокол Spanning Tree Protocol разработан достаточно давно, в 1983 г. С тех пор он совершенствуется. Так для устранения ограничений STP, которые мешали некоторым функциям маршрутизации коммутаторов 3-го уровня, был разработан протокол IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Существенным отличием протоколов STP 802.1d и RSTP 802.1w является способ перехода портов в состояние продвижения.
В коммутаторах HIRSCHMANN фирмы Hirschmann Elektronics (Германия) дополнительно весьма успешно реализована технология кольцевого резервирования Hiper Ring. Эта технология обеспечивает продолжение трансляции сигнала в другом направлении при повреждении сети в какой-либо точке (рис 2.) При этом время полного восстановления без потери информации
На сегодняшний день системы видеонаблюдения широко используются в сфере гостиничного бизнеса, общественного питания, розничной торговли, образования, транспорта и многих других. IP-камеры являются важным компонентом системы видеонаблюдения, позволяющим обеспечить видимость и понимание бизнеса, создавая безопасную среду для персонала и клиентов. Правильное обслуживание системы видеонаблюдения так же важно, как и сама система для безопасности вашего бизнеса. Когда вы планируете организовать систему видеонаблюдения, всегда возникает важный вопрос: какую инфраструктуру выбрать в качестве вспомогательного оборудования? В текущей ситуации использование коммутаторов PoE (Power over Ethernet) для IP-камер очень распространено и популярно.
Что такое PoE?
Power over Ethernet, или PoE, описывает любую из нескольких стандартных или специальных систем, которые передают как электроэнергию, так и данные по одному и тому же кабелю Ethernet с витой парой. Это позволяет использовать один кабель для передачи данных и подачи электроэнергии таким устройствам, как точки беспроводного доступа, IP-камеры и телефоны VoIP. PoE имеет преимущество, которое позволяет использовать подключенные устройства без необходимости в дополнительных розетках, что экономит время и деньги на конфигурацию шнура питания и снижает затраты на компоновку системы.
Стандарты PoE обеспечивают передачу сигналов между оборудованием источника питания (PSE) и устройством с питанием (PD). Его протоколы делятся на 802.3af, 802.3at и 802.3bt. Максимальная выходная мощность 802.3af и 802.3at составляет 15,4 Вт и 30 Вт соответственно. 802.3bt делится на два типа мощности (тип 3 и тип 4), а максимальная выходная мощность двух типов bt составляет 60 Вт и 90 Вт соответственно.
Требования к питанию IP-камер
802.3af PoE с максимальной выходной мощностью 15,4 Вт достаточно для питания большинства камер видеонаблюдения. Для камеры с высоким энергопотреблением, такой как камеры PTZ (поворотной), обычно достаточно 802.3at PoE с максимальной выходной мощностью 30 Вт.
В то же время камеры имеют различные требования к мощности, и суммарная мощность должна быть меньше, чем общий бюджет PoE коммутаторов. Также следует учитывать уровень энергопотребления и количество подключенных устройств, потери в линии и дополнительный зарезервированный бюджет мощности. На потери в линии влияют мощность PSE, расстояние передачи и качество кабеля. Что касается потерь в линии, сравнивая результаты тестирования выходной мощности PSE 30 Вт, 15 Вт и 10 Вт (кабель CAT5E) на расстоянии 100 м, потеря трех видов выходной мощности составляет около 1,1 Вт, 0,8 Вт и 0,3 Вт, соответственно. Например, если у вас есть четыре камеры с потребляемой мощностью 12 Вт, индивидуально подключенные к коммутатору, бюджет мощности PoE коммутатора должен превышать 4 × (9 Вт + 0,8 Вт) = 39,2 Вт. С учетом дополнительного зарезервированного бюджета. В данном случае, коммутатор PoE мощностью более 40 Вт будет идеальным выбором.
Сетевые требования IP-камер
Есть четыре основных элемента, которые влияют на пропускную способность IP-камер и скорость интернета: разрешение, FPS (частота кадров в секунду), кодек сжатия видео и количество камер.
Чтобы обеспечить стабильную передачу видео, пиковая полоса пропускания обычно составляет 120% от битрейта потока. В результате рекомендуемая пропускная способность каждой камеры рассчитывается следующим образом. Основной поток обычно представляет собой изображение высокой четкости, используемое для записи и одноэкранного отображения; подпоток обычно представляет собой изображение стандартной четкости, используемое для передачи по сети или многоэкранного отображения, обычно со скоростью 0,5 Мбит/с.
Полоса пропускания = 1,2 × (Битрейт (основной поток) + Битрейт (дополнительный поток)).
Кроме того, фактическая полоса пропускания коммутатора обычно составляет 50%
70% от теоретической скорости. Следовательно, рассчитанную полосу пропускания необходимо разделить на 0,7, чтобы получить рекомендованную теоретическую полосу пропускания коммутатора. Здесь вы можете найти стандартное разрешение камеры и соответствующие рекомендуемые коммутаторы. Мы видим, что коммутаторов 10/100 Мбит/с достаточно для передачи видеоданных практически для всех сценариев.
В полным ходом строящейся аудиовидеосистеме имеется 4 (четыре) источника видеосигнала. Перечислю их:
1. ГУ Alpine DVA-9861Ri — композитный (RCA).
2. Чейнджер Alpine DHA-S680 — композитный (RCA).
3. Видеокамера заднего вида — композитный (RCA).
4. Мультимедиаплеер Rombica Cinema 4K — HDMI.
Народный контроллер имеет следующие видеовходы:
1. HDMI.
2. VGA.
3. AV1 — композит (RCA).
4. AV2 — композит (RCA) с возможностью управления от сигнала +12В "REVERSE" для переключения на камеру заднего вида.
Как видим VGA разъём нам никак не использовать, с HDMI проблем нет, а вот в композитных входах не хватает одного, нужно 3 имеем 2!
AV1 будет всегда использоваться для вывода сигнала с ГУ, а вот к AV2 нужно как то подключить и камеру заднего хода и видеосигнал от чейнджера. Хотя чейнджер планируется больше использовать для воспроизведения CD-дисков, но все же хотелось бы, чтобы видеосигнал как то можно было вывести на экран.
Посему мною был придуман коммутатор видеосигнала на одном реле с двумя парами переключающих контактов. Схема работает так. Схема имеет два входа ( камера и чейнджер) и один выход который будет подключен ко входу AV2 контроллера. Когда не включен задний ход (реле выключено) через нормально замкнутые контакты реле сигнал от чейнджера будет поступать на выход коммутатора, т.е. на AV2. Когда включиться задний ход, на обмотку реле через диод подается питание +12В. Реле срабатывает, переключает контакты на нормально разомкнутые и сигнал со входа видеокамеры будет подан на выход коммутатора, т.е. вход AV2 контроллера, сигнал от чейнджера будет отключен, т.к. нормально замкнутые контакты разомкнуться.
Схема проста, деталюшек всего 6 (два разъёма RCA, два диода 1N4001, реле TRSB-12VDC-SB-L15R, клемник на 2 контакта). Сделал за час. Хлорное железо было, кусок гетинакса нашёл на балконе, лак для ногтей отжал у супруги. Все спаял, проверил, работает!
В масштабных системах видеонаблюдения матричный коммутатор является важным звеном и используется в качестве центра управления оборудованием для логической транспортировки информации с видеокамер на подключенные устройства для воспроизведения и дополнительной обработки сигнала.
К коммутатору можно подключить большое количество камер видеонаблюдения для автоматического отслеживания ситуации на объекте, вывода сигнала с видеокамер на множество заданных устройства для одновременного просмотра (телевизоры, видеомониторы и т.д.), и для записи происходящего (видеорегистраторы). С помощью коммутатора осуществляется оперативное перенаправление сигнала с тревожных датчиков по заранее запрограммированным алгоритмам и другие функции.
Устройство матричного коммутатора
Матричный коммутатор является модульным устройством ко входу которого подключается нужное количество камер видеонаблюдения для осуществления одновременной передачи видеосигнала на выходе сразу на несколько устройств для просмотра и записи. Так с помощью коммутатора можно одновременно отслеживать ситуацию на объекте на нескольких мониторах или на одном мониторе выводить картинку с нескольких видеокамер.
Современные коммутаторы оснащены блоками управления камерами видеонаблюдения, мультиплексорами, устройствами цифровой видеозаписи, программным обеспечением для управления с компьютера и системой охранной сигнализации. Наличие микропроцессора позволяет запрограммировать коммутатор на выполнение необходимых задач и осуществление различных функций для управления системой видеонаблюдения. Возможно дистанционное управление по сети.
Алгоритм работы матричного коммутатора задает порядок вывода видеопотока на мониторы, выполнение действий в случае тревожной ситуации, программу управления поворотными видеокамерами, трансфокатором, фокусом и диафрагмой, а также систему паролей в случае необходимости и т.д.
Подключение тревожных датчиков в матричному коммутатору
Различные датчики охранной сигнализации (инфракрасные датчики, контактные датчики, датчики открывания дверей и прочие) подключаются к тревожным входам, и в случае подозрительных действий срабатывают индикаторы тревоги. Матричный коммутатор можно запрограммировать на осуществление необходимых действий в случае тревожной ситуации: выводить изображение с камеры, зафиксировавшей подозрительную ситуацию, на соответствующие мониторы, подключенные к тревожному выходу, включать сигнализацию, отправлять оповещение или выполнять иные действия.
Увеличение системы видеонаблюдения за счет модульности коммутатора
Наращивание системы видеонаблюдения легко осуществляется с помощью добавления дополнительных модулей. При этом различные модули могут быть объединены в единую систему, даже если они находятся на территориально удаленных объектах. В этом случае число устройств, подключаемых к матричному коммутатору, может быть огромным - до нескольких тысяч на входах и до нескольких сотен на выходах.
Матричные коммутаторы являются необходимым элементом для систем видеонаблюдения с использованием большого количества оборудования: коллективное видеонаблюдение (например видеонаблюдение для многоквартирных домов), казино, торговые центры, промышленные предприятия и т.д.
Принцип работы матричного коммутатора
Матричный коммутатор (Матричные мультиплексоры). Матричный коммутатор - это устройство, обеспечивающее соединение определенного числа камер с определенным числом абонентов (мониторов, видеорегистраторов). Таким образом, главной задачей матричного коммутатора является переключение трансляции изображения (прямого или мультиплексного) от любой камеры к любому абоненту (монитор, видеорегистратор) системы по команде оператора или в автоматическом режиме.
Благодаря применению матричных коммутаторов появилась возможность организации нескольких независимых постов наблюдения, с распределением видеоинформации между этими постами. Таким образом, при помощи матричных коммутаторов стало возможным строить многоуровневые системы с распределенными полномочиями по пользованию информацией (рядовые операторы на своих постах имеют доступ к одним камерам, а администраторы системы имеют доступ к другим).
Матричные коммутаторы по виду внутренней обработки видеоинформации делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговый матричный коммутатор
Аналоговый матричный коммутатор (мультиплексор) коммутирует видеосигналы без каких-либо преобразований самой структуры видеосигнала. В поступивший на вход аналоговый видеосигнал (например, от телекамеры), в таком мультиплексоре может только добавляться служебная информация, необходимая для повышения информативности изображений и необходимая для реализации режимов видеорегистрации. Такой служебной информацией могут быть метки кадров для записи на кассетный регистратор, номер телекамеры или наименование зоны наблюдения для отображения их на мониторе и т.п.
Добавление служебной информации в видеосигнал не приводит к каким-либо ухудшениям параметров, определяющих разрешающую способность и динамический диапазон изображений, т.е. сигнал, поступает с входа матрицы на выход без потерь в информации. Однако, для осуществления переключения телекамер во время записи (мультиплексирования сигналов) или при просмотре на мониторах без сбоев и пропусков требуется синхронизация процесса переключения с сигналами телекамер.
Цифровой матричный коммутатор
Цифровой матричный коммутатор (мультиплексор) производит процессорную обработку сигналов. Аналоговый видеосигнал преобразуется в цифровой, коммутируется и кодируется, и затем, преобразуется обратно в аналоговый вид. В результате такой сложной обработки качество изображения несколько ухудшается. Происходит это из-за ограниченных значений частоты дискретизации (часто менее 20 МГц) и количества уровней квантования (обычно не превышающее 255) при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму. Потери в качестве, которые неизбежны при цифровой обработке, сказываются, прежде всего, на разрешающей способности по выходу мультиплексора.
Для цифрового тракта обработки сигнала в мультиплексорах обычно приводится параметр разрешения, не превышающий, как правило, 1024х512 пикселей для черно-белого изображения. При цифровой обработке, в отличие от аналоговой, не требуется синхронизации процесса переключения.
Выходные видеосигналы мультиплексора синхронизируются при цифровой обработке, вне зависимости от внешних сигналов синхронизации.
По способу организации матричные коммутаторы делятся на моноблочные (в том числе удаленные) и модульные.
Модульные матричные коммутаторы
Модульные матричные коммутаторы выполнены в виде блока с модульно наращиваемой организацией от 16x4 до 4096x256 и удобны для применения на объектах с очень большой концентрацией телекамер в достаточно компактном пространстве. Недостатком таких систем является чрезмерная централизация управления.
Модульная организация предполагает сведение всей видеоинформации в единый центр (от всех телекамер тянутся кабельные линии связи в единый центр), а это большая трудоемкость и стоимость прокладки линий связи. Потребители информации в системах телевизионного наблюдения на объектах часто разнесены территориально, и тогда становится нецелесообразным построение модульных систем.
Читайте также: