А. Володин, Е. Спинко, И. Филькова

Конец эры немого кино в охранном телевидении

Системы телевизионного наблюдения в последнее время стали обязательным атрибутом современных офисов, магазинов, складов, банковских отделений и даже муниципальных больниц. По нашим оценкам, более 90% установленных к середине 2001 года систем телевизионного наблюдения - аналоговые, передающие "немое" ч╦рно-белое изображение.

Предсказать эволюцию систем видеонаблюдения - дело нехитрое, если вспомнить историю кинематографа и домашнего телевидения. Единственное отличие: в кино сначала появился звук, а потом цвет и цифровые эффекты. В охранном телевидении - вначале цвет и цифровые технологии, и только теперь - звук.

Объясняется такая последовательность в основном экономическими факторами. После драматического падения цен на цветные камеры и мониторы в 1999 году, их продвижение на рынок систем безопасности стало более агрессивным, и преуспевающие компании стали активно приобретать и устанавливать цветную видеотехнику. Перспективы широкого распространения цифровых систем охранного телевидения всего два года назад оценивались довольно скептически [1]. Действительно, аналоговые системы наблюдения до сих пор лидируют по числу инсталляций. Они просты и недороги. Технология их установки и обслуживания хорошо отработана. Но цифровые системы наблюдения, под которыми чаще всего понимается аналого-цифровая или гибридная система, в которой аналоговый сигнал от видеокамеры оцифровывается специальным устройством цифрового ввода видеосигнала обладают рядом существенных преимуществ. Цифровое видео легко обрабатывается, не изнашивается, быстро и легко копируется, печатается одним щелчком мышки, хранится в базах данных с мгновенным доступом и переда╦тся по сетям. Одно из самых принципиальных преимуществ цифрового видео - высокое качество восстановленного изображения. Аналоговые системы передают сигналы синхронизации по линии связи. Результатом часто является строчный джиттер, приводящий к быстрому утомлению оператора, и даже потеря кадровой синхронизации, особенно при трансляции сигнала на значительные расстояния. Цифровые системы передают только видеоданные, которые привязываются к синхросетке при╦много узла и создают оператору комфортные условия наблюдения. Поэтому в последнее время наблюдается наступление цифровых систем (рис. 1), благодаря появлению недорогих микросхем для компрессии видео [2], возрастанию мощности компьютеров, увеличению ╦мкости цифровых носителей и распространению скоростных каналов связи.

Рисунок 1. Цифровая система телевизионного наблюдения на базе компрессора "Удав"

И наконец, сегодня наступает время для цифровых систем охранного телевидения c интеграцией звука и видео. Потребность в "говорящих" системах возникла вместе с расширением сферы их применения. Транслировать звук от уличной камеры, расположенной, скажем, на автомагистрали - довольно бессмысленное занятие. Совсем другое дело - звук от камер, расположенных, в операционном зале банка. Необходимость в звуковом сопровождении видео первыми осознали и донесли до широкой общественности интеграторы систем безопасности и монтажные организации (рубрика Запросы на сайте www.sec.ru). Рассмотрим практический пример устройства цифрового при╦ма/передачи видео и звука.

Говорящий "УДАВ"

Известный интеграторам систем безопасности видеокомпрессор "УДАВ" [2,3] в последнем исполнении обретает возможность передавать вместе со сжатым в формате Wavelet изображением ещ╦ и оцифрованный звук. Новые версии компрессора (декомпрессора) "УДАВ" сохранили от своего прародителя Wavelet-кодек ADV601, сигнальный процессор ADSP2185, видео АЦП PHILIPS SAA7111 (видео ЦАП ADV7176), ПЗУ загрузки программ и видео ЗУ [2]. Принципиально новым стало размещение на плате декодера микросхемы автономного экранного дисплея PCA8515 фирмы Philips и звукового DSP-кодека TVL320AIC10 от Texas Instruments (рис. 2 и 3).

Рисунок 2. Схемотехника кодера

Рисунок 3. Схемотехника декодера

Само по себе цифровое сжатие и передача видео и звука - не новинка для систем регистрации. Однако до сих пор видео и звук передавались по разным, независимым каналам. Отличительной особенностью рассматриваемого устройства является передача и видео и звука по одному каналу, которым может являться телефонная "лапша", витая пара или коаксиальный кабель. Это имеет решающее значение при эксплуатации имеющихся кабельных сетей, да╦т существенный экономический выигрыш для больших объектов и позволяет утверждать о завершении периода "немого" охранного телевидения. Рассмотрим упаковку звука.

Салат из видео и звука

В передающей части устройства оцифрованный и обработанный кодеком TVL320AIC10 звук поступает в последовательный порт процессора ADSP 2185, где программно реализуется дифференциальная импульсно-кодовая модуляция. На выходе ДИКМ каждый цифровой отсч╦т представлен 6 битами. Далее звук упаковывается в видеопакеты, посредством которых осуществляется при╦м/передача информации в тракте системы наблюдения. Пакет - это структурированный массив информации 16x16 бит. Существует 4 типа пакетов: занятый/пустой командный пакет и занятый/пустой видеопакет. Нулевое слово каждого пакета является синхрословом. Видеопакет - это пакет, содержащий, помимо синхрослова, сжатые данные. Структура пакета представлена на рис. 4.

Рисунок 4. Структура пакета

Принимающая часть устройства сначала декодирует звук в цифровом формате, а затем звуковой кодек восстанавливает исходный сигнал. Рассмотрим микросхему, реализующую кодирование и декодирование звука.

DSP-кодек TVL320AIC10

Кодек TLV320AIC10 - это:

• аналого-цифровой сигма-дельта конвертор с 16-бит избыточной дискретизацией;
• цифро-аналоговый сигма-дельта конвертор с 16-бит избыточной дискретизацией;
• максимальная выходная скорость конверсии:
  • 22 KSPS с прохождением FIR-фильтра,
  • 88 KSPS, минуя FIR-фильтр;
• ширина полосы частот голосового диапазона в режиме обхода FIR-фильтра и скорость конечной дискретизации при 8 KSPS;
  • 90 дБ сигнал/шум АЦП и 87 дБ сигнал/шум ЦАП с импульсом конечной длительности процессора (в обход FIR-фильтра 88 kspsпри напряжении питания 5 В),
  • 87 дБ сигнал/шум АЦП и 85 дБ сигнал/шум ЦАП с импульсом конечной длительности процессора (в обход FIR-фильтра 88 kspsпри напряжении питания 3,3 В);
• интерфейс последовательного порта с цифровыми сигнальными процессорами (TMS320Cxx Texas Instruments, SPI (стандарт фирмы Motorolaдля последовательных периферийных интерфейсов) или стандартные цифровые сигнальные процессоры);
• автоматическое обнаружение каскадирования (ACD) упрощает каскадное программирование и позволяет включать последовательно в каскад до 8 устройств;
• режимы текущего реконфигурирования включают режим вторичной передачи и режим прямого конфигурирования (хост-интерфейс);
• программируемая скорость конверсии АЦП и ЦАП;
• программируемые входные и выходные коэффициенты усиления;
• раздельное программное управление для режима powerdown АЦП и ЦАП;
• аналоговый источник питания 3┘5,5 В;
• цифровой источник питания 3┘5,5 В;
• мощность рассеяния (Pd) 39 мВт при 8 kspsи напряжении 3,3 В;
• аппаратный режим powerdown до 0,5 мВ;
• тестовый режим, включающий кольцевую проверку с использованием цифровых и аналоговых сигналов;
• 600 Ом выходной драйвер.

Кодек TVL320AIC10 выбран разработчиками по ряду причин: 16-разрядный ЦАП/АЦП, наличие встроенных фильтров, высокая частота квантования, приемлемая цена и сроки поставки. 16-бит 22-KSPS кодек общего применения с цифровым сигнальным процессором и напряжением питания от 3 до 5,5 В обеспечивает А/Ц и Ц/А преобразования с использованием сигма-дельта модуляции. Микросхема содержит два мультиплексных входа с встроенным фильтром защиты от наложения спектров, предусилитель электретного микрофона, сигма-дельта ЦАП и АЦП и фильтры (рис. 5).

Рисунок 5. Функциональная блок-схема звукового кодека TLV320

Оба входа (IN и AUX) принимают обычные аналоговые сигналы. Микросхема состоит из двух 16-бит синхронизированных последовательных каналов (по одному в каждом направлении) и содержит интерполяционный фильтр перед АЦП и фильтр десятичного прореживания импульсной последовательности после АЦП. FIR-фильтры (фильтры импульсных откликов конечной длительности) для большей гибкости и уменьшения потребления можно обойти. Микросхема обеспечивает программируемую скорость дискретизации, непрерывную передачу данных, обход FIR-фильтров и управление (усилитель с программируемым коэффициентом усиления, коммуникационный протокол и так далее). Сигма-дельта архитектура обеспечивает конверсию с высоким разрешением аналоговых сигналов в цифровые и цифровых сигналов в аналоговые при низкой стоимости кристалла. В кодеке реализован режим непрерывной передачи данных, который поддерживает автобуферизацию (ABU) цифрового сигнального процессора, что позволяет экономить на прерываниях. Режим прямого конфигурирования интерфейса хоста использует однопроводной последовательный порт для прямого программирования внутренних регистров. Режим текущего мониторинга да╦т возможность процессору осуществлять мониторинг внешних событий (например, обнаружение звонка/снятия трубки телефона).

В режиме низкого потребления микросхема конвертирует данные со скоростью дискретизации 8 KSPS, потребляя при этом только 39 мВт.

Программируемые функции чипа конфигурируются через последовательный интерфейс, который можно сопрячь с любым цифровым процессором, допускающим 4-проводные последовательные соединения. Дополнительные возможности - это программный сброс (reset), спящий режим, раздельное управление выключением АЦП и ЦАП, коммуникационный протокол, управление коэффициентом усиления, режимы тестирования системы.

По заявлению разработчиков [4], микросхема TLV320AIC10 идеально подходит для применения в автомобильных комплектах hands-free, кабельных модемах, устройствах обработки, распознавания и синтеза речи, телефонии, а также для высококачественной компрессии и улучшения качества речи.

Литература

1. Володин А. Видеонаблюдение, как оно есть // Банковские технологии. 1999. ╧ 5-6.
2. Бабий О., Володин А., Спинко Е. Видеокомпрессор на базе видеокодека ADV601 // Chip News. 2000. ╧ 6. С. 9√11.
3. Бабий О., Володин А., Митько В., Спинко Е. Видеомодем на основе микросхемы PRACT фирмы Infineon // Chip News. 2001. ╧ 1. С. 46√48.
4. General-Purpose 3 V to 5.5 V 16-Bit 22-KSPS DSP Codec TLV320AIC10. Data Manual, AAP Data Converter Group, 2000.