基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)研究

 引言 

隨著人們家庭生活條件的日益改善，許多家庭擁有2臺(tái)或以上的電視機(jī)，但在實(shí)際使用過(guò)程中，受限于有線電視供應(yīng)商對(duì)播放系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)方式，單臺(tái)機(jī)頂盒僅能供一臺(tái)電視機(jī)使用，這就使得每個(gè)用戶必須加裝與家庭內(nèi)電視數(shù)量配套的有線電視機(jī)頂盒，方可滿足家庭內(nèi)各個(gè)電視接收節(jié)目的需求。 

另外，我們生活中的安防設(shè)備也無(wú)處不在。許多樓宇設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)方面沒(méi)有考慮到安防監(jiān)控設(shè)備的架設(shè)，但是卻考慮到水電暖通的鋪設(shè)�；�于建筑內(nèi)的電力線鋪設(shè)的靈活性以及監(jiān)控系統(tǒng)也需要電力供電，電力線可以鋪設(shè)到需要架設(shè)監(jiān)控設(shè)備的地方，用于提供電力和監(jiān)控的通信媒介。 

本研究是通過(guò)以電力線作為傳輸媒介，使用電力線寬帶通信技術(shù)為技術(shù)依托，實(shí)現(xiàn)視頻共享，并提供紅外接口，可為用戶提供遙控器控制，實(shí)現(xiàn)遙控功能。基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)構(gòu)架簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，具備即插即用功能。在有需求的地方可以添加視頻設(shè)備。沒(méi)有用戶需求的地方，則暫不安裝設(shè)備，控制資金投入。 

1 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究 

1.1 電力線寬帶通信技術(shù) 電力線寬帶通信技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)BPL，是一種利用中、低壓配電網(wǎng)作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、圖像等綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，不僅可以作為解決寬帶末端接入瓶頸的有效手段，而且可以為電力負(fù)荷監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、配用電自動(dòng)化、需求側(cè)管理、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、智能家庭以及數(shù)字化社區(qū)提供高速數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。 

電力線寬帶通信技術(shù)使用多子載波的OFDM和高頻帶利用率的調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)到200Mbps，部分新產(chǎn)品可高達(dá)500Mbps。基于電力線寬帶通信技術(shù)的產(chǎn)品具有交換和傳輸功能，自動(dòng)中繼和自動(dòng)路由選擇技術(shù)得到使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活方便，通用性和兼容性更強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)管理功能更加完善，數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS進(jìn)一步得到保障，設(shè)備和系統(tǒng)成本進(jìn)一步降低。 

電力線寬帶通信具備以下優(yōu)點(diǎn)： 

①實(shí)現(xiàn)成本低。可直接利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)作為傳輸線路，不用額外布線，大大減少網(wǎng)絡(luò)的投資，降低成本。②范圍廣。電力線是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，它的規(guī)模是其他任何網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的。③通信穩(wěn)定。電力線采用OFDM調(diào)制方式，能有效減少電力線上的干擾對(duì)通信的影響，保證通信穩(wěn)定。④高速率，實(shí)時(shí)通信。電力線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供高速的傳輸，保證實(shí)時(shí)通信。⑤便捷。電力線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)屬于“即插即用”，接入電源即可接入網(wǎng)絡(luò)。 

1.2 H.264編碼 H.264標(biāo)準(zhǔn)是ITU-T的VCEG（視頻編碼專(zhuān)家組）和ISO/IEC的MPEG（活動(dòng)圖像專(zhuān)家組）的聯(lián)合視頻組（JVT，Joint Video Team）在2003年開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，也稱(chēng)為MPEG-4 AVC，它作為MPEG-4 Part10，是“高級(jí)視頻編碼”。在相同的重建圖像質(zhì)量下，H.264比H.263節(jié)約50%左右的碼率。因其更高的壓縮比、更好的IP和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道的適應(yīng)性，在數(shù)字視頻通信和存儲(chǔ)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)也要注意，H.264獲得優(yōu)越性能的代價(jià)是計(jì)算復(fù)雜度增加，據(jù)估計(jì)，編碼的計(jì)算復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的3倍，解碼復(fù)雜度大約相當(dāng)于H.263的2倍。 

1.3 HDMI技術(shù) 高清晰度多媒體接口（HDMI）是一種數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸?shù)膶?zhuān)用型數(shù)字化接口，其可同時(shí)傳送音頻和視頻信號(hào)，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為5Gbps。無(wú)需在信號(hào)傳送前進(jìn)行數(shù)/�；蚰�/數(shù)轉(zhuǎn)換。 

HDMI接口在保持高品質(zhì)的情況下能夠以數(shù)碼的形式傳輸未經(jīng)壓縮的高分辨率視頻和多聲道音頻的數(shù)據(jù)。HDMI不僅可以滿足1080P的分辨率，還能支持DVD Audio等數(shù)字音頻格式，支持八聲道96kHz或立體聲192kHz數(shù)碼音頻傳送。

　　HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的設(shè)備具有“即插即用”的特點(diǎn)，信號(hào)源和顯示設(shè)備之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)行“協(xié)商”，自動(dòng)選擇最合適的視頻/音頻格式。與DVI相比HDMI接口的體積更小，一條HDMI纜線可以取代最多13條模擬傳輸線，能有效解決家庭娛樂(lè)系統(tǒng)背后連線雜亂糾結(jié)的問(wèn)題。 

　　1.4 音視頻同步 通過(guò)使用時(shí)間戳來(lái)解決音視頻同步問(wèn)題：首先，選擇一個(gè)參考時(shí)鐘，要求參考時(shí)鐘上的時(shí)間是線性遞增的。其次，音視頻發(fā)送端生成數(shù)據(jù)流時(shí)依據(jù)參考時(shí)鐘上的時(shí)間給每個(gè)數(shù)據(jù)塊都打上時(shí)間戳，包括開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。再次，音視頻接收端在播放時(shí)，讀取數(shù)據(jù)塊上的時(shí)間戳，同時(shí)參考當(dāng)前參考時(shí)鐘上的時(shí)間來(lái)安排播放，當(dāng)且僅當(dāng)數(shù)據(jù)塊開(kāi)始時(shí)間與當(dāng)前參考時(shí)鐘上時(shí)間一致時(shí)，播放該數(shù)據(jù)塊。即使收到了早到的音頻流數(shù)據(jù)塊也不能立即播放，而必須等到參考時(shí)鐘的時(shí)間達(dá)到時(shí)間戳?xí)r間后方可播放，否則就會(huì)引起音視頻不同步問(wèn)題。當(dāng)音頻或視頻數(shù)據(jù)的播放速率滯后時(shí)，需連續(xù)向后處理多個(gè)音視頻數(shù)據(jù)包以尋找新的同步點(diǎn)，即找到一幀能與本地時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。最后，音視頻接收端將當(dāng)前數(shù)據(jù)流速度太快或太慢的狀態(tài)反饋給信源，讓信源去放慢或加快數(shù)據(jù)流的速度，從而更主動(dòng)有效地調(diào)整音視頻同步播放。采用時(shí)間戳的方法在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不用改變數(shù)據(jù)流，不需要附加同步信道。其缺點(diǎn)是選擇相對(duì)時(shí)標(biāo)和確定時(shí)間戳操作較為復(fù)雜，需要一定的開(kāi)銷(xiāo)用于同步操作。 

　　1.5 遙控信號(hào)的傳輸 視頻共享接收端通過(guò)紅外信號(hào)接收器接收紅外遙控信號(hào)，由于其本身即為數(shù)字信號(hào)，且紅外遙控信號(hào)數(shù)據(jù)量較小，不需要經(jīng)過(guò)壓縮，可直接通過(guò)MII接口，從電力線寬帶通信模塊發(fā)送至另一個(gè)電力線寬帶通信模塊，再通過(guò)紅外發(fā)射器件發(fā)送紅外遙控信號(hào)。視頻共享發(fā)送端附近的媒體發(fā)送源接收到紅外控制信號(hào)，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)遙控功能。 

　　視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)H.264編碼后，電力線寬帶通信技術(shù)所能提供的通信速率及帶寬能滿足高清視屏的穩(wěn)定可靠傳輸，通過(guò)音視頻同步技術(shù)及遙控信號(hào)的傳輸可滿足用戶的使用體驗(yàn)與需求，在技術(shù)上來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)該視頻共享系統(tǒng)是完全可行的。與此同時(shí)，該系統(tǒng)可以滿足安防監(jiān)控的需求，實(shí)現(xiàn)基于IP的視頻監(jiān)控功能。 

 2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，主要分為兩大部分：視頻發(fā)送端和視頻接收端。視頻發(fā)送端與視頻接收端通過(guò)電力線寬帶通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)視頻發(fā)送端可將音視頻數(shù)據(jù)通過(guò)電力線發(fā)給多個(gè)視頻接收端，實(shí)現(xiàn)多路視頻共享。 

　　視頻共享系統(tǒng)中的視頻發(fā)送端主要由音視頻輸入、音視頻編碼模塊及電力線寬帶通信模塊組成，視頻接收端主要由音視頻輸出、音視頻編碼模塊及電力線寬帶通信模塊組成。視頻接收端與視頻發(fā)送端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。 

　　視頻共享發(fā)送端捕獲從安控監(jiān)測(cè)設(shè)備、有線電視機(jī)頂盒、DVD播放器及電腦等器材輸出的視頻以及音頻信號(hào)。若音、視頻信號(hào)均為模擬信號(hào)，則會(huì)通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字音、視頻信號(hào)接入到多媒體處理器；若視頻和音頻信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)（從HDMI接口輸入），則這些信號(hào)會(huì)通過(guò)一個(gè)分離模塊將數(shù)字視頻與音頻信號(hào)分離，再接入到多媒體處理模塊。多媒體處理模塊實(shí)現(xiàn)根據(jù)H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)字媒體信號(hào)壓縮編碼成為流媒體格式，經(jīng)過(guò)MII接口傳輸?shù)诫娏�線寬帶通信模塊。電力線寬帶通信模塊將流媒體信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后傳輸?shù)交�于電力線寬帶通信技術(shù)的電力線通信網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，電力線寬帶通信模塊監(jiān)測(cè)視頻接收端設(shè)備有無(wú)發(fā)送紅外控制命令，若接收到紅外控制命令，通過(guò)MII接口透?jìng)髦炼嗝襟w處理模塊，經(jīng)過(guò)紅外發(fā)送模塊發(fā)送紅外控制命令。 

　　當(dāng)該系統(tǒng)應(yīng)用于安防監(jiān)控時(shí)，可以通過(guò)以太網(wǎng)變壓器，將傳輸過(guò)來(lái)的視頻信號(hào)通過(guò)RJ45接口接入網(wǎng)絡(luò)，供遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行操作。 

　　對(duì)于家庭視頻共享，一般視頻接收端與視頻發(fā)送端不在同一個(gè)房間內(nèi)，紅外控制命令無(wú)法直接對(duì)信源進(jìn)行控制。系統(tǒng)視頻共享接收端具備紅外接收并透?jìng)鞯墓δ�，使用戶能夠在接收端使用有線電視機(jī)頂盒或DVD機(jī)所配的遙控器進(jìn)行選臺(tái)等功能。 

　　視頻共享接收端從電力線捕獲被調(diào)制的電力線寬帶通信信號(hào)，多媒體處理模塊根據(jù)H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解調(diào)，將視頻和音頻信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的方式輸出，根據(jù)需求將音視頻轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出或?qū)⒁粢曨l數(shù)字信號(hào)整合（從HDMI接口輸出）。紅外接收模塊接收到紅外控制信號(hào)后，經(jīng)識(shí)別后將紅外控制命令輸入多媒體處理模塊，多媒體處理模塊通過(guò)MII接口發(fā)送至電力線寬帶通信模塊，通過(guò)電力線將紅外控制命令透?jìng)髦烈曨l共享發(fā)送端。 

3 系統(tǒng)的應(yīng)用案例 

　　本文將以傳輸720P視頻為例，簡(jiǎn)要描述基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)的工作流程。該720P視頻文件大小為7.37GB，其中視頻大小5.72GB，碼率為6000Kbps；音頻大小為1.51GB，碼率為1510Kbps。 

　　基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)如圖4所示，通過(guò)電腦模擬視頻輸出源，播放720P視頻，通過(guò)HDMI接口將視頻信號(hào)輸出至視頻共享系統(tǒng)中的視頻發(fā)送端，視頻共享系統(tǒng)將從HDMI接口輸入的數(shù)字音視頻信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)電力線通信模塊進(jìn)行傳輸，視頻共享系統(tǒng)的視頻接收端進(jìn)行接收處理后，將視頻通過(guò)HDMI接口輸出至電視進(jìn)行播放。該系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因素為電力線通信的帶寬和穩(wěn)定情況，以及音視頻流處理模塊的性能。該用例中，在電力線寬帶通信兩端增加了50db的衰減，該視頻共享系統(tǒng)仍正常工作，無(wú)出現(xiàn)視頻失真或視頻停頓現(xiàn)象。 

　　表1為基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)與有線傳輸?shù)囊曨l共享系統(tǒng)的對(duì)比�；�于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)在衰減為50db的條件下，依然能保證視頻信號(hào)的正常傳輸，可滿足家庭內(nèi)部視頻共享的需求；基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)由于不需額外布線，安裝調(diào)整靈活性強(qiáng)，并且不受系統(tǒng)接口數(shù)量限制，只要接收端接入系統(tǒng)即可使用，擴(kuò)展性強(qiáng)。 

4 總結(jié) 

　　本文驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，并通過(guò)與有線視頻共享系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，凸顯了該系統(tǒng)以及技術(shù)的優(yōu)勢(shì)�；�于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)以其建設(shè)成本少、建設(shè)難度小以及接入及使用方便、靈活等特點(diǎn)，在安防監(jiān)控、視頻共享領(lǐng)域逐漸被用戶廣泛接受，具有光明的前景及極大的市場(chǎng)價(jià)值。隨著電力線寬帶通信技術(shù)的發(fā)展，基于電力線寬帶通信技術(shù)的視頻共享系統(tǒng)的性能將越來(lái)越能滿足用戶對(duì)高清視頻及對(duì)視頻監(jiān)控的需求。