摄像机中的信号传输方式
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- Category: 视频系统
- Published on Friday, 28 January 2011 14:26
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构建一个电视摄像系统，如演播室、转播车或移动飞行箱，通常都要根据工作性质、应用的场合与预算多少等因素，对系统中的设备进行分析和选型。在此过程中，对摄像机的选型往往首当其冲。由于有别于ENG类单机采访式一体化摄录像机，我们这里权且将应用于电视节目制作系统中的摄像机称之为演播系统摄像机。它们的一个突出特点就是摄像机需要与基站（或称 CCU）之间进行各种信号的传输与通信，然后将摄像机信号与切换台、矩阵、通话等后继设备相连。其中涉及的各种信号连接方式和接口参见《现代电视技术》2002年第9期《摄像机三同轴系统》一文。
在对演播系统摄像机进行考察时，诸如摄像机的灵敏度、分辨率（调制度）、信噪比等常规技术指标非常关键，也往往成为人们关注的重点。然而实际工作中，信号传输方式的确定恰恰又是购建一个电视制作系统最先需要考虑的问题之一。近年来随着技术的发展，摄像机的传输方式也在摆脱一些大家所熟悉的方式而变得更加多样。遗憾的是“传输方式”在设备选型期间却往往被人们所忽视。本文将对现行的摄像机传输技术进行介绍。
一、模拟多芯传输
如前所述，摄像机机头与机站之间的多种信号传输，最简单的方式就是每个信号分别使用不同的物理连线。在早期的系统中，为了避免过多的接线自然选择了多芯综合电缆。由于其技术相对简单，成本较低，在很多系统中至今仍在使用。但多芯传输也存在着其固有的局限性。其一，在移动电视系统，电缆需要经常收放。反复多次，往往会造成电缆中某些连线出现接触不良甚至断线，从而导致一些功能缺失，严重的还会至使系统无法工作。其二，早期的摄像系统多采用模拟信号传输，长距离传输又必然导致信号的衰减和劣化；同时由于不同信号带宽不同，传输后信号还会产生相位变化。因此系统还要对此进行电缆补偿。更为烦琐的是补偿量的大小会因为每次使用电缆的长短而变化。所以它更适合于使用在较少移动的演播室等固定拍摄场合。
二、模拟三同轴传输
为了改善模拟多芯传输的弊端，汤姆逊广播系统公司与CBS共同开发了模拟三同轴传输技术。从物理结构上讲，三同轴电缆就是带有加强结构和屏蔽层的同轴电缆。模拟三同轴传输的基本技术就是利用模拟调制频分复用的方式，即不同的信号采用不同的调制载频与调制方式在同一根电缆内传输。其优点是大大简化了电缆结构，加大传输距离并有力地改进了使用可靠性。自该技术发明之后迅速得到普及，至今仍是主流传输方式。但由于这种传输方式仍然处于模拟信号领域，各种信号会随着电缆长度即传输距离的增加而衰减。频分复用方式也会对信号的带宽有一定的限制。根据使用电缆的粗细和摄像机型号不同，通常标清模拟三同轴摄像机系统的传输距离在1至3公里范围；高清电视信号三同轴的传输距离在1公里。
三、数字多芯与“数字链接”
随着摄像机本身和基站内信号处理方式，乃至后期切换等一系列设备均已实现数字化，为了减少模拟三同轴中数字到模拟、模拟到数字信号间的反复转换，人们开始考虑直接进行数字信号的传输。针对模拟三同轴传输中调制技术复杂性带来处理环节和成本的增加，在一些中小型且并非经常移动的应用场合，多芯电缆又再次得到重视。但因其中传输的信号，尤其是摄像机视频输出将以数字的方式进行。这种传输方式又被冠以：数字多芯传输。在汤姆逊公司的最新摄像机多芯系统中，由于对摄像机和基站之间的所有信号，包括视频、音频、通话，以及通信控制等均实现了数字传输。因此，这种全数字的传输方式又被称为：数字链接。其传输信号见图1所示。非但如此，汤姆逊还将这种利用多芯电缆进行传输的方式，扩展为可利用双同轴电缆（即两根数字同轴线）、光纤等多种数字传输方式。从而使“数字链接”的概念和应用变得更加丰富多彩。
四、数字三同轴
其实，三同轴电缆本身并无所谓“模拟”与“数字”之分，它仅仅是一种传输媒介---电缆。之所以产生“数字三同轴”的概念，主要是针对目前广泛使用的模拟三同轴传输方式而言。其关键技术就是利用三同轴电缆以数字方式进行机头与基站间的信号传输。目前市场上应用较多的数字三同轴传输是汤姆逊公司的解决方案。该技术采用的是将摄像机端的音频、通话和控制信号嵌入270MHz视频信号中，以数字的形式传回基站。数字方式的传输不仅节约传输成本，更重要的是有效保证了传输信号的质量。但其缺点是基带数字信号无法实现长距离传输，不利于进行大型长距离活动的转播系统。
五、光纤传输
光纤作为一种新型传输媒介除广泛应用于长距离通讯传输外，在系统摄像机中也得到了应用。光纤传输的优势在于其传输信号带宽宽、对信号损耗小，传输距离远，且物理重量较轻。然而事情总有其两面性。由于光纤不具备导电性，因此如想将其应用在系统摄像机中，则通过“光缆”对摄像机供电需要使用内部带有金属铜线的复合（多芯）光/电缆。目前广泛使用的是SMPTE 标准的6芯综合缆。其中包括一对用于视频信号传输的光纤、一对用于给摄像机供电的铜线和一对用于摄像机初始控制的电缆。此外，光纤在野外环境下使用时对灰尘比较敏感，使用时需要格外注意对插接环节的保护。
六、无线传输
除上述以各种电缆（光缆）进行摄像机信号传输外，若以无线方式进行传输则可以给摄像机以更大的灵活性。如能甩掉摄像机的“尾巴”，不但可方便摄像机机位的移动，减少电缆对摄像机拍摄的局限；更可丰富艺术创作手段，尤其用于特殊镜头的拍摄。但无线传输由于是开路传输，各种无线电信号之间难免产生线互间的干扰。也就是说信道的可靠性要低于有线传输的方式。在我国，通常无线摄像机的传输频率均选择在2.4GHz~2.5GHz之间的公用频带。而很多无线设备均工作在这个频段。因此，为了保证信号传输质量在大型活动转播时进行合理的频率分配是十分必要的。另外，无线摄像机由于只能采用电池供电，也需要使用前根据情况进行必要的准备。近年来随着数字无线传输技术的普及，无线摄像机也得到越来越广泛的应用。
关于三同轴电缆传输的补充
摄像机与CCU之间有视频信号、音频信号、控制信号、同步信号、电源信号。这种多系统传输，多使用多芯电缆，在模拟信号传输中，多信号的传输就是使用多芯电缆。在数字摄像机时代，要么使用三同轴，要么使用光缆，几乎没有用多芯电缆的。
一般来讲，摄像机与CCU的距离在300米之内，这样在目前的技术条件下均衡器能适应的最高传输率为360Mb/s，这个传输速率就这样确定下来了。
在三同轴传输中，不仅有摄像机到CCU的主视频信号，还有CCU到摄像机的返送信号，而数字SDI码流270Mb/s，因此传输两路无压缩数字视频信号不可能实现，因此保证主视频信号的无压缩SDI传输，而返送信号采用实时压缩方式M-JPEG，采用时基压缩方式解决数字视频的双向传输。音频和其它信号则嵌入到视频信号中进行传输。