作者：德州儀器Navaneeth Narayanasamy
監視基礎設施的使用在各產業、辦公室及住宅建築中穩定成長，以幫助達到最高安全性。近十年來，攝影機技術在影像感測器、影片處理、連線與影片分析方面，都透過人工智慧而有顯著進步。多數攝影機採用行動產業處理器介面 (MIPI) 將影像感測器連接至影片處理器，讓攝影機可透過各種影像感測器解決方案進行升級。圖 1 說明組成影片監視攝影機系統的各種元件。
圖 1：基本網路協定 (IP) 監視攝影機
對高解析度影像與影片的持續要求推動了影像感測器的進步與創新，使解析度從 320 x 240 像素提升到 4,096 x 2,160 像素(含)以上，增加將近十倍像素的技術提升。像素數的增加也代表需從影像感測器透過 MIPI 介面傳送至影片處理器的資料增加。IP 攝影機中的乙太網路實體層 (PHY) 也面對更多需從 10 Mbps 轉移至 1 Gbps ，以進行高品質影片傳輸。這時候影片處理器執行影片壓縮演算能力就變得很重要，以將透過乙太網路纜線傳輸的資料最小化。
30 fps 的 4K 解析度影像感測器可產生資料速率 9.56 Gbps 的未壓縮影片。雖然 MIPI 專為支援此速率或執行更高的速率而設計，但若以此速率透過乙太網路進行傳輸，同時要儲存未壓縮的高解析度影片 (需要大量記憶體儲存空間)，是較不經濟惠實的作法。透過 H.265 等有效影片壓縮演算法，即便使用 4K 影像感測器壓縮至中等影片品質，資料速率需求仍可降至 10 Mbps 以下。影像感測器供應商嘗試打造具更高解析度的感測器，國際電子電機委員會、國際標準化組織與國際電信聯盟等標準化組織也針對影片壓縮驗算法進行努力，讓透過乙太網路的影片資料速率在特定運作情境下，能夠限制在 10 Mbps 以下。
IP 攝影機中的標準乙太網路介面會因規格而產生 100 公尺纜線範圍限制，但有一種新技術可將最低纜線長度延長至 1,000 公尺。IP 攝影機與網路錄影機的距離可達 1 公里或以上，若要縮短與標準乙太網路進行此距離的橋接，則需使用中繼器或光纖纜線。替代方式是透過同軸電纜 (RG-59) 來延伸距離，但需以被動式轉接器將乙太網路訊號從 CAT 5e 轉至同軸電纜，反之亦然。同軸電纜每 100 公尺成本通常較標準乙太網路纜線來得高。
電機電子工程師學會 (IEEE) 最近針對以單對平衡導體進行 10-Mbps 運作與相關電力輸送定義了新的乙太網路標準 IEEE 802.3.cg。更具體來說是 10BASE-T1L：透過單對平衡導體的 10-Mbps 乙太網路區域網路 IEEE 802.3 PHY 規格範圍為至少 1,000 公尺 (利用 18 AWG 纜線進行點對點連接以實現長距離範圍)。由於單對纜線現可支援資料與電力傳輸，若採用 IEEE 802.3.cg 將可大幅節省成本，在影片監視應用中的安裝也將變得更簡單。
10BASE-T1L PHY 透過單對平衡導體進行全雙工通訊，於各方向同時以 10 Mbps 的有效資料速率運作。10BASE-T1L PHY 則使用三階脈衝振幅調變 (PAM3)，在鏈路區段以 7.5 megabaud 進行傳輸。33 位元擾頻器有助於提升電磁相容性。MII 傳送資料 (TXD<3:0>) 以四二進位三元 (4B3T) 方式編碼，以將傳送 PAM3 符號的執行平均 (DC 基準) 維持在界限內。利用管理資料輸入/輸出介面將 10BASE-T1L PHY 的發射器輸出電壓設定為 1.0-Vpp 或 2.4-Vpp 壓差，可幫助在不同纜線下延伸通訊距離。
DP83TD510E 是符合 IEEE 802.3cg 10Base-T1L 規格的超長距離乙太網路 PHY 收發器。此裝置可以單一 3.3-V 電源供應器運作，並支援 2.4-V p2p 與 1-V p2p 電壓模式，如 IEEE 802.3cg 10Base-T1L 規格定義。PHY 透過超低雜訊耦合接受器架構，可支援高達2,000 m 的纜線長度。此裝置提供媒體獨立介面 (MII)、簡化式 MII，簡化式 Gigabit MII 與 RMII 低功率 5-MHz 主要模式，以提供與處理器 MAC 的介面。DP83TD510E 診斷工具包含時域反射儀 (TDR)、主動鏈路纜線診斷 (ALCD)、訊號品質指數 (SQI)、多重回送與整合式 PRBS 封包產生器，可在開發過程與現場偵測故障情況時簡化偵錯程序。
單對乙太網路 (SPE) 也支援透過數據線 (PoDL) 供電並沿相同單對纜線，以影片監視應用中顯示的低通濾波器傳送電力，如圖 2 中所示。
圖 2：影片監視中的 PoDL 範例
表 1 列出 IEEE 802.3.cg 標準支援的各種功率等級。可輸送至負載的最大功率為 52 W，並定義於等級 15 以下。功率等級 10 以下由 IEEE 802.3.bu 涵蓋。
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表 104-1a – 等級 10 到 15 的 PSE、PI 與 PD 等級功率需求矩陣 |
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[課程] |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
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VPSE(max) (V) |
30 |
30 |
30 |
58 |
58 |
58 |
|
VPSE_OC(min) (V) |
20 |
20 |
20 |
50 |
50 |
50 |
|
VPSE(min) (V) |
20 |
20 |
20 |
50 |
50 |
50 |
|
IPI(max) (mA) |
92 |
240 |
632 |
231 |
600 |
1579 |
|
Pclass(min) (W) |
1.85 |
4.8 |
12.63 |
11.54 |
30 |
79 |
|
VPD(min) (V) |
14 |
14 |
14 |
35 |
35 |
35 |
|
PPD(max) (W) |
1.23 |
3.2 |
8.4 |
7.7 |
20 |
52 |
表 1：IEEE 802.3.cg 標準支援的功率等級（來源：乙太網路 IEEE 標準）
等級 8 與 9 (48-V 穩壓電源設備) 或等級 14 與 15 (最高 50 至 58-V) 可支援 IP 攝影機所需的功率位準，可能需要 52 W 功率才能運作。此功率對多數攝影機系統皆已足夠，包含具內建加熱器者。針對需要升級的建築物，中介解決方案是使用標準乙太網路至 SPE 轉換器。圖 3 提供 IP 攝影機系統的連線範例。
圖 3：IP 網路攝影機連線
預計未來 IP 攝影機產品將可支援 SPE，可使安裝更加便利，網路錄影機也將可提供電源設備埠。透過簡化 SPE 網路轉為更佳的壓縮影片，即可在不增加複雜性或成本的情況下提升監視性能。
其他資源：IP網路攝影機系統IC與參考設計
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