本文阐述了非标准电缆长线传输CCD视频信号及其接收的方法。通过对油井下CCD视频图像信号用非标准电缆长线传输的实现，设计了一套小体积远距离的图像通信系统。本文所提出的图像采集、传输与接收系统异地时钟不同步情况下数据的恢复方法，使图像数据能以更高的数据率、更可靠地恢复出来。本文提出的用非标准电缆传输图像的通信方法对各种部分恶劣的情况具有一定的参考价值和应用前景。
一、前言
随着光电技术、计算机技术、通信技术的进展，各种图像通信业务蓬勃发展。但由于图像中包含的信息量相当大，视频信号的频带可宽达6MHz，转换成的扫描电信号变化相当快，即使是变化较慢的可视电话信号，其频带也达到了1MHz。对应于这种情况，图像的传输除了研制和开发大容量的廉价的宽带传输线路以外，还应采用有效的频带压缩技术。
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随着计算机、大规模集成电路及数字技术的迅速发展，使数字图像编码压缩技术获得成功。当前，用标准的同轴电缆进行远程图像传输，一般采用脉冲编码调制方式。但在现实中，从方便和经济着眼，有时需要用非标准电缆来远程传输有用的图像信号，这是一个很有实用价值的问题。我们研制了一个从油田注水井的井下用三千多米普通油矿电缆，远距离传输图像的传输与接收系统，并获得了成功。下面就介绍一下这种传输与接收系统的结构、原理及我们采取的措施。
二、传输系统的结构及原理
系统的结构及工作原理如图1所示。
将微型CCD摄像机置于井下，输出的视频信号经前置放大至A/D转换器进行量化、压缩与保存，并/串转换，然后经信源编码合成送至放大器放大到一定幅度，并采用一定的信道编码送至非标准电缆。经非标准电缆长线传输到接收器，接收部分首先经波形匹配、放大、整形变为数字信号后对数据进行重新采集，并通过一个“强制判1”电路重新判出“1”、“0”，经数据恢复、串/并转换至微机进行处理和显示。
三、图像信号的合理采集与量化
由于我们是用非标准电缆进行长线传输，这种电缆的传输特性即高频衰减与相移特性都不很好，所以它能够传输的信号频率存在一个上限。这就不能对图像信号采取模拟传输，而只能以一定的比特率传输数字信号，大多数情况下只能传输比实时传输低得多的比特率，这就需要对图像信号进行合理地采集。
图像的压缩技术是基于对图像的合理的、必要的编码。从信息论角度来说，图像数字编码是指信源编码，其实质是：在一定信噪比的条件下，以最小比特数来传送一幅图像，这种编码也称为图像压缩编码。由于图像信号具有大量的冗余度，因而使对图像的传输数码率进行这种压缩编码成为可能。这在图像数字传输、存贮、交换中有着广泛的应用。
图像信号的压缩方法有许多种，JPEG与MPEG的算法可以用硬件来实现。如C-Cube公司的CL-550、Intel公司的i750、IIT公司的VP(Vision Processor)、AT&T公司的三个标准芯片等。在基于计算机直接采集图像信号的情况下，可以用这些标准芯片直接编程达到我们所需的压缩比，然后用标准的解压芯片恢复原来的图像。然而，在不能直接用计算机进行采集的情况下，我们无法对有些芯片的总线接口进行编程，这就限制了这些标准芯片的使用。在有些工业场合，如油田井下的图像检测时，由于其体积的限制（在φ50mm内）使得我们更无法使用这些标准芯片，因为这些标准芯片的面积往往比较大，如i750的DVI系统的82750PB象素处理器，芯片面积为7.85×6.62cm2，共132条腿，在体积要求很小的情况下根本无法使用。
一种最直接了当也是最迫不得已的方法就是降低帧速。当进行3000m井下的图像采集时，决定采用哪一种压缩方法的主要因素是油矿电缆的特性。由于是非标准电缆，其特性值（Z、C、L、G）各不相同，我们用信号发生器对电缆作了实测，其波形如图2所示。测试结果是电缆对信号发生了衰减及不同程度的相移。18KHz以内，信号几乎没有什么畸变；1MHz以上2MHz以下，方波变为不对称的三角波；2MHz以上，信号衰减十分厉害，噪声变得几乎淹没了信号。
如果我们能将图像信号的传输频段压缩至18KHZ以内当然是最好的。但一幅图像信号经数字化后，按常规的512×512来计算，8bit、50帧的容量为512×512×8×50=102.4Mbits，要压缩至18KHz即压缩比为1.7×10-4， 这在不直接应用计算机进行采集时是根本无法用任何一种算法通过硬件来完成的，所以我们不可能选用这个频段的信号。如果一定要用，只有采用降低帧数的方法，而一帧图像的容量为512×512×8=2048kbits，要降到18KHz，只有几乎每2分钟传一帧图像，这种传输速度慢得根本无法进行动态图像检测。
因此，我们选择1MHz左右信号，加以适当的编码，并结合其他手段，以尽可能每秒多采集几帧为目标进行图像采集。
在直接用计算机作为图像接收、处理工具时，图像的采样频率及量化等级可以做到512×512×8bit，甚至更高。但在脱机的长线传输中，采样频率越高、量化等级越高，面临的图像压缩的问题就越严重。这样，就必须以图像传输的目的为决定因素，合理地进行采样和量化。
一幅彩色图像的频带在6MHz以内，而一幅黑白图像的频带就窄多了，因为它仅仅传送亮度信号而没有色彩信号。在工业用途中，我们往往选用黑白图像，因为工业用图像往往用于检测某部件是否完整，或监控其是否正常。
我们采集一幅黑白图像，并对它作付氏分析，结果发现其2.5MHz以上的信号所占的能量很少。这样，根据奈奎斯特抽样定理，我们可以把采样频率定在5MHz，即从理论上来说，可以对2.5MHz以下的信号不失真地采集，而对2.5MHz以上的信号按混叠的方式来采集。少部分变化十分尖锐的细节将变得有些模糊，但这对大部分工业场合是毫无影响的。在这种采样频率下每一行将采集到51.2×10-6×5×106=256个样点。为了便于后续处理，我们采集256行，这样，一幅黑白图像将有256×256=64K个样点。
确定了采样频率，也就是确定了其分辨率。接下来，还应当确定的是其量化等级。我们按不同的量化等级来采集一幅图像，结果发现对于主观得分而言，量化等级为8bit的黑白图像并不比量化等级为4bit的黑白图像好多少，二者不存在质的差别，按4bit的图像足够用于工业检测中，其灰度等级可达16个等级。
通过这种合理地采样、量化，一幅用于长线传输的工业用黑白图像至少可压缩为256×256×4=256kbit的容量，与常规情况下相比，其压缩比为1:8。
在3000m井下图像的采集的实现中，如果以256×256×4来采集一幅图像，则由于其场正程时间为64×10-6×256=16.4ms，而20ms为一场，故其逆程时间为3.6ms，如果要进行实时传输，则在3.6ms的时间内要传送256Kbits的数据，其数据率高达256K/3.6ms=71Mbps，而正如在前面所讨论的，电缆传输的数据最好选在1MHz左右，故其压缩比高达1:70，这在脱机状态下是很难完成的。这就只好降低帧数。由于实际情况中，摄像机在井下运动的速度十分有限，大致为10cm/S，加之它是垂直运动，摄像头又有一定的景深，所以我们将传输频率定在1MHz，考虑到一定的编码，将帧数定为3.25帧/秒。
由此可见，长线脱机图像采集其采集帧数、采样速率、量化等级都成为影响图像压缩及传送正确与否的重要因素。
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四、图像数据的传输编码
在确定了一幅图像的压缩方案及传输的速率之后，就是如何将这帧数据发送出去。在数字传输方式下，有几个问题是至关重要的，那就是编码（通信的方式）、信道的特性、传输的波形。这几个问题解决得成功与否，直接关系到通信能否达成。我们总是力求以最佳的方式来传输信号。无一例外地，数字通信都必须采用一定的规则进行编码传输。至于具体采用哪一种编码及码形进行传输，要受限于传输的环境（包括电缆特性、干扰等因素）。
在长线传输中如何选用正确的编码及码形对能否正确恢复数据是至关重要的，由于电缆的传输特性是以指数衰减的，其信号传输的上限为1.5MHz，如果想要以一定的帧数传输图像，就不能把传输速率定得太低，这样我们将信号传输率定为1MHz。可以看到，如果采取数字调制进行频谱搬移，则会超过信道本身的通带允许传输频率的上限，而且由于必须采取一定的方法识别帧同步，所以其他的数字调制办法也不合适。在这种情况下，只有采取基带传输的方法，这时我们就要认真分析以什么样的码形来传输而使基带系统达到最佳状态。
在基带传输系统中选择合适的码型是十分重要的，尽可能选择满足奈氏准则的双极性归零码。因为双极性归零码的功率谱最为集中，在“1”与“0”出现的概率为1/2的情况下其平均功率接近于0，而最佳基带传输系统的平均误码率Pe与基带码波形平均功率Ps成正比，故这种码形的误码率较小。总之，在不得已要用到基带传输时，图像数据的编码最好能够使得 Ps最小，这样误码率最小。
长线传输是一个分布参数的网络，可用图3的模型来描述每一个微分长度ΔZ。其中R为单位长度的电阻，单位为Ω/m；L为单位长度的电感，单位为H/m；G为单位长度的电导，单位为S/m；C为单位长度的电容，单位为F/m。
如果在传输线终端接有负载，则由其模型可知，在不同的频率段上将表现出不同的阻抗特性，但是，在我们实际应用的传输线中，一般来说，其容性效应占主导地位，因此我们往往根据电流的变化与电容成正比的关系来加大电流驱动能力，以驱动更大的容性负载。
此外，长线传输的一个重要问题就是其阻抗匹配问题。就源端条件而言，有限长的传输线可用Zi来等效，如图4所示。图中输入电压Vi和输入电流Ii很容易用这个等效电路来确定：
Vi=ZiVg/(Zg+Zi) (1)
Ii=Vg/(Zg+Zi)
当然，线上其它位置不能用上述等效电路来确定。通过适当地调节源端阻抗，就能使传输效果接近于最佳。
在3000m井下图象传输中，我们使用了与现有的信号发生器中相类似的驱动电路，如图4，其容性负载驱动能力可达0.2μF，驱动前后图像数据波形如图5所示，可看出有明显的改善。其根本原理就是如上述讨论的，加大电流驱动能力，且用电位器R3来调整其传输最佳情况。
长线传输在终端的模型问题，事实上是一个接收电路中长线与放大器之间接口电路的问题。
其传输方式与模型都有一定的选择余地。在常规传输中，我们采用的是图6（a）所示的模式。但这种模式，由于其传输信道是一个分布参数互相影响的网络，在终端接负载构成一个回路时，分布参数对后续网络的影响较大。在井下3000m电缆实测时，空载时二根导线间电容为0.1μF(1MHz时)，而加上负载后达到了1μF。这对于数据的延迟及对驱动电路的要求来说都面临着严重的问题。因此我们采取另一种模型进行传输，即双屏蔽等电位自举电路，如图6(b)所示，也就是双线传输中的屏蔽线由输入信号的共模信号来驱动。由于电缆分布参量RC的作用，当出现交流共模信号时，相移将使其共模抑制降低，对于屏蔽电缆也会出现同样的效果。但采取（b）模式后，电缆的电容受到“自举效应”的影响，结果使电缆线对共模信号的等效电容为零。这样使差动相移减至最小，防止了共模抑制和系统带宽的降低。
五、图像数据的接收与恢复
以最佳基带系统传输过来的数据并不是说就可以直接应用了。因为，信道不可能是一个无码间串扰的信道，再加上附加噪声的影响，所以信号的前置放大的第一准则就是降低噪声与码形失真。而前置放大器的倍数不能太大，以适合于一定的信噪比及带宽。在井下3000m信号接收端由于放大的是一个双极性信号，因此要格外注意其工作点的选择。由于信号的码率为1MHz，而经过3000m的长线后信号幅度降到了0.5V，因此将第一级放大器的放大倍数定为2倍，作反相放大，再经第二级作同样的处理。
要想准确地恢复传输来的图像数据就涉及到系统的同步与对于“1”“0”的门限规定等。同步是通信中一个重要的实际问题。同步性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至通信系统不能工作。可以说，在通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统有尽可能高的可靠性。
为了提高同步系统的性能，在载波同步和位同步系统中广泛使用着锁相环，主要是利用其跟踪、窄带滤波和记忆性能。由于锁相环的跟踪性能，使同步系统可提取出的载波或位同步信号，不仅频率与所要求的相同，而且相位误差也很小；由于其窄带滤波性能，可改善同步系统的噪声性能；由于其记忆性能，当传输信号中断时，同步信号仍具有一定时间的保持能力。锁相环有一个重要的概念便是其同步保持时间tc，它是指锁相环原已锁定的情况下，由于信号中断，压控振荡器输出信号的相位变化不超过某一允许值 Δθo= 2πε (ε为常数)。tc表示如下：
式中，Δf为压控振荡器的频偏；a为环路滤波器放电支路的时间常数的倒数。
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由于信息是一串相继的信号码元序列，解调时就必须知道每个码元的起止时刻。例如对积分器或匹配滤波器进行取样判决，判决的时刻应位于每个码元的终止时刻，故接收端就必须产生一个用于取样判决的定时脉冲序列，它和接收码元的终止时刻应对齐。这种接收端产生与接收码元的重复频率一致的定时脉冲序列就称之为码元同步或位同步。
锁相环的基本原理与载波同步类似，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若二者相位不一致，鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得精确的位同步信号为止。锁相法就是采用锁相环来提取位同步信号的。
数字通信时，一般总是以一定数目的码元组成一个个的“字”、“句”，即组成一个个的群进行传输，因而群同步信号很容易由位同步信号经分频而得出。但是，每群的开头和结尾却无法由分频器的输出决定，群同步的任务就是要给出这个“开头”和“结尾”的时刻。为了完成这个任务，通常是在数字流中插入一些特殊群码作为每群的头尾标记。接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现群同步，群同步有时也称为帧同步。
图象数据一般包括位同步（在这种情况下又称为比特同步）与帧同步两类同步信号。在常规作法中，发出如图7(a)所示的波形。它采用数据信号中不会出现的特殊码字节结构在数据信号流中发出帧同步信号，而在接收端，存储着相同的帧同步码，逐个输入码进行比较，若码字相同，则检出帧同步一次。为了避免由于误码使信号码流中出现与帧同步相同的结构，接收端往往采用一种飞轮同步（或称惯性同步）电路。在失去同步的状态中，若检测到一次帧同步还不算同步，只有经过一帧，若再收到帧同步，就算进入同步状态，否则再继续寻找一个帧同步信号。当进入同步状态后，仍继续每隔一帧核对一次同步信号，只有连续三次，核对都不对，才算进入失步状态，这时开始重新寻找同步。用这种方法的好处是，节省比特率，收发两端可以用锁相环进行锁相法同步来提取整个系统的时钟。
但在长线传输时，误码增大，如果此时图像内容的数据灰度等级本来就不多，则一来很难确定一个特殊的码组来作为帧同步码，二来误码造成的同步丢失情况比较严重。这样，我们就无法以一个特殊的码组来作为帧同步码来确定一幅图像信号的始未，其结果是在接收端我们无法正确恢复出原图像内容的数据。在这种情况下，我们只有采取帧同步自然确立的方法，即数据流中的位同步信号不是在整个时间轴上都存在的，如图7 (b)所示，而是在只有当一帧图像内容的数据信号有效时，才存在位同步信号，即每一帧图像从间隔一定时间后，第一次检测到位同步作为开始。
经实测，本系统误码率为0.1%，也即64K的数据中有640个数据会发生错误，这样每个码组的误码概率为6.25×10-5也较大了，所以采取帧同步是不合适的。这样，只能采取图7(b)的方法，在一段无信号之后，检测到的第一个位同步脉冲就为一帧的开始，而检测到256×256个数据后，一帧就结束，等待下一个位同步头的到来再开始新的一帧。
在场正程，即16.4ms的采样期间，我们是不发同步脉冲的。根据锁相环同步保持时间公式2，要保证数码在理论值上不发生串扰，至少要保证“1”的放电周期不至延伸到下一个码元的1/2周期，即1Mbps数据率的放电时间常数应为1μS（最大值）。此时a为1MHz，然后我们来考察Δf，压控振荡器的频偏若以f为界限，则Δf =1MHz。然后来考察Δf较小的情况，由于中心频率为1MHz，所以我们以Δf=0.1%f=10K的情况来计算。ε=Δθ/2π，它不会超过1，则在这种情况下可以算出tc=1ms，即其最长保持时间只能为1ms。若想要保持至少16.4ms，则Δf至少要达到5000Hz 左右，这在长线传输系统中几乎是不可能的。在这种情况下我们无法提取供接收端用的定时时钟。因此接收端只有采用自己独立的晶振来产生供系统接收信号所需要的时钟信号。但如果收、发二端的时钟完全没有关系，则恢复出来的数据很有可能是完全错误的。
既不能同步又不能不同步，处于这种二难选择中，我们采取称之为“强制判1”的方法来恢复数据。
我们用一个比码元的周期小得多的信号去重新采样接收到的数据流（已分离出了同步的图像内容数据），计数到合理的个数时，才判断这个信号为“1”或者为“0”。这样一方面提高了整个接收电路的抗干扰能力，另一方面，使得我们总能在两地时钟不同步的情况下恢复出“1”和“0”。
但是，即使重新采样后已判出数据流为“1”或者是“0”。我们依然不能保证在后续与计算机并行传输数据时数据的正确性，如图8所示。由于串行数据的数码率与串一并转换时钟的频率一致，因此在整个系统不同步的情况下，“1”有可能转换为“0”，而“0”有可能转换为“1”，造成整个系统数据的混乱。但是，如图8所示那样，在CLK转换时钟为误判时，可采用/CLK进行转换，由于数码率与时钟频率一致，所以CLK与/CLK这两个转换时钟中总有一个可以保证我们正确地进行转换。
这样，在数据已重新采样判“1”或“0”的情况下，我们可以采用自动选择串-并转换时钟的方法来实现数据到计算机的并行传输。我们可以在每一帧图象的开头，发若干个固定码组，在考虑误码率的情况下，如果经串-并转换后有一大半（事实上不止）数据与已知固定码组相同，则采用CLK信号进行转换，否则自动采用/CLK信号进行串-并转换。
由于数码率为1Mbps，而每个码元为单极性归零矩形脉冲。所以用20MHz的钟频对数据流进行采样，并计数到方波半周期的一大半，即第7个脉冲时，对数据判为“1”，计不到7就判为“0”。这样在采样恢复出的数据中，实际上是“1”为一个占空比为70%的矩形波，而“0”还是0电平。所以，在串-并转换时当用CLK无法采到正确的“1”时，用/CLK即可。每一帧图象发10个“A”，经串-并转换后只要判出有大于5个“A”，即用CLK进行转换否则自动将转换时钟换为/CLK。为了确定每组数据的计数开始，用位同步信号来控制每4bits的数据计数开端。
接收电路中数据的放大、位同步与图像内容数据的分离（采取“1”、“－1”幅度分离法）、数据的整形（采用施密特整形）在这里不作详述。值得注意的是，放大的幅度直接涉及到数据流的宽度及系统数据恢复的准确性，所以放大器必须根据实际的需要进行调节。
在我们井下3000m图像数据与计算机接口中，由于每个字节的速率为250K/字节，因此它属于低速传输。如果要恢复出直观的图像，由于它的行、场扫描格式不是标准视频信号的格式，所以不能在监视器上直接恢复出原图像，只有通过计算机处理，才能得到一幅直观的图像。这样，其图像数据与计算机采用口地址传输图像的方式，在计算机的显示缓冲区中直接写入要写的数据，然后可通过现有的VGA-视频转换卡显示到普通的监视器上，并可通过其视频输出口与录像机等其它设备联接，使图像更易于存贮。
六、结束语
由上述讨论和实践验证可得出如下结论：
1、在系统误码率较高的情况下，采用图像数据的位同步信号起点与帧同步信号起点一致的方法，保证无误码扩散地可靠地传输数据；
2、在非�