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為幫助更大限度地提高安全性，工業、辦公室和住宅建筑的監控基礎設施正在穩步增加。在過去十年中，攝像頭技術在圖像傳感器、視頻處理、連接性和通過人工智能進行視頻分析等方面取得了巨大進步。大多數攝像頭都使用移動行業處理器接口(MIPI)將圖像傳感器連接到視頻處理器，從而使用各種分辨率的圖像傳感器來升級攝像頭。圖1展示了組成視頻監控攝像頭系統的各種元件。
圖1：基本互聯網協議(IP)監控攝像頭
人們對高分辨率圖像和視頻的持續需求推動了圖像傳感器的改進和創新，使分辨率從320 x 240像素提升至4,096 x 2,160像素甚至更高，增幅約達十倍。像素數的增加也意味著需要通過MIPI接口將更多數據從圖像傳感器傳輸到視頻處理器。為了支持高質量的視頻傳輸，IP攝像頭中的以太網物理層(PHY)也需要從10Mbps提高到1Gbps。正因如此，視頻處理器運行視頻壓縮算法的能力變得很重要，它可以更大限度地減少通過以太網電纜傳輸的數據。
幀率為30fps的4K分辨率圖像傳感器產生的未壓縮視頻的數據速率為9.56Gbps。盡管MIPI旨在支持如此高或甚至更高的速率，但是通過以太網以這種速率傳輸數據和存儲未壓縮的高分辨率視頻在經濟上不可行（需要龐大的存儲空間）。利用H.265等高效視頻壓縮算法，即使是使用4K圖像傳感器壓縮到中等質量，數據速率要求也可降至低于10Mbps。當圖像傳感器公司試圖制造更高分辨率的傳感器時，國際電工委員會、國際標準化組織和國際電信聯盟等標準機構正在研究視頻壓縮算法，從而在某些工作場景下將通過以太網的視頻數據速率限制在10Mbps以下。
IP攝像頭中的標準以太網接口受規范所限制，僅支持100m的電纜傳輸距離；然而，有一種新技術可以將最小電纜長度增加到1,000m。IP攝像頭到網絡視頻錄像機的距離可以是1km或更長，而通過標準以太網在上述距離實現連接需要用到中繼器或光纖電纜。一種替代方法是使用同軸電纜(RG-59)來達到更長的距離，但這需要使用無源適配器將以太網信號從CAT 5e轉換到同軸電纜，反之亦然。每100m同軸電纜的成本往往高于標準以太網電纜的成本。
最近，電氣和電子工程師協會 (IEEE) 定義了一項新的以太網標準 IEEE 802.3.cg，通過單對平衡導體實現 10Mbps 的運行以及相關的電力輸送。更具體地說&10BASE-T1L: IEEE 802.3 PHY規范適用于通過單對平衡導體的10Mbps以太網局域網，電纜傳輸距離至少為1,000m（使用18 AWG導線進行點對點連接可實現長傳輸距離）。由于單線對電纜現可同時支持數據傳輸和電力輸送，所以采用IEEE 802.3.cg可顯著節約成本，并且在視頻監控應用中更容易安裝。
10BASE-T1L PHY在單對平衡導體上使用全雙工通信，每個方向同時具有10Mbps的有效數據速率。10BASE-T1L PHY使用三級脈沖振幅調制(PAM3)，在鏈路段以7.5兆波特的速率傳輸。33位擾頻器可幫助改善電磁兼容性。使用4B3T編碼（即4個二進制對應3個三進制）對MII傳輸數據(TXD<3:0>)進行編碼，使傳輸的PAM3符號的運行平均值（直流基準）不超出范圍。使用管理數據輸入/輸出界面將10BASE-T1L PHY的發送器輸出電壓設置為1.0Vpp或2.4Vpp差分，有助于在不同電纜上實現更長的通信距離。
DP83TD510E是一款符合IEEE 802.3cg 10Base-T1L規范的超長傳輸距離PHY收發器。該器件由3.3V單電源供電，并支持IEEE 802.3cg 10Base-T1L規范定義的2.4V p2p和1V p2p電壓模式。PHY具有噪聲非常低的耦合接收器架構，可支持長達2,000m的電纜長度。該器件提供媒體獨立接口(MII)、簡化MII、簡化千兆位MII和RMII低功耗5MHz主模式與處理器的MAC相連。DP83TD510E診斷工具包括時域反射法(TD R)、主動鏈路電纜診斷(ALCD)、信號質量指標(SQI)、多個環回接口和集成PRBS數據包發生器，簡化了開發過程中的調試和現場故障情況檢測。
單線對以太網(SPE)網絡還支持通過視頻監控應用中的低通濾波器沿著同一根單線對電纜進行數據線供電(PoDL)，如圖2所示。
圖2：視頻監控中的PoDL示例
表1列出了IEEE 802.3.cg標準支持的各種功率等級。可向負載提供的最大功率為52W，定義為15級。IEEE 802.3.bu涵蓋了低于10的功率等級。
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表104-1a – 10至15級PSE、PI和PD的各級功率要求列表 |
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|
分級 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
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標準支持的功率等級
來源：IEEE以太網標準
8和9級（48V穩壓電源設備）或14和15級（最大50V至58V）可支持IP攝像頭所需的功率等級，該攝像頭可能需要高達52W的功率才能運行。此功率足以支持大多數攝像頭系統，即使是帶有內置加熱器的攝像頭系統也不例外。對于需要升級的建筑物，中間解決方案可使用標準以太網至SPE轉換器。圖3提供了IP攝像頭系統的連接示例。
圖3：IP網絡攝像頭連接
未來的IP攝像頭產品有望支持SPE，從而更容易安裝，網絡視頻錄像機也將提供電源設備端口。通過簡化的SPE網絡實現壓縮率更高的視頻，可以在不增加復雜性和成本的情況下實現更好的監控。
其他資源：
• 查找 IP 網絡攝像頭系統集成電路和參考設計
• 在樓宇自動化領域利用單線對以太網
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