基于电力线宽带通信技术的视频共享系统研究
引言
随着人们家庭生活条件的日益改善，许多家庭拥有2台或以上的电视机，但在实际使用过程中，受限于有线电视供应商对播放系统的计费方式，单台机顶盒仅能供一台电视机使用，这就使得每个用户必须加装与家庭内电视数量配套的有线电视机顶盒，方可满足家庭内各个电视接收节目的需求。
另外，我们生活中的安防设备也无处不在。许多楼宇设计的时候，设计方面没有考虑到安防监控设备的架设，但是却考虑到水电暖通的铺设。基于建筑内的电力线铺设的灵活性以及监控系统也需要电力供电，电力线可以铺设到需要架设监控设备的地方，用于提供电力和监控的通信媒介。
本研究是通过以电力线作为传输媒介，使用电力线宽带通信技术为技术依托，实现视频共享，并提供红外接口，可为用户提供遥控器控制，实现遥控功能。基于电力线宽带通信技术的视频共享系统构架简单，易于维护，具备即插即用功能。在有需求的地方可以添加视频设备。没有用户需求的地方，则暂不安装设备，控制资金投入。
1 系统的关键技术研究
1.1 电力线宽带通信技术 电力线宽带通信技术，简称BPL，是一种利用中、低压配电网作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术，不仅可以作为解决宽带末端接入瓶颈的有效手段，而且可以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。
电力线宽带通信技术使用多子载波的OFDM和高频带利用率的调制技术，传输速率可达到200Mbps，部分新产品可高达500Mbps。基于电力线宽带通信技术的产品具有交换和传输功能，自动中继和自动路由选择技术得到使用，系统结构更加灵活方便，通用性和兼容性更强，网络管理功能更加完善，数据传输的QoS进一步得到保障，设备和系统成本进一步降低。
电力线宽带通信具备以下优点：
①实现成本低。可直接利用已有的配电网络作为传输线路，不用额外布线，大大减少网络的投资，降低成本。②范围广。电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。③通信稳定。电力线采用OFDM调制方式，能有效减少电力线上的干扰对通信的影响，保证通信稳定。④高速率，实时通信。电力线宽带通信网络能够提供高速的传输，保证实时通信。⑤便捷。电力线宽带通信网络属于“即插即用”，接入电源即可接入网络。
1.2 H.264编码 H.264标准是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像专家组）的联合视频组（JVT，Joint Video Team）在2003年开发的标准，也称为MPEG-4 AVC，它作为MPEG-4 Part10，是“高级视频编码”。在相同的重建图像质量下，H.264比H.263节约50%左右的码率。因其更高的压缩比、更好的IP和无线网络信道的适应性，在数字视频通信和存储领域得到越来越广泛的应用。同时也要注意，H.264获得优越性能的代价是计算复杂度增加，据估计，编码的计算复杂度大约相当于H.263的3倍，解码复杂度大约相当于H.263的2倍。
1.3 HDMI技术 高清晰度多媒体接口（HDMI）是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口，其可同时传送音频和视频信号，最高数据传输速度为5Gbps。无需在信号传送前进行数/模或模/数转换。
HDMI接口在保持高品质的情况下能够以数码的形式传输未经压缩的高分辨率视频和多声道音频的数据。HDMI不仅可以满足1080P的分辨率，还能支持DVD Audio等数字音频格式，支持八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传送。
HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。与DVI相比HDMI接口的体积更小，一条HDMI缆线可以取代最多13条模拟传输线，能有效解决家庭娱乐系统背后连线杂乱纠结的问题。
1.4 音视频同步 通过使用时间戳来解决音视频同步问题：首先，选择一个参考时钟，要求参考时钟上的时间是线性递增的。其次，音视频发送端生成数据流时依据参考时钟上的时间给每个数据块都打上时间戳，包括开始时间和结束时间。再次，音视频接收端在播放时，读取数据块上的时间戳，同时参考当前参考时钟上的时间来安排播放，当且仅当数据块开始时间与当前参考时钟上时间一致时，播放该数据块。即使收到了早到的音频流数据块也不能立即播放，而必须等到参考时钟的时间达到时间戳时间后方可播放，否则就会引起音视频不同步问题。当音频或视频数据的播放速率滞后时，需连续向后处理多个音视频数据包以寻找新的同步点，即找到一帧能与本地时钟对应的数据。最后，音视频接收端将当前数据流速度太快或太慢的状态反馈给信源，让信源去放慢或加快数据流的速度，从而更主动有效地调整音视频同步播放。采用时间戳的方法在传输数据时不用改变数据流，不需要附加同步信道。其缺点是选择相对时标和确定时间戳操作较为复杂，需要一定的开销用于同步操作。
1.5 遥控信号的传输 视频共享接收端通过红外信号接收器接收红外遥控信号，由于其本身即为数字信号，且红外遥控信号数据量较小，不需要经过压缩，可直接通过MII接口，从电力线宽带通信模块发送至另一个电力线宽带通信模块，再通过红外发射器件发送红外遥控信号。视频共享发送端附近的媒体发送源接收到红外控制信号，进行相对应的操作，实现遥控功能。
视频信号经过H.264编码后，电力线宽带通信技术所能提供的通信速率及带宽能满足高清视屏的稳定可靠传输，通过音视频同步技术及遥控信号的传输可满足用户的使用体验与需求，在技术上来说，实现该视频共享系统是完全可行的。与此同时，该系统可以满足安防监控的需求，实现基于IP的视频监控功能。
2 系统的实现方法 基于电力线宽带通信技术的视频共享系统架构图如图1所示，主要分为两大部分：视频发送端和视频接收端。视频发送端与视频接收端通过电力线宽带通信进行数据传输，一个视频发送端可将音视频数据通过电力线发给多个视频接收端，实现多路视频共享。
视频共享系统中的视频发送端主要由音视频输入、音视频编码模块及电力线宽带通信模块组成，视频接收端主要由音视频输出、音视频编码模块及电力线宽带通信模块组成。视频接收端与视频发送端系统结构分别如图2、图3所示。
视频共享发送端捕获从安控监测设备、有线电视机顶盒、DVD播放器及电脑等器材输出的视频以及音频信号。若音、视频信号均为模拟信号，则会通过模拟数字转换模块，转换成数字音、视频信号接入到多媒体处理器；若视频和音频信号均为数字信号（从HDMI接口输入），则这些信号会通过一个分离模块将数字视频与音频信号分离，再接入到多媒体处理模块。多媒体处理模块实现根据H.264编码标准将数字媒体信号压缩编码成为流媒体格式，经过MII接口传输到电力线宽带通信模块。电力线宽带通信模块将流媒体信号经过调制后传输到基于电力线宽带通信技术的电力线通信网络中。同时，电力线宽带通信模块监测视频接收端设备有无发送红外控制命令，若接收到红外控制命令，通过MII接口透传至多媒体处理模块，经过红外发送模块发送红外控制命令。
当该系统应用于安防监控时，可以通过以太网变压器，将传输过来的视频信号通过RJ45接口接入网络，供远端设备进行操作。
对于家庭视频共享，一般视频接收端与视频发送端不在同一个房间内，红外控制命令无法直接对信源进行控制。系统视频共享接收端具备红外接收并透传的功能，使用户能够在接收端使用有线电视机顶盒或DVD机所配的遥控器进行选台等功能。
视频共享接收端从电力线捕获被调制的电力线宽带通信信号，多媒体处理模块根据H.264编码标准进行解调，将视频和音频信号以数字信号的方式输出，根据需求将音视频转换为模拟信号输出或将音视频数字信号整合（从HDMI接口输出）。红外接收模块接收到红外控制信号后，经识别后将红外控制命令输入多媒体处理模块，多媒体处理模块通过MII接口发送至电力线宽带通信模块，通过电力线将红外控制命令透传至视频共享发送端。
3 系统的应用案例
本文将以传输720P视频为例，简要描述基于电力线宽带通信技术的视频共享系统的工作流程。该720P视频文件大小为7.37GB，其中视频大小5.72GB，码率为6000Kbps；音频大小为1.51GB，码率为1510Kbps。
基于电力线宽带通信技术的视频共享系统如图4所示，通过电脑模拟视频输出源，播放720P视频，通过HDMI接口将视频信号输出至视频共享系统中的视频发送端，视频共享系统将从HDMI接口输入的数字音视频信号进行处理，通过电力线通信模块进行传输，视频共享系统的视频接收端进行接收处理后，将视频通过HDMI接口输出至电视进行播放。该系统的关键影响因素为电力线通信的带宽和稳定情况，以及音视频流处理模块的性能。该用例中，在电力线宽带通信两端增加了50db的衰减，该视频共享系统仍正常工作，无出现视频失真或视频停顿现象。
表1为基于电力线宽带通信技术的视频共享系统与有线传输的视频共享系统的对比。基于电力线宽带通信技术的视频共享系统在衰减为50db的条件下，依然能保证视频信号的正常传输，可满足家庭内部视频共享的需求；基于电力线宽带通信技术的视频共享系统由于不需额外布线，安装调整灵活性强，并且不受系统接口数量限制，只要接收端接入系统即可使用，扩展性强。
4 总结
本文验证了该系统的可行性，并通过与有线视频共享系统进行对比，凸显了该系统以及技术的优势。基于电力线宽带通信技术的视频共享系统以其建设成本少、建设难度小以及接入及使用方便、灵活等特点，在安防监控、视频共享领域逐渐被用户广泛接受，具有光明的前景及极大的市场价值。随着电力线宽带通信技术的发展，基于电力线宽带通信技术的视频共享系统的性能将越来越能满足用户对高清视频及对视频监控的需求。