專利名稱：基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統和方法
技術領域：
本發明涉及網絡通信技術領域，具體涉及一種基于千兆以太網物理層接口的非壓縮高清視頻、音頻和控制數據的雙向傳輸系統和方法。
背景技術：
近年來，隨著人們對現代化安全防范系統需求的不斷增長，視頻監控因其直觀、方便、內容豐富，受到了用戶的認可，得到了廣泛的應用，尤其是高清視頻圖像，因其提供了更高的分辨率，在目前的安防監控領域得到了越來越廣泛的應用。高清視頻系統的傳輸方式分為兩種模式，IP網絡方式和直接傳輸方式，近年來基于IP的高清網絡攝像機，IP CAM或 Web CAM，也得到了一定程度的應用，由于需經IP網絡的傳輸，考慮到帶寬的因素，視頻信息必須經過壓縮，而且在IP網絡中，數據傳輸時延難以控制，而后端處理的解壓縮也需要時間，所以畫面的實時性難以保證。IP CAM多工作在100M網模式下，其物理連接方式為總線式，在加上網絡傳輸多為有條件的傳輸模式，所以連接和傳輸的可靠性難以保證，且在網絡流量高峰時期，信道的阻塞，可能會導致圖像中斷，也可能因無充足帶寬而造成數據丟失， 圖像損失也成為其無法避免的問題。而點對點傳輸非壓縮視頻是解決以上問題的最佳方式，目前有YPBPR，HDMI, HD-SDI等方法，但都由于這些方法的一些問題無法大規模使用。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種基于千兆以太網物理層接口的非壓縮高清數字視頻、數字音頻和控制數據的雙向傳輸系統和方法，該系統充分利用千兆高速以太網物理層接口提供的高速雙向傳輸性能，克服其他高清視頻數據傳輸的缺點，以優異的性能、低廉的成本實現了高清無壓縮視頻，音頻和數據的遠距離雙向傳輸。為實現上述發明目的，本發明所采用的技術方案為提供一種基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統，其特征在于所述非壓縮數據雙向傳輸系統由通過千兆以太網連接的接收端裝置和發送端裝置組成；所述發送端裝置包括若干個發端數據輸入輸出單元，分別與發端數字邏輯單元和發端微控制單元相連接，用于采集視頻、音頻和控制數據，并將這些數據提交至發端數字邏輯單元；同時，接收來自發端數字邏輯單元發來的反向音頻和控制數據并輸出；一發端數字邏輯單元，分別與發端千兆以太網物理層接口和發端微控制單元相連接，用于接收發端數據輸入輸出單元輸入的數據進行類型判斷，將視頻數據分段，并和音頻、控制數據混合編碼，在每個數據段前添加以太網幀頭組成以太幀，并將以太幀通過GMII 接口送至發端千兆以太網物理層接口 ；同時，接收來自發端千兆以太網物理層接口的反向音頻和控制數據，解碼后交由發端數據輸入輸出單元輸出；一發端千兆以太網物理層接口，發端千兆以太網物理層接口一端與收端千兆以太網物理層接口通過千兆以太網相連接，另一端通過GMII接口與發端數字邏輯單元相連；一發端微控制單元，用于協調發端數據輸入輸出單元、發端數字邏輯單元和發端千兆以太網物理層接口工作，同時處理控制數據；所述接收端裝置包括若干個收端數據輸入輸出單元，分別與收端數字邏輯單元和收端微控制單元相連接，用于接收來自收端數字邏輯單元的多路視頻、音頻和控制數據，經反混合解碼后輸出， 同時實現收端音頻和控制數據的輸入，并提交給收端數字邏輯單元；一收端數字邏輯單元，分別與收端千兆以太網物理層接口和收端微控制單元相連接，用于對從收端千兆以太網物理層接口接收的以太幀數據去掉以太網幀頭，并進行反混合解碼處理后，交由收端數據輸入輸出單元輸出數字視頻、音頻和控制數據；同時，接收收端數據輸入輸出單元發來的的音頻和控制信號，并進行混合編碼送至收端千兆以太網物理層接口 ；一收端千兆以太網物理層接口，一端通過GMII接口與收端數字邏輯單元相連，另一端與發端千兆以太網物理層接口通過千兆以太網相連接；收端千兆以太網物理層接口接收發端千兆以太網物理層接口發送的以太幀并遞交至收端數字邏輯單元，同時將收端數字邏輯單元提供的音頻和控制數據通過以太網發送至收端千兆以太網物理層接口；一收端微控制單元，用于協調收端數據輸入輸出單元、收端數字邏輯單元和收端千兆以太網物理層接口工作，同時處理控制數據。所述視頻數據來自于模擬攝像機并經A/D轉換或來自各種數字攝像機的輸出；所述音頻數據來自于拾音器的A/D轉換或數字音頻設備的輸出；所述控制數據來自于各種傳感器輸出。一種基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸方法，其特征在于所述非壓縮音視頻數據傳輸方法包括步驟如下A、在發端微控制單元的控制下，發端數據輸入輸出單元通過音頻獲取設備、高清數字視頻獲取設備、控制設備分別獲取多路數字音頻、數字視頻和控制數據發送至發端數字邏輯單元，同時發端數據輸入輸出單元接收來自發端數字邏輯單元的數字音頻和控制數據并輸出；B、發端數字邏輯單元在接收到高清音視頻信號和控制數據后進行非壓縮高清混合編碼及與成幀處理，并將封裝后的以太幀通過GMII接口提交至發端千兆以太網物理層接口，同時，發端數字邏輯單元接收來自發端千兆以太網物理層接口的數字音頻和控制數據進行反混合解碼后發送至發端數據輸入輸出單元；C、發端千兆以太網物理層接口將以太網幀通過連接的千兆以太網絡進行發送至收端千兆以太網物理層接口，同時，接收來自收端千兆以太網物理層接口的數字音頻和控制數據發送至發端數字邏輯單元；D、收端千兆以太網物理層接口從千兆以太網絡接收以太網幀，通過GMII 接口輸出至收端數字邏輯單元，同時，通過GMII接口接收來自數字音頻和控制數據發送至發端千兆以太網物理層接口 ；E、收端數字邏輯單元在收端微控制單元的控制下對以太網幀進行反混合解碼后發送至收端數據輸入輸出單元分別輸出數字視頻、數字音頻和控制數據，同時，收端數字邏輯單元通過與收端數據輸入輸出單元連接的音頻設備和控制設備獲取多路數字音頻和控制數據，進行非壓縮混合編碼及與成幀處理后發送至收端千兆以太網物理層接口。在步驟A中，所述發端微控制單元負責協調數字邏輯單元和發端數據輸入輸出單元之間的數據傳輸，當發端微控制單元被設置為開啟時，發端數據輸入輸出單元向發端數字邏輯單元發送高清音頻、視頻和控制數據。在步驟E中，所述收端微控制單元負責協調收端數字邏輯單元和收端數據輸入輸出單元之間的數據傳輸，當收端微控制單元被設置為開啟時，收端數據輸入輸出單元向收端數字邏輯單元提供數字音頻和控制信號。綜上所述，在本發明所提供的基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統中，數字視頻、音頻和控制數據等由發端數據輸入輸出單元進入，由發端數字邏輯單元進行混合處理、封裝為MAC幀后通過發端千兆以太網物理層接口連接的以太網發送至收端千兆以太網物理層接口，接收后再經由收端數字邏輯單元進行去以太幀頭部處理，并經反混合解碼恢復為音視頻及控制數據流送至收端數據輸入輸出單元進行輸出。而由接收端到發出端的音頻和控制數據經收端數據輸入輸出單元輸入，經收端數字邏輯單元做混合編碼并封 MAC幀后，交由收端千兆以太網物理層接口反向到發端千兆以太網物理層接口，再經發端數字邏輯單元去以太幀頭部，反混合解碼后交給發端數據輸入輸出單元輸出。在本發明中，由于利用了千兆以太網物理層接口的全雙工的Kibps數據傳輸能力，實現了多路高清視頻和雙向音頻、控制數據在一個信道上的遠距離傳輸，克服了現有的多種高清視頻數據傳輸方式的缺點，讓高清無壓縮視頻監控推向實際應用。
圖1是基于物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統原理框圖；圖2是本發明的視頻傳輸過程流程圖；圖3是本發明的發送端數字音頻和控制數據發送流程圖；圖4是本發明的接收端控制數據和數字音頻數據的反向傳輸流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。本發明是一種基于千兆以太網物理層技術，傳輸非壓縮高清視頻，音頻和控制數據的系統。本系統放棄了傳統的采用IP網絡結構，利用7層協議進行數據傳輸的做法，而采用直接封裝以太幀，利用物理層直接雙向傳輸高清非壓縮視頻，音頻和控制數據，并使用點對點的數據傳輸方式，以避免總線連接方式的相互干擾，同時避免傳輸時延和抖動來保證足夠的雙向數據傳輸帶寬(雙向千兆)。所以本系統可以直接輸入1080P和720P的非壓縮數字視頻進行傳輸；終端接收后，無需單獨進行轉碼或解壓縮，可直接輸出至監視器進行顯示和輸入數字錄像機記錄。圖1是基于物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統原理框圖。如圖所示，基于物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統包括發端數據輸入輸出單元、發端數字邏輯單元、 發端微控制單元、發端千兆以太網物理層接口、收端千兆以太網物理層接口、收端微控制單元、收端數字邏輯單元和收端數據輸入輸出單元。發端數字邏輯單元通過與發端數據輸入輸出單元連接的高清數字攝像設備、音頻獲取設備、控制設備獲取多路數字音視頻和控制數據；發端微控制單元負責協調數字邏輯單元和發端數據輸入輸出單元，當發端微控制單元或收端被設置為開啟時，發端數據輸入輸出單元向發端數字邏輯單元提供高清音視頻信號。發端數字邏輯單元在接收到高清音視頻信號和控制數據后進行非壓縮高清混合編碼及與成幀處理，并將封裝后的以太幀通過 GMII接口提交至發端千兆以太網物理層接口，發端千兆以太網物理層接口將以太網幀通過連接的千兆以太網絡進行發送。收端千兆以太網物理層接口負責從千兆以太網絡接收以太網幀，通過GMII接口輸出至收端數字邏輯單元，收端數字邏輯單元在對以太網幀進行反混合解碼后輸出通過收端數據輸入輸出單元分別輸出數字視頻、數字音頻和控制數據。收端數字邏輯單元通過與收端數據輸入輸出單元連接的音頻設備和控制設備獲取多路數字音頻和控制數據；收端微控制單元負責協調收端數字邏輯單元和收端數據輸入輸出單元，當收端微控制單元或收端微控制單元被設置為開啟時，收端數據輸入輸出單元向收端數字邏輯單元提供數字音頻和控制信號。收端數字邏輯單元在接收到數字音頻信號和控制數據后進行混合編碼及與成幀處理，并將封裝后的以太幀通過GMII接口提交至收端千兆以太網物理層接口，收端千兆以太網物理層接口將以太網幀通過連接的千兆以太網絡進行發送。發端千兆以太網物理層接口負責從千兆以太網絡接收以太網幀，通過GMII接口輸出至發端數字邏輯單元，發端數字邏輯單元在對以太網幀進行反混合解碼后輸出通過發端數據輸入輸出單元分別輸出數字音頻和控制數據。圖2是本發明的高清視頻傳輸流程圖。如圖所示，高清視頻數據的傳輸流程為 Al 通過發端數據輸入輸出單元輸入高清監控視頻。例如，發端數據輸入輸出單元連接一套帶有音頻采集的數字攝像機和云臺設備，負責采集音頻、視頻信號；其中采集的視頻信號可為1080P、1080I、720P、Dl等分辨率的數字視頻信號，所有采集到的數字信號輸入發端數字邏輯單元進行處理。A2 視頻數據輸入后，發端數字邏輯單元首先根據以太網幀的長度， 對視頻流進行分割，對分割后的數據添加以太網頭部，封裝成為以太幀。例如，接收到Al輸入的數字視頻信號分辨率為720P即1280 X 720像素，則每行的數據需分割為2 3個數據段進行傳輸，每個分割出的數據段前加上以太網頭部，并加入編號機制，同控制數據、音頻數據一起進行混合編碼，成為一個以太幀。A3:封裝好的以太幀通過發端千兆以太網物理層接口進行發送。例如，發端千兆以太網物理層接口在接收到A2輸入的以太幀后，直接進行發送。A4 收端千兆以太網物理層接口接收以太幀。例如，收端千兆以太網物理層接口從鏈路上接收A3發送的數據幀，直接送至A5進行處理。A5 收端數字邏輯單元接收到由收端千兆以太網物理層接口送達的以太幀后，對其進行反混合編碼，分離出高清視頻數據，并將其重組為視頻流，進行輸出。例如，在接收到A4傳送的數據幀后，首先去除以太網頭部，進行反混合編碼，分離出高清視頻數據，并根據編號信息，恢復出720P的數字視頻信號，即進入A6。A6 將視頻輸出至收端數據輸入輸出單元。例如，A5送達720P的數字視頻信號到達后，通過收端數據輸入輸出單元的視頻輸出端口進行輸出顯示，或送至數字錄像機進行記錄。圖3是本發明的發送端數字音頻和控制數據發送流程圖。如圖所示，發端音頻和數據信號通過發端數據輸入輸出單元的輸入端口輸入，其作用流程為B1 發端音頻和數據信號通過發端數據輸入輸出單元的數據輸入端口輸入。例如，音頻信號由拾音器發出，經 A/D轉換后連接到發端數據輸入輸出單元的數據輸入端口輸入，數據信息(如報警信號)由于是數據信號，所以無需轉換直接輸入發端數據輸入輸出單元。B2:發端數據輸入輸出單元將輸入的數字音頻數據和和控制數據信息輸發送至發端數字邏輯單元，數據信號也可經過發端微控制單元處理后再交給發端數字邏輯單元，在這里將視頻，音頻和數據信息混合編碼，并封成MAC幀。B3 發端數字邏輯單元將封成MAC幀的數字音視頻和數據信息交給發端千兆以太網物理層接口，并由收端千兆以太網物理層接口接收。B4:收端千兆以太網物理層接口接收以太網數據，并通過GMII接口發給收端數字邏輯單元。B5:收端數字邏輯單元收到數據后進行反混合編碼。分別分離出數字視頻，音頻和數據信息，例如，拾音器的數字音頻信號，報警數據等，并交由收端數據輸入輸出單元處理。B6 收端數據輸入輸出單元將數字音頻數據直接輸出，可以交由D/A轉換成擬音頻信號輸出，數據信號可以直接輸出，也可以經過收端微控制單元處理后輸出。圖4是本發明的接收端數據信息(主要為控制信號)和數字音頻信號的反向傳輸流程圖。如圖4所示，收端數據信息和數字音頻信號由通過收端數據輸入輸出單元的數據端口輸入，其作用流程為C1 數據信號和數字音頻信號通過收端數據輸入輸出單元的輸入端口直接輸入。例如，數字音頻信號可以是話筒音頻信號經A/D轉換而來，控制信號可以由各種控制設備發出，例如操作計算機，鍵盤等等，信號類型可以是前端設備的各種動作，如云臺的上下左右，鏡頭的光圈和焦距控制等等。C2 收端數據輸入輸出單元將接收的數字音頻信號和數據信息發送到收端數字邏輯單元，收端數字邏輯單元將信號進行混合編碼，并封成MAC幀通過GMII接口交給收端千兆以太網物理層接口。C3 收端千兆以太網物理層接口將MAC幀發送到以太網，發端千兆以太網物理層接口接收。C4 發端千兆以太網物理層接口接收以太網發過來的MAC幀，并通過GMII接口發至發端數字邏輯單元。C5 發端數字邏輯單元對MAC幀進行去MAC頭，反混合編碼后交由發端數據輸入輸出單元處理，其中控制信號也可以直接交給發端微控制單元處理后輸出。C6 發端數據輸入輸出單元接收數字邏輯單元發送過來的信號，數字音頻可以經過D/A轉換后，驅動揚聲器輸出，控制信號可以直接輸出控制相應的設備，例如云臺的上下左右，鏡頭的光圈和焦距控制等等。本發明也可以精簡成單路視頻傳輸系統，即從發端到收端只有單路視頻數據，收端到發端無數據。盡管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統，其特征在于所述非壓縮數據雙向傳輸系統由通過千兆以太網連接的接收端裝置和發送端裝置組成；所述發送端裝置包括若干個發端數據輸入輸出單元，分別與發端數字邏輯單元和發端微控制單元相連接， 用于采集視頻、音頻和控制數據，并將這些數據提交至發端數字邏輯單元；同時，接收來自發端數字邏輯單元發來的反向音頻和控制數據并輸出；一發端數字邏輯單元，分別與發端千兆以太網物理層接口和發端微控制單元相連接， 用于接收發端數據輸入輸出單元輸入的數據進行類型判斷，將視頻數據分段，并和音頻、控制數據混合編碼，在每個數據段前添加以太網幀頭組成以太幀，并將以太幀通過GMII接口送至發端千兆以太網物理層接口；同時，接收來自發端千兆以太網物理層接口的反向音頻和控制數據，解碼后交由發端數據輸入輸出單元輸出；一發端千兆以太網物理層接口，發端千兆以太網物理層接口一端與收端千兆以太網物理層接口通過千兆以太網相連接，另一端通過GMII接口與發端數字邏輯單元相連；一發端微控制單元，用于協調發端數據輸入輸出單元、發端數字邏輯單元和發端千兆以太網物理層接口工作，同時處理控制數據； 所述接收端裝置包括若干個收端數據輸入輸出單元，分別與收端數字邏輯單元和收端微控制單元相連接， 用于接收來自收端數字邏輯單元的多路視頻、音頻和控制數據，經反混合解碼后輸出，同時實現收端音頻和控制數據的輸入，并提交給收端數字邏輯單元；一收端數字邏輯單元，分別與收端千兆以太網物理層接口和收端微控制單元相連接， 用于對從收端千兆以太網物理層接口接收的以太幀數據去掉以太網幀頭，并進行反混合解碼處理后，交由收端數據輸入輸出單元輸出數字視頻、音頻和控制數據；同時，接收收端數據輸入輸出單元發來的的音頻和控制信號，并進行混合編碼送至收端千兆以太網物理層接 Π ；一收端千兆以太網物理層接口，一端通過GMII接口與收端數字邏輯單元相連，另一端與發端千兆以太網物理層接口通過千兆以太網相連接；收端千兆以太網物理層接口接收發端千兆以太網物理層接口發送的以太幀并遞交至收端數字邏輯單元，同時將收端數字邏輯單元提供的音頻和控制數據通過以太網發送至收端千兆以太網物理層接口；一收端微控制單元，用于協調收端數據輸入輸出單元、收端數字邏輯單元和收端千兆以太網物理層接口工作，同時處理控制數據。
2.根據權利要求1所述的基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸系統，其特征在于所述視頻數據來自于模擬攝像機并經A/D轉換或來自各種數字攝像機的輸出；所述音頻數據來自于拾音器的A/D轉換或數字音頻設備的輸出；所述控制數據來自于各種傳感器輸出。
3.一種基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸方法，其特征在于所述非壓縮音視頻數據傳輸方法包括步驟如下Α、在發端微控制單元的控制下，發端數據輸入輸出單元通過音頻獲取設備、高清數字視頻獲取設備、控制設備分別獲取多路數字音頻、數字視頻和控制數據發送至發端數字邏輯單元，同時發端數據輸入輸出單元接收來自發端數字邏輯單元的數字音頻和控制數據并輸出；B、發端數字邏輯單元在接收到高清音視頻信號和控制數據后進行非壓縮高清混合編碼及與成幀處理，并將封裝后的以太幀通過GMII接口提交至發端千兆以太網物理層接口， 同時，發端數字邏輯單元接收來自發端千兆以太網物理層接口的數字音頻和控制數據進行反混合解碼后發送至發端數據輸入輸出單元；C、發端千兆以太網物理層接口將以太網幀通過連接的千兆以太網絡進行發送至收端千兆以太網物理層接口，同時，接收來自收端千兆以太網物理層接口的數字音頻和控制數據發送至發端數字邏輯單元；D、收端千兆以太網物理層接口從千兆以太網絡接收以太網幀，通過GMII接口輸出至收端數字邏輯單元，同時，通過GMII接口接收來自數字音頻和控制數據發送至發端千兆以太網物理層接口；E、收端數字邏輯單元在收端微控制單元的控制下對以太網幀進行反混合解碼后發送至收端數據輸入輸出單元分別輸出數字視頻、數字音頻和控制數據，同時，收端數字邏輯單元通過與收端數據輸入輸出單元連接的音頻設備和控制設備獲取多路數字音頻和控制數據，進行非壓縮混合編碼及與成幀處理后發送至收端千兆以太網物理層接口。
4.根據權利要求3所述的基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸方法，其特征在于在步驟A中，所述發端微控制單元負責協調數字邏輯單元和發端數據輸入輸出單元之間的數據傳輸，當發端微控制單元被設置為開啟時，發端數據輸入輸出單元向發端數字邏輯單元發送高清音頻、視頻和控制數據。
5.根據權利要求3所述的基于千兆網物理層接口的非壓縮數據雙向傳輸方法，其特征在于在步驟E中，所述收端微控制單元負責協調收端數字邏輯單元和收端數據輸入輸出單元之間的數據傳輸，當收端微控制單元被設置為開啟時，收端數據輸入輸出單元向收端數字邏輯單元提供數字音頻和控制信號。
全文摘要
本發明公開了一種基于千兆網物理層接口的非壓縮音視頻和控制數據的雙向傳輸系統和方法，特別適用于高清視頻監控系統。該系統充分利用千兆以太網物理層接口提供的高速雙向數據傳輸性能，克服其他高清視頻數據傳輸的缺點，以優異的性能、低廉的成本實現了多路高清無壓縮視頻、音頻和數據的遠距離雙向傳輸，同時復合多路音頻和控制數據，為高清視頻監控系統提供了一種較好的解決方案。
文檔編號H04L29/10GK102170381SQ20111006889
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者李 杰 申請人:成都飛視通科技有限公司