一種基於電力線的視頻信號傳輸方法與流程
2024-01-24 10:03:15 1
本發明涉及電力載波通信技術，具體涉及一種基於電力線的視頻信號傳輸方法。
背景技術：
目前，電使用已經遍及千家萬戶，但如何實現家用電的智慧管理，是政府部門和相關廠商需要考慮的問題。通過物聯網解決這一問題是一個很好的思路和途徑，不過目前對於智慧電力物聯網系統的研究還處於初步發展階段，研究較少。
電力載波是電力系統特有的通信方式，電力載波通訊(powerlinecommunication，plc)是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數位訊號進行高速傳輸的技術。近年來，寬帶電力線載波通信(bplc：broadbandpowerlinecarrier)技術得到了廣泛應用，尤其大量應用於智能電網抄表系統、能源網際網路、智能家居和工業數據採集等場景。
視頻監控在電力設備監控中存在廣泛的應用中，當前視頻信號的傳輸主要依靠光纜或其他單獨的傳輸通道進行傳輸，成本較高。現有技術中尚未見採用電力線進行視頻信號傳輸的報導。
電力線載波通信網絡具有無需重複布線的優點，可大大減少視頻傳輸網絡籌建費用。利用已有的電力線資源進行通信，既能滿足通信需求，又可解決布線困難，且基礎建設投資和日常維護費用低廉，因此電力線載波通信技術具有很高的經濟性、便捷性和實用性。但是電力線路設計的初衷是為了完成電能配送而非數據的傳輸，因而對於數據通信而言，電力線網絡並不是一種可靠的通信載體，首先，電力線對通信信號會造成強烈的衰減，這種衰減幅度時變性很強，取決於信號頻率、網絡拓撲、負載電器等等。
現有的電力線載波通信系統和裝置中的頻段分為窄帶(30khz-500khz)和寬帶(2mhz-30mhz)通信，電力線載波通信信道受到各種幹擾、衰減、反射等多種影響，使得信道的頻率和相位響應變得十分複雜，導致通信成功率隨時間和線路變化差異性很大。
此外，視頻信號與傳統的網絡數據傳輸的差別在於視頻對實時性要求較高，另一方面，用戶對於視頻傳輸中的一些差錯和失真是可以容忍的。這就給模擬編碼傳輸創造了一個應用場景。現有數字編碼它存在懸崖效應。信源經過熵編碼之後，經過信道傳輸。根據香農的分離編碼理論，對於點到點通信，這個性能是可以達到最優的。但這個最優性能是有前提的，一是要對信道質量估計非常準確；一旦信源數字編碼的碼率確定之後，如果信道質量發生變化，信道變得更好，也不能利用信道質量變好帶來的增益，如果信道質量變差，差到臨界點，整個視頻質量就會出現懸崖效應。
技術實現要素：
本發明提供一種基於電力線的視頻信號傳輸方法，該方法可以利用電力線傳輸視頻信號，不需要建立專門的視頻信號傳輸網絡，實現監控視頻信號的經濟通信，且能保證信號傳輸的可靠性和及時性；成本較低；利用數字編碼獲得最佳的編碼效率，模擬編碼獲得平緩的視頻質量變化，充分利用數字編碼調製中的功率餘量傳輸增強層相關的信息，在提高功率利用率的同時增強視頻傳輸的重建質量；可以保證全天候的通信可達性；且在同樣的帶寬條件下動態實現不同信息速率的傳輸，可以最大化利用帶寬，並可以保證通信速率和成功率；減少了cpu的壓力，提高了視頻信號傳輸的效率。
為了實現上述目的，本發明提供一種基於電力線的視頻信號傳輸方法，該方法能夠利用電力線傳輸視頻信號。
一種優化方案，包括如下步驟：
s1.在多個電力設備之間設置多個載波數據發送端和並在中控室設置載波數據接收端；
s2.原始視頻信號經基本層數字編碼和增強層模擬編碼的分層編碼，對應得到數字信道編碼信號和模擬編碼信號，將數字信道編碼信號和模擬編碼信號打包得到待發送數據包；
s3.獲取待發送的數據包，並動態確定目標信息速率；
s4.根據預設的幀結構確定信息幀，所述信息幀包括信息幀頭和所述信息數據，所述信息幀頭包括所述目標信息速率，所述信息數據包括所述數據包；
s5.將所述信息幀發送至中控室接收端，完成視頻信號的傳輸。
進一步地，其中在s2中，基本層數模編碼過程為：原始視頻信號經基於最優量化參數的數字信源編碼器得到數字比特流，數字比特流經數字信道編碼器得到數字信道編碼信號，增強層模擬編碼過程為：數字比特流經視頻解碼器得到重建的數字編碼視頻，原始視頻信號與重建的數字編碼視頻求差得到殘差信號，殘差信號經模擬編碼器得到模擬編碼信號。
進一步地，在所述s3中，包括：按照預設的臨時信息速率向接收端發送信道探測幀，指示所述接收端確定接收所述信道探測幀的第一信噪比，所述信道探測幀包括發送功率；獲取接收端以所述臨時信息速率發送的應答幀，所述應答幀包括所述第一信噪比；確定接收所述應答幀的第二信噪比；在所述第一信噪比和所述第二信噪比均不小於預設閾值時，將所述臨時信息速率作為所述目標信息速率。
進一步地，在所述按照預設的臨時信息速率向接收端發送信道探測幀之後，還包括：當在預設時間段內未接收到接收端發送的應答幀時，重複執行更新所述臨時信息速率，直至接收到接收端發送的應答幀；更新所述臨時信息速率包括：降低所述臨時信息速率，並將降低後的臨時信息速率作為新的臨時信息速率。
進一步地，在所述步驟s5中，所述視頻信號傳輸過程中，還建立了殘差信號分塊後的子塊的塊方差與量化參數之間的線性函數關係。
進一步地，所述殘差信號分塊後的子塊的塊方差與量化參數之間的線性函數關係，對應的建立過程為：
s51.在設定的量化參數取值範圍內，選取最高值qpmin和最低值qpmax；
s52.將原始視頻信號劃分為多個畫面組gop，由每個gop分別得到與qpmin和qpmax對應的殘差信號數據；
s53對步驟s52.獲得的兩組的殘差信號數據分別進行三維dct變換，將三維dct變換得到的dct係數進行分塊，獲取分塊後每個子塊的塊方差，用λi表示第i個子塊的塊方差；
s54.用線性函數lnλi＝ki·qp+wi表示lnλi隨qp變化的曲線，可得：
式中，和表示在qpmin和qpmax下第i個子塊的塊方差，ki和wi為第i個子塊對應的曲線參數；
s55.對於一個gop中的每個子塊，都對應得到一組ki和wi，則對於任意給出的一個量化參數qp的數值，可得在量化參數qp下第i個子塊的塊方差λi_qp為：
λi_qp＝exp(ki·qp+wi)。
進一步地，在所述步驟s5中，還包括視頻信號重建的過程。
進一步地，所述視頻信號重建的過程為：
接收端接到的所述信息幀經數字信道解碼器得到重建的數字信道編碼信號，由重建的數字信道編碼信號得到重建的數字比特流，重建的數字比特流經數字信源解碼器得到重建的數字編碼視頻；
接收端接到到的所述信息幀與重建的數字信道編碼信號求差得到帶躁的模擬編碼信號，帶躁的模擬編碼信號經模擬解碼器得到重建的殘差信號；
重建的數字編碼視頻與重建的殘差信號相疊加，獲得重建的原始視頻信號。
進一步地，所述數字信道解碼器通過如下方法重建數字信道編碼信號：
通過數字信道管理函數創建一包含文件標識符的ion共享內存；
根據所述文件標識符構建私有句柄結構對象並根據所述私有句柄結構對象以及所述ion共享內存創建接收端窗口緩存器。
在接收端接收到所述信息幀時，將所述信息幀中的所述數據包填充至所述接收端窗口緩存器中；
將被所述數據包填充的所述接收端窗口緩存器對應的所述私有句柄結構對象傳遞至一視頻庫中；
所述視頻庫根據接收到的所述接收端窗口緩存器對應的私有句柄結構對象訪問所述接收端窗口緩存器中的所述數據包，並進行解碼。
本發明具有以下優點和有益效果：
（1）利用數字編碼獲得最佳的編碼效率，模擬編碼獲得平緩的視頻質量變化。通過混合數模編碼方法，可以有效地結合二者的優點，充分利用數字編碼調製中的功率餘量傳輸增強層相關的信息，在提高功率利用率的同時增強視頻傳輸的重建質量；
（2）根據信道狀況動態調整目標信息速率，可以保證全天候的通信可達性；且在同樣的帶寬條件下動態實現不同信息速率的傳輸，可以最大化利用帶寬，並可以保證通信速率和成功率；
（3）視頻數據解碼過程中，通過創建ion共享內存並利用私有句柄結構對象直接訪問接收端窗口緩存器中的視頻解碼數據，減少了cpu的壓力，提高了視頻信號傳輸的效率。
附圖說明
圖1示出了本發明的一種基於電力線的視頻信號傳輸方法的流程圖。
具體實施方式
為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本發明的具體實施方式。
實施例1一種基於電力線的視頻信號傳輸方法
本發明提供一種基於電力線的視頻信號傳輸方法，該方法具體包括如下步驟：
s1.在多個電力設備之間設置多個載波數據發送端和並在中控室設置載波數據接收端；
s2.原始視頻信號經基本層數字編碼和增強層模擬編碼的分層編碼，對應得到數字信道編碼信號和模擬編碼信號，將數字信道編碼信號和模擬編碼信號打包得到待發送數據包。本發明利用數字編碼獲得最佳的編碼效率，模擬編碼獲得平緩的視頻質量變化。通過混合數模編碼方法，可以有效地結合二者的優點，充分利用數字編碼調製中的功率餘量傳輸增強層相關的信息，在提高功率利用率的同時增強視頻傳輸的重建質量，從而實現質量可伸縮性和編碼效率的有效權衡。
s3.獲取待發送的數據包，並動態確定目標信息速率。
s4.根據預設的幀結構確定信息幀，所述信息幀包括信息幀頭和所述信息數據，所述信息幀頭包括所述目標信息速率，所述信息數據包括所述數據包。
s5.將所述信息幀發送至中控室接收端，完成視頻信號的傳輸。其中，所述信息幀的發送速率參照所述目標信息速率。接收端無需事先協商即可正確解調和接收，無需增加複雜的解調算法。同時，根據信道狀況動態調整目標信息速率，可以保證全天候的通信可達性；且在同樣的帶寬條件下動態實現不同信息速率的傳輸，可以最大化利用帶寬，並可以保證通信速率和成功率。
其中在s2中，基本層數模編碼過程為：原始視頻信號經基於最優量化參數的數字信源編碼器得到數字比特流，數字比特流經數字信道編碼器得到數字信道編碼信號，增強層模擬編碼過程為：數字比特流經視頻解碼器得到重建的數字編碼視頻，原始視頻信號與重建的數字編碼視頻求差得到殘差信號，殘差信號經模擬編碼器得到模擬編碼信號。
優選的，在所述s3中，包括：按照預設的臨時信息速率向接收端發送信道探測幀，指示所述接收端確定接收所述信道探測幀的第一信噪比，所述信道探測幀包括發送功率；獲取接收端以所述臨時信息速率發送的應答幀，所述應答幀包括所述第一信噪比；確定接收所述應答幀的第二信噪比；在所述第一信噪比和所述第二信噪比均不小於預設閾值時，將所述臨時信息速率作為所述目標信息速率。
優選的，在所述按照預設的臨時信息速率向接收端發送信道探測幀之後，還包括：當在預設時間段內未接收到接收端發送的應答幀時，重複執行更新所述臨時信息速率，直至接收到接收端發送的應答幀；所述更新所述臨時信息速率包括：降低所述臨時信息速率，並將降低後的臨時信息速率作為新的臨時信息速率。
優選的，在所述步驟s5中，所述視頻信號傳輸過程中，還建立了殘差信號分塊後的子塊的塊方差與量化參數之間的線性函數關係，對應的建立過程為：
s51.在設定的量化參數取值範圍內，選取最高值qpmin和最低值qpmax；
s52.將原始視頻信號劃分為多個畫面組gop，由每個gop分別得到與qpmin和qpmax對應的殘差信號數據；
s53對步驟s52獲得的兩組的殘差信號數據分別進行三維dct變換，將三維dct變換得到的dct係數進行分塊，獲取分塊後每個子塊的塊方差，用λi表示第i個子塊的塊方差；
s54.用線性函數lnλi＝ki·qp+wi表示lnλi隨qp變化的曲線，可得：
式中，和表示在qpmin和qpmax下第i個子塊的塊方差，ki和wi為第i個子塊對應的曲線參數；
s55.對於一個gop中的每個子塊，都對應得到一組ki和wi，則對於任意給出的一個量化參數qp的數值，可得在量化參數qp下第i個子塊的塊方差λi_qp為：
λi_qp＝exp(ki·qp+wi)。
優選的，在所述步驟s5中，還包括視頻信號重建的過程：
接收端接到到的所述信息幀經數字信道解碼器得到重建的數字信道編碼信號，由重建的數字信道編碼信號得到重建的數字比特流，重建的數字比特流經數字信源解碼器得到重建的數字編碼視頻。
接收端接到到的所述信息幀與重建的數字信道編碼信號求差得到帶躁的模擬編碼信號，帶躁的模擬編碼信號經模擬解碼器得到重建的殘差信號。具體的，將帶噪的模擬編碼信號採用llse做模擬解碼獲得重建的殘差信號(llse是解碼器的重要組成部分，llse採用一種叫做最小線性平方估計的算法對從phy物理層接收到的數據進行反白化，反能量分配過程)。
重建的數字編碼視頻與重建的殘差信號相疊加，獲得重建的原始視頻信號。
優選的，所述數字信道解碼器通過如下方法重建數字信道編碼信號：
通過數字信道管理函數創建一包含文件標識符的ion共享內存；
根據所述文件標識符構建私有句柄結構對象並根據所述私有句柄結構對象以及所述ion共享內存創建接收端窗口緩存器。
在接收端接收到所述信息幀時，將所述信息幀中的所述數據包填充至所述接收端窗口緩存器中；
將被所述數據包填充的所述接收端窗口緩存器對應的所述私有句柄結構對象傳遞至一視頻庫中；
所述視頻庫根據接收到的所述接收端窗口緩存器對應的私有句柄結構對象訪問所述接收端窗口緩存器中的所述數據包，並進行解碼。
優選的，所述私有句柄定義為：
在數據i/o中，如果要從數據包中讀取數據，應用程式首先要調用作業系統函數並傳送文件名，並選擇一個到該文件的路徑來打開文件；上述作業系統函數取回一個順序號，即私有句柄(filehandle)，該私有句柄對於打開的文件是唯一的識別依據；要從數據包中讀取一塊數據，應用程式需要調用函數readfile，並將私有句柄在內存中的地址和要拷貝的字節數傳送給作業系統；buffer(緩衝寄存器，也可以稱為緩衝器)可以使高速工作的cpu與慢速工作的外設起協調和緩衝作用，實現數據傳送的同步。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在於解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現並利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發明的範圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。