Высокоскоростная целостность сигнала и передача данных изображений

Современные IP-камеры часто обрабатывают видеопотоки с разрешением 4K или даже 8K, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к пропускной способности передачи данных и целостности сигнала (SI). Датчики изображения (CMOS) передают необработанные данные на основной процессор (SoC) через высокоскоростные интерфейсы, такие как MIPI CSI-2, а SoC обрабатывает данные перед отправкой их через интерфейсы Ethernet (RGMII/SGMII).

При проектировании печатных плат для PoE-камер, ключевые меры по обеспечению целостности сигнала включают:

• Контроль импеданса: Высокоскоростные сигнальные трассы (например, дифференциальные пары) должны иметь точное характеристическое сопротивление (обычно 90 Ом или 100 Ом) для предотвращения отражения и искажения сигнала. Это требует тесного сотрудничества с производителями печатных плат, такими как HILPCB, который предлагает точные услуги по производству высокоскоростных печатных плат.
• Трассировка дифференциальных пар: Сигналы Ethernet и MIPI обычно передаются с использованием дифференциальных пар. Трассировка должна обеспечивать одинаковую длину и расстояние между двумя трассами, удерживая их подальше от источников помех.
• Защита от EMI/EMC: Тактовые генераторы, источники питания и другие компоненты внутри камеры являются потенциальными источниками электромагнитных помех. Правильное зонирование, конструкция заземления и меры экранирования могут минимизировать внутренние помехи и внешнее излучение, обеспечивая стабильную работу системы. Эти принципы также применимы к печатным платам экшн-камер, которые требуют высокой стабильности и качества изображения.

Датчик изображения (CMOS) и схема фронтальной обработки

Датчик изображения — это «глаз» камеры. Конструкция печатной платы должна обеспечивать «чистую» рабочую среду для датчика, включая чрезвычайно стабильные источники питания и чистые опорные тактовые сигналы. Любой шум питания или джиттер тактового сигнала может проявляться как шум или полосы на изображении. Кроме того, критически важен дизайн схемы ISP (Image Signal Processor). ISP выполняет сложные алгоритмы, такие как широкий динамический диапазон (WDR), 3D-шумоподавление и коррекция цвета, для преобразования необработанных данных датчика в высококачественное видео. В высокоинтегрированных конструкциях, таких как компактные печатные платы скрытых камер, функциональность ISP может быть интегрирована в основной SoC, что создает большие проблемы для компактности компоновки печатной платы и теплового управления.

Ядро интеллектуального анализа: Размещение NPU/GPU на печатной плате

С развитием технологии искусственного интеллекта, граничные вычисления стали стандартной функцией в системах видеонаблюдения. Современные конструкции печатных плат PoE-камер часто интегрируют специализированные чипы ускорения ИИ, такие как NPU (Neural Processing Units) или компактные GPU, для выполнения сложных задач видеоанализа непосредственно на границе.

Это позволяет камерам самостоятельно выполнять такие функции, как распознавание лиц, идентификация транспортных средств и анализ поведения. Суть хорошо спроектированной печатной платы для обнаружения объектов или печатной платы для анализа поведения заключается в том, насколько эффективно эти чипы ИИ интегрированы и используются.

Проблемы в проектировании печатных плат:

• Высокоплотная компоновка: Чипы ИИ обычно используют BGA-корпуса с многочисленными выводами и мелким шагом, что требует технологии HDI PCB (High-Density Interconnect) для достижения компактных компоновок с помощью глухих/скрытых переходных отверстий и более тонких дорожек.
• Энергопотребление и теплоотвод: NPU/GPU потребляют значительную мощность при полной нагрузке, становясь основными источниками тепла на печатной плате. Необходимы специальные тепловые решения, такие как большие медные полигоны заземления под чипом и плотные тепловые переходные отверстия для быстрого рассеивания тепла на обратную сторону печатной платы или радиаторы.
• Высокоскоростные интерфейсы данных: Чипы ИИ требуют высокоскоростного обмена данными с памятью DDR и SoC, что накладывает строгие требования к целостности сигнала для таких интерфейсов, как LPDDR4.

Проектирование схем кодирования и сжатия видео

Для передачи видео высокой четкости при ограниченной пропускной способности сети кодирование и сжатие видео имеют решающее значение. H.264 и H.265 (HEVC) в настоящее время являются основными стандартами кодирования, причем последний обеспечивает эквивалентное качество видео при примерно вдвое меньшем битрейте по сравнению с H.264. На печатных платах PoE-камер кодирование видео обычно обрабатывается аппаратным кодером основного SoC. Конструкция печатной платы должна обеспечивать непрерывное и стабильное питание SoC, поскольку процесс кодирования является вычислительно интенсивным и требует значительного мгновенного тока. Некачественная конструкция источника питания может вызвать сбои в работе SoC, приводящие к заиканию видео, артефактам экрана или даже сбоям системы.

Аппаратная реализация сетевого интерфейса и стека протоколов

Микросхема физического уровня Ethernet (PHY) служит мостом между SoC и сетевым трансформатором. При трассировке печатной платы дорожки между микросхемой PHY, сетевым трансформатором и интерфейсом RJ45 должны быть максимально короткими, с жестким контролем импеданса.

На программном уровне поддержка стандартных протоколов, таких как ONVIF и RTSP, обеспечивает совместимость между камерами и NVR/DVR или системами управления видео (VMS) различных брендов. Кроме того, нельзя упускать из виду сетевую безопасность. Конструкция печатной платы может интегрировать аппаратные чипы шифрования или поддерживать функцию Secure Boot в SoC, предотвращая несанкционированное изменение прошивки на аппаратном уровне и обеспечивая безопасность устройства и данных. Это одинаково важно для всех сетевых устройств, включая компактные печатные платы скрытых камер.

Оценивает объем хранилища (ГБ/день), необходимый для одной камеры, использующей кодирование H.265. Фактические значения могут варьироваться в зависимости от сложности сцены и стратегий управления битрейтом.