高速公路的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

2010年11月2日消息，2010安防無處不在，為了打擊各項(xiàng)犯罪，視頻監(jiān)控體現(xiàn)出了其強(qiáng)大的功能。在高速公路中我們也看到了它的身影。 　

高速公路項(xiàng)目中對視頻信號傳輸?shù)囊笥幸韵绿攸c(diǎn)： 　　

1、容量大：在一個監(jiān)控分中心通常有幾十路甚至上百路視頻信號。 　　

2、圖像質(zhì)量要求高：圖像要求達(dá)到480線，加權(quán)信噪比S/N要求不小于57dB;PAL制圖像要求達(dá)到25幀(50場/s)、NTSC制圖像要求達(dá)到30幀(60場/s)。 　

3、需要多級控制：目前高速公路項(xiàng)目中對視頻信號的監(jiān)控和管理自下而上可分為以下站級、路段中心、片區(qū)中心、省中心四級監(jiān)控系統(tǒng)。 　　

(1)站級監(jiān)控系統(tǒng)：各收費(fèi)站需要對本地的視頻信號進(jìn)行監(jiān)控 　　

(2)路段中心監(jiān)控：一條高速公路通常設(shè)置1個路段分中心，對某一路段進(jìn)行監(jiān)控和管理。 　　

(3)片區(qū)中心監(jiān)控系統(tǒng)：多條高速公路的統(tǒng)一管理通常根據(jù)地域劃分為若干個片區(qū)來進(jìn)行。 　　

(4)省中心監(jiān)控系統(tǒng)：各省高速公路管理局需要對省內(nèi)所有的高速公路進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和調(diào)度。目前主流視頻傳輸產(chǎn)品介紹 　　

點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機(jī) 　　

點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機(jī)是目前使用較為普遍的視頻傳輸設(shè)備(使用示意圖參見圖1)，主要可分為模擬光端機(jī)和數(shù)字光端機(jī)(非壓縮)兩種。點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 　　

1、使用簡單靈活，視頻質(zhì)量高，實(shí)時性好。 　　

2、除了可以傳輸多路視頻信號外，還可以傳輸音頻信號、異步數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等多種信號。 　

點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機(jī)主要缺點(diǎn)： 　　

1、無法組網(wǎng)，不具備保護(hù)功能，系統(tǒng)可維護(hù)性差。 　　

2、無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。如果距離過遠(yuǎn)，只能采用光端機(jī)級連方式。多級光端機(jī)的級連會造成信號的急劇衰減。 　

模擬光端機(jī) 　　

顧名思義，模擬光端機(jī)上光頭發(fā)射的光信號是模擬光調(diào)制信號，它隨輸入的模擬載波信號的幅度、頻率、相位變化引起光信號幅度、頻率、相位變化而分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相光端機(jī)。 　　

數(shù)字光端機(jī) 　

數(shù)字光端機(jī)上光頭發(fā)射的光信號是數(shù)字信號即0或1對應(yīng)光信號強(qiáng)、弱兩種狀態(tài)，不同的0和1組合代表不同幅度的視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號。

模擬光端機(jī)與數(shù)字光端機(jī)的性能對比 　　

1、模擬信號傳輸輸入和輸出處理方式不一樣，引起的視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號信號失真、變畸變、干擾不同。 　　

模擬光端機(jī)由于要進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，所以模擬信號的幅度的變化與載波信號因調(diào)制而引起的幅度、頻率、相位的變化是否為一一對應(yīng)的線形關(guān)系，成為擬光端機(jī)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，到目前為止，很難做到真正線性調(diào)制，非線形必然引起信號失真;同時調(diào)制好的載波信號信號還要調(diào)制光信號，光信號的非線性也是一個非常重要的因素，眾所周知，光器件的非線性與環(huán)境溫度變化、工作電壓的穩(wěn)定性、光發(fā)射功率有很大的影響，因此光器件在生產(chǎn)時需進(jìn)行7-10天的熱循環(huán)老化等等工藝篩選、老化、測試也只能以將這種變換控制在一定的范圍;光信號在光纖中長距離傳輸，會引起光信號的功率衰減，傳輸頻率漂移、相位失真，光信號色散效應(yīng)同樣也會引起光信號畸變;光信號到達(dá)接收端，接收光器件仍然要引起非線性失真，由光電轉(zhuǎn)換后的模擬信號進(jìn)入解調(diào)，解調(diào)與調(diào)制一樣會產(chǎn)生非線性畸變。 　　

所以綜合模擬光端機(jī)，從輸入信號調(diào)制-電光轉(zhuǎn)換-光輸-光電轉(zhuǎn)換-解調(diào)這五個過程，都會引起非線形失真，而這些信號畸變失真是固有的所以是不可消除的，所以模擬光端機(jī)傳輸視頻圖象、音頻質(zhì)量、數(shù)據(jù)的效果很難達(dá)到很滿意的效果。 　　

數(shù)字式光端機(jī)僅只有模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化誤差(如1V視頻信號12bits時僅為2.5mv)，不足以引起信號畸變。因此不存在上述缺陷。

2、多路信號同傳引起的交調(diào)失真。 　　

在現(xiàn)場監(jiān)控應(yīng)用中，用戶可能有許多各種信號，如視頻圖像、音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、電話或其它用戶自定義的信號，為了提高光纖的利用效率，降低成本，必須將各種信號在光端機(jī)進(jìn)行復(fù)用，以便在一對或一根光纖上傳輸。對調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相光端機(jī)來講，將多路視頻、音頻或數(shù)據(jù)信號混合調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相在某一載波上必然會引起各種鏡像、交調(diào)干擾。所以目前市場上不乏很多著名國外品牌的調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相光端機(jī)多路視頻、音頻、數(shù)據(jù)同傳時出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象，這些不穩(wěn)定的現(xiàn)象都是模擬調(diào)制技術(shù)長期以來一直所固有的缺點(diǎn)。 　　
數(shù)字光端機(jī)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，很容易進(jìn)行大容量復(fù)用并且不會出現(xiàn)相互干擾。 　　

3、穩(wěn)定性不同 　　

模擬調(diào)制光端機(jī)由于采取載波調(diào)制方式，載波及光頭很容易受環(huán)境溫度影響。出現(xiàn)傳輸質(zhì)量隨環(huán)境變化而變化的缺點(diǎn)。同時模擬光端機(jī)經(jīng)過長時間使用后，隨著元件的老化和環(huán)境的變化，經(jīng)常會出現(xiàn)視頻質(zhì)量明顯下降的現(xiàn)象。正因?yàn)檫@種缺點(diǎn)，對一些大型、重要工程來講，模擬光端機(jī)的維護(hù)成了很令人頭疼的問題。節(jié)點(diǎn)式視頻光端機(jī) 　　

節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)是一種新型的光纖傳輸系統(tǒng)，通常使用2芯光纖將各節(jié)點(diǎn)連接形成環(huán)網(wǎng)、鏈網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，視頻和數(shù)據(jù)可以在任意節(jié)點(diǎn)上下。同時網(wǎng)絡(luò)中還可以傳輸音頻、雙向數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等信號。節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)組網(wǎng)示意圖參見圖2。節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)根據(jù)信號調(diào)制方式的不同分為模擬傳輸方式和數(shù)字傳輸方式。 　　

模擬傳輸方式 　　

節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)如采用模擬方式調(diào)制信號，與模擬點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)同樣存在頻間串?dāng)_、信號衰減畸變的問題。這是模擬調(diào)制方式所帶來的必然問題。因此如采用模擬方式，對節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)的傳輸容量、傳輸距離都有很大的限制。 　　

數(shù)字傳輸方式 　　

全數(shù)字的節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)采用數(shù)字方式調(diào)制視頻信號，并對視頻信號進(jìn)行編碼壓縮傳輸。通常采用的編碼方式有M-JPEG、MPEG-2等。具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)： 　

1、節(jié)省光纖資源。所有收費(fèi)站通過2芯光纖與路段中心組成環(huán)網(wǎng)或鏈網(wǎng)即可。 　　

2、視頻容量大。目前北京蛙視公司的VOX全數(shù)字音視頻傳輸平臺可在2芯光纖上傳輸多達(dá)126路高質(zhì)量音視頻信號。 　　

3、節(jié)點(diǎn)數(shù)量基本不受限制，圖像質(zhì)量全程一致。因?yàn)椴捎脭?shù)字編碼傳輸，信號無畸變;且不同于光端機(jī)級連方式，在各節(jié)點(diǎn)不經(jīng)過2次編碼調(diào)制，因此圖像質(zhì)量可保持全程一致。 　　

4、如組成雙纖環(huán)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)自愈保護(hù)功能。當(dāng)某一段光纖或某一節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障，不影響整個系統(tǒng)的傳輸。 　　

5、可實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的綜合接入，如視頻、音頻、以太網(wǎng)、異步數(shù)據(jù)、電話話務(wù)等各種業(yè)務(wù)。 　　

6、整個視頻傳輸系統(tǒng)可通過網(wǎng)管統(tǒng)一管理和維護(hù)，具備故障自我診斷功能。 　　

視頻編解碼器 　　

視頻編解碼器是通過現(xiàn)有通信系統(tǒng)接口及通道傳輸視頻信號的設(shè)備，其傳輸?shù)膱D像質(zhì)量主要取決于通信系統(tǒng)提供的接口和帶寬。 　　

根據(jù)接口形式的不同，視頻編解碼器大致可以分為：固定帶寬接口(E1接口)、IP接口2種。 　　

(一、二條內(nèi)文字級，加粗，提前)一、固定帶寬接口 　　

通過SDH等通信系統(tǒng)提供的E1通道傳輸視頻?？煞譃閱蜤1編解碼器和多E1復(fù)用編解碼器等。編碼方式通常采用MJPEG、MPEG-1、MPEG-2、H.263等幾種。 　　

單E1編解碼器采用單個E1通道傳輸1路視頻信號，因傳輸帶寬較低(2M)，即使采用MPEG-2視頻編碼方式，視頻分辨率也只能達(dá)到352*576，視覺效果較差。 　　

多E1編解碼器采用多個E1接口捆綁傳輸1路視頻信號，在傳輸帶寬提高的 　　

情況下，視頻質(zhì)量能夠得到有效提高。多E1編解碼器工作原理如下： 　　

在這里有幾點(diǎn)說明： 　

1、編解碼算法：由于交通系統(tǒng)中對視頻信號高質(zhì)量的要求，目前比較合適且成熟的算法是MPEG-2壓縮算法。采用MPEG-2壓縮算法傳輸?shù)囊曨l信號分辨率可以達(dá)到720(576，加權(quán)信噪比可達(dá)57dB，視覺效果好，能夠滿足ITS對視頻質(zhì)量的要求。 　

2、為什么采用N(E1：如果采用單個E1傳輸MPEG-2壓縮的視頻信號圖像分辨率只能達(dá)到352 (288,并且圖像不連續(xù)，肉眼觀察有拖尾現(xiàn)象，所以要使用多個E1來傳輸視頻信號.經(jīng)過測試及實(shí)際使用，當(dāng)用MPEG-2算法壓縮后的視頻碼流達(dá)到 4Mbit/s(即2個E1)左右時即可滿足交通系統(tǒng)中對視頻信號質(zhì)量的要求。當(dāng)碼流再增大時，人的肉眼對視頻信號的差別區(qū)分不明顯。
多E1傳輸方式具有以下優(yōu)點(diǎn)： 　　

(1)充分利用已有SDH通信網(wǎng)的資源;靈活分配帶寬，用戶可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源和對圖像的要求任意分配N個E1。 　　

(2)一般情況下每路圖像使用2個E1即可，最多使用4個E1也就夠了。 　　

(3)使用簡單，為點(diǎn)對點(diǎn)方式。 　　

多E1傳輸方式具有以下缺點(diǎn)： 　

(1)對SDH的傳輸帶寬要求較高，以每路圖像帶寬4M計算，1個STM-1的SDH系統(tǒng)最多傳送31路圖像;1個STM-4的系統(tǒng)最多傳送126路圖像。 　　

(2)設(shè)備較貴，由于采用MPEG-2壓縮及多E1捆綁技術(shù)，目前設(shè)備成本較高。 　

二、IP接口　

通過以太網(wǎng)接口傳輸視頻信號，俗稱網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。通常是使用SDH等通信系統(tǒng)接口外加網(wǎng)橋設(shè)備提供的以太網(wǎng)接口。編碼方式通常采用MPEG-2、MPEG-4等幾種。 　

IP方式傳輸視頻具有以下主要優(yōu)點(diǎn)： 　　

(1)便于多級聯(lián)網(wǎng)。 　　

(2)編碼器和解碼器可以不對稱，即解碼器的數(shù)量可以少于編碼器，通過后臺軟件控制解碼器解壓任意一個編碼器的圖像，實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)。 　　

(3)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控到桌面，通過軟件可在計算機(jī)上解壓觀看圖像 　　

IP方式傳輸視頻具有以下缺點(diǎn)： 　　

1、在SDH層雖然其對外的接口為10/100Base-t接口，但一般情況下其內(nèi)部為每個端口實(shí)際提供的帶寬在10M左右，在視頻碼流為4M的情況下，最多只能傳輸2路實(shí)時視頻信號。并且當(dāng)在一個端口上既傳送實(shí)時視頻流又傳送其他數(shù)據(jù)(如收費(fèi)數(shù)據(jù)等)時，由于視頻信號占帶寬較大，會影響其他數(shù)據(jù)的正常傳送，嚴(yán)重時會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。 　

2、當(dāng)編碼器與解碼器不對稱，解碼器切換解壓不同編碼器的圖像時，會產(chǎn)生馬賽克，嚴(yán)重時導(dǎo)致解碼器死機(jī)。這是因?yàn)槟壳安捎脡嚎s算法為了提高壓縮比，降低帶寬，采用幀間預(yù)測、運(yùn)動補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。當(dāng)碼流切換時會造成其碼流的不完整，使解壓縮芯片無法正確的解壓縮。 　

3、為了保證視頻的實(shí)時性采用UDP協(xié)議傳送視頻流，UDP協(xié)議的特征是發(fā)后不管，數(shù)據(jù)的可靠性完全在于網(wǎng)絡(luò)。而目前以太網(wǎng)協(xié)議中對數(shù)據(jù)并沒有QOS保證。因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時，有可能造成UDP包丟失，造成解壓時出現(xiàn)馬賽克。 　　

4、以太網(wǎng)的特征是突發(fā)，而實(shí)時視頻信號的特征是連續(xù)，這兩者是有矛盾的，因此當(dāng)一個以太網(wǎng)中數(shù)字視頻流過多時，會造成以太網(wǎng)交換機(jī)的負(fù)載急劇增加，網(wǎng)絡(luò)速度變得很慢，影響其他數(shù)據(jù)的正常交換，嚴(yán)重時會造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

高速公路視頻信號傳輸方案的探討

收費(fèi)站至路段分中心的視頻傳輸 　　

收費(fèi)站至路段分中心的視頻傳輸可以采用點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)、全數(shù)字節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)、編解碼器等方式實(shí)現(xiàn)。 　　

通過點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)傳輸 　　

收費(fèi)站的圖像上傳如果采用點(diǎn)對點(diǎn)光端機(jī)傳輸，則每收費(fèi)站到路段中心均需使用至少1對光端機(jī)并占用1芯光纖。整個監(jiān)控系統(tǒng)占用的光纖資源較多。如果收費(fèi)站距離中心過遠(yuǎn)，還需要通過光端機(jī)的級連將圖像上傳至中心。光端機(jī)級連會造成信號的衰減及信噪比降低。同時大量光端機(jī)的使用，設(shè)備無法統(tǒng)一管理，系統(tǒng)可維護(hù)性差。其優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量高，實(shí)時性好。 　　

通過通信系統(tǒng)傳輸圖像 　　

通過SDH系統(tǒng)提供的2M口或多個2M捆綁傳輸圖像。每個收費(fèi)站到路段中心采用1對或幾對多E1編解碼器，上傳部分圖像。采用這種方法的缺點(diǎn)是占用SDH系統(tǒng)資源較多，每個收費(fèi)站上傳的圖像數(shù)量受系統(tǒng)帶寬資源的限制，不能太多。 　　

通過節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)傳輸圖像 　　

通過節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)傳輸圖像，整個系統(tǒng)只需要2芯光纖將各收費(fèi)站節(jié)點(diǎn)組成環(huán)網(wǎng)或鏈網(wǎng)，節(jié)省光纖資源。同時在各收費(fèi)站上傳的圖像、音頻、數(shù)據(jù)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)量可以根據(jù)用戶的需要靈活配置。路段中心將各收費(fèi)站上傳的信號經(jīng)局端設(shè)備全部輸出，統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)控管理，并可在局端通過網(wǎng)管系統(tǒng)對整個傳輸進(jìn)行實(shí)時維護(hù)。 　　

分中心至片區(qū)中心或省中心的視頻傳輸 　　

從各路段中心至片區(qū)中心或省中心通常要求上傳的視頻數(shù)量比較少，一般每個下級中心只需上傳幾路。采用的傳輸方式通常包括以下幾種： 　　

1、通過E1接口傳輸：各中心之間通過SDH通信系統(tǒng)，采用多E1編解碼器傳輸視頻。因?yàn)楦髦行闹g的SDH系統(tǒng)資源較為豐富，需要上傳的圖像數(shù)量又不是很多，采用多E1編解碼器能夠滿足用戶的需求。 　　

2、通過IP接口傳輸：各中心之間通過以太網(wǎng)接口，采用網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼器傳輸視頻。這種方式其實(shí)同樣通過SDH通信系統(tǒng)，只不過通過外加網(wǎng)橋?qū)⒔涌谵D(zhuǎn)換成以太網(wǎng)接口。 　　

3、通過全數(shù)字節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)傳輸：各中心之間通過光纖連接，采用全數(shù)字節(jié)點(diǎn)式光端機(jī)傳輸視頻。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于通過數(shù)字音視頻傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建，不僅可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)視頻信息的共享，還可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、異步數(shù)據(jù)及電話話務(wù)的交換。同時利用數(shù)字音視頻傳輸系統(tǒng)的音視頻雙向傳輸功能，還可以方便的實(shí)現(xiàn)各中心之間的會議電視。