應用于高速公路的光纖網(wǎng)絡傳輸技術

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

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

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

        3、需要多級控制：目前高速公路項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)：各收費站需要對本地的視頻信號進行監(jiān)控 　　

       (2)路段中心監(jiān)控：一條高速公路通常設置1個路段分中心，對某一路段進行監(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所有的高速公路進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理和調度。目前主流視頻傳輸產(chǎn)品介紹點對點視頻光端機點對點視頻光端機是目前使用較為普遍的視頻傳輸設備(使用示意圖參見圖1)，主要可分為模擬光端機和數(shù)字光端機(非壓縮)兩種。點對點視頻光端機的優(yōu)點： 　　
1、使用簡單靈活，視頻質量高，實時性好。 　　

        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。 　

點對點視頻光端機主要缺點： 　　

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

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

         模擬光端機 　　

         顧名思義，模擬光端機上光頭發(fā)射的光信號是模擬光調制信號，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幅、調頻、調相光端機。 　　

         數(shù)字光端機 　

        數(shù)字光端機上光頭發(fā)射的光信號是數(shù)字信號即0或1對應光信號強、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。

        模擬光端機與數(shù)字光端機的性能對比 　　

        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。 　　

        模擬光端機由于要進行調幅、調頻、調相，所以模擬信號的幅度的變化與載波信號因調制而引起的幅度、頻率、相位的變化是否為一一對應的線形關系，成為擬光端 機質量好壞的關鍵，到目前為止，很難做到真正線性調制，非線形必然引起信號失真;同時調制好的載波信號信號還要調制光信號，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，光信號色散效應同 樣也會引起光信號畸變;光信號到達接收端，接收光器件仍然要引起非線性失真，由光電轉換后的模擬信號進入解調，解調與調制一樣會產(chǎn)生非線性畸變。 　　

          所以綜合模擬光端機，從輸入信號調制-電光轉換-光輸-光電轉換-解調這五個過程，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，所以模擬光端機傳輸視頻圖象、音頻質量、數(shù)據(jù)的效果很難達到很滿意的效果。 　　

          數(shù)字式光端機僅只有模數(shù)轉換的量化誤差(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失真。 　　

          在現(xiàn)場監(jiān)控應用中，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 種信號在光端機進行復用，以便在一對或一根光纖上傳輸。對調頻、調幅、調相光端機來講，將多路視頻、音頻或數(shù)據(jù)信號混合調頻、調幅、調相在某一載波上必然 會引起各種鏡像、交調干擾。所以目前市場上不乏很多著名國外品牌的調頻、調幅、調相光端機多路視頻、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) 象都是模擬調制技術長期以來一直所固有的缺點。 　　

          數(shù)字光端機傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，很容易進行大容量復用并且不會出現(xiàn)相互干擾。 　　

          3、穩(wěn)定性不同 　　

         模擬調制光端機由于采取載波調制方式，載波及光頭很容易受環(huán)境溫度影響。出現(xiàn)傳輸質量隨環(huán)境變化而變化的缺點。同時模擬光端機經(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)視頻質量明顯下降的現(xiàn)象。正因為這種缺點，對一些大型、重要工程來講，模擬光端機的維護成了很令人頭疼的問題。節(jié)點式視頻 光端機 ，節(jié)點式光端機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)點連接形成環(huán)網(wǎng)、鏈網(wǎng)等網(wǎng)絡結構，視頻和數(shù)據(jù)可以在任意節(jié)點上下。同時網(wǎng)絡中還可以傳輸音 頻、雙向數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)等信號。節(jié)點式光端機組網(wǎng)示意圖參見圖2。節(jié)點式光端機根據(jù)信號調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)點式光端機如采用模擬方式調制信號，與模擬點對點光端機同樣存在頻間串擾、信號衰減畸變的問題。這是模擬調制方式 所帶來的必然問題。因此如采用模擬方式，對節(jié)點式光端機的傳輸容量、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)點式光端機采用數(shù)字方式調制視頻信號，并對視頻信號進行編碼壓縮傳輸。通常采用的編碼方式有M-JPEG、MPEG-2等。具有以下明顯優(yōu)點： 　

       1、節(jié)省光纖資源。所有收費站通過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126路高質量音視頻信號。 　　

      3、節(jié)點數(shù)量基本不受限制，圖像質量全程一致。因為采用數(shù)字編碼傳輸，信號無畸變;且不同于光端機級連方式，在各節(jié)點不經(jīng)過2次編碼調制，因此圖像質量可保持全程一致。 　　

      4、如組成雙纖環(huán)網(wǎng)，可實現(xiàn)自愈保護功能。當某一段光纖或某一節(jié)點設備故障，不影響整個系統(tǒng)的傳輸。 　　


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

       6、整個視頻傳輸系統(tǒng)可通過網(wǎng)管統(tǒng)一管理和維護，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備，其傳輸?shù)膱D像質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： 　　

      在這里有幾點說明： 　

      1、編解碼算法：由于交通系統(tǒng)中對視頻信號高質量的要求，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信號分辨率可以達到720(576，加權信噪比可達57dB，視覺效果好，能夠滿足ITS對視頻質量的要求。 　

      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)過測試及實際使用，當用MPEG-2算法壓縮后的視頻碼流達到 4Mbit/s(即2個E1)左右時即可滿足交通系統(tǒng)中對視頻信號質量的要求。當碼流再增大時，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： 　　

     (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，為點對點方式。 　　

       多E1傳輸方式具有以下缺點： 　

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

       二、IP接口　

       通過以太網(wǎng)接口傳輸視頻信號，俗稱網(wǎng)絡視頻服務器。通常是使用SDH等通信系統(tǒng)接口外加網(wǎng)橋設備提供的以太網(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： 　　

       (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，實現(xiàn)一點對多點。 　　

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

        IP方式傳輸視頻具有以下缺點： 　　

       1、在SDH層雖然其對外的接口為10/100Base-t接口，但一般情況下其內部為每個端口實際提供的帶寬在10M左右，在視頻碼流為4M的情況下， 最多只能傳輸2路實時視頻信號。并且當在一個端口上既傳送實時視頻流又傳送其他數(shù)據(jù)(如收費數(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，嚴重時會造成網(wǎng)絡擁塞。 　

       2、當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，嚴重時導致解碼器死機。這是因為目前采用壓縮算法為了提高壓縮比，降低帶寬，采用幀間預測、運動補償?shù)募夹g。當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。而目前以太網(wǎng)協(xié)議中對數(shù)據(jù)并沒有QOS保證。因此當網(wǎng)絡繁忙時，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)，而實時視頻信號的特征是連續(xù)，這兩者是有矛盾的，因此當一個以太網(wǎng)中數(shù)字視頻流過多時，會造成以太網(wǎng)交換機的負載急劇增加，網(wǎng)絡速度變得很慢，影響其他數(shù)據(jù)的正常交換，嚴重時會造成網(wǎng)絡癱瘓。

        高速公路視頻信號傳輸方案的探討

       收費站至路段分中心的視頻傳輸 　　

       收費站至路段分中心的視頻傳輸可以采用點對點光端機、全數(shù)字節(jié)點式光端機、編解碼器等方式實現(xiàn)。 　　

       通過點對點光端機傳輸 　　

       收費站的圖像上傳如果采用點對點光端機傳輸，則每收費站到路段中心均需使用至少1對光端機并占用1芯光纖。整個監(jiān)控系統(tǒng)占用的光纖資源較多。如果收費站距 離中心過遠，還需要通過光端機的級連將圖像上傳至中心。光端機級連會造成信號的衰減及信噪比降低。同時大量光端機的使用，設備無法統(tǒng)一管理，系統(tǒng)可維護性 差。其優(yōu)點是圖像質量高，實時性好。 　　

        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是占用SDH系統(tǒng)資源較多，每個收費站上傳的圖像數(shù)量受系統(tǒng)帶寬資源的限制，不能太多。 　　

        通過節(jié)點式光端機傳輸圖像 　　

       通過節(jié)點式光端機傳輸圖像，整個系統(tǒng)只需要2芯光纖將各收費站節(jié)點組成環(huán)網(wǎng)或鏈網(wǎng)，節(jié)省光纖資源。同時在各收費站上傳的圖像、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。路段中心將各收費站上傳的信號經(jīng)局端設備全部輸出，統(tǒng)一進行監(jiān)控管理，并可在局端通過網(wǎng)管系統(tǒng)對整個傳輸進行實時維護。 　　

       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。因為各中心之間的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)絡視頻編解碼器傳輸視頻。這種方式其實同樣通過SDH通信系統(tǒng)，只不過通過外加網(wǎng)橋將接口轉換成以太網(wǎng)接口。 　　

        3、通過全數(shù)字節(jié)點式光端機傳輸：各中心之間通過光纖連接，采用全數(shù)字節(jié)點式光端機傳輸視頻。這種方式的優(yōu)點在于通過數(shù)字音視頻傳輸系統(tǒng)的構建，不僅可以 實現(xiàn)全網(wǎng)視頻信息的共享，還可以實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、異步數(shù)據(jù)及電話話務的交換。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，還可以方便的實現(xiàn)各中心之 間的會議電視。