对光纤传输的数字视频系统的应用探讨

　　0.引言

　　随着光纤技术的迅速发展，光纤传输网络已经在各个领域得到广泛的重视和应用。数字光纤传输网络的性能好坏直接影响到整个系统能否正常工作，特别是计算机、电力和视频传输系统的工作环境复杂，它们对光纤传输网络有着更高的要求。 同时，为光纤传输网络数字视频系统提供了良好的契机，也为远距离、超远距离传输提供了完善的通信线路。

　　1.光缆传输的特点

　　1.1 光纤传输损耗： 光信号在光纤中传输的损耗是光纤一个十分重要的光学特性，它决定了发射与接收端的最大传输距离。 光信号损耗包括吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。 吸收损耗是由于光纤材料不纯引起的;散射损耗是由于材料分子成分的波动以及结构的不均匀或光纤制造材料的缺陷引起折射率的变化而产生的(瑞利散射);散射损耗是由于光纤被弯曲到一定的曲率而产生的。此外，光纤接点之间、光纤与器件之间也存在着耦合损耗，因此，在光纤的装配和接续时应特别注意工艺技术，使耦合损耗最小。

　　1.2 光纤传输带宽： 光纤的信息容量通常以带宽和距离的乘积来衡量。 光纤的传输带宽随着传输距离的增加而减小。 限制光纤传输频带的主要因素是模式色散、材料色散和构造色散。

　　1.3 光传输形式： 光纤是由 2 种不同折射率的石英玻璃材料制成的，其中芯子材料的折射率比包层的折射率稍大一些。 根据光的折射和反射定律，光经过两个不同介质面时就要产生折射和反射，如果两种材料的折射率满足一定的条件，光就不能穿出这两个介质面，并完全反射回来，产生全反射，反射的光束仍以同样的角度通过对面的介质面反射。 所以，光束是在光纤中反复地呈“Z”字型向前传输的，一般反射率可达 0.9995。

　　1.4 光纤传输模式： 光束以不同的角度射入光纤时将以不同的轨迹传输，形成不同的传输模式。可将光纤分为多模阶跃型光纤、多模渐变型光纤和单模光纤。

　　2.视频的基本指标

　　在视频传输系统中有 3 个重要指标，这 3 个指标都会对视频系统质量的好坏产生直接的影响。

　　2.1 信噪比(SNR)：是指传输处理过程中信号噪声增加的程度 ，也是反映信号质量很重要的指标。信噪比是指信号的有用成份与杂音的强弱对比，常用分贝(dB)表示。

　　2.2 微分增益： 是指色度信号的幅度变化随有关亮度信号幅度变化的函数关系，它对图像的影响是彩色饱和度的变化。简单的说：微分增益是亮度信号幅值的变化对彩色饱和度的影响。

　　2.3 微分相位： 是指与色度有关的亮度信号幅度变化所引起的彩色载波分量的相位变化。就是说它是用来描述亮度信号的幅度变化对彩色调制影响的一个参数。

　　3.光纤视频传输系统

　　3.1 调幅

　　调幅(AM)就是用要传送的低频信号去改变等幅的高频载波的幅度，使其包络按低频信号规律变化。 视频传输广泛使用在中短距离的闭路电视监护系统。 这个技术在短距离的视频传输系统中应用较好，视频质量可以达到 RS 一 250Cr“长距传输”的指标要求。 当然，AM 的视频传输设备只使用 0.850um 波长，使用多模光纤，这大大限制了它的传输距离。最重要的是，它的信噪比随光信号的衰减线形衰减，光信号每衰减 ldb 信号比下降 2db，所以它只能使用在非常短的距离上，如图 1(纵轴表示 SNR，横轴表示光纤回路损失)。 有些设备在接收端可以进行增益调节。 但是最终它还是不能提供 RS-250C 的“中距传输”和“短距传输”的要求。 所以不能在 ITS(智能交通系统)和高等级的工业安全监控系统中使用。

　　3.2 调频

　　调频(FM)就是调制信号去控制高频载波信号的频率。 视频传输目前在 ITS 和高等级的工业安全监控系统中广泛使用，它可以提供 RS-250C 的“中距传输”的指标要求，价格也可以接受。 与 AM 不同的是 ，FM 光端机可以使用 1.30um 的波长 ，可以使用单模或多模光纤 ，甚至还可以使用 1.55um 的波长。 典型的传输距离可以达到 66km。 用户在使用时不需要进行调节。 尽管 FM 光端机可以提供较好的传输质量，但是它的信噪比会随光纤传输距离的增加而减小， 如图 2 (纵轴表示SNR，横轴表示光纤回路损失)。并且它的减小并不是线性的，所以我们会难以预料传输的效果。 需要特别说明的是。 RS-250C 的“短距传输”标准对于使用 FM 技术的光端机来说是非常难达到的。 FM 视频传输设备还会受到外部的电子和无线电的干扰(EMI/RFI)，比如无线笔记本电脑、手机、对讲机等,而这些无线信号在地球表面和道路环境中普遍存在。

　　3.3 光纤数字编码视频传输设备

　　数字编码视频传输就是一个标准的 NTSC、PAL 或 SECAM 模拟基带视频信号被高速采样，转变为数字信号，数字信号通过光纤传输，在接收端转换成模拟的视频信号。

　　近年来发明的光纤数字编码视频传输设备采用模 / 数转换芯片对模拟的基带视频信号进行数字化， 然后通过光纤传输到达接收设备，在接收端数字信号通过数 / 模转换回到模拟的基带视频信号。 光端机采用 10 位数字视频编码方式和 24 位数字立体声数码技术的全数字方式，在一根光纤上传输多达 64 路非压缩式的数字视频、128 路双向音频、32 路双向低速数据信号、16 路双向 10/100M 以太网数据和几百路报警开关量信号，并能做到 70dB 的信噪比达到广播级的标准，要是采用普通模拟视频传输光端机很难做到的。因为数字式光端机是对输入的基带的视频、音频、数据进行高分辨率的模拟一数字转换。 这样，光纤传输设备可以直接连接目前存在的 PAL、NTSC 或 SECAM 制式的视频摄像机。

　　数字编码视频设备产品的图像效果主要取决于数字编码的位数。数字编码的位数决定了系统的灵敏度以及信噪比等对图像效果产生直接影响的指标。 实际上，数字编码视频最小的编码位数是 8.8 位的编码可以提供超过 RS 一 250C“中距传输”的标准所要求的图像质量，10 位的编码可以提供超过 RS 一 250C“短距传输”的标准所要求的图像质量，达到真正的广播级的质量要求，如图 3(纵轴表示 SNK，横轴表示光纤回路损失)。 IFS 数字编码光纤传输设备中 2、4、8 以及 16 路的图像设备使用的是 8 位编码器，单路以及单路带数据的设备使用的是10 位编码器。 超过 10 位编码会增加成本，无意义。在这些设备中，视频都没有被压缩，所以视频传输是实时响应，没有延时，每少 30 帧，没有损失。 不同于使用小波、T 一 1、M-JPEG 或MPEG-1 压缩的视频系统。 如果采用数字压缩技术和副载波多进制数字调制，一路节目占有的带宽可压缩到 8MHz 以下，会对视频图像会造成损失和时延。

　　4.数字视频传输系统的优势

　　4.1 可靠质量：真正的广播质量的视频，超过 RS 一 250C 的“短距传输”标准的要求。 安装方便，可以保证 8 位或 10 位编码的视频传输系统可以达到广播级的视频标准要求。

　　4.2 重要指标：信噪比、微分增益、微分相应以及 RS 一 250C 规定的指标与光信号的衰减无关。 在单模光纤应用中，23db～26dB 以内的衰减可以轻松实现视频信号零损失。

　　4.3 视频压缩：视频质量优于光纤传输的基于 T 一1，成帧 T 一1或 MPEG 一1 压缩的视频系统。

　　4.4 传输损失：只有前端物理层产生最小的传输信号损失，保证了整个系统图像保持在最高的水平。 数字编码传输设备非常适合使用在选用了高清晰的摄像机的系统中，提供高质量的视频信号。

　　4.5 价格与效果： 数字编码光纤传输设备的价格和基于 FM 的符合RS 一 250C 标准的设备价格差不多，而效果却要好。

　　4.6 不受干扰：由于传输的视频图像越多，各频段之间的间隔频带就越窄，就容易产生频率窜扰。 而无器件减少提高了视频传输系统损失，而且系统不受外部的无线频率相互干扰。

　　4.7 视频质量可预测和重复传输： 视频质量是可以不变的、 可预测、可重复传输的。 IFS 近来提供了大量的单模单路视频 /2 路数据的光端机给世界上最大的 ITS 工程一波士顿中心交通枢纽工程。 在这个系统中，有接近 400 个摄像机或 400 套独立的光纤传输设备。 在这个划时代的工程中，方案设计者 Honeywell 公司明确提出，只有数字编码光纤设备可以适应如此复杂的网络，而基于 FM 的设备无法达到这个要求，这就是选择数字编码设备的原因。

　　5.系统设计时应注意的问题

　　视频传输信号损失最小对于那些采用了数字编码光纤设备的多层系统是重要的，因为那些大的高级交通管理系统(ATMS)往往在摄像机和控制中心之间分为 3 层或更多层。 这些层中往往包括视频光纤连接，在远程还需要使用 T 一 1 或成帧 T 一 1 编码器、ATM(异步传输模式)交换机、SONETOC 一 3、OC 一 12、OC 一 48 或 FM 的视频宽带复用器等，还包括视频矩阵、以及最后的监视器等。 在每一层都会使视频信号产生损失，所以在网络设计时每一层保证最小的信号损失就显得十分重要。

　　在高级交通管理系统中，网络第一层显得特别重要，从摄像机通过光纤连接到下一层。 当视频信号在这一层遭到破坏时，它将无法恢复。一个数字编码的视频传输设备提供至少 67dB 的信噪比，在这里使用尤其合适，它事实上可以提供几乎是透明的无损失的传输效果。在通常交通监控或环境监护系统中使用的摄像机信噪比最大为46dB-48db， 高级交通管理系统设计要求端到端的信噪比达到 54dB或更高。 这个网络的信噪比就是系统中信噪比最小的那一层的信噪比。 所以在网络中使用高信噪比的数字编码设备就可以忽略信噪比损失的影响。

　　6.结束语

　　综上所述，由于数字视频传具有传输信号质量高，没有模拟调频、调相、调幅的视频多路信号同传时交调干扰严重、容易受环境干扰影响、传输质量低劣、长期工作稳定性差的缺点，因此许多大型重点工程已普遍采用光纤传输的数字视频技术。 数字视频光纤传输系统采用的是光纤网络的传输方式， 这是当今时代光纤传输网络发展的方向，它直接就把我们引入了光纤接入网和光纤交换网的新时代。