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(wú)處不在，為了打擊各項犯罪，視頻監控體現出了其強大的功能。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的要求有以下特點(diǎn)： 　　

1、容量大：在一個(gè)監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：圖像要求達到480線(xiàn)，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(chǎng)/s)、NTSC制圖像要求達到30幀(60場(chǎng)/s)。 　

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

(1)站級監控系統：各收費站需要對本地的視頻信號進(jìn)行監控 　　

(2)路段中心監控：一條高速公路通常設置1個(gè)路段分中心，對某一路段進(jìn)行監控和管理。 　　

(3)片區中心監控系統：多條高速公路的統一管理通常根據地域劃分為若干個(gè)片區來(lái)進(jìn)行。 　　

(4)省中心監控系統：各省高速公路管理局需要對省內所有的高速公路進(jìn)行統一監控、管理和調度。目前主流視頻傳輸產(chǎn)品介紹 　　

點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機 　　

點(diǎn)對點(diǎn)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(jiàn)圖1)，主要可分為模擬光端機和數字光端機(非壓縮)兩種。點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機的優(yōu)點(diǎn)： 　　

1、使用簡(jiǎn)單靈活，視頻質(zhì)量高，實(shí)時(shí)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、異步數據、以太網(wǎng)數據等多種信號。 　

點(diǎn)對點(diǎn)視頻光端機主要缺點(diǎn)： 　　

1、無(wú)法組網(wǎng)，不具備保護功能，系統可維護性差。 　　

2、無(wú)法實(shí)現遠距離傳輸。如果距離過(guò)遠，只能采用光端機級連方式。多級光端機的級連會(huì )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(chēng)為調幅、調頻、調相光端機。 　　

數字光端機 　

數字光端機上光頭發(fā)射的光信號是數字信號即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、數據信號。

模擬光端機與數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、數據信號信號失真、變畸變、干擾不同。 　　

模擬光端機由于要進(jìn)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(xiàn)形關(guān)系，成為擬光端機質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，到目前為止，很難做到真正線(xiàn)性調制，非線(xiàn)形必然引起信號失真;同時(shí)調制好的載波信號信號還要調制光信號，光信號的非線(xiàn)性也是一個(gè)非常重要的因素，眾所周知，光器件的非線(xiàn)性與環(huán)境溫度變化、工作電壓的穩定性、光發(fā)射功率有很大的影響，因此光器件在生產(chǎn)時(shí)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(cháng)距離傳輸，會(huì )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(huì )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(xiàn)性失真，由光電轉換后的模擬信號進(jìn)入解調，解調與調制一樣會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)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(gè)過(guò)程，都會(huì )引起非線(xiàn)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(zhì)量、數據的效果很難達到很滿(mǎn)意的效果。 　　

數字式光端機僅只有模數轉換的量化誤差(如1V視頻信號12bits時(shí)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。 　　

在現場(chǎng)監控應用中，用戶(hù)可能有許多各種信號，如視頻圖像、音頻、數據、以太網(wǎng)、電話(huà)或其它用戶(hù)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(jìn)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(lái)講，將多路視頻、音頻或數據信號混合調頻、調幅、調相在某一載波上必然會(huì )引起各種鏡像、交調干擾。所以目前市場(chǎng)上不乏很多著(zhù)名國外品牌的調頻、調幅、調相光端機多路視頻、音頻、數據同傳時(shí)出現相互干擾的現象，這些不穩定的現象都是模擬調制技術(shù)長(cháng)期以來(lái)一直所固有的缺點(diǎn)。 　　
數字光端機傳輸的是數字信號，很容易進(jìn)行大容量復用并且不會(huì )出現相互干擾。 　　

3、穩定性不同 　　

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。出現傳輸質(zhì)量隨環(huán)境變化而變化的缺點(diǎn)。同時(shí)模擬光端機經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間使用后，隨著(zhù)元件的老化和環(huán)境的變化，經(jīng)常會(huì )出現視頻質(zhì)量明顯下降的現象。正因為這種缺點(diǎn)，對一些大型、重要工程來(lái)講，模擬光端機的維護成了很令人頭疼的問(wèn)題。節點(diǎn)式視頻光端機 　　

節點(diǎn)式光端機是一種新型的光纖傳輸系統，通常使用2芯光纖將各節點(diǎn)連接形成環(huán)網(wǎng)、鏈網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )結構，視頻和數據可以在任意節點(diǎn)上下。同時(shí)網(wǎng)絡(luò )中還可以傳輸音頻、雙向數據、以太網(wǎng)數據等信號。節點(diǎn)式光端機組網(wǎng)示意圖參見(jiàn)圖2。節點(diǎn)式光端機根據信號調制方式的不同分為模擬傳輸方式和數字傳輸方式。 　　

模擬傳輸方式 　　

節點(diǎn)式光端機如采用模擬方式調制信號，與模擬點(diǎn)對點(diǎn)光端機同樣存在頻間串擾、信號衰減畸變的問(wèn)題。這是模擬調制方式所帶來(lái)的必然問(wèn)題。因此如采用模擬方式，對節點(diǎn)式光端機的傳輸容量、傳輸距離都有很大的限制。 　　

數字傳輸方式 　　

全數字的節點(diǎn)式光端機采用數字方式調制視頻信號，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、節省光纖資源。所有收費站通過(guò)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全數字音視頻傳輸平臺可在2芯光纖上傳輸多達126路高質(zhì)量音視頻信號。 　　

3、節點(diǎn)數量基本不受限制，圖像質(zhì)量全程一致。因為采用數字編碼傳輸，信號無(wú)畸變;且不同于光端機級連方式，在各節點(diǎn)不經(jīng)過(guò)2次編碼調制，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)現自愈保護功能。當某一段光纖或某一節點(diǎn)設備故障，不影響整個(gè)系統的傳輸。 　　

5、可實(shí)現多種業(yè)務(wù)的綜合接入，如視頻、音頻、以太網(wǎng)、異步數據、電話(huà)話(huà)務(wù)等各種業(yè)務(wù)。 　　

6、整個(gè)視頻傳輸系統可通過(guò)網(wǎng)管統一管理和維護，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(guò)現有通信系統接口及通道傳輸視頻信號的設備，其傳輸的圖像質(zhì)量主要取決于通信系統提供的接口和帶寬。 　　

根據接口形式的不同，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(guò)SDH等通信系統提供的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(gè)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(jué)效果較差。 　　

多E1編解碼器采用多個(gè)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(shuō)明： 　

1、編解碼算法：由于交通系統中對視頻信號高質(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壓縮算法傳輸的視頻信號分辨率可以達到720(576，加權信噪比可達57dB，視覺(jué)效果好，能夠滿(mǎn)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(gè)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，肉眼觀(guān)察有拖尾現象，所以要使用多個(gè)E1來(lái)傳輸視頻信號.經(jīng)過(guò)測試及實(shí)際使用，當用MPEG-2算法壓縮后的視頻碼流達到 4Mbit/s(即2個(gè)E1)左右時(shí)即可滿(mǎn)足交通系統中對視頻信號質(zhì)量的要求。當碼流再增大時(shí)，人的肉眼對視頻信號的差別區分不明顯。
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(hù)可根據網(wǎng)絡(luò )資源和對圖像的要求任意分配N(xiāo)個(gè)E1。 　　

(2)一般情況下每路圖像使用2個(gè)E1即可，最多使用4個(gè)E1也就夠了。 　　

(3)使用簡(jiǎn)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(gè)STM-1的SDH系統最多傳送31路圖像;1個(gè)STM-4的系統最多傳送126路圖像。 　　

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

二、IP接口　

通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸視頻信號，俗稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器。通常是使用SDH等通信系統接口外加網(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(diǎn)： 　　

(1)便于多級聯(lián)網(wǎng)。 　　

(2)編碼器和解碼器可以不對稱(chēng)，即解碼器的數量可以少于編碼器，通過(guò)后臺軟件控制解碼器解壓任意一個(gè)編碼器的圖像，實(shí)現一點(diǎn)對多點(diǎn)。 　　

(3)可實(shí)現監控到桌面，通過(guò)軟件可在計算機上解壓觀(guān)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，但一般情況下其內部為每個(gè)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(shí)視頻信號。并且當在一個(gè)端口上既傳送實(shí)時(shí)視頻流又傳送其他數據(如收費數據等)時(shí)，由于視頻信號占帶寬較大，會(huì )影響其他數據的正常傳送，嚴重時(shí)會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )擁塞。 　

2、當編碼器與解碼器不對稱(chēng)，解碼器切換解壓不同編碼器的圖像時(shí)，會(huì )產(chǎn)生馬賽克，嚴重時(shí)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(dòng)補償的技術(shù)。當碼流切換時(shí)會(huì )造成其碼流的不完整，使解壓縮芯片無(wú)法正確的解壓縮。 　

3、為了保證視頻的實(shí)時(shí)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，數據的可靠性完全在于網(wǎng)絡(luò )。而目前以太網(wǎng)協(xié)議中對數據并沒(méi)有QOS保證。因此當網(wǎng)絡(luò )繁忙時(shí)，有可能造成UDP包丟失，造成解壓時(shí)出現馬賽克。 　　

4、以太網(wǎng)的特征是突發(fā)，而實(shí)時(shí)視頻信號的特征是連續，這兩者是有矛盾的，因此當一個(gè)以太網(wǎng)中數字視頻流過(guò)多時(shí)，會(huì )造成以太網(wǎng)交換機的負載急劇增加，網(wǎng)絡(luò )速度變得很慢，影響其他數據的正常交換，嚴重時(shí)會(huì )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(diǎn)對點(diǎn)光端機、全數字節點(diǎn)式光端機、編解碼器等方式實(shí)現。 　　

通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)光端機傳輸 　　

收費站的圖像上傳如果采用點(diǎn)對點(diǎn)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(gè)監控系統占用的光纖資源較多。如果收費站距離中心過(guò)遠，還需要通過(guò)光端機的級連將圖像上傳至中心。光端機級連會(huì )造成信號的衰減及信噪比降低。同時(shí)大量光端機的使用，設備無(wú)法統一管理，系統可維護性差。其優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量高，實(shí)時(shí)性好。 　　

通過(guò)通信系統傳輸圖像 　　

通過(guò)SDH系統提供的2M口或多個(gè)2M捆綁傳輸圖像。每個(gè)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(diǎn)是占用SDH系統資源較多，每個(gè)收費站上傳的圖像數量受系統帶寬資源的限制，不能太多。 　　

通過(guò)節點(diǎn)式光端機傳輸圖像 　　

通過(guò)節點(diǎn)式光端機傳輸圖像，整個(gè)系統只需要2芯光纖將各收費站節點(diǎn)組成環(huán)網(wǎng)或鏈網(wǎng)，節省光纖資源。同時(shí)在各收費站上傳的圖像、音頻、數據及以太網(wǎng)數據的數量可以根據用戶(hù)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，統一進(jìn)行監控管理，并可在局端通過(guò)網(wǎng)管系統對整個(gè)傳輸進(jìn)行實(shí)時(shí)維護。 　　

分中心至片區中心或省中心的視頻傳輸 　　

從各路段中心至片區中心或省中心通常要求上傳的視頻數量比較少，一般每個(gè)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(guò)E1接口傳輸：各中心之間通過(guò)SDH通信系統，采用多E1編解碼器傳輸視頻。因為各中心之間的SDH系統資源較為豐富，需要上傳的圖像數量又不是很多，采用多E1編解碼器能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。 　　

2、通過(guò)IP接口傳輸：各中心之間通過(guò)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(guò)SDH通信系統，只不過(guò)通過(guò)外加網(wǎng)橋將接口轉換成以太網(wǎng)接口。 　　

3、通過(guò)全數字節點(diǎn)式光端機傳輸：各中心之間通過(guò)光纖連接，采用全數字節點(diǎn)式光端機傳輸視頻。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)數字音視頻傳輸系統的構建，不僅可以實(shí)現全網(wǎng)視頻信息的共享，還可以實(shí)現以太網(wǎng)數據、異步數據及電話(huà)話(huà)務(wù)的交換。同時(shí)利用數字音視頻傳輸系統的音視頻雙向傳輸功能，還可以方便的實(shí)現各中心之間的會(huì )議電視。