分析监控系统中光纤传输方案的选择和应用

　　随着平安才城市的兴起，越来越多的视频监控安装在公共场所。目前城市交通和高速公路监控中诸多功能的实现，过于烦琐，造成整体建设成本过高。使得投资者望而却步，能省则省，能不用的功能就尽量不用，使得城市交通和高速公路监控遇上了新的瓶颈。其主要原因是，单一传输系统不能提供相关的功能接口。典型的电视监控系统主要由前端监视设备、传输设备、后端控制显示设备这三大部分组成，其中后端设备可进一步分为中心控制设备和分控制设备。前、后端设备有多种构成方式，它们之间的联系（也可称作传输系统）可通过电缆、光纤或微波等多种方式来实现。

　　还有一些如普通电话信号、一些对讲系统和以太网信号根本就不能实现。只能再建1个或2个传输子系统来满足这些要求。并且有的信号接口形式看似与光端机类似，实际却不同，如单工RS485和半双工RS485等，这些信号通过电缆直接连接时，系统能正常工作，但如果用光端机的普通功能接口连接，系统就无法 正常工作了，这时经常会认为是光端机的接口工作不正常，其实却不然。因为其现有系统中的传输子系统没有提供相关的接入方式。如PETELCOM、OTSYSTEM等品牌率先推出了以10位数字视频编码方式，采用进位数字时分复用和CWDM光粗波分用技术相结合的全数字化传输方案。由于此类产品采用的上全数字的解决方案，所以有着许多模拟系统无法比拟的技术优势。

　　首先它大大提高了视频图像的传输质量，其信噪比很轻松就达到了70db,达到广播级要求。再加上采用大规模的集成电路结构和表面贴装器件，使产品更加稳定可靠。在同等情况下模拟光端机的信噪比随着距离的增加，在不断地下降而数字光端机在整个传输过程中，基本保持不变，这就是数字传输技术所带来的优势。以OT Systems光端机为例，OT Systems光端机采用10位数字时分复用和CWDM光粗波分用技术相结合的全数字化传输方式。通过1芯光纤完全可以同时传输"64路视频+多路监听音频信号+多路对讲语音或电话+多路报警+多路反相控制数据100M以太网"，图像质量可达到广播级标准。系统具有抗干扰性强、无中继传输距离可达近百公里、信号上接下分（分插复用）都非常方便、优化利用光纤信到、性价比优等特点。而且该系统均采用模块化结构，可进行任意组合，插上机架就可以工作，不需要调试，完全傻瓜式操作。所有模块均采用大规模集成电路结构和表面贴装技术进行生产。

　　OT Systems数字光端机在城市智能交通监控系统中的应用：城市智能交通是ITS的重要组成部分，它们一般由信号灯控制系统、视频监控系统、电子警察系统、视频检测和可变情报板等系统组成，要完成上述功能，路口所有的信息都要通过光端机传到交警支队指挥中心，而指挥中心的各种控制命令则要传到路口的各种设备上。这些信息主要有：1、监控摄象机的视频信号；2、控制摄象机的控制信号；3、信号机联网的数据信号；4、电子警察联网的数据信号；5、视频检测系统联网的数据信号；6、可变情报板的联网数据信号。这些信号除视频是模拟信号外，其余都是数据信号。这些数据信号也是各种各样的，有可能是低速的串行数据，也有可能是高速的以太网数据。为了传输这些信号，传统的解决方案是用模拟视频光端机传输视频信号和低速控制信号，用数据光端机或电话线、ISDN、DDN等另外的通信信道传输信号机、电子警察、视频检测等系统的数据，如果路口还有计算机等设备，则还需用以太网光纤收发器把它们与支队的计算机网络进行联接。

　　此种解决方案，监控视频网与数据网是分开的，不但增加了系统的设备投资和系统的复杂性，而且可能还需要更多的光纤数或电信通信信道。这就造成如下缺点：系统投资成本高、系统维护复杂困难、系统运行费用高。造成此种缺点的根本原因还是我们前面提高的，由于传统的模拟视频光端机几乎都采用调频方式，因此很难同时在1芯光纤中传输多路视频/音频和多路高速/低速数据信号，或者即使可以实现，也由于其实现成本很高，投资难以降低；而OT Sysgems光通信的数字视频/音频/数据光端机的应用，则使这些问题迎刃而解。

　　实现所有信号的联网，仅仅采用了1芯光纤，大大简化了通信系统的组成，不但降低了系统的投资成本和维护成本，而且由于租用光纤数的减少，使得系统运行的通信费用也大幅度降低。这一切得益于采用了全数字的光纤通信技术，使得系统的综合通信能力得到大大的加强。OT Systems数字光端机通过1芯光纤可以同时传输如下信号：1、1-N路视频；2、1-N路单向/双向音频；3、1-N双向串行数据；4、1-N路开关量信号网络数据；5、1-N路电话。

　　这使得OT Systems数字光端机这类产品的解决方案非常适合在智能交通监控系统中进行联网应用。如果要建设一个满足目前及今后业务发展需求的以传输视频图像为主的多业务监控光纤传输系统，该系统应该是选择。而此类产品提供的不仅仅是一个系统传输方案，更多的是提供了一个易于灵活多样地进行扩展的光纤传输业务平台，可以保证系统能从现有的业务需求平滑升级到未来发展所带来的需求，再依次保护运营商利益。所谓平滑升级，是指为满足业务需求，在逐步增加电视图像数时，所有已经在使用的设备的类型不发生变化，在线数量不发生变化，站址及站距不发生变化，无须重新调整预算，整个升级过程不会造成任何业务的中断。

　　正交频分复用（OFDM）作为为10Gbps城域网开发的、富有影响力的技术，也为在下一代光接入网中实现高比特率和更长传输距离提供了可能。

　　宽带连接技术在范围内的应用迅猛增长。尽管如此，新服务的出现——诸如超高清（HD）电视、本地和存储局域网、文件共享、高清视频点播、视频会议、在线互动游戏、用于室内数字影院的家庭网络等——构成了产生带宽瓶颈的威胁。因此，所有的主要运营商纷纷表示，FTTH时代已经来临。

　　然而，FTTH必须继续满足未来带宽需求的变化，这种演变更可能是诸如TDM或者WDM-PON的新网络架构的产生。

　　从另一个角度来讲，目前在主要的光通信业内会议例如OFC/NFOEC和ECOC上可以看出，大量的研究工作高度关注高频谱利用率的新的调制格式，尤其是基于正交频分复用（OFDM）的调制技术。有了这些调制技术，新型设备有望在高比特率应用需求大量出现时，突破带宽瓶颈。

　　第三代数字光纤产品与老的模拟传输产品和铜为基础的系统相比，提供了一个独特的优势：性能的一致性。不论使用多长的光纤，基带视频和音频性能在整个系统中将永远保持高真度，并提供一致的性能。

　　点对多点的分配AV信号可以很容易地实现数字光纤技术。拓扑可作为复杂的，简单的或必要的。由于基带AV信号处理期间从未分配，因此在传输过程中他们没有任何的扭曲，与传统铜为基础的分配技术共通。

　　普遍的都误解光纤是脆弱的，但正常的聚氯乙烯套光纤其实是非常坚固的。它有一个相对严格的弯曲半径，这是优于Cat6之处 ，并可以在典型的分期安装中使用。由于光纤使用Kevlar作为构造的一部分，因此它可以承受很大的压力并不会破损内部的玻璃光纤。

　　往往需要从多模转换到单模光纤传输。如果使用数字信号，这可以很容易地进行传输，一进， 一出，光分配放大器可以用来配置转换，传送过程中没有任何基带信号衰减。

　　如果您有一个现有的光纤安装需要升级的，考虑用新的数字多路复用器替换所有现用的发射器和接收机器。您用的产品不仅提高了传输质量，而且可以用少量的光纤传输更多的信号，腾出现有的光纤以备将来应用。

　　当考虑使用光纤分配AV信号与同轴电缆或铜比较费用成本时，请看看所有安装成本，包括电缆的费用，安装劳动力，导线管，电缆布线，安装，以及支持的时间。当您看到所有这些隐藏因素的真正费用时，你将会了解到光纤长距离传输带来的经济利益和高技术的好处。

　　硬件制造商规格指定的分贝，不得超过，计算光损耗，确定通过光纤可传输的距离。在几乎所有的AV设备，大多数的光损耗来自连接器，接合器，插口线，和面板，而不是来自光纤。在设计您的系统时，请记住这一点。

　　光纤传输的独有特点就是抗干扰。由于光纤中没有金属成分，与天线不同。因此，通过光纤传输视频，音频和数据，不会受来自无线电发射器，电动机，对讲机和其他类似装置的干扰。

　　你有希望可以简单地在工地快速地连接两个盒子？数字光纤传输系统，能实现您的愿望。不需调节，以补偿信号水平或不同的传输距离。无论光纤有多长，数字系统都能提供清晰的视频和音频。

　　光纤传输的敌人之一就是往往不能被发现的东西。细微颗粒的污物和尘埃位于光纤连接头上，就像一个窗户被阻挡了光线一样。在使用光纤前，总是用酒精和无绒布擦拭光纤连接头的顶端。

　　如果您正在安装光纤到安装工程，用单模光纤替代多模光纤。为什么？单模光纤具备更高的带宽和信号承载能力有助于您将来升级。多模光纤，也许能适用于今天的需要，但单模光纤所花费的成本随着时间的推移将更值得付出。

　　您是否知道，在AV应用中光纤是成本的电缆类型？光纤比CAT – 5，5e，6以及新的无扭曲双绞线比要便宜，与铜相比更便宜。一根光纤可以携带与多个高分辨率铜轴电缆束一样多的信息，现在制作光纤终端连接跟铜轴电缆一样容易。

　　您是否正考虑将来使用光纤，但是又担心在工地终端连接问题呢？今天光纤的终端连接头制作已经跟铜轴电缆的BNCs一样容易了。新的工地终端工具包完全不需要研磨，抛光，并且使用了环氧树脂。易于使用的夹具能保证您每次都对齐。

　　光纤与铜传输相比的一个有点就是它能够在一芯光纤上双向传输视频，音频和数据。一个所谓的波分复用（WDM）技术就是在一个方向使用一个波长的光来传输信号，在相反的方向使用不同的波长传输。不，光在光纤内彼此不会干扰，并且它们在彼此两端很容易结合与分离。

　　开发光纤的能力就是使用一个数字多路复用技术。在这里，我们的许多数字化的视频，音频和/或数据信号，把它们结合到一个高速数据流。这个多元流通过一个波长的光纤被发送。光接收器，处理过程相反，原始信号又被恢复给用户。与以铜为基础的技术相比，光纤具有巨大的能力。

　　光纤系统设计中，链路损耗预算是一个重要的参数，但是往往被忽视。测量分贝，发射器和接收器的设备制造商规格中规定的数额的光信号损失。在AV系统中，光纤不是造成光信号损失的主要因素。相反，它的所有机械连接和看不见的敌人：污物和尘埃。请保持连接干净！

　　多模光纤和单模光纤有什么区别？单模光纤的成本不超过多模光纤，并且能带来很多好处，包括大容量信号远距离传输和更大的能力。光纤产品设计单模光纤的成本高是由于光通过光纤的更细小。然而，使用单模光纤能在安装设施中提供更多的利用价值。

　　在AV系统中设计信号分配拓扑结构点对多点时，数字光纤提供了很大的灵活性。菊花链，利用数字光纤分配放大器不需要昂贵的费用。此外，无论离源头有多远，都能保证每个显示器的数字信号质量统一。

　　光纤的重量轻，便于操作，灵活和轻薄，使它成为分期应用的理想产品。它可以隐藏在几乎任何地方，观众根本看不到它。然而，光纤并不脆弱。不管弯曲，拉或者压，光纤会因为它外面厚厚的包裹而不受影响。

　　Plenum光纤与Plenum铜相比成本低：消防条例要求使用Plenum级电缆。这通常超过标准同轴电缆和CAT - 5电缆百分之百的费用。没有这样的光纤。 Plenum级光纤低于标准的PVC电缆10%费用。这是一个真正的节约！

　　您是否知道，利用数字光纤进行信号分配有一个主要的好处之一就是在整个传输过程中保持信号的一致性？在短距离或长距离传输中，视频，音频和数据信号到达它们的终点保持统一的原始品质。数字光纤技术消除噪声，串扰和非线性失真，而且重要的是它这样做的花费的成本与过去使用的模拟系统相比相同甚至更便宜。

　　光纤传输的一个独特性能就是它的安全性。光纤不辐射任何信号，它的通信传输方式与铜基础的传输不一样。不会因近距离监控对毗邻的电子设备造成干扰。敏感军事和企业应用现在已经广泛的使用光纤，即使传输距离很短。

　　光纤成本低：你知道光纤是A/V应用中成本的电缆类型吗？它比CAT-5，5e，6以及新的“无扭曲”UTP便宜，与铜相比更便宜。一根光纤可以携带与多个高分辨率铜轴电缆束一样多的信息，现在制作光纤终端连接跟铜轴电缆一样容易。

　　笔者曾经一直从事计算机网络与通讯的工作，近由于工作的变动，有机会近距离了解与参与综合布线。但是经过一段时间的接触，发现一个长期模糊而又时常在使用的概念。而且我相信很大一部分人（包括笔者本人与相当一部分从事通讯和综合布线行业的人） 都对该概念都讲不清说不明。那就是，我们平时在网络通讯中所说的带宽与速率，它们究竟是怎么回事，他们之间又有着什么样的关系呢？尤其是我们在综合布线时，常常会听到超五类非屏蔽双绞线也能提供高达1000Mbps的传输速率，但是非屏蔽超五类带宽却只有100MHz。带宽达250MHz的6类线也能支持1000Mbps的传输速率，带宽达500MHz的6A类，带宽达600MHz的7类或更高的7A类等等。他们能支持1000Mbp,10000Mbps甚至是更高的传输速率，那我们又是怎样知道他们在彼此的带宽基础上能传输不同的速率的呢，它们彼此又都是使用了什么技术呢？ 带着这些疑问，笔者近查阅了大量相关的资料，在此与大家作一个带宽和数据传输速率之间关系的简单探讨。

　　首先我们来了解通信信道传送信息能力背后的一些原理以及数据编码技术。由于此处将会谈及一些理论与数学计算，因此我将尽可能地避免复杂的数学问题，但也不可能完全忽略。

　　一、编码技术应用

　　事实上，香农公式早已概括出带宽B和速率C 之间的关系：C=B*Log（1+SNR）

　　式中B为信道带宽，所谓带宽是指能够以适当保真度传输信号的频率范围，其单位是Hz，它是信道本身固有的，与所载信号无关。SNR为信噪比，它由系统的发收设备以及传输系统所处的电磁环境共同决定。而速率C是一个计算结果，它由B和SNR共同决定，其单位为bps，在概念上表征为每秒传输的二进制位数。

　　可见，给定信道，则带宽B也随之给定，改变信噪比SNR可得到不同的传输速率C 。MHz与Mbps有着一对多的关系，即同样带宽可以传输不同的位流速率。同时，Mbps是依赖于应用的；而MHz则与应用无关。

　　如果要给它打一个形象的比喻，那么汽车时速与引擎转速恰到好处。当给定旋转速度，在齿轮已知的情况下可以计算出汽车的速度。在这个类比当中，齿轮起了一个桥梁的作用。事实上，齿轮之于汽车和引擎就如编码系统之于速率和带宽。

　　编码是为计算机进行信息传输而被采用的。通过对信息进行编码，许多技术上的问题，比如同步、带宽受限等都可以得到解决。编码对于信息的可靠传输是至关重要的。

　　目前有两种基本的编码系列。种是每N位添加一个同步位，以使同步成为可能（如当N=1时，为Manchester（曼彻斯特）编码；当N=4时 ，为4B5B编码），但这需要一个比原来更大的带宽。而且同步位越多，带宽需要越大。为了减小带宽，采用每7位添加一个同步位（即 7B8B编码）的编码系统是可能的，但随之而来的是，当传输较长一串相同类型的位流时，同步就变得非常困难了。

　　另一种编码系列是通过增加电平个数以减小带宽，电平数越多，带宽需要越少。然而，当传输一长串由0 编码后得到的连续信号时，同步就变得几乎不可能了。如，当我们采用5个电平数的时候就需要4个比较器，而且每个比较器都应该有其合适的公差范围。这就是说，当我们选择电平总数的时候，我们还应该把信噪比（SNR）考虑进去，以便能识别这几种不同的电平。

　　Manchester（曼彻斯特）、NRZ1（不归零编码）以及MLT-3（三电平双极性）编码是目前主要采用的三种编码系统，。它们的传输因子分别为1、0.5和0.25。这些转变因子可以被定义为MHz对的比率。由此看来，任何一种编码系统都有其技术上的限制。此外，还有一些参数比如直流元件也对编码提出某些限制，在实际应用 中，当前主要几种编码系统都是兼而使用以便对带宽与同步作出折衷，或者有所偏重，比如，一个对同步要求比较高的应用可以选择Manchester编码系统或者其他能够产生时序的编码方式。又如，采用MLT-3编码的100 Mbps应用，需要25 MHz的带宽；当联合使 用4B5B编码方式时，系统就需增加额外的25 Mbps 开销，整个系统需要31.25 MHz的带宽，其好处是系统在同步方面变得更容易了。 另外，值得一提的是，100快速以太网使用的是5B6B编码系统（IEEE802.13），这可以说是对带宽与同步折衷的典型范例。

　　二、 基本原理

　　简单地说，局域网上的数据通信是通过从发射器发出一系列“1 和“0”码到接收器来实现的。二进制数据通常以方波来表示（图1）。

　　然而双绞线上传输的并不是一个纯正的方波。二进制数据实质上是一种重复形式（在某一点上）。重复形式101010表示坏情况的模型。傅里叶变换表明[注：傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用（例如在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量）。]，这种坏情况的重复形式确实由有限的一系列正弦频率组件（正弦波）组成，它们可以分为基频和大量的谐波（若干个基频）。这就有点像圆是由有限个很短的直线组成的。基频是正弦波，其周期等于比特时间的两倍。这些听起来非常复杂，我们可以用一个简化的例子更好地进行解释：比特时间＝ 1／比特率

　　因此，如果101010 形式是10Mbps 数据流的部分，我们每秒钟就有10,000,000 比特。每个比特占有千万分之一秒。基频的周期是比特时间的两倍（见图1），即千万分之二秒。基频＝ 1／周期＝ 5,000,000 Hz ＝ 5 MHz （Hz ＝ 周／秒）。

　　为了得到合理的方波，必须由谐波（仅在上述方波情况下为奇谐波）来对基频进行补充。为了得到完美的方波，还必须有有限数量的这种谐波。由于有源设备处理方波的近似值很合理，因此基频加上第三谐波和第五谐波（或是在某些情况下基频加上第三谐波）就足够了。

　　图2 基频加上谐波得到方波的近似值

　　图2 中所能看到的波形总和，是“0”“1”序列比较相近的表示。串扰和衰减的影响往往也会影响波形。这就开始解释为什么每秒10Mbps的10Base-T需要三类布线16MHz的带宽，5MHz基频加上15 MHz第三谐波。

　　三、实际应用

　　通信系统的带宽表示了其传输这些不同频率组件的能力。在结构化布线系统中带宽的单位通常以MHz 表示。超五类布线的带宽名义上有1 0 0MHz。假设应用一个简单的二进制传输“码”，那么在理论上，可以由Nyquist（奈奎斯特）等式来计算的信息传输率：C= 2 W Log 2 M

　　其中，W 为带宽（单位：H z ），M 为信令单元的数量，当M=2时， C= 2 W。

　　这就得出理论信息容量为每秒2x108 比特，即200Mbps。实际上，由于串扰和衰减的影响这个值会有所减少。

　　那么，超五类信息道支持数据传输达到千兆位以太网（1 0 0 0Mbps），如何让带宽适合于它呢？那就得增加数据传输率，增加数据吞吐量的关键，是对每个信令单元引入多于1 比特。商业运用中大部分公共协议都在某种程度上用到了这种技术，我们称之为数据编码。

　　大部分数据编码类型都利用mBnL编码来实现，也就是由L个电平每个电平n个脉冲来表示m比特的序列。使用实例如ISDN 和快速以太网。以100Base-T4 为例。100 Mbps信号分成三线对进行传输。每线对的比特率为33.33 Mbps。为了减少该比特流的频率容量以及布线系统的带宽需求，就要运用三重代码。在传输各组8 比特数据之前，转换为6 个三重符号（见图3 ）。

　　这就把发送信号系统的有效时钟速率减少至2 5 M H z，这样（在我们所述的个例子中）基频减少至12.5 MHz。这允许三类布线系统中提供的带宽内传输率为100 Mbps。

　　千兆位以太网采用了一种不同的方案，它把各组8 比特（8 B）数据转换为穿过四根双绞线的四个五重符号（1 Q 4）的传输， 每个符号代表两个二进制比特或零。即使用PAM-5编码，它使用-2,-1,0,1,2五种电平，其中四个电平用户信号编码，一个电平用于向前纠错编码。五级PAM编码相对于二进制编码将信道利用率提高了一倍，这样每线对的信号波特率下降为125MB/s,则基带将为62.5MHz,再降低了信号所占用的带宽。这样确保超五类系统满足带宽需求。

　　四、结论

　　各个应用的比特率与其基频有关。的频率容量是基频的谐波。不应把它与时钟频率相混淆（比特流以时钟频率取样）。例如，10Base-T 的比特率为10Mbps，采样时钟为10MHz，但是基频仅为5 MHz。通过以MHz 表示系统性能需求，标准提供了一个蓝图，有源网络组件设计人员都可以根据它来设计他们的设备。提供的布线系统和有源设备都满足相关标准的性能需求，那么所有的一切都正常运转起来！作为用户，感兴趣的是通信速率。速率是从应用层次对通信作出描述的。为提高通信速率，有两个途径可以考虑：一个是提 高线缆系统的传输性能，由此决定了带宽；另一个是选择合适的编码系统，从而决定了转换因子。 尽管带宽在物理上受到限制，但是通过合适的编码系统可以获得更高的通信速率。尤其需要指出的是，编码系统是依赖于应用的，这意味着一个具有相同位流速率但采用不同编码方式的新应用，并不一定能得到原系统的支持，所以在设计的时候，如果仅仅考虑那些支持目前已有应用系统的布线组件，并且选择位流速率MHz来描述的话，那么这将导致严重错误的决策。从这个角度来说，任何一个开放系统都应该独立于应用。而且只有使用MHz来描述通信速率，我们才能从当前以及未来广阔应用领域之中作出充分的选择。对于综合布线系统的性能定级问题，我们只能用带宽而不能用速率进行衡量