光端机技术的发展与应用

光端机技术的发展与应用一、引言随着通信技术的飞速发展，光纤通信技术已成为通信的重要手段。光纤传输系统具有容量大、传输距离远、抗干扰性强等优势,在通信传输方面有着不可替代的地位。光纤由玻璃做成，传输质量好,理论可利用带宽可达50000GHz，无中继传输距离可达50～80公里，可用于电力网和变电所等强电磁环境。二、光端机的发展光端机最初是从国外引进的，从最初的模仿制造到完全拥有自主知识产权的自主创新，光端机的发展经历了从模拟技术到数字化技术的过渡，实现了从功能单一到多业务综合传输的飞跃，由最初的少量使用到目前的大规模应用，光端机伴随着应用技术的发展一步步地走向了成熟。早在2000年，国内光端机市场主要被模拟视频光端机占据；2003年，数字视频光端机迅速发展，取代模拟视频光端机；2005～2009年，随着数字监控技术的迅猛发展，大项目、大系统中的组网方式越来越倾向于选择基于TCP/IP网络传输协议的传输技术，用户的需求不再只满足于单一的产品，而需要一整套解决方案和一整套平台，光传输平台化产品以及系统解决方案技术成为新的技术竞争点；2010年，高清、智能时代来临，各大光端机厂商又纷纷将自身精力投向了视频监控智能技术、高清技术的研究，各种高清光端机产品纷纷投入生产、应用。1.光端机的工作原理光端机就是用来将光信号和电信号互相转换的一种设备,它对所传信号不会有任何压缩，其主要作用是实现电-光和光-电转换。光端机一般分为光发射机（如图1所示）和光接收机（如图2所示），一般成对出现。图1光端机SDI光纤发送器图2光端机SDI光纤接收器（1）光发送机光发送机由输入码型变换电路、光发送电路组成，其中输入码型转换电路用CPLD或FPGA来实现，如图3所示。光发送机是把电端机输出的数字信号对光源进行直接光强度调制转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制实现。在光纤通信系统中对光源有一些基本要求：①光源发光波长必须与光纤的低损耗工作波长相一致；②光源的输出功率必须足够大；③光源应有很高的可靠性；④光源的谱线宽度要窄；⑤电光转换效率要尽量高；⑥光源应便于调制；⑦光源应体积小、重量轻，便于安装。光发送机的性能指标有很多，从应用的角度主要有以下两个：平均发送光功率及稳定度：平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。消光比：消光比定义为最大平均发送光功率与最小法光功率之比。（2）光接收机光接收机主要由光接收放大电路和输入码型变换电路组成，如图4所示。其作用是把经光线传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并处理放大，恢复为原发射的数字序列。光接收机的主要性能指标有以下两个：接收灵敏度：在一定误码率条件下接收机能监测到的最小平均信号光功率。接受动态范围：在一定误码率条件下，接收机能监测到的最小平均接受光功率与最大平均接受光功率之间的比值。2.光端机的分类从传输方式上光端机可分为数字光端机和模拟光端机两类。模拟光端机是将要传输的信号进行幅度或频率调制然后将调制好的电信号转化成光信号，在接收端将光信号还原成电信号，再把信号进行解调，还原出图像、语音或数据信号。数字光端机是将所要传输的图像、语音以及数据信号进行数字化处理，再将这些数字信号进行复用处理，使多路低速的数字信号转换成一路高速信号，并将这一信号转换成光信号。在接收端将光信号还原成电信号，还原的高速信号分解出原来的多路低速信号，最后再将这些数据信号还原成图像、语音以及数据信号。模拟光端机上光头发射的光信号是模拟光调制信号，它随输入的模拟载波信号的幅度、频率、相位变化引起光信号幅度、频率、相位变化而分别称为调幅、调频、调相光端机。而数字光端机上光头发射的光信号是数字信号（即0或1对应光信号强、弱两种状态），不同的0和1组合代表不同幅度的视频、音频、数据信号。模拟光端机与数字光端机的区别主要表现在以下几个方面：（1）信号输入、输出处理方式不同无论是模拟光端机还是数字光端机，对输入的基带的视频、音频、数据信号都必须进行处理。对于模拟调幅光端机，处理方式是将视频、音频、数据的幅度对一高频载波信号进行调制，使高频载波信号的幅度、频率、相位随视频、音频、数据的幅度变化而变化。而数字光端机对输入的基带的视频、音频、数据进行高分辨率的模拟-数字转换，如1Vp-p幅度范围的幅度信号利用12bits的数字信号来表示，1V等分成4096，因此模数转换后引起的最大电压幅度误差为1/4096V（约2.5mV）,此误差电压称为量化误差电压，各种幅度的电压数值从0V、1/4096V、2/4096V……最大1V，分别对应的数字编码为000000000000、……11111111111，数字编码信号直接控制光头发射的光信号的强、弱两种状态（对应0或1），接收光端机再将数字编码进行数字-模拟转换，恢复成原始的基带的视频、音频、数据信号。信号输入、输出处理方式的不同，会引起视频、音频、数据信号失真、畸变、干扰等不同。模拟光端机由于要进行调幅、调频、调相，所以模拟信号的幅度的变化与载波信号因调制而引起的幅度、频率、相位的变化是否为一一对应的线形关系成为衡量模拟光端机质量好坏的关键，到目前为止很难做到真正线性调制，但非线形必然引起信号失真，同时调制好的载波信号还要调制光信号，光信号的非线性也是一个非常重要的因素。众所周知，光器件的非线性与环境温度变化、工作电压的稳定性、光发射功率有很大的影响,因此光器件在生产时需进行7～10天的热循环老化等工艺筛选，老化、测试也只能将这种变换控制在一定的范围；光信号在光纤中长距离传输，会引起光信号的功率衰减，传输频率漂移、相位失真，光信号色散效应同样也会引起光信号畸变；光信号到达接收端时，接收光器件仍然要引起非线性失真，由光电转换后的模拟信号进入解调，解调与调制一样会产生非线性畸变。所以综合模拟光端机从输入信号调制、电光转换、光输、光电转换到解调这五个过程中都会引起非线形失真，而这些信号畸变失真是固有的，是不可消除的，因此模拟光端机传输视频图像、音频质量、数据的效果很难达到很满意的效果。而数字式光端机仅有模数转换的量化误差（如1V视频信号12bits时仅为2.5mv)，不足以引起信号畸变。（2）多路信号同传引起的交调失真在现场监控应用中，用户可能有许多种信号，如视频图像、音频、数据、以太网、电话或其他用户自定义的信号，如果每种信号分别用一对光端机来传输，必然价格昂贵，所以为了提高光纤的利用效率，降低成本，必须使各种信号在光端机进行复用，以便在一对或一根光纤上传输。对调频、调幅、调相光端机来讲，传输10/100M以太网信号或多路电话等高速信号是难以做到的，将多路视频或音频信号混合调频、调幅、调相在某一载波上必然会引起各种镜像、交调干扰。所以目前市场上不乏很多著名国外品牌的调频、调幅、调相光端机多路视频、音频、数据同传时经常出现相互干扰的现象，这些不稳定的现象都是模拟调制技术长期以来一直所固有的缺点，因而模拟光端机传输信号容量有限，一般不会超过4路信号同传。而数字光端机传输的是数字信号，很容易进行大容量复用并且不会出现相互干扰。（3）稳定性不同模拟调制光端机由于采取载波调制方式，载波及光头很容易受环境和温度影响，出现传输质量随环境变化而变化的缺点。正是由于这种缺点，对一些大型、重要工程来讲，模拟光端机的维护成了很令人头疼的问题，由此也给很多工程承包商或业主带来了很大不满。而数字光端机就没有这些问题，因此在工程应用方面,广泛使用数字光端机已成为大势所趋。三、数字光端机的优势及其应用1.数字光端机的技术优势2001～2003年，随着宽带数字光传输器件技术以及数字视频技术的飞速发展，数字光端机开始走向市场。由于在市场以及应用领域上数字光端机和模拟光端机基本重叠，所以数字光端机凭借其优势在短时间内就占据了模拟光端机的市场，并使得国内外众多光端机厂商纷纷转向数字光端机。是什么原因导致这样的情况呢？新一代光端机技术具有怎么样的先进性呢？将模拟信号先进行数字化处理后再进行传输是光端机技术质的飞跃性发展。数字光端机是将多路模拟基带的视频、音频、数据进行高分辨率数字化，形成高速数字流，然后将多路数字流进行复用，通过发射光端机进行发射；另一端的接收光端机进行接收，解复用，恢复成各路数字化信号，再通过数字/模拟转换恢复成模拟视频、音频、数据。数字光端机不仅能解决如前所述的模拟光端机的诸多问题，并且还具有以下优势：（1）传输容量大，业务种类繁多传统的模拟光端机之所以被打败、市场被吞噬主要是由模拟光端机自身的缺陷造成的，它传输的信号容量有限，不能充分利用光纤的带宽；传输的信号种类也比较单一，只能是视频、音频、RS-232、RS－422低速数据等几种信号，这和当前多样化的市场需求是极不相符的。而数字光端机能够更好地利用光纤带宽资源，能够传输更大容量的信号，例如，按照模拟视频技术的普遍水平，模拟光端机最多可在一芯光纤上传输32路视频信号，而数字光端机的传输容量能达到单纤传输上百路的非压缩视频。数字光端机可使用一根光纤同时传输多达8路视频（采用CWDM可达64路）以及多路双向音频、多路双向数据、以太网、开关量等，这极大地丰富了光端机传输的信号种类。所以传输容量的提升，提高了光纤带宽的利用率，降低了传输系统的成本，提高了性价比。信号质量的优劣是以信噪比指标为标准的，数字光端机视频图像的信噪比指标在8bit分辨量化级的情况下可以轻松达到60dB，在10bit分辨量化级的情况下甚至可以达到70dB。同时，由于将传输信号数字化，也避免了模拟光端机传输中传输通道之间相互干扰的问题。此外，数字光端机传输的是数字信号，不存在模拟信号那样的衰减，经过无损中继理论上的传输距离可达到无限远。（2）提供新技术的应用基础将模拟信号数字化，使得光端机向标准化、模块化方面发展成为可能；同时，和其他众多数字化设备一样，数字光端机实现设备自身的监控和管理成也为可能。所以，信号数字化为光端机引入更多的新技术、新结构以及新概念提供了根本基础。2.数字光端机的应用现状根据《2008-2009年度中国光端机市场研究报告》的调查统计，2008年国内光端机市场容量在7亿元左右，近几年来随着全球经济复苏对安防行业的拉动，特别是光网络平台广泛应用于安防领域，使得我国光端机市场需求年均增长率达到了25%。据最新调查数据显示，光端机在2012年第二季度市场规模为3.8亿元，同比增长13%，全年能够达到15～16亿元。另外，光端机的价格同比下降2%左右；高清光端机出货量同比增长约100%；在总销量中，点对点光端机的出货量仍占绝对优势达到60%，节点光端机占20%，其他类型占20%。随着我国城市交通和高速公路建设的快速发展，对监控系统中的设备要求也越来越高，光纤传输因其具有带宽大、传输距离远、抗干扰的优势而被广泛应用。光端机由于其诸多传输优势，加上这几年的市场需求猛增，光缆成本大幅降低，已经进入相对良性的产业发展轨道。目前，平安城市、城市智能交通、高速公路、城市轨道交通项目是光端机的主要市场。四、光端机的发展趋势我国安防视频监控行业市场规模稳步增长，行业周期性较弱。根据行业经验，视频监控设备每5～8年进行一次设备更新和升级，是否具有持续创新能力是衡量一个公司在行业发展的各个阶段能否挖掘新的利润增长点的决定性因素。目前，在电信交换平台日臻完善的条件下，基于网络的视频传输应用更加灵活，光端机也需要在多业务接入能力、大规模组网应用方面进行提高。多业务视频光端机可以提供集视频、音频、数据、电话、以太网等多种业务接口的一个综合光传输平台，不仅完成数据的传输，还能实现矩阵、管理的功能，组网应用十分灵活。随着光端机的大量使用，对光端机的管理也迫在眉捷，针对该状况，不少厂商研发了网管系统。环网型光端机不仅仅在硬件和软件设计上运用了先进的网络管理技术，而且在产品构造和结构形式上也具有先进性。网管型光端机都采用了模块化的设计方式，以功能机盘为设备基本单元，功能机盘通过背板总线连接，完成用户需要的各种信号传输功能。综