技术应用丨高速公路光纤网络传输技术

2021-02-27 17:30

光通讯纵横

关注

随着高速公路建设的不断发展，对机电业务的安全性有了更高要求，由于机电业务属于多业务类型，高速公路项目中对视频信号传输的特点也有别于其他应用场景：

1、容量大：在一个监控分中心通常有几十路甚至上百路视频信号。

2、图像质量要求高：图像要求达到480线，加权信噪比S／N要求不小于57dB；PAL制图像要求达到25帧（50场／s）、NTSC制图像要求达到30帧（60场／s）。

3、需要多级控制：目前高速公路项目中对视频信号的监控和管理自下而上可分为以下站级、路段中心、片区中心、省中心四级监控系统。

（1）站级监控系统：各收费站需要对本地的视频信号进行监控

（2）路段中心监控：一条高速公路通常设置1个路段分中心，对某一路段进行监控和管理。

（3）片区中心监控系统：多条高速公路的统一管理通常根据地域划分为若干个片区来进行。

（4）省中心监控系统：各省高速公路管理局需要对省内所有的高速公路进行统一监控、管理和调度。目前主流视频传输产品介绍

点对点视频光端机

点对点视频光端机是目前使用较为普遍的视频传输设备（使用示意图参见图1），主要可分为模拟光端机和数字光端机（非压缩）两种。点对点视频光端机的优点：

1、使用简单灵活，视频质量高，实时性好。

2、除了可以传输多路视频信号外，还可以传输音频信号、异步数据、以太网数据等多种信号。

点对点视频光端机主要缺点：

1、无法组网，不具备保护功能，系统可维护性差。

2、无法实现远距离传输。如果距离过远，只能采用光端机级连方式。多级光端机的级连会造成信号的急剧衰减。

模拟光端机 　

顾名思义，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。

数字光端机

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性能对比

1、模拟信号传输输入和输出处理方式不一样，引起的视频、音频、数据信号信号失真、变畸变、干扰不同。

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，非线形必然引起信号失真。

同时调制好的载波信号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天的热循环老化等等工艺筛选、老化、测试也只能以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，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－解调这五个过程，都会引起非线形失真，而这些信号畸变失真是固有的所以是不可消除的，所以模拟光端机传输视频图象、音频质量、数据的效果很难达到很满意的效果。

数字式光端机仅只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。因此不存在上述缺陷。

2、多路信号同传引起的交调失真。

在现场监控应用中，用户可能有许多各种信号，如视频图像、音频、数据、以太网、电话或其它用户自定义的信号，为了提高光纤的利用效率，降低成本，必须将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，将多路视频、音频或数据信号混合调频、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。　　
　　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温度影响。出现传输质量随环境变化而变化的缺点。同时模拟光端机经过长时间使用后，随着元件的老化和环境的变化，经常会出现视频质量明显下降的现象。正因为这种缺点，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。节点式视频光端机

节点式光端机是一种新型的光纤传输系统，通常使用2芯光纤将各节点连接形成环网、链网等网络结构，视频和数据可以在任意节点上下。同时网络中还可以传输音频、双向数据、以太网数据等信号。节点式光端机组网示意图参见图2。节点式光端机根据信号调制方式的不同分为模拟传输方式和数字传输方式。

模拟传输方式 　

节点式光端机如采用模拟方式调制信号，与模拟点对点光端机同样存在频间串扰、信号衰减畸变的问题。这是模拟调制方式所带来的必然问题。因此如采用模拟方式，对节点式光端机的传输容量、传输距离都有很大的限制。

数字传输方式

全数字的节点式光端机采用数字方式调制视频信号，并对视频信号进行编码压缩传输。通常采用的编码方式有M－JPEG、MPEG－2等。具有以下明显优点：

1、节省光纤资源。所有收费站通过2芯光纤与路段中心组成环网或链网即可。

2、视频容量大。目前北京蛙视公司的VOX全数字音视频传输平台可在2芯光纤上传输多达126路高质量音视频信号。

3、节点数量基本不受限制，图像质量全程一致。因为采用数字编码传输，信号无畸变；且不同于光端机级连方式，在各节点不经过2次编码调制，因此图像质量可保持全程一致。

4、如组成双纤环网，可实现自愈保护功能。当某一段光纤或某一节点设备故障，不影响整个系统的传输。

5、可实现多种业务的综合接入，如视频、音频、以太网、异步数据、电话话务等各种业务。

6、整个视频传输系统可通过网管统一管理和维护，具备故障自我诊断功能。

视频编解码器 　

视频编解码器是通过现有通信系统接口及通道传输视频信号的设备，其传输的图像质量主要取决于通信系统提供的接口和带宽。

根据接口形式的不同，视频编解码器大致可以分为：固定带宽接口（E1接口）、IP接口2种。

（一、二条内文字级，加粗，提前）一、固定带宽接口

通过SDH等通信系统提供的E1通道传输视频。可分为单E1编解码器和多E1复用编解码器等。编码方式通常采用MJPEG、MPEG－1、MPEG－2、H．263等几种。

单E1编解码器采用单个E1通道传输1路视频信号，因传输带宽较低（＜2M），即使采用MPEG－2视频编码方式，视频分辨率也只能达到352＊576，视觉效果较差。

多E1编解码器采用多个E1接口捆绑传输1路视频信号，在传输带宽提高的

情况下，视频质量能够得到有效提高。多E1编解码器工作原理如下：

在这里有几点说明：

1、编解码算法：由于交通系统中对视频信号高质量的要求，目前比较合适且成熟的算法是MPEG－2压缩算法。采用MPEG－2压缩算法传输的视频信号分辨率可以达到720（576，加权信噪比可达57dB，视觉效果好，能够满足ITS对视频质量的要求。

2、为什么采用N（E1：如果采用单个E1传输MPEG－2压缩的视频信号图像分辨率只能达到352 （288，并且图像不连续，肉眼观察有拖尾现象，所以要使用多个E1来传输视频信号．经过测试及实际使用，当用MPEG－2算法压缩后的视频码流达到4Mbit／s（即2个E1）左右时即可满足交通系统中对视频信号质量的要求。当码流再增大时，人的肉眼对视频信号的差别区分不明显。

多E1传输方式具有以下优点：

（1）充分利用已有SDH通信网的资源；灵活分配带宽，用户可根据网络资源和对图像的要求任意分配N个E1。

（2）一般情况下每路图像使用2个E1即可，最多使用4个E1也就够了。

（3）使用简单，为点对点方式。

多E1传输方式具有以下缺点：

（1）对SDH的传输带宽要求较高，以每路图像带宽4M计算，1个STM－1的SDH系统最多传送31路图像；1个STM－4的系统最多传送126路图像。

（2）设备较贵，由于采用MPEG－2压缩及多E1捆绑技术，目前设备成本较高。

　二、IP接口 　

通过以太网接口传输视频信号，俗称网络视频服务器。通常是使用SDH等通信系统接口外加网桥设备提供的以太网接口。编码方式通常采用MPEG－2、MPEG－4等几种。

IP方式传输视频具有以下主要优点：

（1）便于多级联网。

（2）编码器和解码器可以不对称，即解码器的数量可以少于编码器，通过后台软件控制解码器解压任意一个编码器的图像，实现一点对多点。

（3）可实现监控到桌面，通过软件可在计算机上解压观看图像

IP方式传输视频具有以下缺点：

1、在SDH层虽然其对外的接口为10／100Base－t接口，但一般情况下其内部为每个端口实际提供的带宽在10M左右，在视频码流为4M的情况下，最多只能传输2路实时视频信号。并且当在一个端口上既传送实时视频流又传送其他数据（如收费数据等）时，由于视频信号占带宽较大，会影响其他数据的正常传送，严重时会造成网络拥塞。

2、当编码器与解码器不对称，解码器切换解压不同编码器的图像时，会产生马赛克，严重时导致解码器死机。这是因为目前采用压缩算法为了提高压缩比，降低带宽，采用帧间预测、运动补偿的技术。当码流切换时会造成其码流的不完整，使解压缩芯片无法正确的解压缩。

3、为了保证视频的实时性采用UDP协议传送视频流，UDP协议的特征是发后不管，数据的可靠性完全在于网络。而目前以太网协议中对数据并没有QOS保证。因此当网络繁忙时，有可能造成UDP包丢失，造成解压时出现马赛克。

4、以太网的特征是突发，而实时视频信号的特征是连续，这两者是有矛盾的，因此当一个以太网中数字视频流过多时，会造成以太网交换机的负载急剧增加，网络速度变得很慢，影响其他数据的正常交换，严重时会造成网络瘫痪。

高速公路视频信号传输方案的探讨

收费站至路段分中心的视频传输 　

收费站至路段分中心的视频传输可以采用点对点光端机、全数字节点式光端机、编解码器等方式实现。

通过点对点光端机传输 　

收费站的图像上传如果采用点对点光端机传输，则每收费站到路段中心均需使用至少1对光端机并占用1芯光纤。整个监控系统占用的光纤资源较多。如果收费站距离中心过远，还需要通过光端机的级连将图像上传至中心。光端机级连会造成信号的衰减及信噪比降低。同时大量光端机的使用，设备无法统一管理，系统可维护性差。其优点是图像质量高，实时性好。

通过通信系统传输图像 　

通过SDH系统提供的2M口或多个2M捆绑传输图像。每个收费站到路段中心采用1对或几对多E1编解码器，上传部分图像。采用这种方法的缺点是占用SDH系统资源较多，每个收费站上传的图像数量受系统带宽资源的限制，不能太多。

通过节点式光端机传输图像

通过节点式光端机传输图像，整个系统只需要2芯光纤将各收费站节点组成环网或链网，节省光纤资源。同时在各收费站上传的图像、音频、数据及以太网数据的数量可以根据用户的需要灵活配置。路段中心将各收费站上传的信号经局端设备全部输出，统一进行监控管理，并可在局端通过网管系统对整个传输进行实时维护。

分中心至片区中心或省中心的视频传输 　

从各路段中心至片区中心或省中心通常要求上传的视频数量比较少，一般每个下级中心只需上传几路。采用的传输方式通常包括以下几种：

1、通过E1接口传输：各中心之间通过SDH通信系统，采用多E1编解码器传输视频。因为各中心之间的SDH系统资源较为丰富，需要上传的图像数量又不是很多，采用多E1编解码器能够满足用户的需求。

2、通过IP接口传输：各中心之间通过以太网接口，采用网络视频编解码器传输视频。这种方式其实同样通过SDH通信系统，只不过通过外加网桥将接口转换成以太网接口。

3、通过全数字节点式光端机传输：各中心之间通过光纤连接，采用全数字节点式光端机传输视频。这种方式的优点在于通过数字音视频传输系统的构建，不仅可以实现全网视频信息的共享，还可以实现以太网数据、异步数据及电话话务的交换。同时利用数字音视频传输系统的音视频双向传输功能，还可以方便的实现各中心之间的会议电视。