廣播電視信號傳輸中光纖傳輸技術(shù)的研究

■ 太原有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司：趙永志

隨著我國社會經(jīng)濟和居民生活水平的不斷提高，人們對于信息獲取以及文化娛樂方面的需求也越來越大。在這個大背景下，廣播電視行業(yè)逐漸成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹闹匾M成部分。與此同時廣播電視行業(yè)的發(fā)展也在極大程度上推動了社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，因此廣播電視相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也受到全社會的廣泛關(guān)注。尤其是近年來數(shù)字廣播電視相關(guān)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，數(shù)字廣播電視從數(shù)字信號源到客戶終端的發(fā)送、傳輸和接收等技術(shù)也在不斷地完善，尤其是傳輸介質(zhì)方面的技術(shù)水平也在不斷提高。在這其中光纖傳輸領(lǐng)域的技術(shù)突破，使得廣播電視信號在傳輸過程中的成本得到了較大程度的降低，與此同時傳輸?shù)膸捯灿幸欢ǖ奶岣?。在光纖傳輸技術(shù)發(fā)展的條件下超高帶寬和定制化的廣播級電視傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生，這對于廣播電視行業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動作用。因此為了更好地將光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用到廣播電視信號傳輸中，就需要對廣播電視信號傳輸中光纖傳輸技術(shù)進行深入的研究。

1.光纖傳輸技術(shù)

光纖傳輸是如今廣播電視傳輸系統(tǒng)和其他數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)中最為常用的傳輸方式。光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢使其能在極大程度上滿足人們?nèi)找嫣岣叩膶τ跀?shù)字信息傳輸速度和質(zhì)量的需求。首先光纖傳輸?shù)木嚯x較遠，其在不設(shè)置中繼設(shè)備的前提下，傳輸距離可以達到7~8km左右。同時光纖傳輸?shù)哪芰繐p耗也較低，與傳統(tǒng)的有線傳輸技術(shù)相比光纖傳輸?shù)膫鬏旑l帶較寬，并且傳輸過程中好具備耐高溫和絕緣性好等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可以避免傳統(tǒng)有線信息傳輸方式中存在的問題，提高數(shù)字信息傳輸?shù)馁|(zhì)量與效率。光纖傳輸技術(shù)的概念是在上個世紀六十年代被提出，經(jīng)過多年的研究康寧公司率先研發(fā)出了損耗為20dB/km的石英光纖。在經(jīng)過不斷的技術(shù)優(yōu)化后又研發(fā)出了通過波長為1.5pm的光波時，損耗僅為0.3dB/km的摻鍺石英光纖，這種材料的提出基本已經(jīng)可以達到光纖傳輸技術(shù)的能量損耗極限。與此同時，對于與光纖傳輸技術(shù)相配套的各種相關(guān)設(shè)備的研究也獲得了較大的成果，尤其是激光發(fā)射器和激光檢測器相關(guān)技術(shù)更是取得了較大程度的突破，針對不同波長的半導(dǎo)體激光器和高效光電轉(zhuǎn)換器相繼問世。隨著有線廣播電視系統(tǒng)的普及和發(fā)展以及光纖傳輸技術(shù)的不斷成熟，光纖傳輸技術(shù)被大規(guī)模的運用到了廣播電視信號傳輸之中。

根據(jù)傳輸模式的不同，可以將光纖傳輸分為單模傳輸和多模傳輸兩種方式。單模類型在傳輸信號時使用的光器件為激光二極管器件，多模傳輸采用的是發(fā)光二極管器件。根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)的不同，可以將光纖傳輸分為普通光纖傳輸和特殊光纖傳輸兩種。目前光纖干線上主要采用單模方式、1550nm波長光波傳輸。光纖通信的基本原理是光的全反射。目前所使用的均是通過光纜連接的點對點通信。圖1為光纖通信及光信號發(fā)送原理圖。

圖1：光纖通信及光信號發(fā)送原理圖

在光波傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)的低頻響應(yīng)取決于阻容網(wǎng)絡(luò)，小于20Hz，高頻響應(yīng)取決于運算放大器電路的響應(yīng)頻率，小于20KHz。光纖傳輸有0.84um，1.31um和1.55um三個窗口波段，光纖的窗口波段應(yīng)該和光纖傳輸系統(tǒng)中光電檢測器的響應(yīng)波段互相匹配。在光纖傳輸系統(tǒng)中，通常使用的有激光二極管和發(fā)光二極管兩種光源。半導(dǎo)體激光器的實質(zhì)就是一個振蕩器，它集振蕩、放大和反饋作用為一體。在平時應(yīng)用時經(jīng)常選擇波長為1310nm的激光器，這是為了適應(yīng)常用光纖特性。圖2為光信號接收原理圖。

圖2：光信號接收原理圖

2.基于光纖傳輸技術(shù)的廣播電視信號傳輸系統(tǒng)

基于光纖傳輸?shù)膹V播電視傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有使用靈活，帶寬資源充足的特點。這種傳輸網(wǎng)絡(luò)在市域內(nèi)的應(yīng)用較多，并且可作為傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的延伸，通過較高速率的光接口來傳輸一路或者多路電視信號。信號傳輸過程中使用被稱為視頻光端機的設(shè)備，相當于一種視頻編解碼器的特例，集成了光接口網(wǎng)絡(luò)、編解碼功能和復(fù)用功能。使用光網(wǎng)絡(luò)傳輸電視信號時，一般都采用淺壓縮或無壓縮的編碼方式，所以需要更高的帶寬來支持。光網(wǎng)絡(luò)豐富的資源正好使得這種信號傳輸成為了可能。圖3為光網(wǎng)絡(luò)輸送原理圖。

圖3：光網(wǎng)絡(luò)輸送原理圖

基于專網(wǎng)的廣播級電視傳輸系統(tǒng)根據(jù)不同的需求可以簡單也可以復(fù)雜，簡單的就是點到點的傳輸，復(fù)雜的要涉及到整個通信網(wǎng)絡(luò)。對于復(fù)雜系統(tǒng)中可能涉及方方面面的問題內(nèi)容較多，例如：網(wǎng)絡(luò)情況、視頻系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、交換矩陣系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)等等，因此也會出現(xiàn)多種表征的問題。在電視傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用光纖和光端機主要解決了傳輸距離和環(huán)境干擾這兩個問題，對于短距離、小范圍的圖像傳輸問題只需要使用同軸電纜就可以解決，而用光纖傳輸方式可以解決傳輸距離為數(shù)公里，甚至為數(shù)百公里的圖像信號傳輸問題。而且，使用光纖傳輸方式可以使得信號免受外界超強干擾和環(huán)境的影響，由于光纖具有很高的傳輸帶寬，所以傳輸多路廣播電視信號僅需要一根光纖就可以完成，且傳輸距離長，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本。光纖分為多模和單模兩種類別，多模光纖具有較大的色散和衰耗，故其最大傳輸距離不大于5公里，所以如今的新建工程一般均使用單模光纖。由于數(shù)字圖像光端機的優(yōu)勢，模擬圖像光端機也將很快被數(shù)字圖像光端機所取代。在目前所使用的視頻光端機中，視頻光端機的光接受電平一般都在-20dB以上，性能更好些的光端機可達到-28dB甚至更低。在光端機的使用中，尾纖接口的清潔工作十分重要，如果發(fā)現(xiàn)接受電平過低，可使用酒精棉或?qū)I(yè)清潔噴霧設(shè)備對光端機光口和危險接頭進行清潔。有可能將光電平提高到光端機接收的帶寬之內(nèi)。如情況未好轉(zhuǎn)，可更換尾纖。如果多次更換尾纖仍沒有變化，再聯(lián)系專線處理人員或網(wǎng)管進行線路核查。此外，還應(yīng)該對各類接口進行妥善的保護，如防水，防磕碰，及時套上保護套。設(shè)備加電前檢查設(shè)備機殼的防漏電絕緣工作等等。

3.基于光纖傳輸技術(shù)的廣電智能融合平臺

3.1 基于光纖傳輸技術(shù)的廣電智能融合平臺概述

基于光纖傳輸技術(shù)的廣電智能融合平臺是集統(tǒng)一門戶系統(tǒng)、智能推薦、內(nèi)容管理系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)、廣告系統(tǒng)、融合CDN系統(tǒng)、視頻轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)、移動終端系統(tǒng)、應(yīng)用商店系統(tǒng)、流化系統(tǒng)等子系統(tǒng)一起的融合服務(wù)平臺。廣電智能融合平臺采用虛擬化設(shè)計方案，使用VMWARE云平臺方案構(gòu)建。為有線雙向電視網(wǎng)用戶提供豐富的視頻點播、直播、回看、時移、教育、游戲等業(yè)務(wù)功能，在內(nèi)容引入上可以開放的引入多家CP/SP視頻或服務(wù)提供商，在應(yīng)用上構(gòu)建應(yīng)用商城，為多應(yīng)用引入構(gòu)建開發(fā)平臺，同時可在平臺基礎(chǔ)上方便擴展智慧社區(qū)、智慧家庭等智慧業(yè)務(wù)，并通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、廣告系統(tǒng)、應(yīng)用商店系統(tǒng)為業(yè)務(wù)運營提供強有力的支撐。同時廣電智能融合平臺遵循開放的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準，深挖廣電與電信行業(yè)的需求特點，涵蓋多屏融合，聚合搜索，智能推薦，定向廣告，應(yīng)用商城等多種業(yè)務(wù)，提供優(yōu)質(zhì)高效的音視頻及相關(guān)服務(wù)。平臺在保證技術(shù)先進性、實用性和高性價比的同時也兼顧安全性、可擴展性、可維護性和低實施成本等方面。

3.2 廣電智能融合平臺中的CDN系統(tǒng)

廣電智能融合平臺的CDN子系統(tǒng)是一個融合的系統(tǒng)，不僅支持面向機頂盒點播的VOD系統(tǒng)，也支持面向計算機、PAD、智能手機的流媒體視頻播放的OTT平臺，系統(tǒng)支持集中式部署、分布式部署、混合式部署，系統(tǒng)支持多級分級部署，支持IP和IPQAM，并且平臺在設(shè)計上引入流化平臺，實現(xiàn)云游戲等應(yīng)用，豐富了終端引用，打造了一個開放的增值業(yè)務(wù)支撐平臺。CDN系統(tǒng)是為了解決媒體內(nèi)容服務(wù)與用戶分布不均之間的問題，CDN系統(tǒng)是一個用于對海量視頻文件，進行存儲、管控、推流的綜合系統(tǒng)。CDN系統(tǒng)中心存儲基礎(chǔ)上增加一層新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將服務(wù)的內(nèi)容發(fā)布到最接近用戶的網(wǎng)絡(luò)“邊緣”，使用戶可以就近取得所需的內(nèi)容，減少長途網(wǎng)絡(luò)流量，提高用戶訪問服務(wù)的響應(yīng)速度，優(yōu)化由于網(wǎng)絡(luò)帶寬限制、用戶訪問量大、網(wǎng)點分布不均等原因所造成的用戶服務(wù)響應(yīng)速度慢的媒體服務(wù)問題。智能融合平臺核心CDN系統(tǒng)，是一個集開放性、兼容性、高性能的系統(tǒng)，能夠保持與最新技術(shù)同步，并且借助其開放性能夠持續(xù)發(fā)展，并便于擴展新的功能。而其開源特性使得內(nèi)在的BUG能夠及時被發(fā)現(xiàn)和修補，使得系統(tǒng)本身具備很高的先進性和安全性。CDN系統(tǒng)以開源的上線資源存儲和分發(fā)核心技術(shù)，配合海量存儲系統(tǒng)實現(xiàn)后備資源總庫，并在各節(jié)點開發(fā)緩沖層，進而向推流等生產(chǎn)服務(wù)器提供資源，形成以視頻內(nèi)容為核心的大規(guī)模集群系統(tǒng)。

3.3 廣電智能融合平臺的硬件配置說明

對于廣電智能融合平臺中云計算系統(tǒng)的具體服務(wù)器選型，要按照單臺服務(wù)器的計算核數(shù)、存儲能力、功耗和物理空間等綜合分析的基礎(chǔ)上，充分考慮降低TCO（總擁有成本）并結(jié)合承載系統(tǒng)的運行要求進行選擇。采用8路服務(wù)器完成硬件平臺建設(shè)。云平臺的存儲系統(tǒng)存儲對象主要是核心系統(tǒng)虛擬機的鏡像文件。對數(shù)據(jù)的安全性和IO性能要求非常高，采用高性能SSD或SAS陣列、采用雙控雙活的技術(shù)，組成全冗余的SAN存儲架構(gòu)。云計算平臺的網(wǎng)絡(luò)需提供計算節(jié)點接入的物理網(wǎng)絡(luò)、虛擬機間通信的邏輯網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及部署圖。虛擬機之間的邏輯網(wǎng)絡(luò)需要能夠根據(jù)虛擬機的遷移而自動進行重構(gòu)，保持業(yè)務(wù)的正常通信。為保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)的核心業(yè)務(wù)的不中斷運行，在網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計和設(shè)備配置上都是按照雙備份要求設(shè)計的。在網(wǎng)絡(luò)連接上消除單點故障，提供關(guān)鍵設(shè)備的故障切換。關(guān)鍵設(shè)備之間的物理鏈路采用雙路冗余連接，按照負載均衡方式工作。

3.4 廣電智能融合平臺的安全策略

提供可靠的安全措施保障系統(tǒng)運行，保證各種數(shù)據(jù)不被非法盜用和修改偽造，保證數(shù)據(jù)不因意外情況丟失和損壞。依托廣播電視體系現(xiàn)有的強大防護系統(tǒng)，加入一臺IPS對外網(wǎng)訪問進行防護。內(nèi)網(wǎng)通過防火墻對上行數(shù)據(jù)進行防護，從而保障平臺系統(tǒng)的安全性，防止惡意攻擊、篡改等指令。在系統(tǒng)設(shè)計時對系統(tǒng)進行安全體系整體設(shè)計，除了要考慮系統(tǒng)本身安全機制以外更要考慮與周邊系統(tǒng)、與機頂盒終端互聯(lián)、與管理客戶端互聯(lián)的安全因素。在安全管理上采用標準的安全邊界管理模式和安全“四不”體系。依據(jù)安全域劃分原則，同一安全域擁有相同的安全等級和屬性，域內(nèi)是相互信任的，安全風險主要來自不同的安全域互訪，需要加強安全域邊界的安全防護。區(qū)域之間依據(jù)業(yè)務(wù)及安全的需要配置安全策略，有效實現(xiàn)信息系統(tǒng)合理安全域劃分。網(wǎng)絡(luò)區(qū)域邊界通常是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中較為容易受到攻擊的位置，很多來自外部的攻擊都是通過邊界的薄弱環(huán)節(jié)攻擊到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的。而安全域的邊界也需要做安全防御，以保證安全域內(nèi)的信息安全以及安全域內(nèi)與其他安全域間的數(shù)據(jù)的受控的訪問。因此網(wǎng)絡(luò)及安全域邊界需要進行著重的安全防御設(shè)計。在邊界設(shè)定上，轉(zhuǎn)碼考慮直播IP輸入接口、CP/SP引入接口、與BOSS對接接口、與第三方對接接口、外部監(jiān)控客戶端、與終端互聯(lián)接口、APP引入接口等，在必要區(qū)域進行服務(wù)器安全加固和防火墻設(shè)置。針對系統(tǒng)的安全，設(shè)定“四不”安全防護體系，即“抹不掉、進不來、打不開、拿不走”，從日志管理、管理審核、用戶認證、物理防護、服務(wù)系統(tǒng)加固、交互信息加密、數(shù)據(jù)存儲加密、數(shù)據(jù)校驗、防盜鏈等方面進行處理。

4.結(jié)論

目前隨著數(shù)字技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用，相關(guān)的信息傳輸手段也處在一個逐漸完善的發(fā)展過程中。光纖傳輸作為目前廣播電視傳輸系統(tǒng)乃至整個網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中常用的傳輸介質(zhì)，它在克服傳統(tǒng)有限傳輸方式的劣勢之外，還能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對于傳輸速度和質(zhì)量的需求。但是由于我國數(shù)字廣播電視的發(fā)展仍存在許多問題，對于將光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用于傳輸廣播電視信號方面的研究也尚處于起步階段，對于光纖傳播的具體實現(xiàn)方式以及傳輸過程的穩(wěn)定性等具體問題仍需要該領(lǐng)域的研究者持續(xù)加大力度進行研究。通過提高光纖傳輸技術(shù)的水平，來提高廣播電視信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，進而促進整個廣播電視行業(yè)的發(fā)展，真正達到以廣播電視行業(yè)發(fā)展來促進社會經(jīng)濟發(fā)展的目的，為滿足人們文化娛樂需求，提高人們生活水平做出貢獻。