广播电视信号传输中光纤传输技术的研究

■ 太原有线电视网络有限公司：赵永志

随着我国社会经济和居民生活水平的不断提高，人们对于信息获取以及文化娱乐方面的需求也越来越大。在这个大背景下，广播电视行业逐渐成为人们日常工作和生活的重要组成部分。与此同时广播电视行业的发展也在极大程度上推动了社会的进步和经济的发展，因此广播电视相关技术的发展也受到全社会的广泛关注。尤其是近年来数字广播电视相关技术得到了快速的发展，数字广播电视从数字信号源到客户终端的发送、传输和接收等技术也在不断地完善，尤其是传输介质方面的技术水平也在不断提高。在这其中光纤传输领域的技术突破，使得广播电视信号在传输过程中的成本得到了较大程度的降低，与此同时传输的带宽也有一定的提高。在光纤传输技术发展的条件下超高带宽和定制化的广播级电视传输网络应运而生，这对于广播电视行业的发展起到了极大的推动作用。因此为了更好地将光纤传输技术应用到广播电视信号传输中，就需要对广播电视信号传输中光纤传输技术进行深入的研究。

1.光纤传输技术

光纤传输是如今广播电视传输系统和其他数字信息传输系统中最为常用的传输方式。光纤传输的优势使其能在极大程度上满足人们日益提高的对于数字信息传输速度和质量的需求。首先光纤传输的距离较远，其在不设置中继设备的前提下，传输距离可以达到7~8km左右。同时光纤传输的能量损耗也较低，与传统的有线传输技术相比光纤传输的传输频带较宽，并且传输过程中好具备耐高温和绝缘性好等优势，这些优势可以避免传统有线信息传输方式中存在的问题，提高数字信息传输的质量与效率。光纤传输技术的概念是在上个世纪六十年代被提出，经过多年的研究康宁公司率先研发出了损耗为20dB/km的石英光纤。在经过不断的技术优化后又研发出了通过波长为1.5pm的光波时，损耗仅为0.3dB/km的掺锗石英光纤，这种材料的提出基本已经可以达到光纤传输技术的能量损耗极限。与此同时，对于与光纤传输技术相配套的各种相关设备的研究也获得了较大的成果，尤其是激光发射器和激光检测器相关技术更是取得了较大程度的突破，针对不同波长的半导体激光器和高效光电转换器相继问世。随着有线广播电视系统的普及和发展以及光纤传输技术的不断成熟，光纤传输技术被大规模的运用到了广播电视信号传输之中。

根据传输模式的不同，可以将光纤传输分为单模传输和多模传输两种方式。单模类型在传输信号时使用的光器件为激光二极管器件，多模传输采用的是发光二极管器件。根据光纤结构的不同，可以将光纤传输分为普通光纤传输和特殊光纤传输两种。目前光纤干线上主要采用单模方式、1550nm波长光波传输。光纤通信的基本原理是光的全反射。目前所使用的均是通过光缆连接的点对点通信。图1为光纤通信及光信号发送原理图。

图1：光纤通信及光信号发送原理图

在光波传输系统中，系统的低频响应取决于阻容网络，小于20Hz，高频响应取决于运算放大器电路的响应频率，小于20KHz。光纤传输有0.84um，1.31um和1.55um三个窗口波段，光纤的窗口波段应该和光纤传输系统中光电检测器的响应波段互相匹配。在光纤传输系统中，通常使用的有激光二极管和发光二极管两种光源。半导体激光器的实质就是一个振荡器，它集振荡、放大和反馈作用为一体。在平时应用时经常选择波长为1310nm的激光器，这是为了适应常用光纤特性。图2为光信号接收原理图。

图2：光信号接收原理图

2.基于光纤传输技术的广播电视信号传输系统

基于光纤传输的广播电视传输网络，具有使用灵活，带宽资源充足的特点。这种传输网络在市域内的应用较多，并且可作为传统传输网络的延伸，通过较高速率的光接口来传输一路或者多路电视信号。信号传输过程中使用被称为视频光端机的设备，相当于一种视频编解码器的特例，集成了光接口网络、编解码功能和复用功能。使用光网络传输电视信号时，一般都采用浅压缩或无压缩的编码方式，所以需要更高的带宽来支持。光网络丰富的资源正好使得这种信号传输成为了可能。图3为光网络输送原理图。

图3：光网络输送原理图

基于专网的广播级电视传输系统根据不同的需求可以简单也可以复杂，简单的就是点到点的传输，复杂的要涉及到整个通信网络。对于复杂系统中可能涉及方方面面的问题内容较多，例如：网络情况、视频系统、音频系统、交换矩阵系统，传输系统等等，因此也会出现多种表征的问题。在电视传输系统中应用光纤和光端机主要解决了传输距离和环境干扰这两个问题，对于短距离、小范围的图像传输问题只需要使用同轴电缆就可以解决，而用光纤传输方式可以解决传输距离为数公里，甚至为数百公里的图像信号传输问题。而且，使用光纤传输方式可以使得信号免受外界超强干扰和环境的影响，由于光纤具有很高的传输带宽，所以传输多路广播电视信号仅需要一根光纤就可以完成，且传输距离长，大大节约了系统成本。光纤分为多模和单模两种类别，多模光纤具有较大的色散和衰耗，故其最大传输距离不大于5公里，所以如今的新建工程一般均使用单模光纤。由于数字图像光端机的优势，模拟图像光端机也将很快被数字图像光端机所取代。在目前所使用的视频光端机中，视频光端机的光接受电平一般都在-20dB以上，性能更好些的光端机可达到-28dB甚至更低。在光端机的使用中，尾纤接口的清洁工作十分重要，如果发现接受电平过低，可使用酒精棉或专业清洁喷雾设备对光端机光口和危险接头进行清洁。有可能将光电平提高到光端机接收的带宽之内。如情况未好转，可更换尾纤。如果多次更换尾纤仍没有变化，再联系专线处理人员或网管进行线路核查。此外，还应该对各类接口进行妥善的保护，如防水，防磕碰，及时套上保护套。设备加电前检查设备机壳的防漏电绝缘工作等等。

3.基于光纤传输技术的广电智能融合平台

3.1 基于光纤传输技术的广电智能融合平台概述

基于光纤传输技术的广电智能融合平台是集统一门户系统、智能推荐、内容管理系统、后台管理系统、广告系统、融合CDN系统、视频转码系统、移动终端系统、应用商店系统、流化系统等子系统一起的融合服务平台。广电智能融合平台采用虚拟化设计方案，使用VMWARE云平台方案构建。为有线双向电视网用户提供丰富的视频点播、直播、回看、时移、教育、游戏等业务功能，在内容引入上可以开放的引入多家CP/SP视频或服务提供商，在应用上构建应用商城，为多应用引入构建开发平台，同时可在平台基础上方便扩展智慧社区、智慧家庭等智慧业务，并通过大数据分析系统、广告系统、应用商店系统为业务运营提供强有力的支撑。同时广电智能融合平台遵循开放的互联网协议标准，深挖广电与电信行业的需求特点，涵盖多屏融合，聚合搜索，智能推荐，定向广告，应用商城等多种业务，提供优质高效的音视频及相关服务。平台在保证技术先进性、实用性和高性价比的同时也兼顾安全性、可扩展性、可维护性和低实施成本等方面。

3.2 广电智能融合平台中的CDN系统

广电智能融合平台的CDN子系统是一个融合的系统，不仅支持面向机顶盒点播的VOD系统，也支持面向计算机、PAD、智能手机的流媒体视频播放的OTT平台，系统支持集中式部署、分布式部署、混合式部署，系统支持多级分级部署，支持IP和IPQAM，并且平台在设计上引入流化平台，实现云游戏等应用，丰富了终端引用，打造了一个开放的增值业务支撑平台。CDN系统是为了解决媒体内容服务与用户分布不均之间的问题，CDN系统是一个用于对海量视频文件，进行存储、管控、推流的综合系统。CDN系统中心存储基础上增加一层新的网络架构，将服务的内容发布到最接近用户的网络“边缘”，使用户可以就近取得所需的内容，减少长途网络流量，提高用户访问服务的响应速度，优化由于网络带宽限制、用户访问量大、网点分布不均等原因所造成的用户服务响应速度慢的媒体服务问题。智能融合平台核心CDN系统，是一个集开放性、兼容性、高性能的系统，能够保持与最新技术同步，并且借助其开放性能够持续发展，并便于扩展新的功能。而其开源特性使得内在的BUG能够及时被发现和修补，使得系统本身具备很高的先进性和安全性。CDN系统以开源的上线资源存储和分发核心技术，配合海量存储系统实现后备资源总库，并在各节点开发缓冲层，进而向推流等生产服务器提供资源，形成以视频内容为核心的大规模集群系统。

3.3 广电智能融合平台的硬件配置说明

对于广电智能融合平台中云计算系统的具体服务器选型，要按照单台服务器的计算核数、存储能力、功耗和物理空间等综合分析的基础上，充分考虑降低TCO（总拥有成本）并结合承载系统的运行要求进行选择。采用8路服务器完成硬件平台建设。云平台的存储系统存储对象主要是核心系统虚拟机的镜像文件。对数据的安全性和IO性能要求非常高，采用高性能SSD或SAS阵列、采用双控双活的技术，组成全冗余的SAN存储架构。云计算平台的网络需提供计算节点接入的物理网络、虚拟机间通信的逻辑网络的设计及部署图。虚拟机之间的逻辑网络需要能够根据虚拟机的迁移而自动进行重构，保持业务的正常通信。为保证数据业务网的核心业务的不中断运行，在网络整体设计和设备配置上都是按照双备份要求设计的。在网络连接上消除单点故障，提供关键设备的故障切换。关键设备之间的物理链路采用双路冗余连接，按照负载均衡方式工作。

3.4 广电智能融合平台的安全策略

提供可靠的安全措施保障系统运行，保证各种数据不被非法盗用和修改伪造，保证数据不因意外情况丢失和损坏。依托广播电视体系现有的强大防护系统，加入一台IPS对外网访问进行防护。内网通过防火墙对上行数据进行防护，从而保障平台系统的安全性，防止恶意攻击、篡改等指令。在系统设计时对系统进行安全体系整体设计，除了要考虑系统本身安全机制以外更要考虑与周边系统、与机顶盒终端互联、与管理客户端互联的安全因素。在安全管理上采用标准的安全边界管理模式和安全“四不”体系。依据安全域划分原则，同一安全域拥有相同的安全等级和属性，域内是相互信任的，安全风险主要来自不同的安全域互访，需要加强安全域边界的安全防护。区域之间依据业务及安全的需要配置安全策略，有效实现信息系统合理安全域划分。网络区域边界通常是整个网络系统中较为容易受到攻击的位置，很多来自外部的攻击都是通过边界的薄弱环节攻击到网络内部的。而安全域的边界也需要做安全防御，以保证安全域内的信息安全以及安全域内与其他安全域间的数据的受控的访问。因此网络及安全域边界需要进行着重的安全防御设计。在边界设定上，转码考虑直播IP输入接口、CP/SP引入接口、与BOSS对接接口、与第三方对接接口、外部监控客户端、与终端互联接口、APP引入接口等，在必要区域进行服务器安全加固和防火墙设置。针对系统的安全，设定“四不”安全防护体系，即“抹不掉、进不来、打不开、拿不走”，从日志管理、管理审核、用户认证、物理防护、服务系统加固、交互信息加密、数据存储加密、数据校验、防盗链等方面进行处理。

4.结论

目前随着数字技术在广播电视领域中被广泛的应用，相关的信息传输手段也处在一个逐渐完善的发展过程中。光纤传输作为目前广播电视传输系统乃至整个网络传输系统中常用的传输介质，它在克服传统有限传输方式的劣势之外，还能满足人们日益增长的对于传输速度和质量的需求。但是由于我国数字广播电视的发展仍存在许多问题，对于将光纤传输技术应用于传输广播电视信号方面的研究也尚处于起步阶段，对于光纤传播的具体实现方式以及传输过程的稳定性等具体问题仍需要该领域的研究者持续加大力度进行研究。通过提高光纤传输技术的水平，来提高广播电视信号传输的质量，进而促进整个广播电视行业的发展，真正达到以广播电视行业发展来促进社会经济发展的目的，为满足人们文化娱乐需求，提高人们生活水平做出贡献。