光端机技术的发展与应用

光端机技术得发展与应用

一、引言

随着通信技术得飞速发展，光纤通信技术已成为通信得重要手段。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得地位。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，可用于电力网与变电所等强电磁环境。

二、光端机得发展

光端机最初就是从国外引进得，从最初得模仿制造到完全拥有自主知识产权得自主创

新，光端机得发展经历了从模拟技术到数字化技术得过渡，实现了从功能单一到多业务综合传

输得飞跃，由最初得少量使用到目前得大规模应用，光端机伴随着应用技术得发展一步步地走

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，随着数字监控技术得迅猛发展，大项

目、大系统中得组网方式越来越倾向于选择基于TCP/IP网络传输协议得传输技术，用户

得需求不再只满足于单一得产品，而需要一整套解决方案与一整套平台，光传输平台化产品

以及系统解决方案技术成为新得技术竞争点;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、高清技术得研冗各种高清光端机产品纷纷投

入生产、应用。

1、光端机得工作原理

光端机就就是用来将光信号弓电信号互相隹换得一种设备，它对所传信号不会有任何压缩，

其主要作用就是实现电-光与光-电转换。光端机•般分为光发射机（如图1所示）与光接

收机（如图2所示），一般成对出现。

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图1光端机SDI光纤发送器

SDI九饵楼4^

图2光端机SDI光纤接收

器

（1）光发送机

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光发送机由输入码型变换电路、光发送电路组成，其中输入固型转换电路用CPLD或F

PGA来实现，如图3所示.光发送机就是把电端机输出得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/光转换就是用承载信息得数字电信号

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得低损耗工

作波长相一致;②光源得输出功率必须足够大：③光源应有很高得可靠性；④光源得谱线

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.

光发送机得性能指标有很多，从应用得角度主要有以卜两个：

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，通常就是指光源尾

巴光纤得平均输出光功率。

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。

⑵光接收机

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光接收机主要由光接收放大电路与输入码型变换电路组成，如图4所示。其作用就是把经光

线传输后幅度被衰减、波形被展宽得微弱光信号转换为电信号，并处理放大，恢复为原发射得

数字序列。

光接收机得卞要件能指标有以下两个：

接收灵敏度：在一定误码率条件下接收机能监测到得最小平均信号光功率。

接受动态范围:在一定误码率条件下,接收机能监测到得最小平均接受光功率与最大平

均接受光功率之间得比值。

2、光端机得分类

从传输方式上光端机可分为数字光端机与模拟光端机两类。模拟光端机就是将要传

输得信号进行幅度或频率调制然后将调制好得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.数字光端机就是将所要传输得

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，使多路低速得数

字信号转换成一路高速信号/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，

还原得高速信号分解出原来得多路低速信号，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得光信号就是模拟光调制信号，它随输入得模拟载波信号得幅

度、频率、相位变化引起光信号幅度、频率、相位变化而分戊称为调幅、调频、调相光端

机。而数字光端机上光头发射得光信号就是数字信号（即0或1对应光信号强、弱两种状

态），不同得。与1组合代表不同幅度得视频、音频、数据信号.

模拟光端机与数字光端机得区别主要表现在以下几个方面：

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（1）信号输入、输出处理方式不同

无论就是模拟光端机还就是数字光端机，对输入得基带得视频、音频、数据信号都

必须进行处理。对于模拟调幅光端机，处理方式就是将视频、音频、数据得幅度对一高频教

波信号进行调制，使高频载波信号得幅度、频率、相位随视频、音频、数据得幅度变化而变

化。而数字光端机对输入得基带得视频、音频、数据进行高分辨率得模拟一数字转换，如

1VP-P幅度范围得幅度信号利用12bits得数字信号来表示，1V等分成4096,因此模

数转换后引起得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，各种幅度得电压数值从OV、1/4096V.2/4096V......最大1V,分别对应得数字编码

为0、……11111111111,数字编码信号直接控制光头发射得光信号得强、弱两种状态

（对应。或1）,接收光端机再将数字编码进行数字-模拟转换，恢复成原始得基带得视频、

音频、数据信号。

信号输入、输出处理方式得不同，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，所以模拟信号得幅度得变化与载波信号

因调制而引起得幅度、频率、相位得变化就是否为一一对应得线形关系成为衡量模拟光端

机质量好坏得关键，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

制好得载波信号还要调制光信号，光信号得非线性也就是一个非常重要得因素。众所周知，光

器件得非线性与环境温度变化、工作电压得稳定性、光发射功率有很大得影响，因此光器件

在生产时需进行7〜10天得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

一定得范围;光信号在光纤中长距离传输，会引起光信号得功率衰减，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，由光电转换后得模拟信号进入解调，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,而这些信号崎变失真就是固有得，就是不可消除得，因此模拟光端机传输

视频图像、音频质量、数据得效果很难达到很满意得效果。而数字式光端机仅有模数转换

得量化误差（如IV视频信号12bits时仅为2、5mv）,不足以引起信号畸变。

（2）多路信号同传引起得交调失其

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

话或其她用户自定义得信号，如果每种信号分别用一对光端机来传输，必然价格片贵，所以为

了提高光纤得利用效率，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

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信号就是难以做到得，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得调频、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得现象，这些不稳定得现象都就是模拟调

制技术长期以来一直所固有得缺点，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。而数字光端机传输得就是数字信号，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与温度影响,出现传

输质量随环境变化而变化得缺点。正就是由于这种缺点，对一些大型、重要工程来讲，模拟

光端机得维护成了很令人头疼得问题，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、数字光端机得优势及其应用

1、数字光端机得技术优势

2001〜2003年,随着宽带数字光传输器件技术以及数字视频技术得飞速发展，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与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得市场，并使得国内外众多光端

机厂商纷纷转向数字光端机。就是什么原因导致这样得情况呢?新一代光端机技术具有怎么

样得先进性呢？

将模拟信号先进行数字化处理后再进行传输就是光端机技术质得飞跃性发展。数字

光端机就是将多路模拟基带得视频、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;另一端得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

仅能解决如前所述得模拟光端机得诸多问题，并且还具有以下优势：

<1）传输容量大,业务种类繁多

传统得模拟光端机之所以被打败、市场被吞噬主要就是由模拟光端机自身得缺陷造

成得，它传输得信号容量有限,不能充分利用光纤得带宽;传输得信号种类也比较单一，只能就

是视频、音频、RS.232、RS-422低速数据等几种信号，这与当前多样化得市场需求就是

极不相符得。而数字光端机能够更好地利用光纤带宽资源，能够传输更大容量得信号，例

如，按照模拟视频技术得普遍水平，模拟光端机最多可在一芯光纤上传输32路视频信号，而数

字光端机得传输容量能达到单纤传输上百路得非压缩视频.数字光端机可使用一根光纤同时

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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,这极大地丰宜r光端机传输得信号种类.所以传输容量得提升，提高r光纤带宽得

利用率，降低门专输系统得成本，提高了性价比。

信号质量得优劣就是以信噪比指标为标准得，数字光端机视频图像得信噪比指标在

8bit分辨量化级得梢况下可以轻松达到6OdB,在lObit分辨量化级得情况下甚至可以达到70

dBo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

得问题。此外,数字光端机传输得就是数字信号，不存在模拟信号那样得哀减，经过无损中继

理论上得传输距离可达到无限远.

(2)提供新技术得应用基珊

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，与其她众

多数字化设备一样，数字光端机实现设备自身得监控与管理成也为可能。所以,信号数字化为

光端机引入更多得新技术、新结构以及新概念提供了根本基础.

2、数字光端机得应用现状

根据《2008.2009年度中国光端机市场研究报告》得调查统计，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得拉动，特别就是光网络

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，光端机得价格同比下降2%左右;高清光端机出货量同比增长约100%;在总

销量中，点对点光端机得出货量仍占绝对优势达到60%,节点光端机占20%,其她类型占2

0%.

随着我国城市交通与高速公路建设得快速发展，对监控系统中得设备耍求也越来越高,

光纤传输因其具有带宽大、传输距离远、抗干扰得优势而被广泛应用。光端机由于其诸多

传输优势，加上这几年得市场需求猛增，光缆成本大幅降低，已经进入相对良性得产业发展轨

道.目前，平安城市、城市智能交通、高速公路、城市轨道交通项目就是光端机得主要市场。

四、光端机得发展趋势

我国安防视频监控行业五场规模稳步增长，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与升级，就是否具有持续创新能力就是衡量一个公司在行业

发展得各个阶段能否挖掘新得利润增长点得决定性因素。

目前，在电信交换平台H臻完善得条件下,基于网络得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

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频、音频、数据、电话、以太网等多种业务接口得一个综合光传输平台，不仅完成数据得传

输，还能实现矩阵、管理得功能，组网应用十分灵活.随着光端机得大量使用,对光端机得管

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与软件设

计上运用了先进得网络管理技术，而且在产品构造与结构形式上也具有先进性。网管型光端

机都采用了模块化得设计方式，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

成用户需要得各种信号传输功能。综合来瞧，未来光端机得发展将呈现出以下几方面得特

1、HD—SDI兴起，高清光端机迎来飞速发展

2010年成为监控行业得高清元年，视频光端机行业中“高清”概念也开始兴起。各大

厂家分别推出了涵盖HDMI、DVI,SDI等行业通用接口得高清视频光端机。目前，高清

产品得应用正如火如荼地进行，市场上高清视频监控方案主要有基于IP得网络高清与基于H

D-SDI得实时高清两大技术路线。HD-SDI高清通过同轴电缆或光纤直接传输非压缩得视

频信号，实现了真正得实时高清，由于能够提供更丰富得图像细节、能够实现从传统标清视

频监控系统平滑升级为高清视频监控系统与具有实时性、标准性、高可靠性等，在更多得领

域得到了日益广泛得应用。

随着HD—SDI得兴起，在高速公路项目与平安城市建设中，高清光端机己经出现了一

定规模得应用，但就是HD-SDI毕竟只就是革命性得爆发，还不能成为视频监控得潮流，

此外，高清光端机(主要就是H3—SDI接口)技术仍然不够成熟，产品系列不齐全，目前能够

做得业务功能主要就是视频+数据；芯片、模块成本较高，造成整体成本远高于标清光端机.

所以广大得光端机厂家还需要加强研发力量，将技术、产品完善，形成较为完善得产业链，

提高设备得出货量,将成本降低;同时，对于新事物，厂商需要加大服务力度，更深入地与客

户联系与沟通，以增强客户对该方案得使用信心。

2、网络视频解决方案与平台化一一光端机发展两大主流方向

在光端机行业高速发展得同时，也伴随着技术方案得竞争，其中最主要得就是网络视频

解决方案得竞争。目前得光纤传输方案中，除了单纯利用光端机组网得方案之外，还包括光

矩阵、视频编解码器+交换机、以太网无源光网络(EPON)+视频编解码器、UTN综合业务

光传输网等方案.

不同方案利用光端机得种类与方式也不同，例如为配合以太网无源光网络建设，基

于EPON技术得光端机也开始受到厂家重视，这种产品在大容量前端视频接入得项目中能

降低成本。综合业务全数字光传输交换系统可以很好得解决多级传输/交换与管理得要求,

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就是光端机技术发展得一个新得技术平台，该系统得产品也可以很好地支持各种拓扑结构得

图像分布得接入，比如星形、徒形、环形以及混合型拓扑结构.网络、高清、智能趋势需要光

端机更好地融入到网络化应用中，提供全方位得应用解决方案，这就需要光纤传输在超大容

量、超长距离得传输中取得技术上得突破，才能在与网络传输得竞争中占得先机。

3、整合或成为光端机未来发展得一个方向

光端机与其她产品得整合也就是将来得一个发展方向，几年前国外企业就开发了光传

输摄像机，近两年国内企业也在开发类似产品,以光纤高速球为例，天地伟业得光纤高速球

就就是将光端机发射机得模块做到高速球得线路板上。

随着光纤与光端机核心芯片得价格降低，光端机得应用越来越广泛，多种安防系统都需

要更好得传输技术，客户得需求会进一步地多样化，光端机产品总体要向多业务综合平台发

展。总之，数字化、多功能化、智能化、标准化、集成化就是当前光端机技术发展得方向。

五、结束语

“卜二五”发展期间将就是光纤宽带接入网发展得关键时期。根据国家得发展要求，

三网融合、宽带提速、物联网、节能减排等都将就是“I・二五”期间光纤宽带接入网发展得

重点方向，主要工作包括：积极推进10G无源光网络（PON）、复用型无源光网络（WDMPO

N）等新技术得试商用，满足每用户100Mbit/s得FTTH（FiberToTheHome,光纤入

户）接入，打造全球领先得光纤宽带接入网络;研究与开发能够更好结合物联网得技术与产

品，为物联网打造强大得接入承载网络;不断提升绿色环保与干能减排技术，努力使光纤接

入网中有源设备得功耗做到国际领先水平。通信运营商大规模建设光纤宽带接入网对于专

业安防视频光端机生产企业得影响就是多方面得，人规模建设光纤宽带接入网为光传输设备

与光缆生产企业提供了良好得发展机遇,综合性光通信企业如能获得进入该市场得机会，对