Статьи

К списку статей

Цифровое видео в оптоволоконных сетях

Цифровые технологии интенсивно вторгаются во все области охранного телевидения. Модное словечко «digital» из специального термина часто превращается в заклинание, произносимое с целью произвести впечатление на дилетантов. Но отрицать роль «цифровизации» нельзя - важно правильно определить преимущества цифровых систем перед аналоговыми и научиться максимально их использовать на практике.

Теоретически сигнал (видео, аудио или другой) в корректно спроектированной аналоговой системе передается от входа к выходу без искажений. На практике добиться этого практически невозможно - стоит только вспомнить о линейных и нелинейных искажениях, вносимых шумах и наводках. Особенно это справедливо для систем с многократной регенерацией сигнала, например при дальней его передаче. С другой стороны, цифровые методы передачи информации во многом свободны от указанных недостатков. Поэтому они все чаще привлекают внимание разработчиков систем охранного ТВ, в том числе создателей оптоволоконных сетей для передачи видеоинформации. Цель настоящей публикации - познакомить читателя с последними достижениями в области передачи несжатого видео по оптоволокну. Но сначала оглянемся назад и вспомним основы.

Основные понятия и термины

Любую систему передачи видеоинформации количественно и качественно можно охарактеризовать тремя основными параметрами. Отношение « сигнал-шум » определяет вероятность правильного опознавания изображений, потенциальную разрешающую способность и количество градаций яркости, воспроизводимых телевизионной системой.

Различия в форме записи отношения «сигнал-шум» связаны с использованием линейной либо логарифмической шкалы. Два способа задания этого параметра связаны соотношением:
Формула (1)
где под U c понимается амплитуда сигнала, а под U ш - среднеквадратичное значение шума. Отношение «сигнал-шум» является объективной характеристикой изображения, связанной с субъективной оценкой его качества. Экспертная оценка субъективного ухудшения качества при увеличении уровня шума по пятибалльной шкале, рекомендованной Международным консультативным комитетом по радиотехнике (МККР), приведена в таблице.

Uш, мВ при Us = 100 IRE ψ, дБ ψ, раз Качество Ухудшение
14.0 50 316 Отличное Не заметно
17.5 40 100 Хорошее Заметно, но не мешает
23.0 30 32 Удовлетворительное Немного мешает
35.0 20 10 Неудовлетворительное Мешает
70.0 10 3 Непригодное Сильно мешает

В системе из нескольких последовательно соединенных устройств для результирующего линейного отношения «сигнал-шум» - справедливо следующее выражение:
сигнал-шум (2)
где - ψ i - отношение «сигнал-шум» на выходе i-того устройства.
Искажения типа «дифференциальное усиление» характеризуют достоверность передачи перепадов контраста в изображении при переходе от черного к белому и описываются как процентное отклонение при передаче изменений амплитуды видеосигнала. Искажения типа «дифференциальная фаза» описывают фазовые искажения цветоразностных сигналов, приводящие к ошибочной передаче цвета, и измеряются в угловых градусах. В любой системе необходимо стремиться к минимизации искажений того и другого типа.
Основные требования к указанным параметрам применительно к задачам вещательного ТВ были сформулированы еще в 50-х годах прошлого века и закреплены в соответствующих ГОСТах. С появлением охранного ТВ и соответствующего российского стандарта ГОСТ Р 51558-2000 они были распространены на телевизионные системы, предназначенные для защиты людей и имущества от преступных посягательств. Стандарт «Системы охранные телевизионные...» дает предельно конкретную формулировку: «Технические характеристики линий связи в каналах изображений должны соответствовать ГОСТ Р 50725-94», а этот ГОСТ, в свою очередь, задает следующие значения для любых соединительных линий, будь то коаксиальный кабель, радиорелейная система передачи или оптоволокно:

  • отношение «сигнал-шум» - не менее 63 дБ;
  • дифференциальное усиление в пределах 5%;
  • дифференциальная фаза в пределах 5°.

Аналогичные стандарты существуют и в других странах. Так, в США действует стандарт EIA/TIA RS-250C, формулирующий требования к системам передачи видеоинформации на большие, средние и малые расстояния.
Требования стандарта RS-250C к системам передачи на большие расстояния (Long-Haul Transmission) следующие:

  • отношение «сигнал-шум» - от 54 до 59 дБ;
  • дифференциальное усиление в пределах 8%;
  • дифференциальная фаза в пределах 2,5°.

Изначально эти требования применялись к системам передачи видео по коаксиальному кабелю и микроволновым каналам на десятки и сотни километров при организации телетрансляций. Сейчас они широко используются в качестве исходных при проектировании охранных телевизионных систем и обеспечивают приемлемое качество изображения при низкой стоимости каналообразующего оборудования.
При передаче видеосигнала на средние расстояния (Medium-Haul Transmission) требования ужесточаются: отношение «сигнал-шум» должно лежать в пределах 60-67 дБ, дифференциальное усиление не должно превышать 5%, дифференциальная фаза - 1,3°. Сейчас в ряде стран указанные параметры являются обязательными для телевизионных систем контроля дорожного движения и охранных ТВ-систем в особо ответственных приложениях.
Спецификация стандарта RS-250C Short-Haul Transmission задает требования к оборудованию, соответствующие студийному качеству изображения:

  • отношение «сигнал-шум» - более 67 дБ;
  • дифференциальное усиление в пределах 2%;
  • дифференциальная фаза в пределах 0,7°.

Аналогичные требования заданы и в стандарте CCIR-601, по которому живет европейское телевидение. Отметим, что требования CCIR-601 выполнимы на отрезках коаксиального кабеля, составляющих единицы метров. Об устройствах передачи видеосигнала по витой паре деликатно промолчим - они так же далеки от действующих стандартов, как декабристы от народа. Поэтому достижение студийного качества изображения в охранных видеосистемах до последнего времени было более чем проблематичным. Ситуация радикально изменилась в последние годы, и причиной тому стало магическое слово «digital», помноженное на оптические технологии.

Методы передачи видео по оптоволокну

Для передачи видео по оптоволокну используются различные виды модуляции оптического сигнала: амплитудная, частотная и цифровая. В наиболее простых и дешевых аналоговых системах используется линейная модуляция интенсивности излучения светодиода видеосигналом. Как правило, аппаратура с амплитудной модуляцией работает в многомодовом режиме на длине волны 850 нм, что ограничивает дальность передачи видеосигнала несколькими километрами. Отношение «сигнал-шум» при амплитудной модуляции линейно снижается с ростом длины оптического кабеля - примерно на 2 дБ на каждый децибел оптических потерь (рис. 1). Другим недостатком устройств с амплитудной модуляцией является нелинейность модуляционной характеристики излучающего элемента. На практике это приводит к ограниченному динамическому диапазону передачи видеосигнала и заметным искажениям типа «дифференциальная фаза» и «дифференциальное усиление».

Рис. 1

Цифровое видео в оптоволоконных сетях

Использование частотно-импульсной модуляции (FM) позволяет частично избавиться от указанных проблем. В этом случае аналоговый видеосигнал модулирует опорную частоту следования импульсов, например 40 МГц. Частотная модуляция широко используется при создании систем видеонаблюдения с повышенными требованиями к качеству изображения; на рынке широко представлена многомодовая и одномодовая FM-аппаратура с рабочими длинами волн 1300 и 1550 нм. Дальность передачи видеосигнала в подобных устройствах может достигать десятков километров, но зависимость отношения «сигнал-шум» от дальности передачи существенно нелинейна (рис. 2). Поэтому работа FM-кодеков на критических расстояниях непредсказуема - результат может быть и блестящим, и абсолютно неудовлетворительным. В целом, достигнутые параметры устройств с частотной модуляцией выше, но до студийного качества они «не дотягивают».

Рис. 2

Цифровое видео в оптоволоконных сетях

Переход к частотной модуляции порождает и другую проблему - перекрестные и интермодуляционные искажения при мультиплексировании FM-сигналов в одном оптическом волокне. В данном случае видеосигналы модулируют сначала радиочастотные несущие, затем суперпозиция несущих радиочастот используется для модуляции оптического сигнала. Активное FM-оборудование может также обладать повышенной чувствительностью к внешним электромагнитным полям.


Растущая потребность в повышении качества передачи изображения в системах охранного телевидения обусловила необходимость разработки полностью цифровых методов передачи видеосигнала. В этом случае для передачи двоичных символов в волоконно-оптических системах связи обычно используется импульсно-кодовая модуляция; «0» соответствует отсутствию, «1» - наличию оптического излучения в волокне. Использование цифровых технологий обеспечило появление систем передачи одного или нескольких видеосигналов по одному оптическому кабелю с исключительно высоким качеством, не зависящим от длины линии связи (рис. 3). При этом в 2-3 раза удалось снизить искажения типа «дифференциальная фаза» и «дифференциальное усиление» по сравнению с аналоговыми методами. Использование даже 8-битного кодирования позволяет создать транспортную среду, удовлетворяющую требованиям ГОСТ Р 50725-94 и RS-250C Medium-Haul Transmission. Например, цифровые кодеки серий «CFO» и «OP-X» финской фирмы «Teleste» c 8-битным кодированием обеспечивают отношение «сигнал-шум» не хуже 60 дБ при искажениях типа «дифференциальное усиление» - 1%, «дифференциальная фаза» - 1°. Переход к 12-битному кодированию в последних разработках «Teleste» позволил создать многомодовую аппаратуру, обеспечивающую студийное качество передаваемых изображений в соответствии с CCIR-601 и RS-250C Short-Haul Transmission. Так, передатчики серии «CFO 121» обеспечивают в линии связи отношение «сигнал-шум» не хуже 70 дБ при искажениях типа «дифференциальное усиление» - 1%, «дифференциальная фаза» - 1°.

Рис. 3

качество передачи изображений

Важность поддержания высокого отношения «сигнал-шум» в линии связи покажем на конкретном примере. Пусть в системе видеонаблюдения используются ТВ-камеры класса «Premium», обеспечивающие на выходе отношение «сигнал-шум» 50 дБ. Используя формулу (2), несложно показать, что при использовании цифровых волоконно-оптических кодеков с отношением «сигнал-шум» 60 дБ результирующее отношение «сигнал-шум» упадет всего на 0,5 дБ и будет равно 49,5 дБ. Переход на устройства с 12-битным кодированием сделает уменьшение отношения «сигнал-шум» еще менее заметным. В то же время, использование волоконно-оптической аппаратуры с амплитудной модуляцией и отношением «сигнал-шум» 50 дБ приведет к заметному снижению отношения «сигнал-шум» в системе - до 47 дБ.

Другим преимуществом цифровых методов передачи видеосигнала в оптоволокне является возможность их мультиплексирования во времени (time division multiplexing - TDM). При этом аналоговый видеосигнал оцифровывается, а каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи текущего отсчета видеосигнала. В первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одной ТВ-камеры, во второй - другой и т.д., а каждый видеосигнал передается последовательно в своем временном окне. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, т.е. идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляется только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. При этом обеспечивается передача до 16 видеосигналов в темпе 50 полей в секунду без сжатия и задержки в одном оптическом волокне. Совместное использование технологий временного и спектрального мультиплексирования (WDM) увеличивает число видеоканалов реального времени до 64 и более. Например, широко используемая в настоящее время аппаратура «ОР-Х» фирмы «Teleste» c TDM и грубым спектральным мультиплексированием (CWDM) по длине волны позволяет разместить в одном оптическом волокне 72 независимых канала передачи видеосигналов с качеством, соответствующим требованиям действующих российских стандартов в области телевидения.

В целом, преимущества передачи видео по оптоволокну в цифровой форме многочисленны и значимы:

  • в системе легко может быть достигнуто качество передачи изображений, полностью удовлетворяющее требованиям ГОСТ Р 50725-94 и ГОСТ Р 51558-2000;
  • отношение «сигнал-шум», искажения типа «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза» не зависят от длины оптоволоконного кабеля в пределах допустимого оптического бюджета;
  • возможность многократной регенерации сигнала с заданным качеством;
  • минимальное количество аппаратных средств для поддержания студийного качества в сочетании с нечувствительностью к наводкам обеспечивает высокую надежность каналообразующего оборудования;
  • низкая удельная стоимость одного канала передачи при использовании технологий TDM и WDM.

Перечисленные преимущества четко указывают области охранного ТВ, в которых наиболее перспективно применение цифровой волоконно-оптической аппаратуры. К ним, в первую очередь, относятся охрана периметра, системы контроля дорожного движения и организация видеонаблюдения на особо ответственных объектах. Таким образом, применение цифровых методов передачи видеосигнала открыло новый этап в создании ВОЛС охранного назначения. В настоящее время можно утверждать, что рассмотренные цифровые решения проверены практикой, надежны, сравнительно недороги и не имеют альтернатив при разработке охранных телевизионных систем профессионального уровня.


Передача сигнала по оптическому кабелю

Внешний вид DEM-211 Внешний вид DEM-211
SFP-трансивер с 1 портом 100Base-FX для многомодового оптического кабеля (до 2 км)
1 697

Производитель D-Link
Внешний вид SF-100-11S5a Внешний вид SF-100-11S5a
Медиаконвертер оптический
2 390

Производитель SF&T
Внешний вид SF-100-11S5b Внешний вид SF-100-11S5b
Медиаконвертер оптический
2 390

Производитель SF&T
Внешний вид SFP-S5a/I Внешний вид SFP-S5a/I
SFP модуль
2 720

Производитель SF&T
Внешний вид SF-100-21S5b Внешний вид SF-100-21S5b
Медиаконвертер оптический
3 177

Производитель SF&T
Внешний вид SF-100-21S5a Внешний вид SF-100-21S5a
Медиаконвертер оптический
3 177

Производитель SF&T
Внешний вид SFP-S5b/I Внешний вид SFP-S5b/I
SFP модуль
3 375

Производитель SF&T
Внешний вид SF-1000-11S5b Внешний вид SF-1000-11S5b
Медиаконвертер оптический
5 356

Производитель SF&T
Внешний вид SF-1000-11S5a Внешний вид SF-1000-11S5a
Медиаконвертер оптический
5 356

Производитель SF&T
Внешний вид SF-100-71S5a Внешний вид SF-100-71S5a
Коммутатор неуправляемый
5 884

Производитель SF&T
Найдено товаров: 31
1 2 3 4

Возврат к списку

Создание проекта системы видеонаблюдения всего за несколько минут;
Все РЕАЛЬНО: в т.ч. сектора наблюдения, параметры кабельных трасс;
Загрузка готовых планов и их масштабирование;
Спецификация обрудования и смета создается автоматически;
Дружелюбный интерфейс;
Индивидуальные настройки программы и оборудования.
Техподдержка встроена непосредственно в программу.
Регистрация занимает одну минуту.

ОТ ЗАПРОСА ДО ОФОРМЛЕННОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ - 15 МИНУТ