高清光端机的发展现状及未来解析与探讨
高清光端机发展概况
光端机并非安防行业原创产品，最初只是广泛应用于广电业，经由各种发展最终引入了安防业，成为重要的传输介质。在上世纪90年代，最简单的模拟光端机被引入安防界，开始应用在模拟监控系统中。到了2001年，数字光端机开始出现并迅速代替了模拟光端机市场。之后，安防界光端机经历了井喷式发展，业内企业迅速增多。2010年。视频监控行业受摄像头“高清风”的影响，视频光端机行业中“高清”概念也开始兴起。迈入2012年，各大厂家关于“高清光端机”已经逐步自成系统，并逐步将产品应用到各个领域中。
所谓高清，就是物理分辨率达到720p以上的一种视频格式，英文表述为HighDefinition，简称HD。关于高清的标准，国际上公认的有两条：视频垂直分辨率超过720p或1080i；视频宽纵比为16：9。
伴随着监控行业的发展而发展，光端机从模拟到数字、从数字到高清，一步步走来，经过这么多年的技术积累，已经发展到一个很成熟的阶段。作为高清视频信号远距离传输介质之一，光端机是高清监控系统整体解决方案的传输部分，在整个系统中占着举足轻重的地位。
据媒体资料，去年中国安防市场上的高清视频监控设备占到整个视频监控系统5%左右的市场，规模在1亿元左右，按此估算2012年以高清光端机传输为代表的高清配套设备有望突破占到整个安防视频监控的3%~8%之间的市场份额。
目前，高清产品的应用正如火如荼的进行，市场上高清视频监控方案主要有基于IP的网络高清和基于HD-SDI的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的视频信号，实现了真正的实时高清。HD-SDI高清因为其能够提供更丰富的图像细节、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和实时性、标准性、高可靠性在更多的领域得到日益广泛的应用。
SDI高清数字信号的概念来源于广电行业，早在数字高清概念被引入安防行业前，高清数字光端机已经在广播电视行业中有广泛的应用。但由于安防行业具有某些有别于广电行业的特殊的应用需求，应用于视频监控领域的高清光端机还存在性能上的改善与不足，如光端机需要具备防雷功能，以便适应于室外等野外环境的场合。
由于广电领域与视频监控领域的应用差异，还存在许多不足等待解决。比如单点多路高清HD-SDI视频传输时仍需采用波分复用，无法进行单台设备多路(8/16路)视频单纤传输；同时不得不说的就是它的高造价、高费用问题。
高清已经成为视频监控行业的需求趋势，而高清视频信号在同轴电缆中衰减大、传输距离短，高清的光端机能够实现将HD-SDI、HDMI、DVI等高清视频信号长距离传输，这样就突破了高清视频信号传输距离短的缺点，大大延伸了高清视频信号的传输距离，扩展了高清产品的应用范围。所以随着高清产品的推广和应用，高清光端机的应用也会越来越广泛。
高清光端机产品内部结构解析
目前高清光端机采用全数字、非压缩解决方案，产品分为接口模块、视音频处理部分、光电转换模块和网管模块。为了提高视音频信号的输入输出质量，在输入接口内置电缆自动均衡器和时钟重定时器，在输出接口内置驱动器；在视频、音频、数据等输入输出接口，加入防雷、防浪涌等保护电路；接口部分，可以把音频、数据、以太网等业务模块化，以插卡的方式实现，方便各功能灵活配置。网管模块实现光端机的智能检测，检测设备的当前状态，记录历史故障和告警。使用FPGA进行视音频信号处理，利用时分复用技术，把不同源的视频、音频、数据、以太网、网管信息等业务分解为一个个“时间片段”，通过一定的顺序和编码方式结合在一起，通过光电转换在光纤中传输，接收端是发射端的逆过程。
从目前的市场看，高清光端机产品在市场营销方面主要以多种接口接入及接口信号互转、大容量多路同时传输及高端应用等方向推广。目前覆盖了有HDMI、DVI、SDI等行业通用接口的高清视频光端机及各种高清接口转换设备，利用大容量的光器件和波分复用技术在1芯光纤上实现多路高清图像的传输。此外还可以带数据、音频、报警等业务信号的传输。同时一些主流厂商开始将细分市场定位在高速公路治口卡口、、标志性场馆、机场等高端应用进行推广。
高清光端机技术核心剖析
视频标准、视音频指标、接口保护、稳定性是衡量高清光端机品质的重要指标。据微创邢亚平分析，HD-SDI视频信号是否兼容SMPTE259M/292M/344M/424MB标准，HDMI视频信号是符合HDMI1.0或HDMI1.1或HDMI1.3标准等，视频标准反映了光端机与摄像机等视频信号源的兼容性；视音频指标反映了视音频的质量，如信噪比，相同分辨率下，信噪比越高，图像清晰度越高；良好的回波损耗性能是保证高速率传输性能的关键；视频颜色深度，12bit较8bit能支持更细致逼真的色彩图像；接口保护，能大大提高产品的质量，降低产品的维修率；高清光端机的高低温性能、长时间运行的稳定性是对整个监控系统的安全和稳定起着至关重要的作用，采用高稳定性和可靠性的器件、经过严格生产工艺流程，才能保证高清光端机在系统中稳定可靠运行。
目前，光端机技术已经非常成熟成熟，在技术取得突破之前，厂家更多地把开发重心转向产品性能的提升上，力求在产品质量上获得突破；同时，也针对市场的需求加入一些新的应用，以满足客户的个性化需求。
单模光纤
光纤按光在其中的传输可分为多模和单模。多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输，其纤芯直径为50μm或62.5μm，在局域网传输时，弯路多则光功率分路频繁，会造成光信号传输损耗就大，这正好发挥出传输速率相对较低、传输距离相对较短、节点多、接头多、弯路多、连接器/耦合器用量大、规模小、单位光纤长度使用光源个数多的多模光纤的长处。采用单模光纤，传输距离可以实现20-100KM，而且传输效果好，不容易受干扰，多模的光器件基本已经停产，客户如果是早几年铺设的多模光缆，目前有些光端机品牌产品，在光端机内部配置了单、多模自适应电路，可以直接使用单模光端机传输。
模块化设计
光端机的型号种类非常多，现场应用也不尽相同，将光端机模块化设计，可大大提升光端机配置的灵活性，将可根据客户的不同需求搭配不同的模块，灵活简便；而对已经在现场使用的光端机产品，功能上的变更或增加，直接更换不同的功能模块就可以，为用户节省更换整机的时间和成本。模块化设计优点便显而易见，如多模传输的应用，多模光器件基本已经停产，而有些用户仍在使用该方式，如果产品内部配置了单、多模自适应电路的光端机，即可直接使用单模光端机完成多模传输应用。由于模块化设计的灵活多变，还可为系统的开发提供可扩展功能应用，便于后期系统接入量或应用功能的增加。
面对产品繁杂的现状，除模块化设计外，还可采用混合接入设计。数字化已经成为不可扭转的现实，当前厂家推出的新产品中，模拟产品所占的比例越来越低，网络产品则成倍地增长，并伴随有广播级SDI技术的融入，不同标准产品的并存，给应用带来了许多不便，因此有厂家对光端机的兼容性能进行了提升，在设备中提供有光口、RJ-45网络接口、BNC接口、VGA/DVI/HDMI接口等，使得在同一个光端机中既可传输模拟信号，也可接入网络、数字信号、高清信号等，在业务量上，也做了大幅度提升。
光端机市场复用技术仍为主流
适应更恶劣的现场环境
光端机的发射机与接收机成对应用，两点间隔距离远，安装环境情况不一，通常被放置于石油石化、高速公路等偏远、环境恶劣区域，维护不便，一旦传输通道出现断网等不利境况将给应用带来重重困扰。自适应恶劣环境，该功能旨在让产品具备更强的环境适应能力，可在雷电等破坏下起到系统自保。不同厂家的做法略有不同，但无外乎都是以保护硬件为最终目的。内置了三种保护电路：三级的通讯接口保护，达到雷电泄放、过流自动恢复的功能；视频保护的等级可达到75V（视频信号只有2V），能保护到视频信号的30倍以上。两级电源保护，过压的TVS保护以及过流的自恢复保险。在更恶劣的现场环境下，保证设备运行的稳定性。
丰富的可扩展功能
随着数字光端机应用领域的扩大，很多行业也提出了新需求，如网管功能，通过特定的上位机软件实时监测光端机的运行状态，出现异常情况可立即告警，第一时间发现并解决问题。
此外，汇聚和节点式光端机也得到了应用，更加节约光纤资源，一芯光纤可完成整个系统的连接、传输，扩展了光端机产品的应用环境。
光端机市场复用技术仍为主流
复用技术主要有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、波分复用(WDM)和码分复用(CDMA)四种技术。复用技术主要解决单光纤传输容量小的问题，尤其是当前出现的HD-SDI应用，占用带宽大，业务量多，而目前的复用技术还不能很好满足这一需求，复用技术的研发就显得尤为重要。
高清光端机采用的高速数字光纤传输技术、非压缩高清数字视频技术、高清视音频编码技术，都是高清光端机先进性的体现。高清视频信号速率高、占用的带宽大，HD-SDI信号速率为1.485Gb/s，3G-SDI信号速率为2.97Gb/s，HDMI支持4.95Gb/s、10.2Gb/s，如何在单根光纤上传输多路高清视频是高清光端机当前最受关注的技术热点。使用波分复用技术，可以在一根光纤上传输多路高清视频，但是这种方案成本高。如何把高速数字光纤传输技术、高清视音频编码技术、波分复用、时分复用等技术融合在一起，是光端机厂家共同面对的课题。
在实现高清视频传输的同时，实现异步数据、音频、开关量、以太网等综合业务的传输，也是高清光端机备受关注的热点之一，目前主要有波分复用和时分复用两种方式实现，时分复用技术难度高，将视频、音频、数据、以太网等多个信号结合为单个更高速率的数据流，并且各部分数据流以规定的次序进行传输，必须维持好传输顺序，在接收端才能将各个数据流正确无误地分解开来。另外，智能化也是高清光端机的又一技术和功能热点，通过强大的网管功能，实现设备的自我诊断，用户可以通过管理软件直观地了解设备的运行状态，极大地方便用户对设备的维护和管理。
高清光端机应用分析
对于非压缩高清数字信号HD-SDI进行远距离无压缩传输时，光传输目前仍是远距离传输的唯一解决方案，所以目前高清光端机的应用还是作为远距离传输的主要设备，在涉及到远距离传输系统的监控领域中一般都会用到光端机。
光端机在视频监控领域的应用非常广泛。由于视频监控是个复杂的系统工程，不同环境对于光端机要求不尽相同城市道路、高速公路、轨道交通等领域监控目前集中在收费站、桥梁、隧道、车站等关键路段，光纤资源较紧张，对光端机的要求是视频容量大、传输距离远，所以一般采用节点式光端机和光传输交换平台。在这些应用领域，客户对产品质量、品牌、服务的要求相对较高。“平安城市”、“智慧城市”等视频监控主要针对园区、要害部位、公共场所、金融和营业场所等，此类项目的规模越大，占用的光纤资源就越多，非常浪费光纤。另外这部分客户对价格较敏感。
目前高清光端机的应用主要体现在两个方面，一是把远端信号源输出的高清信号远距离传输至监控中心或演播室，二是把监控中心的高清信号远距离传输至显示设备；例如HD-SDI高清光端机可以把HD-SDI摄像机采集的高清视频信号无失真、全实时的传输至监控中心，实现高清视频远距离监控；HDMI/DVI/VGA高清光端机可以将计算机、高清DVR等设备输出的高清视频信号传输至户外大屏，实现高清视频远距离显示。另外，异步数据、音频、TTL、以太网等综合业务传输为高清视频的控制和综合应用提供了保障。
高清光端机的应用范围广泛，用户对高清光端机的需求也是多样化的，也不排除一些个性化的定制需求，但用户普遍对高清光端机的功能、性能指标以及稳定性高度关注。功能接口和传输距离是否满足需求是用户首要关心的问题，譬如用户使用HD-SDI光端机传输HD-SDI摄像机图像，同时要求控制云台转动、能够实现报警信号传输，那么HD-SDI高清光端机就要支持高清HD-SDI高清视频、RS485/232、开关量的综合传输；性能指标是衡量光端机质量的重要依据，如高清光端机支持的视频信号标准、信号电平等；在监控要求较高的场所，对光端机无故障连续工作时间、工作温度范围都有一定的要求；光端机的结构、尺寸、是否容易安装、是否具备智能检测等都是用户关注的问题。
高清视频传输在交通治安卡口应用案例简析
交通治安卡口监控系统是指在城市的进出口交通要道、高速公路的出入口、重点路段等处，利用先进的光电、计算机、图像处理、模式识别、远程数据访问等技术，对监控路面过往的每一辆机动车进行连续全天候实时24小时不间断、无遗漏的记录，获取过往车辆的前部物征特征图像和车辆全景图像，计算机根据所拍摄的图像进行车牌识别，自动识别车牌号码和颜色，自动记录相应车辆车型、颜色、车牌号、行驶方向、车速、路经时间等各种参数，自动采集保存车辆图像，并存入计算机生成数据库，数据具备联网查询功能，为各地公安及交警部门进行交通管理提供要线索和依据。为此，交通治安卡口提出了高清视频图像的需求。
交通治安卡口的HD-SDI高清视频整体解决方案，如下图：
HD-SDI高清视频整体解决方案
针对交通治安卡口的HD-SDI高清视频整体解决方案
整个交通治安卡口监控系统具有以下特点：
△全高清解决方案，包括信号采集、传输、显示浏览、录像等环节全面支持高清；
△高实时性，不受传输网络影响，无IP网络监控产生的图像延迟问题；
△不失真高清图像，全程HD-SDI无压缩数字视频信号高速传输，保持图像的完整性和原始性；
△标准化，整体设备采用标准HD-SDI接口，兼容性好，易扩展；
△易升级，使用已有视频线从标清升级到高清，只需更换前后端设备，不需重新布线；
△易使用，系统构成、操作与传统CCTV系统无异，便于操作、使用。
交通治安卡口的HD-SDI高清视频整体解决方案，如下图：
HD-SDI高清视频整体解决方案 针对交通治安卡口的HD-SDI高清视频整体解决方案 整个交通治安卡口监控系统具有以下特点：
△全高清解决方案，包括信号采集、传输、显示浏览、录像等环节全面支持高清；
△高实时性，不受传输网络影响，无IP网络监控产生的图像延迟问题；
△不失真高清图像，全程HD-SDI无压缩数字视频信号高速传输，保持图像的完整性和原始性；
△标准化，整体设备采用标准HD-SDI接口，兼容性好，易扩展；
△易升级，使用已有视频线从标清升级到高清，只需更换前后端设备，不需重新布线；
△易使用，系统构成、操作与传统CCTV系统无异，便于操作、使用。
结束语 "让我们看得更清楚些"、"还给人们一个清晰的世界"这样的呼声和口号也日益高涨，体现出来的是一种需求和趋势。随着监控技术的不断发展，高清已然成为监控技术发展的主导方向之一。结合高清技术发展，不断满足市场需求，高清光端机调整自我发展战略，以"新"的姿态亮相监控体系，这颗明星将以新的态势开启征途，他的光芒将再次审视这个世界。
