光端機(jī)的創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用

郭譯群

（中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

光纖傳輸視頻信號相比同軸電纜、非屏蔽雙絞線、無線等其他傳輸介質(zhì)，有著帶寬高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等較多的技術(shù)優(yōu)勢，隨著光纖價格的逐步降低，視頻光端機(jī)在平安城市、道路監(jiān)控、高速公路、軌道交通、軍隊、石油石化等需要遠(yuǎn)距離傳輸視頻的行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于光端機(jī)的生產(chǎn)和使用受地理位置的局限，當(dāng)光端機(jī)所處的地理位置偏僻，并出現(xiàn)業(yè)務(wù)不通、配置失效或者軟件故障時，研制生產(chǎn)單位都需要派遣技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行故障定位和排查，大大增加了光端機(jī)的維護(hù)成本。由于我國電話網(wǎng)絡(luò)具有高覆蓋率的特點，基于電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)在光端機(jī)中的應(yīng)用，不僅能及時對光端機(jī)的非硬件故障進(jìn)行定位和排除，還能在最大程度上減少研制生產(chǎn)單位的維護(hù)成本[1]。

1 光端機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢

1.1 光端機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程

光端機(jī)是一個延長數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w通信設(shè)備，它主要是通過信號調(diào)制、光電轉(zhuǎn)化等技術(shù)，利用光傳輸特性來達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康?。光端機(jī)一般成對使用，分為光發(fā)射機(jī)（如圖1所示）和光接收機(jī)（如圖2所示），光發(fā)射機(jī)完成電/光轉(zhuǎn)換，并把光信號發(fā)射出去用于光纖傳輸；光接收機(jī)主要是把從光纖接收的光信號再還原為電信號，完成光/電轉(zhuǎn)換。

早期的視頻光端機(jī)是采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等模擬調(diào)制方式，視頻傳輸路數(shù)少，易受到外界環(huán)境干擾和通道之間相互串?dāng)_，視頻傳輸質(zhì)量不能滿足使用要求，從本世紀(jì)初開始就逐漸被數(shù)字非壓縮視頻光端機(jī)取代。數(shù)字非壓縮視頻光端機(jī)采用脈沖編碼調(diào)制方式（PCM）對模擬視頻進(jìn)行采樣，經(jīng)過數(shù)字化編碼后的視頻碼流就可以借助成熟的時分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）等通信技術(shù)，把1路或多路視頻信號以及其他輔助信號一起通過光纖傳輸。目前市場上的光端機(jī)使用單波長就可以傳輸16～18路視頻，加上粗波分復(fù)用（CWDM）技術(shù)，可以單纖傳輸100多路視頻。在組網(wǎng)方式上可以支持點對點、節(jié)點鏈型、節(jié)點環(huán)型、多點匯聚型等多種拓?fù)浞绞?，在業(yè)務(wù)接入方面，除了視頻還可以支持低速異步數(shù)據(jù)、音頻、以太網(wǎng)、開關(guān)量、電話、E1等信號。

數(shù)字非壓縮視頻光端機(jī)作為傳輸設(shè)備，最重要的是要保證視頻的傳輸質(zhì)量，而衡量視頻質(zhì)量一般采用視頻測試儀表對視頻進(jìn)行相關(guān)的指標(biāo)測試，視頻指標(biāo)通常包括視頻電平、微分增益、微分相位、幅頻特性、信噪比等。因此，要保證較高的傳輸質(zhì)量，采樣位數(shù)至少要使用8bit或10bit，這樣才能保證視頻信號有足夠的信噪比；采樣頻率要在13.5MHz以上，這樣才能保證模擬視頻的帶寬和幅頻特性。

除了點對點光端機(jī)外，還有通過光纖組成節(jié)點鏈型或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點式光端機(jī)。多個節(jié)點式光端機(jī)可以分段共用一根光纖，這種方式能節(jié)省大量的光纖資源，比較適合道路監(jiān)控應(yīng)用。節(jié)點式光端機(jī)在設(shè)計上需要采用同步方式，即每個節(jié)點復(fù)接和傳輸?shù)臅r鐘都是同源的，這樣才能完成多點的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)用。由于多級傳輸會造成信號劣化和抖動增加，所以每個節(jié)點的時鐘電路精度和抖動參數(shù)很關(guān)鍵，一般會選用壓控晶振或者專用時鐘芯片電路來實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘同步。

1.2 光端機(jī)未來的發(fā)展趨勢

視頻網(wǎng)絡(luò)化、高清化是未來視頻監(jiān)控的發(fā)展方向。視頻信號在前端進(jìn)行壓縮降低了傳輸帶寬，使傳輸?shù)某杀窘档停蕴W(wǎng)的組網(wǎng)、交換十分靈活，同時壓縮數(shù)據(jù)還可以直接存儲，這些都是網(wǎng)絡(luò)視頻的優(yōu)勢。正是由于這些優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IPC）近年來迅速普及，給傳統(tǒng)的視頻光端機(jī)廠家?guī)砹司薮鬀_擊。由于IP監(jiān)控方案與非壓縮視頻方案在技術(shù)上差別過大，不可能很方便地把非壓縮視頻系統(tǒng)升級為壓縮視頻系統(tǒng)，因此，未來產(chǎn)品只有向IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，才能滿足市場發(fā)展需求。在目前的過渡階段，可以在光端機(jī)業(yè)務(wù)接口上加大對網(wǎng)絡(luò)的支持，包括增加多端口的百兆以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)，這樣可以同時兼容模擬視頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)視頻的傳輸。

2 光端機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 光端機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)模塊的系統(tǒng)組成

光端機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)模塊主要由一個內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)管通道、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、各類業(yè)務(wù)、各類性能統(tǒng)計、各類告警、CPU、FPGA和存儲器組成。其中嵌入式系統(tǒng)運行在CPU上負(fù)責(zé)對低速綜合業(yè)務(wù)、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和光口業(yè)務(wù)進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA專門用來收集光端機(jī)的性能和告警，SDRAM負(fù)責(zé)存儲設(shè)備的運行信息，ROM存儲設(shè)備的歷史告警。其系統(tǒng)組成如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)工作原理

計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端通過外接的調(diào)制解調(diào)器與處在電話網(wǎng)遠(yuǎn)端的光端機(jī)內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器建立了一條基于電話網(wǎng)的通信通道，計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端向遠(yuǎn)端的光端機(jī)發(fā)送各類指令，指令經(jīng)過網(wǎng)管通道進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議層，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對指令包進(jìn)行解析，運行在CPU上的嵌入式系統(tǒng)開始執(zhí)行指令包中的指令。如果是配置指令就直接對設(shè)備各相關(guān)芯片進(jìn)行配置，如果是收集告警信息就需要通過FPGA將收集到的歷史告警和當(dāng)前告警傳送到SDRAM中。然后，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對告警信息進(jìn)行打包封裝傳輸，數(shù)據(jù)信息仍通過調(diào)制解調(diào)器建立的電話網(wǎng)通道將數(shù)據(jù)傳送回遠(yuǎn)端的計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端。

計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端通過傳回的設(shè)備告警信息可以判斷設(shè)備中的低速綜合業(yè)務(wù)、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)和光口業(yè)務(wù)是否工作正常，處于遠(yuǎn)端的維護(hù)人員可以通過當(dāng)前告警和歷史告警信息定位光端機(jī)故障，并通過配置來排除光端機(jī)故障。在基于電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)中，采用了目前比較通用的一種網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(簡單網(wǎng)管協(xié)議SNMP)，SNMP提供了從網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備中收集定義的數(shù)據(jù)信息，它主要包含三個部分：管理信息結(jié)構(gòu)SMI、管理信息庫MIB和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP。為了有效地對網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行管理，讀取數(shù)據(jù)采用批量數(shù)據(jù)操作(GetBukl-Reques)t，對設(shè)備進(jìn)行配置采用Set-Request，對設(shè)備的性能統(tǒng)計和告警信息收集采用Trap機(jī)制，整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用SNMP完成[2]。

2.3 計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端模塊的設(shè)計

計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端模塊由遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)撥號、數(shù)據(jù)處理、圖形化界面顯示、業(yè)務(wù)配置、性能統(tǒng)計和告警信息等模塊組成，如圖3所示。

計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端通過遠(yuǎn)程撥號模塊與遠(yuǎn)端的光端機(jī)建立通信通道，計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端從光端機(jī)中讀取所需的數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，按預(yù)先定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析保存。業(yè)務(wù)配置、性能統(tǒng)計和告警信息分別從數(shù)據(jù)處理模塊中讀取與之相關(guān)的設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并將配置狀態(tài)、性能統(tǒng)計結(jié)果和告警詳細(xì)信息顯示在圖形化界面中。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端接收到來自遠(yuǎn)端設(shè)備的告警Trap數(shù)據(jù)信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析后發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。操作人員可通過接收到的告警信息定位故障，并通過圖形化界面對相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行配置來排除故障，達(dá)到遠(yuǎn)程故障排除[3]。

對于光端機(jī)而言,業(yè)務(wù)模塊主要分低速綜合業(yè)務(wù)、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、PDH電口業(yè)務(wù)和光口業(yè)務(wù)等，需要統(tǒng)計的信息包括告警信息和性能。在計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端中，主要是對各類業(yè)務(wù)配置、性能統(tǒng)計和告警信息進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。在計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端中采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，將所有業(yè)務(wù)按業(yè)務(wù)類別不同定義成相應(yīng)的類，該類中包含了各自的性能信息和告警信息，然后使用鏈表對定義的各種類型的類對象進(jìn)行存儲，在使用過程中，只需要遍歷數(shù)據(jù)鏈表即能完成對各類業(yè)務(wù)的配置、性能和告警的顯示和操作。

告警模塊作為光端機(jī)運行不可或缺的故障診斷大師，在整個遠(yuǎn)程故障定位和排除過程中都起著至關(guān)重要的作用。遠(yuǎn)端光端機(jī)通過FPGA實時的收集設(shè)備的性能信息和告警信息，并將收集到的信息儲存在設(shè)備的存儲器中，方便管理者實時查看設(shè)備狀態(tài)。告警信息分為當(dāng)前告警和歷史告警，當(dāng)計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端通過電話網(wǎng)與光端機(jī)建立連接后，計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端就會向遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)送讀取當(dāng)前告警指令，遠(yuǎn)端設(shè)備響應(yīng)后，返回當(dāng)前告警信息數(shù)據(jù)，計算機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)網(wǎng)管終端通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議解析收到的數(shù)據(jù)包，并存儲到定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后通過可視化界面顯示當(dāng)前告警信息。當(dāng)前告警傳輸完成后才對歷史告警信息進(jìn)行讀取，由于電話網(wǎng)傳輸帶寬有限，歷史告警設(shè)置了篩選條件(如按時間、按業(yè)務(wù)、按告警類型等)以便更直接、更快地定位遠(yuǎn)光端機(jī)的故障。

3 結(jié)束語

隨著光纖覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，作為光信號傳輸中轉(zhuǎn)設(shè)備的光端機(jī)應(yīng)用也越來越廣泛，基于電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)在光端機(jī)中的應(yīng)用，使得光端機(jī)生產(chǎn)廠家可以不受地域限制對產(chǎn)品進(jìn)行故障定位和維護(hù)，大大節(jié)省了維護(hù)成本。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在光端機(jī)中得到穩(wěn)定的應(yīng)用，電話網(wǎng)覆蓋的地域都能使用具有遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)的光端機(jī)，而且在實際應(yīng)用中以其便捷的故障排除功能獲得了用戶的好評。

［1］吳克軍,沈瑞松,奚旭鏞.本地電話網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].軍事通信技術(shù),2003,24(2):24-26.

［2］謝希仁.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].5版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

［3］楊世平,張引發(fā),鄧大鵬,等.SDH光同步數(shù)字傳輸設(shè)備與工程應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2001.