【文章內(nèi)容簡介】 er。光纖是傳輸光信號(hào)的傳輸媒介。位于光纖最內(nèi)層的纖芯是一種橫截面積很小（直徑約為50～100μm）、質(zhì)地脆、易斷裂的光導(dǎo)纖維，制造這種纖維的材料可以是玻璃也可以是塑料。但是無論采用何種材料，對(duì)其純凈度、大小和截面形狀的要求都很嚴(yán)格，因?yàn)檫@將直接影響著信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。纖芯的外層裹有一個(gè)包層，它由折射率比纖芯小的材料制成。正是由于在纖芯與包層之間存在著折射率的差異，光信號(hào)才得以通過全反射在纖芯種不斷向前傳播。在光纖的最外層則是起保護(hù)作用的外套，即外部保護(hù)層，它能使內(nèi)層纖芯和包層免受外部溫度以及彎曲、拉伸等操作帶來的不良影響。通常情況下，多根光纖被扎成束，并裹以保護(hù)層制成多芯光纜。光纜的結(jié)構(gòu)如圖27所示。圖24 光纜結(jié)構(gòu)示意圖 從不同的角度考慮，光纖有多種分類方式。 根據(jù)制作材料的不同，分為石英光纖、塑料光纖、玻璃光纖等。 根據(jù)傳輸模式不同，可分為多模光纖和單模光纖。 根據(jù)纖芯折射率的分布不同，可以分為突變型光纖和漸變型光纖。 根據(jù)工作波長的不同，可分為短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。 以下主要對(duì)單模光纖和多模光纖做些介紹： 多模光纖有多種傳播路徑，多模光纖的帶寬為50MHz～500MHz/Km，單模光纖的帶寬為2000MHz/Km，光纖波長有850nm，1310nm和1550nm等。850nm波長區(qū)為多模光纖通信方式；1550nm波長區(qū)為單模光纖通信方式；1310nm波長區(qū)有多模和單模兩種。單模光纖只有單一的傳播路徑，一般用于長距離傳輸。多模光纖是指光纖的光信號(hào)與光纖軸成多個(gè)可分辨角度的多光線傳輸。采用多模傳輸方式時(shí)，多束光線從光源出發(fā)，在纖芯總以不同的光路進(jìn)行傳播。由于纖芯折射率分布情況不同，在多模突變光纖和多模漸變光纖中光線的傳播過程存在差異。在多模突變光纖中，纖芯的折射率和包層的折射率分別是一個(gè)恒定常數(shù)，而且前者的折射率大于后者的折射率。沿軸向進(jìn)入纖芯的光線將沿直線傳播，直至到達(dá)終點(diǎn)，而以其他角度進(jìn)入纖芯的光線最初也將沿著直線傳播，但當(dāng)其到達(dá)纖芯與包層的邊界時(shí)，折射率突然降低將使光線的傳播路徑發(fā)生改變。若光線到達(dá)交界處時(shí)其入射角小于全反射角，光線將發(fā)生折射進(jìn)入包層而損失掉。若此刻入射角比全反射角大，光線將發(fā)生全反射，這將使其仍能夠在纖芯種傳播。值得一提的是，在那部分發(fā)生全反射的光線中，入射角較小的光線要經(jīng)歷更多的全反射和更長的路途才能到達(dá)目的地。這使得以不同角度同時(shí)發(fā)送的光線在不同的時(shí)刻到達(dá)終點(diǎn)，造成還原信號(hào)扭曲，從而在一定程度上限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，如圖28所示。圖25 多模突變光纖數(shù)據(jù)傳輸示意圖在多模漸變光線種，纖芯的折射率由中心向外按一定規(guī)律逐漸減小，直至與包層交界處減為最小。這種光纖纖芯的結(jié)構(gòu)使得只有沿軸向射入纖芯中心的光線才能沿直線傳播，而以其他角度進(jìn)入纖芯的光線在折射率不斷變化的纖芯中只能以曲線路徑進(jìn)行傳播，如圖29所示。由于在這種光纖中以曲線路徑傳播的光線每經(jīng)過一段距離就會(huì)相交，所以只要接受裝置的位置安排得當(dāng)，就可以還原出質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)信號(hào)。圖26 多模漸變光纖數(shù)據(jù)傳輸示意圖單模光纖是指光纖的光信號(hào)僅與光纖軸成單個(gè)可分辨角度的單光線傳輸，實(shí)際上是一種采用突變型纖芯的光纖，它需要有高度集中的光源，以便將光線限定在接近軸向的范圍內(nèi)。這種光纖的纖芯半徑已經(jīng)降低到波長的數(shù)量級(jí)，其中只存在一條軸向光線才能通過的傳播路徑。這種傳輸方式幾乎可以使光線同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)，傳輸時(shí)延可以被忽略，重組后的信號(hào)不易出現(xiàn)扭曲。如圖210所示。[11] 圖27 單模光纖數(shù)據(jù)傳輸示意圖 單模光纖與多模光纖的比較，如下表21所示。 表21 單模光纖與多模光纖的比較項(xiàng)目單模光纖多模光纖芯徑細(xì)：約10μm較粗：50～100μm傳輸帶寬很寬：約100GHz較窄：約1GHz與光源耦合較難簡單精度較高較低適合場合長距離、大容量、高速、多波長系統(tǒng)中短距離、中小容量、多波長系統(tǒng)應(yīng)用電信干線傳輸以太網(wǎng)，F(xiàn)DDI （1）通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)。一根光纖的潛在帶寬可達(dá)20THz。采用這樣的帶寬，只需一秒鐘左右，即可將人類古今中外全部文字資料傳送完畢。 （2） 信號(hào)串?dāng)_小、保密性能好。 （3）抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳,電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾。 （4）光纖尺寸小、重量輕,便于敷設(shè)和運(yùn)輸。 （5）材料來源豐富,環(huán)境保護(hù)好，有利于節(jié)約有色金屬銅。 （6）無輻射,難于竊聽,因?yàn)楣饫w傳輸?shù)墓獠ú荒芘艹龉饫w以外。 （7）光纜適應(yīng)性強(qiáng),壽命長。 （8）質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度差。 （9）光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù)。 （10）分路、耦合不靈活。 (11)光纖光纜的彎曲半徑不能過?。?cm）(12)有供電困難問題。在有線布線有限制或不方便的情況下，近距離的無線傳輸是最方便的。無線視頻傳輸由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，每對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有相同的頻率，可以傳輸彩色和黑白視頻信號(hào)，并可以有聲音通道。無線傳輸?shù)脑O(shè)備體積小巧，重量輕，一般采用直流供電。另外由于無線傳輸具有一定的穿透性，不需要布視頻電纜等特點(diǎn)，也常用于電視監(jiān)控系統(tǒng)（一般常用于公安、鐵路、醫(yī)院等場所）。利用射頻傳輸有多種方式，可以利用GPRS或CDMA等公用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)；也可以利用衛(wèi)星或?qū)Ｓ秒娕_(tái)來傳輸數(shù)據(jù)。無線接入的下行速度要高于上行速度，可達(dá)到400kbit/s或更高，實(shí)際速度根據(jù)調(diào)制解調(diào)器速率而定。局域網(wǎng)多點(diǎn)分布服務(wù)（LMDS）是一種雙向的數(shù)字式廣播系統(tǒng)，主要利用地面設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。LMDS使用G波段，由于頻率高，所以集線站和網(wǎng)絡(luò)中心的轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)。這個(gè)通信中心的作用是處理所有的路徑選擇、線路交換以及橋接到internet上的一些問題。雖然LMDS不是一個(gè)完全餓交換式網(wǎng)絡(luò)，但是它可以建立虛擬的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。正如其他高速訪問方案一樣，LMDS也是非對(duì)稱的系統(tǒng)。它將1GHz的帶寬分出850MHz用于下行通信，其余的150MHz用于上行通信。[13] 所謂圖像壓縮，就是減少表示數(shù)字圖像時(shí)需要的數(shù)據(jù)量。其基本原理是去除多余數(shù)據(jù)，以數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，這一過程實(shí)際上就是將二維像素陣列變換為一個(gè)在統(tǒng)計(jì)上無關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。圖像數(shù)據(jù)之所以能被壓縮，就是因?yàn)閿?shù)據(jù)中存在著冗余。圖像數(shù)據(jù)的冗余主要表現(xiàn)為：圖像中相鄰像素間的相關(guān)性引起的空間冗余；圖像序列中不同幀之間存在相關(guān)性引起的時(shí)間冗余；不同彩色平面或頻譜帶的相關(guān)性引起的頻譜冗余。數(shù)據(jù)壓縮的目的就是通過去除這些數(shù)據(jù)冗余來減少表示數(shù)據(jù)所需的比特?cái)?shù)。由于圖像數(shù)據(jù)量的龐大,在存儲(chǔ)、傳輸、處理時(shí)非常困難,因此圖像數(shù)據(jù)的壓縮就顯得非常重要。 視頻圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)主要由ITUT和IS0/IEC開發(fā)。ITUT的中文名稱是國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組(ITUT for ITU Telemunication Standardization Sector), 它是國際電信聯(lián)盟管理下的專門制定遠(yuǎn)程通信相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的組織。、+等；ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）制定的標(biāo)準(zhǔn)有MPEGMPEGMPEG4等。（JVT）共同制定的新數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，又是ISO/IEC的MPEG4高級(jí)視頻編碼（Advanced Video Coding，AVC），而且它將成為MPEG4標(biāo)準(zhǔn)的第10部分。以下對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和應(yīng)用做較簡單的介紹： 1MPEG (活動(dòng)圖像專家組(Moving Pictures Experts Group)——在1988年有ISO成立的一個(gè)實(shí)體，為音頻和視頻壓縮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)) 1標(biāo)準(zhǔn)制定于1992年，是運(yùn)動(dòng)圖像和聲音的編碼，是為CD光碟介質(zhì)定制的的視頻和音頻壓縮格式，主要用于多媒體存儲(chǔ)與再現(xiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)面向家庭的電視質(zhì)量級(jí)的視頻、音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，我們所熟悉的VCD就是采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，MPEG1音頻分三層，其中第三層協(xié)議被稱為MPEG1 Layer 3，簡稱MP3。MP3目前已經(jīng)成為廣泛流傳的的音頻壓縮技術(shù)。 [6]MPEG 1標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)是顯而易見的。一是壓縮比還不夠大，在多路監(jiān)控情況下，錄像所要求的磁盤空間過大。當(dāng)DVR主機(jī)超過8路時(shí)，為了保存一個(gè)月的存儲(chǔ)量，通常需要10個(gè)80G硬盤，或更多，硬盤投資大，而由此引起的硬盤故障和維護(hù)更是叫人頭疼；二是圖像清晰度還不夠高。由于MPEG1最大清晰度僅為352 X 288，考慮到容量、模擬數(shù)字量化損失等其它因素，回放清晰度不高；三是對(duì)傳輸圖像的帶寬有一定的要求，不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，尤其是在常用的低帶寬網(wǎng)絡(luò)上無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多路視頻傳送；四是MPEG1的錄像幀數(shù)固定為每秒25幀，不能丟幀錄像，使用靈活性較差。[5] 2MPEG 2 是繼 MPEG 1 之后 ，MPEG(運(yùn)動(dòng)圖像專家組)制定的又一視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) ，制定于1994年，設(shè)計(jì)目標(biāo)是高級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量以及更高的傳輸率 ，適用于更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 ，主要包括數(shù)字存儲(chǔ)媒體、廣播電視和通信等 ，DVD 和數(shù)字衛(wèi)星廣播就是采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。MPEG 2 標(biāo)準(zhǔn)的分辨率為 720 48030(NTSC)或 720 576 25(PAL) ，傳輸率在 3～10bit/ s，～60Mbps 甚至更高的編碼范圍。MPEG2也可提供并能夠提供廣播級(jí)的視像和CD級(jí)的音質(zhì)，其音頻編碼可以提供左中右及兩個(gè)環(huán)繞聲道 ，此外還有一個(gè)重低音聲道和多達(dá) 7 個(gè)伴音聲道 ，以便支持不同語言的配音。MPEG 2 的圖像質(zhì)量最好 ，但占用的帶寬很大 ，不適合遠(yuǎn)程傳輸。[15]MPEG2在設(shè)計(jì)時(shí)的巧妙處理，使得大多數(shù)MPEG2解碼器也可播放MPEG1格式的數(shù)據(jù)，如VCD。 同時(shí)，由于MPEG2的出色性能表現(xiàn)，已能適用于HDTV（高清數(shù)字電視），使得原打算為HDTV設(shè)計(jì)的MPEG3，還沒出世就被拋棄了。(MPEG3要求傳輸速率在20Mbits/sev40Mbits/sec間，但這將使畫面有輕度扭曲)。除了做為DVD的指定標(biāo)準(zhǔn)外，MPEG2還可用于為廣播，有線電視網(wǎng)，電纜網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星直播(DirectBroadcastSatellite)提供廣播級(jí)的數(shù)字視頻。 MPEG2的另一特點(diǎn)是，其可提供一個(gè)較廣的范圍改變壓縮比，以適應(yīng)不同畫面質(zhì)量，存儲(chǔ)容量，以及帶寬的要求。 [8] 4MPEG4是為在國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上或移動(dòng)通信設(shè)備（例如移動(dòng)電話）上實(shí)時(shí)傳輸音/視頻訊號(hào)而制定的MPEG標(biāo)準(zhǔn)，MPEG4采用Object Based（基于對(duì)象）方式解壓縮，壓縮比指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以上幾種，壓縮倍數(shù)為450倍(靜態(tài)圖像可達(dá)800倍)，這是同質(zhì)量的MPEG1和MJEPG的十倍多。MPEG 1壓縮率高，編碼產(chǎn)生文件小，但圖像質(zhì)量差； MPEG 2 圖像質(zhì)量高 ，但占用空間大，MPEG 4 很好地結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，于 1999 年底定案。所謂的對(duì)象是在一個(gè)場景中能夠訪問和操縱的實(shí)體，對(duì)象的劃分可以根據(jù)其獨(dú)特的紋理、運(yùn)動(dòng)、形狀、模型和高層語義為依據(jù)。這種編碼是一種基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)壓縮方式，以前的壓縮算法只是去掉幀內(nèi)和幀間的冗余，MPEG4則要求對(duì)圖像和視頻作更多的分析，甚至是理解。如將圖像分割為運(yùn)動(dòng)物體對(duì)象和靜止不動(dòng)的背景對(duì)象平面，并對(duì)這兩個(gè)對(duì)象進(jìn)行分別處理。背景對(duì)象采用壓縮比較高、損失比較大的辦法進(jìn)行編碼，運(yùn)動(dòng)物體對(duì)象采用壓縮比較低、損失較小的辦法，這樣就在壓縮效率和解碼圖像質(zhì)量間得到較好的平衡。MPEG 4 是超低碼率運(yùn)動(dòng)圖像和語言的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)多媒體應(yīng)用 ，如視頻電話、視頻電子郵件、交互AV服務(wù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等。MPEG 4 對(duì)可移動(dòng)的視頻編碼速率為 5～64kb/ s，特別適合于網(wǎng)上遠(yuǎn)程傳輸 ，而對(duì)影視應(yīng)用的最高速率可達(dá) 2Mb/ s，畫面質(zhì)量接近于DVD。MPEG 4 利用很窄的帶寬 ，通過幀重建技術(shù)壓縮和傳輸數(shù)據(jù) ，力求以最小的數(shù)據(jù)量獲得最佳的圖像質(zhì)量，為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。MPEG4是第一個(gè)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)(不再只是觀看，允許你加入其中，即有交互性)的動(dòng)態(tài)圖像標(biāo)準(zhǔn)；它的另一個(gè)特點(diǎn)是其綜合性；從根源上說，MPEG4試圖將自然物體與人造物體相溶合(視覺效果意義上的)。MPEG4的設(shè)計(jì)目標(biāo)還有更廣的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。MPEG 4 更多定義的是一種格式、一種架構(gòu) ，而不是一種具體的算法 ，它是一個(gè)開放、靈活、可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)形式 ，可隨時(shí)加入新的、有效的算法模板 ，并可根據(jù)不同的應(yīng)用要求現(xiàn)成配置解碼器。MPEG 4 具有高壓縮率和高畫質(zhì)的特點(diǎn) ，其缺點(diǎn)是由于可采用不同壓縮算法而導(dǎo)致的互相不兼容性。這是最早的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，由國際電信聯(lián)盟ITU（前稱國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT）于1990 年12 月制定，它首創(chuàng)的基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償?shù)膸g壓縮模式比起基于幀內(nèi)壓縮的JPEG 具有更高的壓縮比。它的推出是為了在速率為P64k bits/s (Ｐ=1~30) 的信道上傳輸可視電話與會(huì)議電視。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)以后同類標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。[5]，是為低碼流通信而設(shè)計(jì)的。是ITU 1995年提出的，完善于1996年。但實(shí)際上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可用在很寬的碼流范圍，而非只用于低碼流應(yīng)用。，但做了一些改善和改變，以提高性能和糾錯(cuò)能力。，兩者的區(qū)別有：(1)，；(2)，使得編解碼可以配置成更低的數(shù)據(jù)率或更好的糾錯(cuò)能力；(3)；(4)；(5)采用事先預(yù)測和與MPEG中的PB幀一樣的幀預(yù)測方法；(6)，還支持SQCIF、4CIF和16CIF，SQCIF相當(dāng)于QCIF一半的分辨率，而4CIF和16CIF分別為CIF的4倍和16倍。 ＋，它提供了12個(gè)新的可協(xié)商模式和其他特征，進(jìn)一步提高了壓縮編碼性能。，＋允許使用更多的源格式，圖像時(shí)鐘頻率也有多種選擇，拓寬應(yīng)用范圍；另一重要的改進(jìn)是可擴(kuò)展性，它允許多顯示率、多速率及多分辨率，增強(qiáng)了視頻信息在易誤碼、易丟包異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的傳輸。另外，＋，加上12個(gè)新增的可選模式，不僅提高了編碼性能，而且增強(qiáng)了應(yīng)用的靈活性。（Video Coding Experts Group），在ITU與ISO