光纤和光端机应用在监控领域里主要是为了解决两个问题：一是实现远距离传输，二是解决环境干扰。双绞线和同轴电缆只能解决短距离、小范围内的监控图像传输问题，如果需要传输数公里甚至上百公里距离的图像信号则需要采用光纤传输方式。光纤传输方式还用于一些超强干扰场所，可免除环境干扰影响。光纤具有传输带宽宽、容量大、不受电磁干扰、受外界环境影响小等诸多优点，一根光纤就可以传送监控系统中需要的所有信号，传输距离可以达到上百公里。光端机为监控系统提供了灵活的传输和组网方式，信号质量好、稳定性高。
（一）光缆结构
光纤是光导纤维的简称，它是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝，直径在几微米（光波长的几倍）到120μm。光缆是由光纤构成的，单芯光缆结构如图5-32所示。单芯光缆由纤芯、包层、涂覆层组成。多芯光缆由多根芯线组成，缆内还设有多股钢丝，以增加线缆强度。
（1）纤芯（Core）：由光纤制成，其纤芯直径有两种，一种是大纤芯为62.5μm，另一种是小纤芯为8.3μm。
（2）包层（Coating）：包层的折射率要略小于纤芯的折射率，按几何光学的全反射原理，光信号被束缚在纤芯中传输，包层直径一般为125μm。
（3）涂覆层（Jacket）：在包层外面是5～40μm的涂覆层，其作用是增强光纤的机械强度，同时增加柔韧性，最外面常有100μm厚的缓冲层或套塑层。
（二）光纤的分类
（1）根据光纤纤芯与包层的折射率不同，其折射率的分布有两种形式，折射率连续分布型（又称梯度分布型，纤芯直径为50μm，包层直径为125μm）和折射率间断分布型（又称阶跃分布型，纤芯直径为10μm，包层直径为100μm），如图5-33所示。
图5-32 单芯光缆结构示意图
图5-33 梯度型与阶跃型光纤的原理示意图
光纤纤芯的光折射率较低，外层玻璃包层较纤芯的折射率略高，折射率的差别是为了光线在光纤芯和包层之间产生全反射，使光线能封闭在纤芯之中通过全反射传输。
（2）按传播模数分为单模光纤（Single-Mode，SM）与多模光纤（Multi-Mode，MM），如图5-34所示。“模”是指以一定角度进入光纤的一束光。单模光纤采用激光器做光源，纤芯很细（芯径一般为8～10μm），只能传一种模式的光。“单模”是指单路径或单模态的光，横截面规格如图5-35所示。光在单模光纤中的传播轨迹是以平行于光纤轴线的直线方式传播，平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。多模光纤则采用发光二极管做光源。“多模”是指多路径或多模态的光，横截面规格如图5-35所示。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，会形成模分散（指每一“模”光进入光纤的角度不同，它们到达另一端点的时间也不同的特征）。光在多模光纤中的传播轨迹是沿截面传播形成的驻波光线组。模分散限制了多模光纤的带宽和距离，多模光纤的芯线粗（芯径一般为50μm或62.5μm），传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于近距离通信。单模光纤只能允许一束光传播，所以单模光纤没有模分散特性，因而单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长，但因其需要激光源，成本较高，适用于远程通信。
图5-34 单模与多模
图5-35 单模与多模光纤的横截面规格
（3）按材料分为高纯度石英玻璃、多组份玻璃、卤化物、混合材料。
（4）按制备方法分为化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）和改进CVD（MCVD）。
（5）按纤径划分有大纤芯和小纤芯两种。62.5μm/125μm（纤芯直径/包层直径）的大纤芯光纤光耦合效率高，光纤对准要求不太严格，需要较少的管理点和接线盒，对微弯曲损耗不太敏感，其物理特性和传输特性与光电设备的兼容性较好。8.3μm/125μm属于一种小纤芯突变型单模光纤，这种单模光纤用于传输远距离大于2km的视频监控网络。由于这种光纤纤芯小，在施工中采用LED驱动的数据链路器件耦合时，会发生物理不兼容问题，而且价格较贵，所以在网络距离小于2km时用得较少。
（三）光缆的种类
套塑后的光纤称为芯线，还不能在工程中使用，必须把若干根芯线疏松地置于特制的塑料绑带内，再用塑料或钢丝、钢带铠装，加装外护套后，方构成光缆。
光缆根据其结构可分为双芯光缆（见图5-36）、紧包光缆（见图5-37）、分管式光缆（见图5-38）和束管式光缆（见图5-39）等几种类型。
图5-36 单芯与双芯光纤的横截面及实物示意图
图5-37 紧包光缆解剖图及实物图
图5-38 分管式光缆解剖图及实物图
（四）光缆传输系统的构成
光缆传输系统常与同轴电缆系统结合使用，光缆传输作为视频监控系统的主干网线，用于远程或大型网络的视频传输。同轴电缆用于视频监控系统的支路传输。
光缆传输系统是由光发送单元、传输单元和光接收单元等组成，如图5-40所示。
（1）光源。光纤传输信息的载体是光波，光波是由光源产生的。光源是光发射端机的构成要件。
图5-39 束管式光缆解剖图及实物图
应用于最多的固体光源有二种：发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）和半导体激光器（Injection Laser Diode，ILD）。
发光二极管LED能发射波长为0.8～0.9μm或1.1～1.6μm的光波，可提供足够的光功率和适当的光谱宽度，容易与光纤耦合，可以方便地直接调制。
图5-40 光缆布线系统的组成
发光二极管的工作原理：发光PN结正向偏置时，会有电子注入P区，这些导带的电子与处于价带的空穴（多子）复合时，就会发出光子。能量取决于材料导带与价带间的能量差，决定发射光的波长。这种复合称为自发复合，发光称为自发辐射。因为材料的缺陷，有些复合不发光，导致LED的发光效率不能达到100%（一般为50%～80%）。
半导体激光器的工作原理：利用LED的两个端面做成相对的反射面，形成一个谐振腔空间，让光在谐振腔内来回反射，即可产生光反馈现象。若增益大于损耗，即出现激光振荡，则产生激光输出。能产生激光振荡输出的器件就叫半导体激光器。这种激光器是受激发光的，其光谱很窄（小于1nm）、发光功率较高、调制频率可达1GHz、与光纤的耦合效率高，非常适于长距离、大容量、高速率传输视频信号。
发光二极管和半导体激光管具有不同的特性，见表5-7。
表5-7 两种光源的不同特性
（2）光发射端机。它在电信号的驱动下由光源产生光波，经连接器送给光纤。
（3）光缆。光缆（Fiber-optic Cable，FC）结构的常见形式见前述光缆的类型部分内容。
（4）光接收端机。它把光纤传来的光信号经光探测器转换为电信号，再把电信号放大输出，输出端可接同轴电缆也可接网络设备等。
（5）探测器（又称检测器）。探测器与光源相反，其功能是解调光信号，将载于光波上的信息转变为电信号。探测器是光接收端机的主要构件。
目前应用最多的探测器有半导体光敏二极管（Positive-Intrinsic-Negative Photo diode，PIN光敏二极管）和雪崩光敏二极管（Avalanche Photo Diode，APD）。
PIN光敏二极管的工作原理：当PN结耗尽层受到光子照射，入射光能量大于或等于材料带间的能差时，光子能量被吸收，产生空穴电子对；由于强电场的作用，它们向相反的方向漂移，通过PN结后收集，形成光电流。为了提高耗尽层的宽度，减小掺杂量使P区成为本征区，就是PIN二极管。
APD的工作原理：在加反偏的二极管中，当耗尽层的电场足够强时，光生载流子可以获得足够大的能量去撞击被束缚的电子使之电离，从而产生额外的空穴电子对。这些载流子同样可以在电场中获得能量去撞击其他价电子，再产生新的载流子。如此往复，会形成大量载流子雪崩。光电流相应地被几十、几百倍的放大。雪崩光敏二极管是一种高灵敏度的光敏二极管，常用于灵敏度要求高的系统。
PIN光敏二极管和APD都是将光强变化直接转换为电流变化的器件，称为直接探测，其输出电流是输入光功率的线性函数。在光通信系统中，直接光强调制IM是最普遍的方式，直接探测也是最广泛的方式。
（五）常见光纤连接器
光纤链路的接续可分为永久性的和活动性的两种。永久性的接续，大多采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现。活动性的接续，一般采用活动连接器来实现。光纤活动连接器，俗称活接头，一般称为光纤连接器，实现光纤与光纤之间可拆卸的连接器件，把光纤的两个端面精密对接起来。它主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。它是目前光系统中使用数量最多的光无源器件。正是由于光纤连接器的使用，使得光通道间的可拆式连接成为可能，从而为光纤提供了测试入口，方便了光系统的调测与维护，又为网络管理提供了媒介，使光系统的转接调度更加灵活。
光纤连接器的工作原理：光纤连接器不能单独使用，它必须与其他同类型的连接器互配，才能形成光通路的接续。较为流行的光纤连接器装配和对接方式为，利用环氧树脂热固化剂将光纤粘固在高精度的陶瓷插针孔内，然后使两插针在外力的作用下，通过耦合管（又叫法兰盘或光纤桥接器）的定位实现光纤之间的对接，如图5-41所示。
图5-41 光纤连接器的结构示意图
光纤穿入并被固定在插针中，并将插针表面进行抛光处理后，在耦合管中实现对准。插针的外组件采用金属或非金属的材料制作。插针的对接端必须进行研磨处理，另一端通常采用弯曲限制构件来支撑光纤或光纤软缆以释放应力。耦合管一般是由陶瓷、青铜等材料制成的两半合成的、紧固的圆筒形构件，多配有金属或塑料的法兰盘，以便于连接器的安装固定。为尽量精确地对准光纤，对插针和耦合管的加工精度要求很高。
目前，全世界有超过70种的光连接器，并且新品种还在不断出现。但我国市场上主流品种仍然是早年就一直沿袭下来的ϕ2.5mm的精密陶瓷插芯和陶瓷管构成的连接器（如FC型、SC型、ST型等）。此外，ϕ1.25mm陶瓷芯的小型连接器（如LC型、MU型等），以及带状光纤连接器为主的多芯连接器（如MTP型等）的需求量也逐步增加。按接头与光纤桥接器（法兰盘）之间的连接形式不同可分为多种型号，常见的光纤连接器如图5-42所示。
图5-42 常见的光纤连接器及其耦合器
（1）FC型连接器。FC全称是Ferrule Connector，由日本NTT公司研制发明，是一种金属双重配合螺旋终止型的光纤通道连接器。FC型连接器最早采用陶瓷插针的平端面对接（即FC端面模式）。其结构简单、操作方便、制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。如果使FC型连接器的端面采用呈球面的插针（即PC端面模式），而其外部结构不变，则会使其插入损耗和回波损耗性能有较大幅度的提高。
（2）SC型光纤连接器。它也是由日本NTT公司研制发明的。其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型连接器完全相同。其中，插针的端面多采用PC或APC型研磨方式。SC型连接器是一种矩形塑料插拨式的用户通道连接头，采用插拔销闩式紧固，不需旋转。此类连接器价格低廉、插拔操作方便、介入损耗波动小、抗压强度较高、安装密度高。它通常用于网络设备端。
（3）ST型连接器。它是一种金属圆型卡口式直通/尖端连接头，通常用于布线设备端，如光纤配线架、光纤模块等。
（4）MT-RJ型连接器。它起步于日本NTT公司开发的MT型连接器，带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，便于与光收发信机相连，连接器端面光纤为双芯（间隔0.75mm）排列设计，所有MT-RJ跳线都是双芯并在一起。
（5）LC型连接器。它是由美国贝尔实验室开发研制的，采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC型、FC型等所用尺寸的1/2，为1.25mm。这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。LC型连接器的零器件及组装如图5-43所示。
图5-43 LC型连接器的零件及组装示意图
（6）MU型连接器（Miniature unit Coupling）。它是以SC型连接器为基础，由日本NTT公司研制开发的单芯光纤连接器。该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。
（7）双锥型连接器（Biconic Connector）。典型的双锥型连接器由美国贝尔（Bell）实验室开发研制，它由两个经精密模压成形的端头、呈截头圆锥形的圆筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒的耦合组件组成。
（六）光纤连接器插针端面类型及性能参数
1.光纤连接器的插针端面类型
主要有PC型、UPC型和APC型三种，如图5-44所示。
图5-44 三种端面类型示意图
（1）PC（Physic Contact）型：PC表示物理接触的意思，插针体端面为物理端面，是一种非接触类型的，多用于多模光纤的连接。其插入损耗小于0.3dB，反射损耗大于14dB。
（2）UPC（Ultra Physical Contact）型：插针体端面为超级物理端面，呈球形，是一种接触类型的，常用于单模光纤的连接。其插入损耗小于0.3dB，反射损耗大于30dB。
（3）APC（Angled Physical Contact）型：插针体端面为角度物理端面，插针体端面的中央部分保持UPC型的球面，但插针端面的其他部分加工成斜面，使插针端面与光纤轴线的夹角小于90°，这样可以增加接触面积，使光耦合更加紧密。其插入损耗小于0.3dB，反射损耗大于65dB。
2.光纤连接器的性能参数
光纤连接器的性能，首先是光学性能，此外还要考虑光纤连接器的互换性、重复性、抗拉强度、温度和插拔次数等。
（1）光学性能。主要是插入损耗和回波损耗两个最基本的参数。三者类型端面回波损耗整体表征为PC型<UPC型<APC型，多模光纤没有APC型。
插入损耗（Insertion Loss）又叫连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于0.5dB。光纤连接时会因为结构不精密、环境不清洁、接插不彻底等原因造成接触不良，产生插入损耗，如图5-45所示。
图5-45 插入损耗的示意图
回波损耗（Return Loss，Reflection Loss）又叫反射损耗，是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不小于25dB。实际应用的连接器，插针表面经过了专门的抛光处理，可以使回波损耗更大，一般不低于45dB。光纤连接三种类型的回波损耗如图5-46所示。在连接时要尽量将光回波损耗降到最低。
在应对光纤连接的回波损耗和插入损耗时应选择结构精密、插入损耗小、回波损耗大的光连接器，如FC/APC或SC/APC。施工时应十分注意工作环境的清洁和操作者手的清洁。连接前，光纤接头、光法兰盘的软塑料帽不可打开；连接时，要先清洁、后接插。如果确认是某个光连接器接触不良，只处理跳线的光纤插头又不见效时，应该将设备内的光纤插头拔下来清洁，同时清洁光法兰盘的通孔。正常运行中，至少每半年，应清洁一次光连接器。
图5-46 回波损耗示意图
此外，光接头的抛光水平也很重要，斜面抛光型（APC）回波损耗可达68dB，超精度抛光型（UPC）回波损耗可达55dB。FC型、SC型、LC型和ST型四种光纤连接器的回波损耗与插入损耗值见表5-8。
（2）互换性、重复性。光纤连接器是通用的无源器件，对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用、并可以重复多次使用，由此而导入的附加损耗一般都在小于0.2dB。
（3）抗拉强度。对于做好的光纤连接器，一般要求其抗拉强度应不低于90N。
表5-8 四种光纤连接器光学性能参数
（4）温度。一般要求，光纤连接器必须在-40～70℃的温度下能够正常使用。
（5）插拔次数。目前使用的光纤连接器一般都可以插拔1000次以上。
（七）光纤传输通道的质量指标
光纤传输通道的质量指标有光纤衰减、光纤波长、光纤带宽、回波损耗和传输延迟等。
（1）光纤衰减。光信号在光纤中传输时必然要产生损耗，但这种损耗要比铜缆小得多。两种芯径光纤的衰减与带宽的关系见表5-9。
表5-9 光纤衰减与带宽的关系
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（2）光纤波长与光纤长度。实际工程中常用的光缆有渐变型多模光缆62.5μm/125μm或50μm/125μm，有突变型单模光缆9μm/125μm等。各种类型的光纤与最大传输距离见表5-10。
表5-10 各种类型的光纤与最大传输距离的关系
（3）多模光缆带宽。多模光缆通道带宽，标称波长为850nm，最小光学模式带宽为100MHz；标称波长为1300nm，最小光学模式带宽为250MHz。单模光纤带宽一般不作要求。
（4）回波损耗。回波损耗是由传输器件产生的反射而导致的损耗，它对注入光纤的LED和ELED光源并不产生多大的影响，但它却会影响激光器正常工作，所以回波损耗应有一定限制。光纤系统中的反射是由多种因素造成的，其中包括由光纤连接器和光纤拼接等引起的反射。
（5）光缆色谱。光缆色谱主要用于标识颜色与光纤芯数的关系，光缆色谱表见表5-11。
表5-11 光缆色谱表
（八）光纤视频传输方式
视频监控系统主要是采用直接光强调制（Amplitude Modulation，AM）方式、脉冲频率调制（Pulse-Frequency Modulation，PFM）方式和多路视频传输方式传送视频基带信号。
（1）直接光强调制（AM）方式。它是在光发射端通过基带视频信号直接调制光源，使输出光的强度随视频信号的幅度线性变化，然后在光接收端通过光电探测器将光信号还原成电信号，经过放大和增益控制电路，得到稳定的视频信号。在接收端，必须具有自动增益控制电路。一般系统性能指标可以达到加权信噪比>54dB，微分增益<5%，微分相位<5°。直接光强调制的基本电路结构如图5-47所示。
图5-47 直接光强调制传输结构示意图
图中，预加重电路主要用来提高系统的信噪比（S/N）；非线性补偿电路则是针对光源输出特性的非线性失真的。光发射端机的关键是驱动电路，高性能光发射端机多采用具有反馈控制的驱动电路。光接收端机的关键部分是预放电路，要求具有带宽大、噪声低等特点，多采用PIN-FET互阻放大器作为光接收端机的预放级。
（2）脉冲频率调制（PFM）方式。它是信号光强度调制前的一种预处理过程，信号经过脉冲调制后，频谱会变宽，并以此可以换取传输质量的提高。采用PFM方式处理使传输带宽增加，光调制深度增加，进一步提高系统的信噪比。一般系统性能指标可以达到加权信噪比>56dB（优秀的可以使加权信噪比>60dB），微分增益<3%，微分相位<3°。PFM方式系统结构如图5-48所示。
（3）多路传输方式。多路视频信号传输对降低工程成本，提高资源利用率很有益处，特别是对于多路视频信号的起点和终点位置相同时。例如干线传输时，利用多路传输方式进行视频信号的传输便于工程施工和降低成本。
图5-48 PFM方式系统结构示意图
常用的多路视频传输方式有两种：频分复用技术和波分复用技术。
频分复用技术（Frequency Division Multiplexing，FDM）是指在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号。多路原始视频信号在频分复用前，通过频谱搬移技术将各路视频信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上（即采用不同的载波频率调制不同的视频信号），从而使视频信号的带宽不相互重叠。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和。同时，为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，保证各路信号互不干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作。频分复用原理如图5-49所示。
图5-49 频分复用原理示意图
视频信号经过频分复用处理后，复合为一种电信号，利用一个光源进行电/光（即E/O）转换，采用一条光路传送，由一个探测器接收进行光/电（即O/E）转换，就可以实现多路视频信号传输。
波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。在波分复用传输系统的发送端，需要采用波分复用器（或称为合光器）将待传输的多个光载波信号进行复接，而在接收端采用去复用器（或称分光器）分离出不同波长的光信号，如图5-50所示。按照通道间隔的差异，WDM可以细分为W-WDM（Wide-WDM），通道间隔等于或者大于25nm；M-WDM（Mid-WDM），通道间隔小于25nm，而大于3.2nm；波分复用原理D-WDM（Dense-WDM），通道间隔小于或者等于3.2nm。
图5-50 波分复用原理示意图
（九）光纤连接器的安装技术
光纤连接器的安装技术主要有环氧灌封技术、热熔安装技术、快速固化黏接技术、无胶抛光技术和切割技术等。
（1）环氧灌封技术。它是光纤连接器最先使用的安装技术之一。环氧的耐环境能力强，能提高连接器的可靠性，例如耐高温可达105℃；环氧与光纤、陶瓷套管的热膨胀系数比较匹配，可在较宽的温度范围内使用，损耗稳定。在套管的末端形成一个环氧垫圈，在手工或机械抛光的过程中，这个垫圈支撑、保护着光纤，可消除光纤末端的损坏和破裂的可能性，大大提高效率。环氧灌封技术的安装不方便、安装效率低。
（2）热熔安装技术。它是美国3M公司发明的一种技术。热熔胶预先装入连接器中，预热连接器使粘胶软化，以便光纤能够装入。将光纤和/或光缆装入连接器，冷却后再去除多余的光纤，并对端面进行抛光。
和环氧灌封相比，热熔工艺方法缩短了时间、避免了易脏和不方便性，提高了安装效率。但热熔连接器比环氧连接器昂贵，热熔安装方法使用的加热炉和专用炉需要消耗功率。
（3）快速固化粘接技术。它解决了热熔安装、环氧灌封的缺点和不便性，而且消除了对功率的要求，提高了安装效率，降低了安装成本。它适用于低成本的陶瓷套管连接器，使总安装成本降低。但安装过程中其黏胶过早固化和对光纤的支撑作用小会使其可靠性降低。
（4）无胶抛光技术。它是由美国AMP公司、美国3M公司和美国Automatic Tool and Connector公司等几家公司提出的一种安装技术。它是使用机械方法夹紧光纤，然后进行抛光的技术。虽然夹紧方便，消耗时间少，但在抛光过程中，由于对光纤缺乏支撑和保护，光纤容易损坏，所以对安装人员的技术水平和责任心要求较高，且成品率较低。
（5）切割技术。切割是无环氧/无粘胶/无抛光连接器产品的一种安装技术。切割的方法是，首选切割光纤末端，然后把光纤插入连接器，最后将光纤与连接器压接或夹紧。但这种方法对切割工具，设备的要求较高。
（十）光端机
光端机是一个延长数据传输的光纤通信传输设备，通过信号调制、电光转换和光电转换等技术，利用光传输特性来达到远程传输的目的。光端机的惟一作用就是用来远程传输数据。
视频光端机是以传输视频为主，兼具可传输音频信号、开关量信号（报警信号）、控制信号等。通常所说的光端机是指传输视频的非压缩光端机。
视频光端机可分为模拟光端机和数字光端机。模拟光端机主要是采用模拟调频、调幅、调相等调制方式将基带的视频、音频、数据、开关等传输信号调制到某一载波，通过另一端的接收光端机进行解调，恢复成相应的基带视频、音频、数据信号。数字光端机对视频信号进行A-D转换，然后将数字信号不压缩也不编码直接调制到光器件上（激光头）输出。模拟与数字光端机的传输原理如图5-51所示。
图5-51 模拟与数字光端机的传输原理示意图
目前，视频监控用的光端机基本上都是用单模数字光端机。数字光端机经过A-D转换与数字编码处理，它的灵敏度更高、抗干扰能力更强、传输质量与传输容量更好。在大容量长距离的光纤通信系统中采用数字光端机传输方式较好，数字光端机工作原理如图5-52所示。A-D转换、数字编码是数字光端机的核心。
图5-52 数字光端机的工作原理
数字化视频光端机一般由发射端和接收端两部分组成。发射端的基本功能是将用户端的模拟信号通过放大、A-D转换、复用等处理，最后通过电光转换把电信号转换成光纤可以传送的光信号由光纤传输到接收端。在接收端则进行相反的处理，先是光电转换把光信号转化成电信号，电信号解复用、通过D-A转换及放大滤波送给用户。数字光端机无中继传输距离根据内置激光器件的功率可达20km、40km、60km、80～100km等。
视频光端机应用于银行系统案例，如图5-53所示。在银行的各个支行放置摄像机，采集各个地点的视频图像信息，并在本地放置硬盘录像机存储本地视频图像资料，利用视频光端机实时地将各地支行的工作情况及大厅内外情况传输到分行监控并存储。
图5-53 视频光端机银行应用示意图
（十一）EPON技术
以太无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）技术是一种宽带接入技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上实现数据、语音及视频等多种业务接入，并具有良好的经济性。EPON是实现“三网合一”和解决信息高速公路“最后一公里”的最佳传输媒介。其在物理层采用了无源光网络（Passive Optical Network，PON）技术，在链路层使用以太网（Ethernet）协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON综合了PON技术和以太网技术的优点，具有低成本、高带宽、扩展性强、灵活快速的服务重组、与现有以太网兼容、方便的管理等优点。
由于EPON技术的成熟及其先天的优势，在建设“平安城市”、城市监控、交通监控等远程视频监控系统时，运营商可根据不同的应用场景选择EPON技术，灵活实现视频监控系统的前端接入。
1.物理层PON标准
无源光网络（PON）是指光配线网（Optical Distribution Network，ODN）中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。无源光网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、配套安装于用户场所的光网络单元（Optical Network Unit，ONU）。OLT与ONU之间的光配线网的主要组件无源分光器（Passive Optical Splitter，POS）或者耦合器。图5-54所示为PON的结构示意图。
图5-54 PON的结构示意图
（1）PON标准。按其采用的二层技术的差异分为APON、EPON和GPON等几种主要标准。
①APON标准：APON（ATM over PON）是20世纪90年代中期就被国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）和全方位服务接入网（Full-Service Access Net-work，FSAN）所标准化。1998年10月通过APON G.983。它是指在PON网络上传输ATM信元。FSAN在2001年底又将APON更名为BPON，APON的最高速率为622Mbit/s，二层采用的是ATM封装和传送技术，存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题。
②EPON标准：EPON是以太网接入研究联盟（Ethernet First Mile Alliauce，EFMA）在2001年初提出了在二层用以太网取代ATM的技术。IEEE 802.3ah工作小组对其进行了标准化。EPON可以支持1.25Gbit/s对称速率，将来速率还能升级到10Gbit/s。EPON产品得到了更大程度的商用，由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此成为了非常适合IP业务的宽带接入技术。对于Gbit/s速率的EPON系统也常被称为GE-PON。
③GPON标准：在EFMA提出EPON标准的同时，FSAN又提出了GPON G.984标准，FSAN与ITU还对其进行了标准化。其技术特色是在二层采用ITU-T定义的通用成帧规程（General Frame Protocol，GFP）对Ethernet、TDM、ATM等多种业务进行封装映射，能提供1.25Gbit/s和2.5Gbit/s下行速率和所有标准的上行速率，并具有强大OAM功能。在高速率和支持多业务方面，GPON有明显优势，但目前其成本要高于EPON，产品的成熟性也逊于EPON。
（2）OPN技术的特点。节省大量光纤和光收发器，较传统光纤接入方案成本低；大量使用无源设备，可靠性高，显著降低维护费用；网络扁平化，结构简单更利于运营商对网络的管理；最长20km的接入距离，使运营商端局部更加灵活；组网模型不受限制，可以灵活组建树形、星形拓扑网络；应用广泛，不仅仅是运营商宽带接入，也可作为广电视频的传输网络，视频监控的图像传输网络。
2.EPON标准
光线路终端（OLT）与光网络单元（ONU）（即用户）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，可有效节省建设和运营维护成本。EPON采用单纤波分复用技术（WDM）（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，可实现单纤双向传输，传输距离可达20km，信道速率上、下行各1.25Gbit/s，如图5-55所示。为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号，采用两种复用技术：上行数据流采用TDMA技术，下行数据流采用TDM技术。
在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，可大大降低OLT和主干光纤的成本压力。
上、下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，如图5-56所示。上行利用时分复用（TDMA）共享带宽，如图5-57所示。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽。
图5-55 波分复用（WDM）示意图
图5-56 EPON下行TDM传输方式
图5-57 EPON上行TDMA传输方式
点对多点，（Point to Multi Point，P2MP）的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资。与以太网P2P结构不同，EPON是点对多点的结构。ONU对于上行信道资源存在竞争，需要一种仲裁机制来避免上行数据冲突并且合理地分配信道资源。IEEE 802.3ah协议规定了相应的控制协议——多点控制协议（Multi-point MAC Control Protocol，MPCP）。MPCP主要定义了多点MAC控制子层（Multi-point MAC Control Sublayer）来扩展并代替了IEEE 802.3协议所定义的MAC控制子层（MAC Control Sublayer）。MPCP的控制帧的优先级要高于MAC Client数据帧的优先级。
3.基于EPON的派出所街道小区视频监控解决方案
基于EPON的视频监控解决方案是通过以太无源光网络（EPON）将视频编码设备（DVS、IPC）部署在前端，并通过EPON接入网将IP化的视频信号上传。IP视频流可以灵活地传输至多级监控中心，多级监控中心通过IP城域网络连接。通过分布在各监控中心的视频解码器将图像转化为模拟型号进行输出显示。
所有监控图像可以直接存储在总监控中心的IP存储设备当中。整个监控系统的图像调用不再依靠矩阵来进行多级的交换，而是通过监控系统软件向视频编码器发出指令实现在网络的任意位置的直接一级调用。
需求分析：某派出所辖区有20～30路图像，每监控点有1、2路图像，每汇聚点5～8路图像。要求派出所辖区上传至分局图像4～8路。
实现方案：在摄像机前端放置视频编解码器和ONU，通过无源光网络将图像传输至派出所的S75E OLT交换机，直接通过IP网络及相关视频监控软件进行软调度，将监控网络全面IP化。其系统拓扑图如图5-58所示。
（十二）皮线光缆专用光纤连接插座及连接插头的操作
1.光纤连接插座的制作
有十个步骤，如图5-59所示。
第一步：剥开皮线光缆，长度约6～7cm，平齐剪去两侧塑料外套。
第二步：皮线光缆定位，将皮线光缆放入嵌件，必须顶到头且卡紧。
第三步：皮线光缆定长，将皮线光缆连同嵌件放入专用适配器中间的凹槽并顶到头。
第四步：去除光纤涂敷层，使用专用工具去除光纤表面的涂敷层。
图5-58 基于EPON的派出所监控系统的拓扑图
图5-59 光纤连接插座的制作步骤
第五步：酒精清洁光纤，用无纺布蘸取酒精清洁光纤，必须将光纤表面残留涂敷层清除。
第六步：切割光纤，取下光纤切割刀上的刻度标尺，将皮线光缆连同适配器放到该位置并顶到头，压下上盖，推入刀片，完成切割。必须使用光纤切割刀，不得用剪刀等替代。
第七步：准备连接插座，将插座在专用压接工具上，不要压下盖板。
第八步：插入光纤，嵌件上的红色标记与插座本体上的红色标记同侧，插入光纤到底，光纤略微弯曲。
第九步：压接，保持光纤不动，压下专用压接工具的盖板，将插座中央的压接盖压到底。
第十步：固定皮线光缆，将皮线光缆旋转90°，卡入插座端部的卡槽内，推上黑色上盖。
2.光纤连接插头的制作
光纤连接插头的前六步操作与光纤连接插座的前六步是相同，参见上述内容，余下四步如图5-60所示。
图5-60 光纤连接插头的制作步骤
第七步：准备连接插头，将插头放在专用压接工具上，不要压下盖板。
第八步：插入光纤，嵌件端部的凸起向下，插入光纤到底，光纤略微弯曲。
第九步：压接，保持光纤不动，压下专用压接工具的盖板，将插头中央的压接盖压到底。
第十步：固定皮线光缆，松开光纤，使光纤自然回直，不可拉拽，按下插头末端侧面的光缆固定件。
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