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光技術在電視傳媒的應用
光技術在電視傳媒的應用
2003年中南地區(qū)省級電視臺技術年會論文二等獎2003年度全省廣播電視優(yōu)秀科技論文二等獎
摘 要: 本文主要介紹了現(xiàn)階段以藍光盤為代表的最新光記錄技術，以全波光纖和密集波分技術為代表的光傳輸技術，以及光記錄技術和光傳輸技術在相關電視技術領域中的應用和優(yōu)劣，并且設想了以光技術為基礎的新型電視臺媒體資產(chǎn)業(yè)務網(wǎng)絡。
關鍵詞: 藍光盤 密集波分復用
隨著藍光盤攝像機和錄像機的出現(xiàn)，電視傳媒行業(yè)從傳統(tǒng)磁帶記錄走向了光盤記錄。雖然這是光技術在廣電領域應用的一小步，卻是廣電科技與時俱進的一大步。
大約40年前，人類已經(jīng)擁有第一根海底光纜。光通訊，在電信高端領域，方興未艾。時至今日，在實驗室，日本NEC和法國阿爾卡特公司分別實現(xiàn)了總?cè)萘繛?0.9Tb/s(273x40Gb/s)和總?cè)萘繛?0.2Tb/s(256x40Gb/s)的傳輸容量最新世界記錄。而單模光纖的無中繼傳輸已經(jīng)達到4000KM。從技術上看，再有5年左右的時間，實用化的最大傳輸鏈路容量有可能達到5-10Tb/s。簡言之，網(wǎng)絡容量將不會受限于傳輸鏈路。
以下我們分別對光存儲和光傳輸方面做以詳細闡述。
一 光存儲
資訊對儲存容量需求日增，光存儲技術在記錄密度、容量、數(shù)據(jù)傳輸率、尋址時間等關鍵技術上有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑI(yè)界一直在積極開發(fā)更高容量的各種儲存技術。藍紫色激光存儲技術（Blue-Violet Laser）、磁光盤存儲技術、做為硬盤（HDD）技術和磁光盤技術的結(jié)合的近場光盤技術超解析度儲存技術（Super RENS）、3D立體儲存技術（Multi Layers；Multi Level）以及熒光多層光盤技術FDM（Fluorescent Multilayer Disc）等相繼問世。
傳統(tǒng)ＣＤ和ＤＶＤ上有一層薄薄的反射層，和許多肉眼看不見的凹凸，它包含二進制信息。為了從這些盤片上讀出數(shù)據(jù)，由一個半導體激光發(fā)生器產(chǎn)生特定波長的激光束，射向旋轉(zhuǎn)中的光盤片，然后反射光通過棱鏡和透鏡構(gòu)成的組鏡機構(gòu)再射向接收數(shù)據(jù)的光電裝置，而這個光電裝置連接的電路能夠辯識出激光所反射回來的數(shù)據(jù)。在光盤上，數(shù)據(jù)是凹槽(pits)及平面(lands)的型式來加以編碼，而光電裝置的電路能辯識出激光射中的平面及射中凹槽的所走距離差這就稱為相位提升(Phase Shift)，而這個技術就是在光盤中資料儲存與讀取的基礎。經(jīng)由光電讀取裝置，反射回到的凹槽與平面的變化將會轉(zhuǎn)換成1與0的數(shù)位訊號，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)流特征。ＤＶＤ之所以容量比ＣＤ大，無非是在同樣面積的盤片上凹凸更多罷了。若要有效地縮小記錄點大小以提升記錄密度，必須使用短波長的光源；或者使用高折射系數(shù)的介質(zhì)；或者提升透鏡的NA（數(shù)值孔徑）值。顯然在一個存儲容量巨大的盤片上，紅色激光根本無法辨識那么多更密集的凹凸了。因此索尼及其它公司紛紛轉(zhuǎn)向藍色激光的研究。藍色激光的波長較短，因此驅(qū)動器可以辨識出更小半徑的凹凸，盤片的容量就可以做的更大�，F(xiàn)在的藍光盤技術不管是日歐韓9家AV產(chǎn)品制造商聯(lián)合制定的新一代光盤規(guī)格"藍光光盤"，還是東芝和NEC向DVD論壇提出的"AOD（高級光盤，暫定名）"規(guī)格，只不過是商家為自己謀求更高的商業(yè)利潤而制定的不同的標準罷了。就核心技術上而言，沒有太大的區(qū)別。讓我們再深入了解一下藍光盤和高密度光存儲技術的發(fā)展趨勢。
1、 藍光盤技術
藍光盤技術屬于相變光盤（Phase Change Disk)技術，它與傳統(tǒng)光盤記錄不同，傳統(tǒng)光盤的記錄和讀出原理是利用磁技術和光技術相結(jié)合來記錄和讀出信息，而相變光盤的記錄和讀出原理只是用光技術來記錄和讀出信息。相變光盤利用激光使記錄介質(zhì)在結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)之間的可逆相變結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)信息的記錄和擦除。在寫操作時，聚焦激光束加熱記錄介質(zhì)的目的是改變相變記錄介質(zhì)晶體狀態(tài)，用結(jié)晶狀態(tài)和非結(jié)晶狀態(tài)來區(qū)分0和1；讀操作時，利用結(jié)晶狀態(tài)和非結(jié)晶狀態(tài)具有不同反射率這個特性來檢測0和1信號。
實際的藍光盤應用藍紫色激光技術，能在直徑12公分的盤片上，儲存兩小時的高清晰度視音頻信號，在2002年2月發(fā)布的初期版本中，透過使用405nm的藍紫色電射半導體，NA（數(shù)值孔徑）值為0.85的讀取頭、以及0.1mm的光學透射保護層架構(gòu)，藍光盤可以將12公分的單面光盤片資料儲存容量提升到27GB。它可以記錄兩小時的高清晰度視音頻信號，以及超過13小時的標準電視信號。
在資料轉(zhuǎn)換率方面，藍光盤可以將高清晰度的電視節(jié)目，以36Mbps的速度從攝像機轉(zhuǎn)換到播放媒體上，并能維持節(jié)目品質(zhì)。另外，它還具有任意影像捕捉，以及重覆播放等功能。
在兼容性方面，由于藍光盤采用MPEG2碼流壓縮技術，因此它同時適用于數(shù)字廣播系統(tǒng)，可執(zhí)行電視臺多種視頻記錄與播放。
另外，在資料安全性部分，藍光盤也采用了一種獨特的ID寫入模式，可確保資料安全，并為盜版問題提出一套保護版權的解決方案。
2、高密度光存儲技術的發(fā)展趨勢
（1）采用近場光學原理設計超分辨率的光學系統(tǒng)，使數(shù)值孔徑超過1.0，相當于探測器進入介質(zhì)的輻射場，從而能夠得到超精細結(jié)構(gòu)信息，突破衍射極限，獲得更高的分辨率，可使經(jīng)典光學顯微鏡的分辨率提高兩個數(shù)量級，面密度提高4個數(shù)量級。
（2）以光量子效應代替目前的光熱效應實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀出，從原理上將存儲密度提高到分子量級甚至原子量級，而且由于量子效應沒有熱學過程，其反應速度可達到皮秒量級（1O-12秒），另外，由于記錄介質(zhì)的反應與其吸收的光子數(shù)有關，可以使記錄方式從目前的二存儲變成多值存儲，使存儲容量提高許多倍。
（3）三維多重體全息存儲，利用某些光學晶體的光折變效應記錄全息圖形圖像，包括二值的或有灰階的圖像信息，由于全息圖像對空間位置的敏感性，這種方法可以得到極高的存儲容量，并基于光柵空間相位的變化，三維多重體全息存儲器還有可能進行選擇性擦除及重寫。
（4）利用當代物理學的其它成就，包括光子回波時域相干光子存儲原理、光子俘獲存儲原理、共振熒光、超熒光和光學雙穩(wěn)態(tài)效應、光子誘發(fā)光致變色的光化學效應、雙光子三維體相光致變色效應，以及借助許多新的工具和技術，諸如掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、光學集成技術及微光纖陣列技術等，提高存儲密度和構(gòu)成多層、多重、多灰階、高速、并行讀寫海量存儲系統(tǒng)。
3、新型光盤技術的應用
大量的信息要求有大容量的存儲設備，光存儲驅(qū)動器和幾種光儲存媒體均將呈現(xiàn)出足夠快的增長趨向。光存儲市場的發(fā)展，將改變聲音圖象及其它數(shù)據(jù)的存儲方式及傳播方式。光存儲產(chǎn)品可以利用自動換盤系統(tǒng)，組成光盤庫、光盤塔、光盤陣列，實現(xiàn)提高整個系統(tǒng)的容量、數(shù)據(jù)傳輸率及多數(shù)據(jù)存儲的可靠性。如果將光盤庫、光盤塔及光盤陣列與自動換盤系統(tǒng)有機結(jié)合，可以大大提高系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)傳輸率和顯著改善存儲數(shù)據(jù)的可靠性。
在技術上，磁帶已經(jīng)基本上沒有潛力了，而且與非線性的編輯系統(tǒng)存在明顯的矛盾；專業(yè)光盤雖然不會在很短的時間內(nèi)取代磁帶，但其非線性、高密度、低成本、高傳輸速度的優(yōu)勢已經(jīng)帶來了良好的開端。Sony公司不失時機的推出光盤專業(yè)攝錄像器材，這些設備使用基于藍紫色激光技術的光盤作為存儲介質(zhì)，充分發(fā)揮非線性記錄方式帶來的靈活性。例如：PDW-3000 專業(yè)藍光盤編輯錄像機(演播室機型)，它可記錄和重放IMX/DVCAM格式，具有完善豐富的輸入輸出接口，包括傳統(tǒng)視音頻和網(wǎng)絡接口。它的雙光頭設計可實現(xiàn)高速文件讀出。它具有快速圖像搜索，圖像索引功能和光盤的隨機訪問功能，可以快速定位到所需圖像。它具有場景選擇隨機存取能力，使得任意定位素材段成為可能，跳過不必要的素材。特別值得提出的是這種錄像機可以將高低分辨率素材同時記錄在光盤上，高分辨率素材用于高質(zhì)量節(jié)目的制作和輸出，低分辨率素材可用于編輯，瀏覽等等，低分辨率素材還可以為互聯(lián)網(wǎng)播出等用途提供數(shù)據(jù)。
二 光傳輸
讓我們再來看看光傳輸，現(xiàn)在各省市有線電視臺網(wǎng)絡中在主干線多使用光纜傳輸信號，在電視臺內(nèi)部的新聞網(wǎng)或制作網(wǎng)也使用光纖代替電纜傳送素材文件。眾所周知，光纖傳輸比傳統(tǒng)電纜傳輸有頻帶寬、容量大、損耗低、保真度高、抗干擾等優(yōu)點。而隨著光電子器件的持續(xù)發(fā)展，光纖工藝的提高，以及光纖技術和IT技術的相互滲透和融合，光傳輸技術有了相當大的發(fā)展，這對電視臺通信架構(gòu)的改變起到了巨大的推動作用。以下是對滿足電視臺需求的光傳輸技術的具體闡述。
1 、光纖技術的介紹
（1）單波長技術
對于業(yè)務量和距離長度要求不大時，普通的單波長技術就已能滿足需求。幾年前單波光纖的數(shù)據(jù)傳輸就已能達到10 Gbps。目前在單波長上進行數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)能夠做到40G的帶寬，雖然這已經(jīng)是單波長所能夠傳輸?shù)臉O限，并且實用的傳輸容量也沒有這么大，但相對電視臺內(nèi)部網(wǎng)近距離的視音頻傳輸要求已經(jīng)夠用。
單波技術基于電時分復用（ETDM）技術，但由于微電子技術和光纖色散的限制，微電子技術難以支持電時分復用有新的突破。光纖上的色散是10 Gbps及其以上速率系統(tǒng)傳輸距離的主要制約因素，且隨著比特率越高而影響越大。
（2）密集波分復用
對于傳輸量更大，傳輸距離更遠的要求，僅靠提高單信道系統(tǒng)的速率已沒有空間，另一種途徑就是使用復用技術。光復用的方式有很多種，目前比較成熟并已進入大規(guī)模商用階段的是光波分復用，尤其是DWDM--密集波分復用。（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）
DWDM技術簡單地說是在一根光纖上接入不同波長的光信號，使傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍甚至上百倍。提到DWDM，不能不提摻鉺光纖放大器（EDFA）。EDFA的出現(xiàn)使得DWDM得以實用。EDFA是一種全光放大器，它的使用取代了原來光-電-光的中繼再生方式，突破了光電、電光轉(zhuǎn)換的速度瓶頸，使長距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是DWDM系統(tǒng)及未來高速系統(tǒng)、全光網(wǎng)絡不可缺少的重要器件。EDFA工作窗口在1530-1565nm，對波分復用中的每個波長補充功率，并經(jīng)過若干個EDFA再用再生器來消除色散的影響。
使用DWDM ，可以大大提高光纜傳輸容量，節(jié)省光纖，降低傳輸成本。DWDM目前可商用的水平，我國的傳輸容量為80 Gbps，國外如朗訊公司的傳輸容量為400 Gbps，實驗室的水平則已超過Tbps。
（3）新型G.655光纖
（4）全波光纖
使用全波光纖，增加傳輸頻帶。在未來的電視臺光纖網(wǎng)中，除了傳輸多路的視音頻數(shù)據(jù)以外，還會傳輸大量的管理數(shù)據(jù)。充分地拓展可用頻帶已成為關鍵。而在光纖的另一個低損窗口1.31um，雖然石英光纖在此波段時的色度色散為零，但由于1385nm附近存在著一個OH-離子吸收峰，對光纖傳輸能產(chǎn)生較大的衰減。而由此誕生的全波光纖采用了一種全新的生產(chǎn)工藝，幾乎可以完全消除由OH-峰引起的負面影響，并且使用與普通的G.652匹配包層光纖一樣的標準。
由于開放了這一低損窗口，全波光纖的可用波長范圍增加了100nm，使光纖的全部可用波長范圍由大約200nm增加到300nm，可復用的波長數(shù)大大增加，而且在上述波長范圍內(nèi)，光纖的色散僅為1550nm波長區(qū)的一半，因而，容易實現(xiàn)高比特率長距離傳輸。同時，由于波長范圍大大擴展，一方面可以將不同的波長分配不同的數(shù)據(jù)流，從而改進網(wǎng)絡管理；另一方面，允許使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)定度要求較低的光源、合波器、分波器和其它元件，使元器件的成本大幅度下降，從而降低整個系統(tǒng)的成本。
此外摻鐠光纖放大器（PDFA）的研制成功也解決了1310nm波長光的中繼問題。摻鐠光纖放大器工作在1300nm波長窗口，以摻鐠光纖作為增益介質(zhì)。在實用過程中，可分別使用PDFA和EDFA對1310nm和1550nm波長的光信號進行功率放大和補償衰耗。
無論是工作在1550nm的G.655光纖，還是使用1310nm的全波光纖，最新的光纖技術帶來的是更高的傳輸速度和更大的傳輸容量，這為電視臺使用光纖傳輸多種數(shù)據(jù)打下了堅實的基礎。由于突破了傳輸瓶頸，在傳輸視音頻信號的同時還可傳輸大量的管理信息，包括文件的元數(shù)據(jù)以及其他SNMP數(shù)據(jù)流。這也為建立基于IP的視頻管理網(wǎng)絡鋪平了道路。
2、因特網(wǎng)技術和光纖技術的結(jié)合
隨著因特網(wǎng)技術的快速發(fā)展，ATM、SDH、IP等技術不斷融入到光成域網(wǎng)的建設中。目前代表發(fā)展方向的是IP over WDM技術，其中比較成熟的解決方案是GE Over DWDM（GE：千兆以太網(wǎng)）。GE Over DWDM對于有線電視網(wǎng)絡最大的好處就是可以實現(xiàn)在原有光纖網(wǎng)絡基礎上平滑、連續(xù)性的網(wǎng)絡升級，同時可以和原有的10Mb/s、100Mb/s以太網(wǎng)無縫連接，能降低系統(tǒng)的成本和復雜性，保護廣電系統(tǒng)的投資。
IP over DWDM通俗的說法就是讓IP數(shù)據(jù)包直接在光路上傳送，減少網(wǎng)絡層之間的冗余部分，能夠省去網(wǎng)絡運營商的成本，同時也降低用戶使用通信業(yè)務的費用。GE over DWDM是IP over DWDM的一種廉價方式，適用于廣電系統(tǒng)城域IP骨干網(wǎng)的建設。
千兆以太網(wǎng)（GE）技術是目前技術成熟的最快速以太網(wǎng)技術，它可以提供1Gbps的帶寬，由于采用和傳統(tǒng)10Mb/s、100Mb/s以太網(wǎng)同樣的幀格式和幀長，因此GE可以在原有低速以太網(wǎng)基礎上實現(xiàn)平滑過渡。目前GE Over DWDM使用光放大器后的傳輸距離已可達到640公里。在現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡基礎上，使用千兆以太網(wǎng)技術，具有一定的現(xiàn)實經(jīng)濟意義�？梢灶A見，GE Over DWDM技術將成為廣電網(wǎng)絡中城域網(wǎng)的理想方案。
隨著各種光傳輸技術不斷地投入使用，整個電視臺的網(wǎng)絡架構(gòu)將會發(fā)生巨大改變，而全光網(wǎng)和光接入網(wǎng)的建設和發(fā)展，使這種趨勢越來越明顯。
三 光應用
由以上光記錄和光傳輸?shù)慕榻B，我們可以了解到光技術已經(jīng)逐漸滲透至專業(yè)視頻領域。以下為筆者設想的以光技術為基礎構(gòu)建的新型電視臺IT制作網(wǎng)。相對于傳統(tǒng)電視臺制作網(wǎng)它將具備以下特性：
1. 首先是高效的資源共享能力�？梢詫崿F(xiàn)快速的數(shù)據(jù)存取、遷徙及交換。
2. 由于光盤錄像機的出現(xiàn)，文件化的素材交換方式得以實現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電視臺制作網(wǎng)素材上下載消耗時間的瓶頸。
3. 具有智能化的網(wǎng)絡監(jiān)控管理功能。
4. 整個網(wǎng)絡具備可擴展性，強容錯性，高兼容性以及與其他網(wǎng)絡的互換性。
我們可以設想以下的以光技術為基礎的全光業(yè)務網(wǎng)，當然這里的全光目前不會是完全的光技術，也包含節(jié)點轉(zhuǎn)換上使用的一些光電和電光設備。前期節(jié)目素材由光盤攝像機采集，光盤攝像機可以是高端的SONY的PDW藍光盤攝像機，它的記錄文件格式是MPEG2 4：2：2P@ML IMX或者是DVCAM格式；也可以是低端的東芝的家用DVD光盤錄像機，它的記錄格式是MPEG2 TS流。以上文件格式的素材在攝像機內(nèi)部被刻錄到藍光盤或普通的DVD碟片上。通過相應的光盤錄像機或?qū)Ｓ玫墓獗P驅(qū)動器由光纖實時傳輸并存儲到后期編輯制作單元。制作單元為現(xiàn)有的電視臺制作工作站，由后期編輯制作單元來進行原始素材的編輯及后期處理工作，各種特效、字幕、配音、片頭等在此處完成。制作完的節(jié)目由光纖無損地送入中央存儲部分的光盤庫中，一方面用于播出。另一方面，可以實現(xiàn)節(jié)目的存儲和歸檔或者利用光盤錄像機下載，便于以后的索引和節(jié)目調(diào)用�；赟NMP（簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）技術的系統(tǒng)監(jiān)控單元通過與各單元交換信息，實時監(jiān)測系統(tǒng)在節(jié)點光交換設備和傳輸通路上的光纖狀況。采用光纖作為工作站點連通的物理方式，用于數(shù)據(jù)的遷徙，設備和業(yè)務運營管理等控制信息的傳遞。采用光盤庫作為中央存儲單元，其管理軟件可以區(qū)分短期存儲的播出節(jié)目和長期存儲以供后用的節(jié)目。短期存儲的節(jié)目存儲在一級光盤庫，節(jié)目播出后定時刪除。長期存儲節(jié)目編目后放至二級光盤庫，作為媒體資源有原則的開放，不同級別的用戶通過光纖有償或免費獲取媒體資源。一級光盤庫為在線存儲體，容量以電視臺內(nèi)部人員充分使用即可，它是提供給電視臺內(nèi)部用戶使用的高速媒體資源共享體，滿足包括播出，節(jié)目制作，節(jié)目下載的宿求。二級光盤庫為近線存儲體，為海量存儲，它的媒體資源存儲主要為節(jié)目的再利用和再加工服務，另外為電視臺以外的用戶提供VOD或者媒體資源再利用和交換的宿求。
以上設想的網(wǎng)絡比較現(xiàn)今的網(wǎng)絡，由于光技術的使用，可以突顯出高速共享的精神，達到用戶所見所得的需求。真正實現(xiàn)網(wǎng)絡化、數(shù)字化的實時的信息交換。
總 結(jié)
以光技術做為基礎構(gòu)建新聞傳媒的業(yè)務網(wǎng)，現(xiàn)在看來還只是一種設想。如果成為現(xiàn)實，仍需要更多達到用戶高性價比需求的，以光技術為基礎結(jié)合微機電、微電子等技術的傳媒生產(chǎn)設備的出現(xiàn)�？上驳氖�，光技術在傳輸、存儲、記錄等方面的突破給我們帶來了光明的前景。隨著光技術逐漸融入電視臺生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，勢必會構(gòu)建起新型的新聞傳媒的生產(chǎn)流程，更有利于新聞傳媒高時效性、高質(zhì)量的要求。
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