IP化改变广播电视行业产品和集成

广播电视系统中光纤相关产品的选择

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最近几年,广播电视行业最热门的话题应该就是“IP化”了。在广电行业从高清向4K发展的过程中,传统的铜介质电缆由于其物理特性导致的传输带宽瓶颈问题越来越明显。众多广电厂商在借鉴了IT行业的经验后,终于开始沿着IP化的道路前进。传输带宽也从高清铜缆时代的1.5Gbps、3Gbps转变成为IT领域的10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps。

广电行业熟知的同轴电缆已经无法适应越来越高的带宽需求。网线也很难适应10Gbps以上的应用。光纤已经成为IP化广播电视系统中最主要的信号传输介质。

作为广电工程师,在面对IP化的系统时,应该怎么选择光纤产品呢?希望这篇文章能够解答你的疑惑。

 

【基本知识1】单模和多模光纤的区别

我们通常所说的单模光纤、多模光纤,指的是光纤的纤芯区别。如下图所示,多模光纤的纤芯通常相对比较粗,内部会同时有多种模态的光。缺点是信号质量会随着距离的变长而大幅度劣化。优点是光收发器便宜。所以如果不是超长距离传输,通常设备都会选用价格平易近人的多模光纤收发模块。

图片1

多模光纤的纤芯有等级区分,OM1和OM2已经基本不再使用,下表是对OM3、OM4、OM5这三个等级的比较表。

速率
(Gb/s)

标准

波长
nm

纤芯数量

最大传输距离(m)

OM3

OM4

OM5

10

10GBASE-SR

850

2

300

550

550

25

25GBASE-SR

850

2

70

100

100

40

40GBASE-SR4

850

8

100

150

150

100

100GBASE-SR4

850

8

70

100

100

100GBASE-SR10

850

20

100

150

150

400

400GBASE-SR16

850

32

70

100

100

400GBASE-SR8

850

16

70

100

100

400GBASE-SR4.2

850

910

8

70

100

150

从表格中可以看出,在当下广电行业的应用中,OM4纤芯在25GBASE-SR、100GBASE-SR4光模块应用中的传输距离都可保证100米。是性价比最高的选择。OM5纤芯由于支持新的波长范围,会在将来400Gbps应用中取得更大的优势。

和多模光纤相对应的就是单模光纤了。如下图所示,单模光纤的纤芯非常细,通常只容纳一个模态的光。优点是信号即使经过了几十公里的长距离,信号衰减和劣化仍然很小。缺点是光收发器件昂贵。

图片2

 

基本知识2光纤的极性

IP化系统和传统广电系统相比,有一个显著的特点:双向传输。基本上每一个接口都同时需要承担Tx和Rx的任务。以100GBASE-SR4接口为例,连接两个接口的8芯光纤必须按照规定的线序排列。我们将“线序”称为“极性”。所有光纤按照统一的极性制作,可以保证系统中光纤的可互换性。

在广电系统中,MTP-MTP光纤通常选用极性为:TypeB。如下图所示,8芯MTP TypeB的线序是一端的1、2、3、4芯分别对应另一端的12、11、10、9芯。反之亦然。

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广电系统中,LC-LC光纤通常选用极性为:AtoB。如下图所示,Tx芯对应另一端的Rx芯,反之亦然。

 

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【基本知识3100G端口Breakout成为4个25G端口的做法

部分交换机的100Gbps端口支持Breakout应用,可拆分为4个25Gbps端口使用。在广电系统中,通常利用MTP/MPO转LC的光纤配线架完成物理连接。系统连接示意图如下:

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在光纤转换配线架的选择上,要注意MTP端是按照12芯还是按照8芯设计。数据中心做光纤聚合传输的产品,有不少是12芯MTP接口转LC接口的配线架。这类产品在广电行业应用时,LC接口端会每隔4对就出现2对不可用的LC,既影响配线架密度,又导致接口顺序混乱。因此我们要切记选用8芯MTP接口转LC接口的配线架。如下图左侧所示,使用12芯MTP光纤转换产品时,会导致有不可用的LC接口出现。

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我们可以注意到,这种光纤转换盒内部有大量的内置光纤,按照特定的线序连接两端的MTP接口和LC接口。目前市场上对这类光纤转换盒的线序(极性)没有统一的称呼。以色列RiT公司对这种极性的内部称呼为:NS极性。我们暂且也这么叫吧。

在了解了上述基本知识后,我们如何选择光纤产品呢?既然光纤在系统中作为信号传输介质,那它的选型就必然要关注其两端连接的设备及接口。

首先看设备

在纯粹IP化的广播电视系统中,传统视频矩阵已经被IT交换机所取代。此外,诸如视频切换台、摄像机基站(CCU)、视频服务器、多画面分割器等设备也都具备了IP接口。

其次看接口

几年前,广电行业但凡和IP沾边儿的设备,能配备个10Gbps的SFP接口已经十分显眼了。与其匹配的聚合端口就是40Gbps,基本只有少数切换台主机或专用设备上才能寻得其踪迹。然而就是这个速率的接口,在从高清到4K的发展中,引发了一团乱战。基于SMPTE ST 2022-6的标准,3Gbps的高清信号会完完整整的Mapping到IP数据包中,这样一来,一个4K信号的带宽就必然高达12Gbps,超出了10Gbps端口的上限。于是战局中的日系的S家主推LLVC(NMI)的压缩格式,欧美的G家主推TICO的压缩格式。都使尽浑身解数,把4K信号强行压缩进10Gbps端口中。

广电那边打得如火如荼,IT行业也没闲着,100Gbps端口迅速普及,Breakout之后是4个25Gbps。每个25Gbps带宽内可以容纳2个4K无压缩的信号。于是广电厂商的设备也迅速从10Gbps、40Gbps转变为25Gbps、100Gbps。

既然100Gbps成为了主流,广电行业就继续在100Gbps端口里做选择,在各种接口标准中最后胜出的是:100GBASE-SR4:接口采用MTP/MPO型,通常选用多模收发介质。一共12个芯,1~4芯用作Tx,9~12芯用作Rx。5~8芯不使用。如下图所示。

 

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25Gbps接口则相对简单:接口采用双工LC型,大多数选用多模收发介质。1根芯作为Tx,1根芯作为Rx。如下图所示。

 

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接下来看光纤铺设路径

广电行业从机柜形状到走线路径都与IP化的数据中心有巨大不同。数据中心机柜侧面有垂直走线槽,追求紧凑的广电机柜是不具备的。数据中心机柜全部为进深很深的机柜,广电机柜的标准进深要浅得多。再加上诸如转播车等应用环境,光纤往往不仅要跨机柜,有时还要跨区域,甚至要穿行在坦克链中。

如下图所示,车尾部空间为强冷机柜区,通常用于安放交换机、切换台主机等设备。前文所述的MTP转LC光纤转换配线架通常紧邻100Gbps交换机。

技术机柜的位置不一定紧邻强冷机柜,有时两者之间的距离跨度会比较大。大量摄像机控制单元会安放在技术机柜区。

图片3

在这种广电行业的典型应用中,LC-LC光纤链路通常会更远、更复杂。传统的LC光纤无轮是抗拉性还是抗压性都无法满足需求。因此LC-LC光纤外护皮内侧需要考虑铠装防护。

 

最后说说具体产品。每一根光纤,都要从以下几个方面来做出选择:

  • 两端接口
  • 光纤的纤芯数量
  • 纤芯种类
  • 纤芯等级
  • 外护皮种类
  • 外护皮颜色
  • 纤芯排列顺序(我们称之为极性)

 

在综合了广电行业的特点之后,RiT公司针对广电行业提供了以下主要产品:

 

  1. MTP-MTP多模光纤

    - 两端接头均为8芯MTP母

    - 光纤的纤芯数量为8

    - 纤芯种类为多模光纤

    - 纤芯种类为OM4

    - 外护皮采用LSZH低烟无卤材质,更环保,更安全

    - 外护皮颜色提供紫红色和水绿色两种,便于区分主备链路

     

  2. LC-LC多模光纤

    - 两端接头均为2芯Uniboot LC,单管双芯设计

    - 光纤的纤芯数量为2

    - 纤芯种类为多模光纤

    - 纤芯种类为OM4

    - 外护皮采用LSZH低烟无卤材质,更环保,更安全。内置螺纹钢铠,抗压性更强。

    - 外护皮颜色提供紫红色和水绿色两种,便于区分主备链路

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  3. MTP-LC光纤转换配线架

    -提供1RU高密度96芯MTP-8转LC光纤转换配线架

    -提供1RU超高密度144芯MTP-8转LC光纤转换配线架

    -针对演播室等低密度应用环境,开发了24芯为步长的MTP-8转LC光纤转换配线架

     

  4. LC-LC单模光纤

    - 两端接头均为2芯Uniboot LC,单管双芯设计

    - 光纤的纤芯数量为2

    - 纤芯种类为单模光纤

    - 外护皮采用LSZH低烟无卤材质,更环保,更安全。内置螺纹钢铠,抗压性更强。

    - 外护皮颜色为深蓝色,与多模光纤链路区分开

 

此外,针对特殊应用场合还需要更多特殊的设计。RiT公司针对黑龙江电视台4K IP转播车系统中耐寒需求生产了抗低温光纤系列。

抗低温光纤产品在设计时遇到的挑战远超普通光纤。未经过抗低温设计的普通光纤产品在遇到极低温度时,护套的热收缩率与玻璃纤芯的热收缩率之间的不平衡会导致光纤的纤芯弯曲曲率过大,插入损耗指标急剧劣化,致使数据传输率降低。随着转播车侧拉箱体的展开与收缩,坦克链发生弯折时会带动内部光纤产生弯折和摩擦,普通低烟无卤或PVC材质的光纤外护套在气温低于-20°C时,弯折及摩擦导致的护套破损几率急剧上升。

针对上述难题,RiT公司研发的抗低温光纤采用专用抗低温TPU护套,并在生产工艺上针对低温环境调整生产工艺,避免因张力变化导致的插入损耗劣化。以此为基础生产的LC光纤产品、MTP光纤产品的工作温度可保证在-40°C,外护套的耐寒极限可达-55°C。黑龙江电视台4K IP转播车配备的抗低温光纤在2020年哈尔滨冰雪大世界开园转播中表现优异,得到了实际验证。

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通过本文,我们可以了解到当广电行业进入IP化时代后,并不能直接将IT数据中心的光纤产品直接套用过来。需要光纤厂家针对广电行业的特点生产出专注于广电领域的光纤产品。以色列RiT公司在过去的2年中,为大量广电用户提供了光纤、网线类产品,并获得了普遍好评。经典案例如下:

  • 海南电视台4K IP转播车

  • 北京超高清协同中心8K转播车

  • 黑龙江电视台4K IP转播车

  • 广东电视台4K IP转播车

  • SMT 4K IP转播车

  • 贵州电视台4K IP演播室

  • 北京星光影视园IP化4K转播车

  • 泸州电视台4K IP转播车

  • 河南电视台4K IP转播车

 

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我们还将继续在广播电视行业的光纤应用领域进行耕耘,以专业的产品和服务为广播电视系统IP化进程助力。

2020年5月25日 09:41
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