視頻模擬光纖傳輸系統的探討

　　監控系統中的信號有三類(lèi)：圖像、音頻、數據，如何將這三種信號置于有效的控制之下要考慮的因素之一是----傳輸問(wèn)題。在光纖應用之前，銅纜因為費用低廉而被大量采用（但在遠距離傳輸上采用光纖傳輸的成本要低于采用銅纜傳輸），但是銅纜傳輸越來(lái)越暴露其缺點(diǎn)，傳輸距離短，保密性差，容易受到電磁干擾，維護費用高等等。光纖出現之后，光纖通訊的應用得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為遠距離/近距離傳輸（超過(guò)500/800米的距離）的首選，可以預料當光纖成本進(jìn)一步下降，光纖必將取代銅纜大量應用。

　　光纖監控系統的傳輸中，按傳送信號的模式大致可分為兩種方式：其一是模擬光纖傳輸，其二是數字光纖傳輸。目前，模擬光纖傳輸因為其成熟的技術(shù)保證而得到廣泛的應用。通常采用的模擬光纖傳輸，大致可分為以下幾類(lèi)：VIDEO、DATA、AUDIO、VIDEO+DATA、VIDEO+AUDIO、VIDEO+DATA+AUDIO等。

　　在本篇中主要討論模擬光纖傳輸的技術(shù)、工藝、設備類(lèi)型、視頻信號的幾個(gè)重要參數名詞解釋、測試問(wèn)題以及設計方案（選用設備）要考慮的安全、有效的維護保證和成本等因素。

　　一、 光纖傳輸設備的技術(shù)和工藝
　?。?）傳統的模擬光端機所采用的技術(shù)有兩種：FM和AM。早期各大公司的光纖傳輸設備大多采用AM技術(shù)，而隨著(zhù)時(shí)間的推移，FM技術(shù)已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流，下表將AM與FM的特點(diǎn)作以定性比較：
　　AM FM
　　系統允許光衰減 小 較大
　　視頻信號傳輸帶寬 小 大
　　傳輸信噪比（S/N） 低 高
　　對光源線(xiàn)形的要求 高 低
　　抗干擾性 差 好

　　由上表比較可知，FM技術(shù)較AM技術(shù)更為可靠：抗干擾能力強，保真度高，在線(xiàn)形良好的介質(zhì)中傳輸，對非線(xiàn)形失真的要求不高，可大幅度提高光接收機的靈敏度。

　?。?）早期的光纖傳輸設備所采用的焊接工藝為插件式，插件焊接工藝有其先天不足的一面，如板間電磁干擾大，設備功耗大，產(chǎn)品體積大等等，這樣就對傳輸系統造成了一定的影響，由于板間電磁干擾較大，系統引入的噪聲也較大，從而影響到系統的信噪比和系統的視頻指標；現在的產(chǎn)品大多采用SMT工藝，降低了系統的電磁噪聲影響，可以更好的體現設計意圖。 

　　二、光纖傳輸設備的類(lèi)型

　　光纖傳輸設備傳輸方式可簡(jiǎn)單的分成：多模光纖傳輸設備和單模光纖傳輸設備。

　?。?） 多模光纖傳輸設備所采用的光器件是LED，通常按波長(cháng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(cháng)，按輸出功率可分為普通LED和增強LED----ELED。多模光纖傳輸所用的光纖，有62.5mm和50mm兩種。不同波長(cháng)的光在多模光纖上的傳輸特性如下：
62.5mm 50mm
工作波長(cháng) 帶寬 衰減 帶寬 衰減
850nm 160MHz.km 2.7---3.8dB/km 400MHz.km 2.3---3.0dB/km
1300nm 400MHz.km 0.6---0.8dB/km 400MHz.km 0.5---0.7dB/km
由上表可見(jiàn)，在多模光纖上傳輸決定傳輸距離的主要因素是光纖的帶寬和LED的工作波長(cháng)，例如，如果采用工作波長(cháng)1300nm的LED和50微米的光纖，其傳輸帶寬是400MHz.km，鏈路衰減為0.7dB/km，如果基帶傳輸頻率F為150MHz，對于出纖功率為-18dBm，接收靈敏度為-25 dBm的光纖傳輸系統，其最大鏈路損耗為7 dB，則可計算：
ST連接器損耗：2dB（兩個(gè)ST連接器）
光學(xué)損耗裕量：2 dB
則理論傳輸距離：
L=（7 dB-2 dB-2 dB）/0.7dB/km=4.2 km
L為傳輸距離，而根據光纖的帶寬計算：
L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km
其中 B為光纖帶寬，F為基帶傳輸頻率，
那么實(shí)際傳輸測試時(shí)，L￡2.6km，由此可見(jiàn)，決定傳輸距離的主要因素是多模光纖的帶寬。
 

　?。?） 單模傳輸設備所采用的光器件是LD，通常按波長(cháng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(cháng)，按輸出功率可分為普通LD、高功率LD、DFB-LD（分布反饋光器件）。單模光纖傳輸所用的光纖最普遍的是G.652，其線(xiàn)徑為9微米。不同波長(cháng)的光在G.652光纖上傳輸特性見(jiàn)下表
工作波長(cháng) 衰減 色散
1310nm ≤0.34dB/km ≤3.5ps/(nm.km)
1550nm ≤0.22 dB/km ≤20 ps/(nm.km)
由上表可知，1310nm波長(cháng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)，決定其傳輸距離限制的是衰減因數；因為在1310nm波長(cháng)下，光纖的材料色散與結構色散相互抵消總的色散為0，在1310nm波長(cháng)上有微小振幅的光信號能夠實(shí)現寬頻帶傳輸。
1550nm波長(cháng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)衰減因數很小，單純從衰減因數考慮，1550nm波長(cháng)的光在相同的光功率下傳輸的距離大于1310nm波長(cháng)的光下的傳輸的距離，但是實(shí)際情況并非如此，單模光纖帶寬B與色散因數D的關(guān)系為：
B=132.5/（Dl*D*L）GHz
其中L為光纖的長(cháng)度，Dl為譜線(xiàn)寬度，對于1550nm波長(cháng)的光，其色散因數如表3為20 ps/(nm.km)，假設其光譜寬度等于1nm，傳輸距離為L(cháng)=50公里，則有：
B=132.5/（D*L）GHz=132.5MHz
 

　　也就是說(shuō)，對于模擬波形，采用1550nm波長(cháng)的光，當傳輸距離為50公里時(shí)，傳輸帶寬已經(jīng)小于132.5 MHz，如果基帶傳輸頻率F為　150MHz，那么傳輸距離已經(jīng)小于50km，況且實(shí)際應用中，光源的譜線(xiàn)寬度往往大于1nm。
從上式可以看出，1550nm波長(cháng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)決定其傳輸距離限制的主要是色散因數。

　　三、視頻信號的DG(微分增益)，DP（微分相位），S/N（信噪比）
 

　　DG(微分增益)：在PAL制電視信號中，彩色信號是調制在頻率為4.43MHz的色副載波上，而色副載波又是迭加在亮度信號上的，色副載波的幅度決定彩色信號的飽和度。視頻信號的DG失真是指系統的增益特性隨輸入信號的電平而變化。通俗的說(shuō)，由于亮度消隱電平變到白電平時(shí)，在視頻通道輸出端產(chǎn)生色度信號幅度的變化，這樣，在亮的部分和暗的部分，其彩色飽和度，色調（尤其是飽和度）均有不同的變化。
 

　　DP（微分相位）：在PAL制電視信號中，彩色信號是調制在頻率為4.43MHz的色副載波上，而色副載波又是迭加在亮度信號上的，色副載波的相位決定彩色信號的色調。視頻信號的DG失真是指上系統的相移特性隨輸入視頻信號而變化。傳輸線(xiàn)路上的相移量隨不同亮度電平而變化，則色同步和色副載波之間相移就起變化，于是畫(huà)面亮的部分和暗的部分的色調就不同
S/N（信噪比）：在電視信號傳輸中，常用信號功率的峰峰值和噪聲的有效值之比表示其值。

　　四、光纖傳輸設備的視頻指標檢測及常用儀器
　?。?）工業(yè)監控中，由于模擬調頻信號的解調噪聲譜呈三角形狀，隨著(zhù)基帶頻率的增高，解調噪聲也越來(lái)越大，隨著(zhù)S/N的下降，圖象質(zhì)量也不斷下降，表現在監視器畫(huà)面上為有規則的的細斜紋圖案，飄動(dòng)狀干擾圖案，雪花等等。
當調制波形是模擬信號時(shí)，則檢波后信號電平隨信號頻率的增高而降低，表現為非線(xiàn)形失真，使基波的諧波分量增加，從而影響到DG(微分增益)，DP（微分相位）?！G微分增益不滿(mǎn)足要求。色度信號的幅度在不同的亮度電平上發(fā)生了變化，色度信號的幅度變化導致色飽和度發(fā)生變化。這樣，在屏幕的亮度發(fā)生變化時(shí)，圖像的色飽和度也要發(fā)生變化，亮電平時(shí)的紅色在睛電平時(shí)可能變?yōu)闇\紅或深紅，造成圖像失真。 DP 微分相位不滿(mǎn)足要求。色度信號的相位在不同的亮度電平上發(fā)生了變化，色度信號相位變化導致色彩發(fā)生變化。這樣，在亮度電平發(fā)生變化時(shí)，圖像的顏色也要發(fā)生變化，造成失真。
 

　?。?） 眾所周知光衰減器通常采用空氣衰減或偏振片衰減以增加傳輸損耗，數字信號光纖傳輸時(shí)，可用BER表示其傳輸質(zhì)量的好壞，并且可采用增加光衰減器的方法來(lái)測試接收機的靈敏度。但是多路視頻模擬信號在光纖中傳輸時(shí)，更多的要考慮噪聲影響及系統的非線(xiàn)形失真（包括光器件和光纖的非線(xiàn)形失真），所以如果采用添加光衰減器所測試出的光功率只是單純的功率量，其引入的系統信號噪聲、S/N、系統的非線(xiàn)形失真是無(wú)法通過(guò)添加光衰減器的方法模擬。最好的方法是采用實(shí)際距離的光纖進(jìn)行檢測。
 

　?。?） 視頻方面有反射損耗、介入增益及其穩定度、視頻雜波、視頻非線(xiàn)性和視頻線(xiàn)性失真五大指標，并以此來(lái)反映模擬信號的通道質(zhì)量。
光纖傳輸方面有光功率、栽噪比、接受靈敏度反映光纖傳輸質(zhì)量。
有以下幾個(gè)測試參數：
　　 · 出纖光功率
　　 · 信噪比
　　 · 微分增益
　　 · 微分相位
　　 · 視頻信號幅度
　　 · 視頻波形監測及色度相位監測
（4）測試儀器：
　　 · 頻譜分析儀
　　 · 測試信號發(fā)生器
　　 · 矢量示波器
　　 · 波形監視儀
　　 · 視頻綜合測試儀
　　 · 示波器
　　 · 光功率計
可選用以下儀器方案：
　　 （1） Tek 2715有線(xiàn)電視頻譜分析儀；
　　 （2） TSG-271PAL電視測試信號發(fā)生器；
　　 （3） VM700T全自動(dòng)視頻綜合測試儀；
　　 （4） Tek1711B電視波形監視器
　　 （5） Tek1721矢量示波器
　　 （6） TOP-200光功率計

五、設計方案（選用設備）要考慮的安全、有效的維護保證和成本因素
　　首先，電信上的光纖傳輸設備中，為維護系統的安全，一般具備環(huán)路系統，以保證可靠傳輸；閉路電視光纖傳輸系統中，基本是點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，一般不具備倒換系統。如果傳輸所用光纖或者傳輸設備出現故障，將影響整個(gè)系統的運轉。因此，應該盡量避免采用大容量復用（如64路、32路視頻/音頻設備）的光纖傳輸設備，而采用小容量（如8路，甚至4路視音頻設備）傳輸設備以保證系統整體的安全性。
其次，一旦設備本身出了故障，則整個(gè)監控系統將陷于癱瘓，而且一般這種設備很昂貴，業(yè)主不會(huì )考慮備用備件，廠(chǎng)家也不會(huì )備有現貨（都是定單生產(chǎn)），同時(shí)維修周期很長(cháng)（一般會(huì )超過(guò)1個(gè)月）。所以，從安全及有效維護的角度來(lái)看不能不周全考慮。
 

　　另外，從成本方面來(lái)講，雖然采用大容量復用傳輸達到節省光纖資源的目的，但其成本遠遠高于采用小容量光傳輸方案。而且隨著(zhù)光纖價(jià)格的進(jìn)一步下調，光傳輸系統里光纖（纜）成本所占的比重越來(lái)越小，而光端機的采購費用所占比重越來(lái)越大。
所以，除了受囿于光纖資源限制，一般的方案設計還是不采用大容量復用光傳輸設備。況且從保證信號傳輸的質(zhì)量考慮，目前的監控視頻信號大容量復用傳輸是否都能滿(mǎn)足監控視頻信號的指標要求還需進(jìn)一步探討。
 

　　從監控行業(yè)的發(fā)展趨勢來(lái)看，光纖數字傳輸設備是未來(lái)發(fā)展的方向。但是，因為技術(shù)的因素，在現階段應用于監控行業(yè)的光纖數字傳輸設備仍然是概念性過(guò)渡產(chǎn)品。光纖模擬傳輸設備因其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、實(shí)時(shí)無(wú)損傳輸等優(yōu)點(diǎn)，仍然是一種優(yōu)秀的傳輸手段，它必將在近幾年內仍得到廣泛應用。