視頻模擬光纖傳輸系統(tǒng)解決方案

    監(jiān)控系統(tǒng)中的信號(hào)有三類：圖像、音頻、數(shù)據(jù)，如何將這三種信號(hào)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(yīng)用之前，銅纜因?yàn)橘M(fèi)用低廉而被大量采用（但在遠(yuǎn)距離傳輸上采用光纖傳輸?shù)某杀疽陀诓捎勉~纜傳輸），但是沒(méi)有經(jīng)過(guò)補(bǔ)償（加權(quán)放大）的銅纜傳輸越來(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(hù)費(fèi)用高等等。光纖出現(xiàn)之后，光纖通訊的應(yīng)用得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為遠(yuǎn)距離/近距離傳輸（超過(guò)1500/1800米的距離）的首選，可以預(yù)料當(dāng)光纖成本進(jìn)一步下降，光纖可部分取代銅纜大量應(yīng)用。

    光纖監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸中，按傳送信號(hào)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(shù)字光纖傳輸。目前，模擬光纖傳輸因?yàn)槠涑墒斓募夹g(shù)保證而得到廣泛的應(yīng)用。通常采用的模擬光纖傳輸，大致可分為以下幾類：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?shù)募夹g(shù)、工藝、設(shè)備類型、視頻信號(hào)的幾個(gè)重要參數(shù)名詞解釋、測(cè)試問(wèn)題以及設(shè)計(jì)方案（選用設(shè)備）要考慮的安全、有效的維護(hù)保證和成本等因素。

    光纖傳輸設(shè)備的技術(shù)和工藝

    （1）傳統(tǒng)的模擬光端機(jī)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(shè)備大多采用AM技術(shù)，而隨著時(shí)間的推移，F(xiàn)M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：

    項(xiàng)目
    AM FM 
    系統(tǒng)允許光衰減（optic attenuator） 小 較大 
    視頻信號(hào)傳輸帶寬(transmission bandbroad)/ 路 小 大 
    傳輸信噪比（S/N） 低 高 
    對(duì)光源線形的要求 高 低 
    抗干擾性 差 好

    表1 由上表比較可知，F(xiàn)M技術(shù)較AM技術(shù)更為可靠：抗干擾能力強(qiáng)，保真度高，在線形良好的介質(zhì)中傳輸，對(duì)非線形失真的要求不高，可大幅度提高光接收機(jī)的靈敏度。

    （2）早期的光纖傳輸設(shè)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(shè)備功耗大，產(chǎn)品體積大等等，這樣就對(duì)傳輸系統(tǒng)造成了一定的影響，由于板間電磁干擾較大，系統(tǒng)引入的噪聲也較大，從而影響到系統(tǒng)的信噪比和系統(tǒng)的視頻指標(biāo)；現(xiàn)在的產(chǎn)品大多采用SMT工藝，降低了系統(tǒng)的電磁噪聲影響，可以更好的體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

    光纖傳輸設(shè)備的類型

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

    （1） 多模光纖傳輸設(shè)備所采用的光器件是LED，通常按波長(zhǎng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(zhǎng)，按輸出功率可分為普通LED和增強(qiáng)LED----ELED。多模光纖傳輸所用的光纖，有62.5mm和50mm兩種。不同波長(zhǎng)的光在多模光纖上的傳輸特性如下： 　

    工作波長(zhǎng) 普通LED-帶寬 普通LED-衰減 增強(qiáng)LED-帶寬 增強(qiáng)LED-衰減 
    62.5mm 850nm 160MHz.km 2.7---3.8dB/km 400MHz.km 2.3---3.0dB/km 
    50mm 1300nm 400MHz.km 0.6---0.8dB/km 400MHz.km 0.5---0.7dB/km

    表2 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(zhǎng)，例如，如果采用工作波長(zhǎng)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(duì)于出纖功率為-18dBm，接收靈敏度為-25 dBm的光纖傳輸系統(tǒng)，其最大鏈路損耗為7 dB，則可計(jì)算：

    那么實(shí)際傳輸測(cè)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。
 
    （2） 單模傳輸設(shè)備所采用的光器件是LD，通常按波長(zhǎng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(zhǎng)，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，其線徑為9微米。不同波長(zhǎng)的光在G.652光纖上傳輸特性見(jiàn)下表

    工作波長(zhǎng) 衰減 色散 
    1310nm 0.34dB/km 3.5ps/(nm.km)  
    1550nm 0.22dB/km 20 ps/(nm.km) 

    表3 由表3可知，1310nm波長(zhǎng)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(shù)；因?yàn)樵?310nm波長(zhǎng)下，光纖的材料色散與結(jié)構(gòu)色散相互抵消總的色散為0，在1310nm波長(zhǎng)上有微小振幅的光信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶傳輸。

    1550nm波長(zhǎng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)衰減因數(shù)很小，單純從衰減因數(shù)考慮，1550nm波長(zhǎng)的光在相同的光功率下傳輸?shù)木嚯x大于1310nm波長(zhǎng)的光下的傳輸?shù)木嚯x，但是實(shí)際情況并非如此，單模光纖帶寬B與色散因數(shù)D的關(guān)系為：

    B=132.5/（Dl*D*L）GHz

    其中L為光纖的長(zhǎng)度，Dl為譜線寬度，對(duì)于1550nm波長(zhǎng)的光，其色散因數(shù)如表3為20 ps/(nm.km)，假設(shè)其光譜寬度等于1nm，傳輸距離為L(zhǎng)=50公里，則有：

    B=132.5/（D*L）GHz=132.5MHz

    也就是說(shuō)，對(duì)于模擬波形，采用1550nm波長(zhǎng)的光，當(dāng)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(yīng)用中，光源的譜線寬度往往大于1nm。

    從上式可以看出，1550nm波長(zhǎng)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(shù)。

    視頻信號(hào)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(hào)中，彩色信號(hào)是調(diào)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(hào)上的，色副載波的幅度決定彩色信號(hào)的飽和度。視頻信號(hào)的DG失真是指系統(tǒng)的增益特性隨輸入信號(hào)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(hào)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(diào)（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(hào)中，彩色信號(hào)是調(diào)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(hào)上的，色副載波的相位決定彩色信號(hào)的色調(diào)。視頻信號(hào)的DG失真是指上系統(tǒng)的相移特性隨輸入視頻信號(hào)而變化。傳輸線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，于是畫面亮的部分和暗的部分的色調(diào)就不同

    S/N（信噪比）：在電視信號(hào)傳輸中，常用信號(hào)功率的峰峰值和噪聲的有效值之比表示其值。

    光纖傳輸設(shè)備的視頻指標(biāo)檢測(cè)及常用儀器

    （1）工業(yè)監(jiān)控中，由于模擬調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)噪聲譜呈三角形狀，隨著基帶頻率的增高，解調(diào)噪聲也越來(lái)越大，隨著S/N的下降，圖象質(zhì)量也不斷下降，表現(xiàn)在監(jiān)視器畫面上為有規(guī)則的的細(xì)斜紋圖案，飄動(dòng)狀干擾圖案，雪花等等。

    當(dāng)調(diào)制波形是模擬信號(hào)時(shí)，則檢波后信號(hào)電平隨信號(hào)頻率的增高而降低，表現(xiàn)為非線形失真，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微分增益不滿足要求。色度信號(hào)的幅度在不同的亮度電平上發(fā)生了變化，色度信號(hào)的幅度變化導(dǎo)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 微分相位不滿足要求。色度信號(hào)的相位在不同的亮度電平上發(fā)生了變化，色度信號(hào)相位變化導(dǎo)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。

    （2） 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(shù)字信號(hào)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(cè)試接收機(jī)的靈敏度。但是多路視頻模擬信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，更多的要考慮噪聲影響及系統(tǒng)的非線形失真（包括光器件和光纖的非線形失真），所以如果采用添加光衰減器所測(cè)試出的光功率只是單純的功率量，其引入的系統(tǒng)信號(hào)噪聲、S/N、系統(tǒng)的非線形失真是無(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(cè)。

    （3） 視頻方面有反射損耗、介入增益及其穩(wěn)定度、視頻雜波、視頻非線性和視頻線性失真五大指標(biāo)，并以此來(lái)反映模擬信號(hào)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?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?/font>

    有以下幾個(gè)測(cè)試參數(shù)：

    1、出纖光功率

    2、信噪比

    3、微分增益

    4、微分相位

    5、視頻信號(hào)幅度

    6、視頻波形監(jiān)測(cè)及色度相位監(jiān)測(cè)

    （4）測(cè)試儀器：

    1、頻譜分析儀

    2、試信號(hào)發(fā)生器

    3、量示波器

    4、波形監(jiān)視儀

    5、視頻綜合測(cè)試儀

    6、示波器

    7、光功率計(jì)

    可選用以下儀器方案：

    （1） Tek 2715有線電視頻譜分析儀；

    （2） TSG-271PAL電視測(cè)試信號(hào)發(fā)生器；

    （3） VM700T全自動(dòng)視頻綜合測(cè)試儀；

    （4） Tek1711B電視波形監(jiān)視器

    （5） Tek1721矢量示波器

    （6） TOP-200光功率計(jì)

    設(shè)計(jì)方案（選用設(shè)備）要考慮的安全、有效的維護(hù)保證和成本因素

    首先，電信上的光纖傳輸設(shè)備中，為維護(hù)系統(tǒng)的安全，一般具備環(huán)路系統(tǒng)，以保證可靠傳輸；閉路電視光纖傳輸系統(tǒng)中，基本是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，一般不具備倒換系統(tǒng)。如果傳輸所用光纖或者傳輸設(shè)備出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，應(yīng)該盡量避免采用大容量復(fù)用（如64路、32路視頻/音頻設(shè)備）的光纖傳輸設(shè)備，而采用小容量（如8路，甚至4路視音頻設(shè)備）傳輸設(shè)備以保證系統(tǒng)整體的安全性。

    其次，一旦設(shè)備本身出了故障，則整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)將陷于癱瘓，而且一般這種設(shè)備很昂貴，業(yè)主不會(huì)考慮備用備件，廠家也不會(huì)備有現(xiàn)貨（都是定單生產(chǎn)），同時(shí)維修周期很長(zhǎng)（一般會(huì)超過(guò)1個(gè)月）。所以，從安全及有效維護(hù)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(fù)用傳輸達(dá)到節(jié)省光纖資源的目的，但其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用小容量光傳輸方案。而且隨著光纖價(jià)格的進(jìn)一步下調(diào)，光傳輸系統(tǒng)里光纖（纜）成本所占的比重越來(lái)越小，而光端機(jī)的采購(gòu)費(fèi)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(shè)計(jì)還是不采用大容量復(fù)用光傳輸設(shè)備。況且從保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量考慮，目前的監(jiān)控視頻信號(hào)大容量復(fù)用傳輸是否都能滿足監(jiān)控視頻信號(hào)的指標(biāo)要求還需進(jìn)一步探討。

    從監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，光纖數(shù)字傳輸設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的方向。但是，因?yàn)榧夹g(shù)的因素，在現(xiàn)階段應(yīng)用于監(jiān)控行業(yè)的光纖數(shù)字傳輸設(shè)備仍然是概念性過(guò)渡產(chǎn)品。光纖模擬傳輸設(shè)備因其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、實(shí)時(shí)無(wú)損傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，仍然是一種優(yōu)秀的傳輸手段，它必將在近幾年內(nèi)仍得到廣泛應(yīng)用。