視頻模擬光纖傳輸系統(tǒng)解決方案

    監(jiān)控系統(tǒng)中的信號有三類：圖像、音頻、數(shù)據(jù)，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----傳輸問題。在光纖應(yīng)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?shù)某杀疽陀诓捎勉~纜傳輸），但是沒有經(jīng)過補償（加權(quán)放大）的銅纜傳輸越來越暴露其缺點，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(xiàn)之后，光纖通訊的應(yīng)用得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為遠距離/近距離傳輸（超過1500/1800米的距離）的首選，可以預(yù)料當(dāng)光纖成本進一步下降，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，模擬光纖傳輸因為其成熟的技術(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、視頻信號的幾個重要參數(shù)名詞解釋、測試問題以及設(shè)計方案（選用設(shè)備）要考慮的安全、有效的維護保證和成本等因素。

    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)，而隨著時間的推移，F(xiàn)M技術(shù)已經(jīng)成為市場的主流，下表將AM與FM的特點作以定性比較：

    項目
    AM FM 
    系統(tǒng)允許光衰減（optic attenuator） 小 較大 
    視頻信號傳輸帶寬(transmission bandbroad)/ 路 小 大 
    傳輸信噪比（S/N） 低 高 
    對光源線形的要求 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，保真度高，在線形良好的介質(zhì)中傳輸，對非線形失真的要求不高，可大幅度提高光接收機的靈敏度。

    （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；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，通常按波長可分為850nm和1300nm兩個波長，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。不同波長的光在多模光纖上的傳輸特性如下： 　

    工作波長 普通LED-帶寬 普通LED-衰減 增強LED-帶寬 增強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，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，例如，如果采用工作波長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(tǒng)，其最大鏈路損耗為7 dB，則可計算：

    那么實際傳輸測試時，L￡2.6km，由此可見，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，通常按波長可分為850nm和1300nm兩個波長，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。不同波長的光在G.652光纖上傳輸特性見下表

    工作波長 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波長的光在G.652光纖上傳輸時，決定其傳輸距離限制的是衰減因數(shù)；因為在1310nm波長下，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波長上有微小振幅的光信號能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶傳輸。

    1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時衰減因數(shù)很小，單純從衰減因數(shù)考慮，1550nm波長的光在相同的光功率下傳輸?shù)木嚯x大于1310nm波長的光下的傳輸?shù)木嚯x，但是實際情況并非如此，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為光纖的長度，Dl為譜線寬度，對于1550nm波長的光，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=50公里，則有：

    B=132.5/（D*L）GHz=132.5MHz

    也就是說，對于模擬波形，采用1550nm波長的光，當(dāng)傳輸距離為50公里時，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波長的光在G.652光纖上傳輸時決定其傳輸距離限制的主要是色散因數(shù)。

    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(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(tǒng)的增益特性隨輸入信號的電平而變化。通俗的說，由于亮度消隱電平變到白電平時，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(diào)（尤其是飽和度）均有不同的變化。

    DP（微分相位）：在PAL制電視信號中，彩色信號是調(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上的，色副載波的相位決定彩色信號的色調(diào)。視頻信號的DG失真是指上系統(tǒng)的相移特性隨輸入視頻信號而變化。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。

    光纖傳輸設(shè)備的視頻指標檢測及常用儀器

    （1）工業(yè)監(jiān)控中，由于模擬調(diào)頻信號的解調(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)則的的細斜紋圖案，飄動狀干擾圖案，雪花等等。

    當(dāng)調(diào)制波形是模擬信號時，則檢波后信號電平隨信號頻率的增高而降低，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）。　DG微分增益不滿足要求。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(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，圖像的色飽和度也要發(fā)生變化，亮電平時的紅色在睛電平時可能變?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(dǎo)致色彩發(fā)生變化。這樣，在亮度電平發(fā)生變化時，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)字信號光纖傳輸時，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，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試出的光功率只是單純的功率量，其引入的系統(tǒng)信號噪聲、S/N、系統(tǒng)的非線形失真是無法通過添加光衰減器的方法模擬。最好的方法是采用實際距離的光纖進行檢測。

    （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，并以此來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?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?/font>

    有以下幾個測試參數(shù)：

    1、出纖光功率

    2、信噪比

    3、微分增益

    4、微分相位

    5、視頻信號幅度

    6、視頻波形監(jiān)測及色度相位監(jiān)測

    （4）測試儀器：

    1、頻譜分析儀

    2、試信號發(fā)生器

    3、量示波器

    4、波形監(jiān)視儀

    5、視頻綜合測試儀

    6、示波器

    7、光功率計

    可選用以下儀器方案：

    （1） Tek 2715有線電視頻譜分析儀；

    （2） TSG-271PAL電視測試信號發(fā)生器；

    （3） VM700T全自動視頻綜合測試儀；

    （4） Tek1711B電視波形監(jiān)視器

    （5） Tek1721矢量示波器

    （6） TOP-200光功率計

    設(shè)計方案（選用設(shè)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(shè)備中，為維護系統(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，基本是點對點傳輸，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，將影響整個系統(tǒng)的運轉(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)主不會考慮備用備件，廠家也不會備有現(xiàn)貨（都是定單生產(chǎn)），同時維修周期很長（一般會超過1個月）。所以，從安全及有效維護的角度來看不能不周全考慮。

    另外，從成本方面來講，雖然采用大容量復(fù)用傳輸達到節(jié)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。而且隨著光纖價格的進一步下調(diào)，光傳輸系統(tǒng)里光纖（纜）成本所占的比重越來越小，而光端機的采購費用所占比重越來越大。

    所以，除了受囿于光纖資源限制，一般的方案設(shè)計還是不采用大容量復(fù)用光傳輸設(shè)備。況且從保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量考慮，目前的監(jiān)控視頻信號大容量復(fù)用傳輸是否都能滿足監(jiān)控視頻信號的指標要求還需進一步探討。

    從監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，光纖數(shù)字傳輸設(shè)備是未來發(fā)展的方向。但是，因為技術(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)備仍然是概念性過渡產(chǎn)品。光纖模擬傳輸設(shè)備因其技術(shù)成熟、價格低廉、實時無損傳輸?shù)葍?yōu)點，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。