視頻模擬光纖傳輸系統的探討

　　監控系統中的信號有三類：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。光纖出現之后，光纖通訊的應用得到迅猛發展，已經成為遠距離/近距離傳輸（超過500/800米的距離）的首選，可以預料當光纖成本進一步下降，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：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、工藝、設備類型、視頻信號的幾個重要參數名詞解釋、測試問題以及設計方案（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和工藝
　?。?）傳統的模擬光端機所采用的技術有兩種：FM和AM。早期各大公司的光纖傳輸設備大多采用AM技術，而隨著時間的推移，FM技術已經成為市場的主流，下表將AM與FM的特點作以定性比較：
　　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
　　對光源線形的要求 高 低
　　抗干擾性 差 好

　　由上表比較可知，FM技術較AM技術更為可靠：抗干擾能力強，保真度高，在線形良好的介質中傳輸，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。

　?。?）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、光纖傳輸設備的類型

　　光纖傳輸設備傳輸方式可簡單的分成：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：
62.5mm 50mm
工作波長 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，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，其最大鏈路損耗為7 dB，則可計算：
ST連接器損耗：2dB（兩個ST連接器）
光學損耗裕量：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 ≤0.22 dB/km ≤20 ps/(nm.km)
由上表可知，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；因為在1310nm波長下，光纖的材料色散與結構色散相互抵消總的色散為0，在1310nm波長上有微小振幅的光信號能夠實現寬頻帶傳輸。
1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時衰減因數很小，單純從衰減因數考慮，1550nm波長的光在相同的光功率下傳輸的距離大于1310nm波長的光下的傳輸的距離，但是實際情況并非如此，單模光纖帶寬B與色散因數D的關系為：
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，其色散因數如表3為20 ps/(nm.km)，假設其光譜寬度等于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，當傳輸距離為50公里時，傳輸帶寬已經小于132.5 MHz，如果基帶傳輸頻率F為　150MHz，那么傳輸距離已經小于50km，況且實際應用中，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。

　　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，由于亮度消隱電平變到白電平時，在視頻通道輸出端產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
　?。?）工業監控中，由于模擬調頻信號的解調噪聲譜呈三角形狀，隨著基帶頻率的增高，解調噪聲也越來越大，隨著S/N的下降，圖象質量也不斷下降，表現在監視器畫面上為有規則的的細斜紋圖案，飄動狀干擾圖案，雪花等等。
當調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。色度信號的幅度在不同的亮度電平上發生了變化，色度信號的幅度變化導致色飽和度發生變化。這樣，在屏幕的亮度發生變化時，圖像的色飽和度也要發生變化，亮電平時的紅色在睛電平時可能變為淺紅或深紅，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生了變化，色度信號相位變化導致色彩發生變化。這樣，在亮度電平發生變化時，圖像的顏色也要發生變化，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，數字信號光纖傳輸時，可用BER表示其傳輸質量的好壞，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，其引入的系統信號噪聲、S/N、系統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。
 

　?。?） 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量。
有以下幾個測試參數：
　　 · 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有線電視頻譜分析儀；
　　 （2） TSG-271PAL電視測試信號發生器；
　　 （3） VM700T全自動視頻綜合測試儀；
　　 （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，基本是點對點傳輸，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，則整個監控系統將陷于癱瘓，而且一般這種設備很昂貴，業主不會考慮備用備件，廠家也不會備有現貨（都是定單生產），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。而且隨著光纖價格的進一步下調，光傳輸系統里光纖（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量考慮，目前的監控視頻信號大容量復用傳輸是否都能滿足監控視頻信號的指標要求還需進一步探討。
 

　　從監控行業的發展趨勢來看，光纖數字傳輸設備是未來發展的方向。但是，因為技術的因素，在現階段應用于監控行業的光纖數字傳輸設備仍然是概念性過渡產品。光纖模擬傳輸設備因其技術成熟、價格低廉、實時無損傳輸等優點，仍然是一種優秀的傳輸手段，它必將在近幾年內仍得到廣泛應用。