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監(jiān)控系統(tǒng)傳輸技術(shù)專欄之二AM/PFM模擬光纖傳輸系統(tǒng)

數(shù)字信號有很多優(yōu)點,它是多路圖像、遠距離、高品質(zhì)傳輸?shù)闹饕绞?。但模擬光纖傳輸具有技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、價格便宜,且與現(xiàn)有的模擬圖像信號相兼容的特點,因此仍得到廣泛應(yīng)用。\r\n本文對監(jiān)控圖像模擬光纖傳輸?shù)闹饕绞胶图夹g(shù)特點做了簡要分析。\r\n
資訊頻道文章B
在圖像光纖傳輸中,就信號的調(diào)制方式而言,可分為數(shù)字光纖傳輸和模擬光纖傳輸。數(shù)字信號便于進行數(shù)字處理,傳輸中抗干擾、抗雜波能力強,無噪聲積累,并且多路低速數(shù)字信號可很方便地復(fù)接成一路高速的數(shù)字信號,它是多路圖像、遠距離、高品質(zhì)傳輸?shù)闹饕绞?。然而,模擬光纖傳輸具有技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、價格便宜,且與現(xiàn)有的模擬圖像信號相兼容的特點,因此在圖像監(jiān)控工程中,模擬光纖傳輸仍得到廣泛應(yīng)用。\r\n監(jiān)控圖像模擬光纖傳輸方式中,常用的有基帶視頻信號直接光強度調(diào)制(簡稱AM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)等方式。

基帶視頻信號直接光強度調(diào)制AM
基帶視頻信號直接光強度調(diào)制AM的工作原理是在光發(fā)射端通過基帶視頻信號直接調(diào)制光源,使輸出光的強度隨電視信號的幅度線性變化,然后在光接收端通過光電探測器將光信號還原成電信號,經(jīng)過放大和增益控制電路,得到穩(wěn)定的視頻信號。
在該系統(tǒng)中,通常采用發(fā)光二極管(LED)作為光源。LED的特點是性能穩(wěn)定,線性度好,在多模光纖中不會產(chǎn)生模噪聲,因此能得到較好的信噪比、微分增益和微分相位。實驗證明:以LED為光源的光傳輸系統(tǒng)中,系統(tǒng)性能指標:加權(quán)信噪比為54dB,微分增益為5%,微分相位為5°。目前LED的工作波長為850nm,適合在多模光纖850nm窗口傳輸。LED光源的輸出光功率典型值為-16dBm,而光電探測器的靈敏度為-30dBm,因此光傳輸動態(tài)范圍為14dB,在多模光纖中最遠可傳輸4公里。
當(dāng)然也可以采用LD作為光源。LD可工作在單模1310nm窗口,由于單模1310nm窗口損耗小(考慮附加損耗后每公里0.45dB),可以滿足遠距離應(yīng)用要求,傳輸距離可達30公里。但是和LED相比,LD光源的線性度不好,在電路設(shè)計中必須增加預(yù)失真電路。因此增加了硬件成本和調(diào)試難度。
在接收端,必須具有自動增益控制電路,其作用除了可以使接收機的信號動態(tài)范圍擴大外,更重要的是因為這種系統(tǒng)接收端的輸出信號是隨著收到的光功率的大小而變化的,因而自動增益控制使接收端電視信號輸出電平維持衡定的接口電平。

脈沖頻率調(diào)制PFM
脈沖頻率調(diào)制PFM傳輸方式是目前模擬視頻光纖傳輸方式中傳輸質(zhì)量最高的方式之一,其原理是調(diào)制脈沖重復(fù)頻率隨基帶視頻信號幅度大小呈線性變化,而脈寬保持不變。PFM是信號光強度調(diào)制(電光轉(zhuǎn)換)前的一種預(yù)處理過程,信號經(jīng)過脈沖調(diào)制后,頻譜會變寬,并以此可以換取傳輸質(zhì)量的提高。而PFM處理帶來的傳輸帶寬的增加,對于帶寬極寬的光纖來說并不存在什么問題,而且由于光源的非線性對系統(tǒng)的影響不大,故光調(diào)制深度可以增加,進一步提高系統(tǒng)的信噪比。
通過脈沖頻率調(diào)制可實現(xiàn)單路視頻傳輸,多路視頻傳輸,視頻/數(shù)據(jù)傳輸。下面對幾種方案做簡要描述。


單路視頻傳輸
單路視頻傳輸系統(tǒng)工作原理如圖1,在發(fā)射端基帶視頻信號經(jīng)過預(yù)加重,進行PFM調(diào)制,然后去調(diào)制激光器將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。而在接收端通過PIN管將光信號再反轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過PFM解調(diào)恢復(fù)出視頻信號。
視頻信號經(jīng)過PFM后,頻譜呈第一類貝塞爾函數(shù)分布,頻譜中含有無窮多個頻率分量,但功率譜主要集中在載波和低次諧波分量上,高次邊頻分量可略去不計,因此PFM信號可近似認為具有有限頻譜。基帶視頻信號的帶寬為8MHz,經(jīng)過PFM調(diào)制后,信號帶寬可限定在30MHz以上而不會明顯影響PFM性能。
不同于基帶視頻信號直接光強度調(diào)制方式,該系統(tǒng)對發(fā)光器件沒有特殊要求,可以根據(jù)實際工程需要選用不同的發(fā)光器件。如多模850nm波長LED滿足4公里以內(nèi)應(yīng)用,單模1310nm波長LD滿足30公里以內(nèi)應(yīng)用,單模1550nm波長DFB激光器滿足100公里以內(nèi)應(yīng)用。無論是多模LED,還是單模LD,系統(tǒng)都具有良好的性能。批量測試結(jié)果表明,系統(tǒng)經(jīng)過光纖傳輸后,系統(tǒng)主要指標為:加權(quán)信噪比為60dB,微分增益為3%,微分相位為3°。
由于PFM信號解調(diào)輸出噪聲功率譜密度和調(diào)頻信號解調(diào)輸出噪聲功率譜密度一樣,呈三角形噪聲特性,造成高頻端噪聲大而低頻端噪聲小的現(xiàn)象。為了克服這種現(xiàn)象,在設(shè)計中往往采用預(yù)加重和去加重電路。預(yù)加重使視頻信號在頻率上人為地加以預(yù)傾斜,使高頻端升高,低頻端壓低。在接收端解調(diào)時,由于信號高頻端電平提升而使解調(diào)信噪比有所提高,而低頻端則有所降低,從而均衡了帶內(nèi)信噪比的分布。另外,預(yù)加重對低頻成分起著壓縮作用,也壓縮了亮度信號的動態(tài)范圍,從而降低了微分增益和微分相位的失真。

多路視頻傳輸
通過將多路視頻分別調(diào)制于不同的頻率范圍,然后進行頻分復(fù)用,可以在單根光纖中實現(xiàn)多路視頻傳輸。其發(fā)射部分原理框圖如圖2,接收部分原理是發(fā)射部分的逆過程。
從理論上講,光纖和光器件的帶寬極大,完全滿足8路以上多路視頻頻分復(fù)用的帶寬要求。但實際上由于目前采用的分立元件,特別是高頻電容和電感的精密度和穩(wěn)定性不夠,使得PFM中心頻率的穩(wěn)定性不好,中心頻率會隨時間和溫度漂移,加上帶通濾波器的特性也會隨溫度變化,給多路視頻復(fù)用帶來很多不穩(wěn)定因素。所以目前較為成熟的也只是4路圖像的頻分復(fù)用。


視頻/數(shù)據(jù)傳輸
通過PFM方式不僅可以完成較高質(zhì)量的視頻傳輸,而且可以完成一路甚至多路雙向數(shù)據(jù)傳輸。正向數(shù)據(jù)工作原理是在發(fā)射端首先將數(shù)據(jù)信號進行FSK調(diào)制,再將FSK信號和視頻基帶信號混合,然后將混合信號進行PFM調(diào)制。在接收端首先進行PFM解調(diào),通過帶通濾波器分離出視頻信號和FSK信號,最后進行FSK解調(diào),還原出數(shù)據(jù)信號。反向數(shù)據(jù)則直接對發(fā)光器件進行強度調(diào)制。原理框圖如圖3。
視頻、數(shù)據(jù)混合傳輸存在兩個問題:
·視頻和正向數(shù)據(jù)間相互干擾。由于數(shù)據(jù)信號經(jīng)過FSK調(diào)制和帶通濾波后仍存在較豐富的諧波成分,這些諧波成分會影響視頻信號,使視頻信號受到干擾。為了降低這種干擾,可以通過降低FSK幅度的方法來實現(xiàn),但FSK幅度過低會造成數(shù)據(jù)解調(diào)(受影響)或數(shù)據(jù)誤碼增高;
·數(shù)據(jù)速率不高。目前比較成熟的FSK技術(shù)適合于速率為1Mbps的數(shù)據(jù)信號的調(diào)制解調(diào),在異步數(shù)據(jù)通信中往往采用8倍的過采樣,所以這種FSK技術(shù)可以傳輸一路速率為115.2Kbps的高速異步數(shù)據(jù)。但如果要傳輸多路異步數(shù)據(jù),異步數(shù)據(jù)的速率則遠低于115.2Kbps。模擬光纖傳輸系統(tǒng)可采用基帶視頻信號直接光強度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制方式?;鶐б曨l信號直接光強度調(diào)制方式設(shè)備簡單、價格便宜,適合于單路視頻傳輸。脈沖頻率調(diào)制方式得到的視頻質(zhì)量高,滿足0-100公里不同距離視頻傳輸要求。該方式雖然可以完成多路視頻傳輸及視頻和數(shù)據(jù)的混合傳輸,但由于模擬技術(shù)的局限,這種應(yīng)用不久將會被數(shù)字方案所取代。

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