光纖傳輸在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、光纖傳輸在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用（圖）  隨著光電技術(shù)及信息時代的發(fā)展，人們對電視監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和工作效能的要求越來越高。所謂“工作效能”，指的是系統(tǒng)能將多少只攝像機的畫面送到多少臺監(jiān)視器上去，傳輸距離有多遠(yuǎn)，能適應(yīng)多么嚴(yán)苛的工作環(huán)境等。光纖不但能夠有效地提升系統(tǒng)的可靠性和工作效能，還具有視頻信號失真度小、安全性高等優(yōu)點。因此，光纖傳輸系統(tǒng)正在得到越來越普遍的使用，尤其是在傳輸高質(zhì)量的電視畫面，不希望畫質(zhì)有任何降低的遠(yuǎn)距離傳輸時常用光纖傳輸。  一、光纖傳輸?shù)奶攸c 與銅線和同軸電纜等傳輸系統(tǒng)相比，光纖視頻傳輸方式具有下列明顯的優(yōu)勢：  當(dāng)長距離的傳輸時，

2、光纖傳輸系統(tǒng)的保真度和畫面清晰度比電線或電纜傳輸系統(tǒng)要高得多；  光纖不受電磁輻射與雷擊等任何電氣干擾的影響，并且光纖是絕緣體，它可與高壓電氣設(shè)備或電力線接觸，而不會導(dǎo)致任何問題；  光纖不存在接地回路問題，也不存在交擾橫條、圖像撕扯等問題；  在對光纖進(jìn)行維護(hù)時，不須將發(fā)射端機與接收端機斷電；  在那些不能使用銅線的地區(qū)，可以使用光纖；  光纖不會生銹或腐蝕，大部分化學(xué)品對玻璃纖維都不會造成不良影響，因此直埋式光纖可以埋到各種土壤中，或暴露在腐蝕性的大氣中（如室外或化工廠內(nèi)）；  光纖沒有起火的危險。即使在火災(zāi)風(fēng)險非常高的天氣中，也

3、不會對設(shè)備和設(shè)施構(gòu)成威脅；  光纖幾乎不受天氣條件的影響，因此光纜可以鋪設(shè)到地面或架設(shè)到電線桿上，并且光纜比標(biāo)準(zhǔn)的電氣線纜、同軸電纜要結(jié)實得多，如使用得法，它能耐受風(fēng)荷載和冰荷載帶來的應(yīng)力； 光纖傳輸非常安全、很難竊聽，并能很容易地發(fā)現(xiàn)有沒有人正在企圖竊聽；  光纖傳送視頻信號的損耗小、效率高，并且不需要中繼器（放大器），所以設(shè)備可靠性高、容易維護(hù)，是理想的遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備； 11不論是單模光纖還是多模光纖，光纜總比同軸電纜細(xì)、輕得多，因而在搬動、安裝和使用時都容易得多。一般普通光纜每千米的重量是3.6kg，外徑僅為4mm；而普通同軸電纜每千米的重量為15

4、0kg，直徑約為10.4mm。 在對光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行選擇評估時，用戶不應(yīng)單單考慮設(shè)備本身的投資，光纖的柔性以及較小的體積和重量等優(yōu)點往往可以彌補其價格方面的劣勢。只要想一想光纖傳輸系統(tǒng)能夠預(yù)防多少無法預(yù)見的問題（如上面所列的11條），就可以發(fā)現(xiàn)光纖傳輸系統(tǒng)的價格高是物有所值。 因此，既然光纖傳輸系統(tǒng)有這么多的優(yōu)勢，在需要傳輸高質(zhì)量的電視畫面，不希望畫質(zhì)有任何降低時，應(yīng)當(dāng)把它作為首選的傳輸手段。二、光纖傳輸系統(tǒng)的組成在光纖傳輸系統(tǒng)中，實際上光只是載波。由電磁波譜知，光的頻率比無線電信號的頻率要高幾個數(shù)量級（約1000倍以上）。而我們知道，載波頻率越高，可以調(diào)制到電纜上去的信號

5、的帶寬也就越寬。由于光纖的帶寬實在是太寬了，許多發(fā)射機和接收機都能夠把許多路電視信號連同控制信號、雙向音頻信號一起調(diào)制到同一根光纖上去。在使用光纖傳輸系統(tǒng)時，系統(tǒng)的畫面質(zhì)量只受限于攝像機、環(huán)境和監(jiān)視器這三個因素。光纖傳輸系統(tǒng)可以將畫面?zhèn)魉偷椒浅＿h(yuǎn)的地方，一般幾公里遠(yuǎn)，都不會使信號發(fā)生任何形式的畸變，更不會減損畫面的清晰度或細(xì)節(jié)。圖1是光纖傳輸系統(tǒng)的組成原理框圖。由圖1知，該系統(tǒng)主要有一個電光信號轉(zhuǎn)換/發(fā)送器，它將攝像機輸出的視頻電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并被載在光波上，再經(jīng)耦合輸入到光纖光纜內(nèi)，接著經(jīng)光纜傳輸，被一個光電信號接收/轉(zhuǎn)換器接收。這個接收/轉(zhuǎn)換器將光纖傳來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并解調(diào)出所

6、傳送的視頻電信號，供監(jiān)視器顯示。圖中的轉(zhuǎn)換/發(fā)送器也稱為光發(fā)送端機，接收/轉(zhuǎn)換器也稱為光接收端機。攝像機是通過一小段同軸電纜連接到光發(fā)射端機的，光接收端機也是通過一小段同軸電纜連接到監(jiān)視器的。 三、光發(fā)射端機 1、半導(dǎo)體發(fā)光器件光纖傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)氖枪庑盘?，因此，作為光纖傳輸系統(tǒng)的光源，便成為重要的器件之一。它的作用是產(chǎn)生作為光載波的光信號，作為信號傳輸?shù)妮d體攜帶信號在光纖傳輸線中傳送。由于系統(tǒng)的傳輸媒介是光纖，因此作為光源的發(fā)光器件，應(yīng)滿足以下要求： （1） 體積小，與光纖之間有較高的耦合效率； （2）發(fā)射的光波波長應(yīng)位于光纖的三個低損耗窗口，即0.85

7、m、1.31m和1.55m波段； （3） 可以進(jìn)行光強度調(diào)制； （4） 可靠性高。一般要求它工作壽命長、工作穩(wěn)定性好，并具有較高的功率穩(wěn)定性、波長穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性； （5） 發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離； （6） 溫度穩(wěn)定性好，即溫度變化時，輸出光功率以及波長變化應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。 能夠滿足以上要求的光源一般為半導(dǎo)體發(fā)光器件。最常用的半導(dǎo)體發(fā)光器件是發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）。前者可用于短距離、低容量或模擬系統(tǒng)，其成本低、可靠性高；后者適用于長距離、高速率的系統(tǒng)。在選用時應(yīng)根據(jù)需要綜合考慮來決定，因為它們都有自己的

8、優(yōu)缺點和特性。如表1所示。 表1、  發(fā)光二極管（LED）與激光二極管（LD）的性能比較 比較項目LEDLD 發(fā)光原理電子與空穴復(fù)合發(fā)光受激輻射 入纖光功率（mw）0.030.5 輸出光功率（mw）12幾 幾十 與光纖的耦合效率低，僅百分之幾高，可達(dá)80%以上 發(fā)光譜線寬度(?)寬，300?窄，20? 光束方向性差，發(fā)散度大強，發(fā)散度小 輸出特性曲線大電流下易飽和閾值電流以上線性較好 閾值電流（mA）0.55250 模式噪聲無有 頻率響應(yīng)（MHZ）幾十 200幾百

9、幾十GHZ 上升時間 (ns)2201 調(diào)制速度低，數(shù)十兆 比/秒高，數(shù)千兆 比/秒 工作壽命（小時）長，106 1010短，105   106 可靠性較高，工作溫度范圍寬一般 制造工藝難度小，成本低難度大，成本高 反饋穩(wěn)定電路無有 應(yīng)用系統(tǒng)短距離、低容量長距離、大容量、高速率2、光發(fā)射端機的組成根據(jù)圖1中的描述，光纖發(fā)射機是一個電光轉(zhuǎn)換裝置，它接收攝像機的視頻輸出，將其轉(zhuǎn)換成光信號后傳送給光纜的輸入端。發(fā)射機的作用是高效而準(zhǔn)確地將電子視頻信號轉(zhuǎn)換成光學(xué)信號，并將它耦合到光纖中去。發(fā)射機電路通過發(fā)光二極管（LED）

10、或激光二極管（LD）將調(diào)幅的CCTV信號轉(zhuǎn)換成調(diào)幅或調(diào)頻的光信號。這種光信號是CCTV信號的忠實翻版，在一般的安全防范應(yīng)用中，往往選用裝有LED的發(fā)射機；當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸時，則需要使用內(nèi)裝LD的發(fā)射機。多數(shù)安 全防范系統(tǒng)都使用LED式發(fā)射機。圖2是光發(fā)射端機的組成原理框圖。由圖看出，光發(fā)送端機主要由發(fā)光器件、預(yù)校正電路、調(diào)制電路以及驅(qū)動電路組成。 圖2為直接光強度調(diào)制光發(fā)射端機的電路原理框圖。由于是模擬信號調(diào)制，所以光源用發(fā)光二極管LED。圖中，全電視信號經(jīng)輸入電路（阻抗匹配的輸入衰減級和緩沖級）后將信號分成兩路：一路進(jìn)入預(yù)校正電路（即微分增益DG與微分相位DP校正電

11、路），然后經(jīng)調(diào)制、激勵級去驅(qū)動LED，以實現(xiàn)直接光調(diào)制；另一路則送入箝位脈沖形成電路及箝位電路，以恢復(fù)視頻信號中的直流電平。 對于光發(fā)送端機而言，我們要求它能輸出盡可能大的光功率。（這由發(fā)光管的特性所決定），并且具有較深的調(diào)制度。這是因為光功率越大，信號可傳送的距離越遠(yuǎn)。而調(diào)制度越深，對接收機而言可以得到高的信噪比輸出，這是我們所希望的。但是另一方面，由于發(fā)光二極管的非線性失真，當(dāng)光功率或調(diào)制度加大時會產(chǎn)生嚴(yán)重的微分增益失真，同時還由于發(fā)光管擴散導(dǎo)納隨載流子的注入大小而變化。這使得在信號的被調(diào)制過程中還會產(chǎn)生相位失真，這就要求不要采用過大的激勵信號。 顯然，以上兩個要求是矛

12、盾的。在以上的電路框圖中，設(shè)計者主要考慮是保證要達(dá)到的目的是前者，而對于后者所造成的不利影響，則由電路本身來克服。 當(dāng)系統(tǒng)傳輸圖像時，LED本身的非線性將導(dǎo)致微分增益（DG）和微分相位（DP）失真。微分增益失真產(chǎn)生的原因是位于不同亮度電平上的副載波振幅的放大程度不同，表現(xiàn)為圖像的彩色飽和度隨亮度電平發(fā)生變化；微分相位失真是位于不同亮度電平上的副載波相位使相對于色同步的相位發(fā)生變化，表現(xiàn)為彩色色調(diào)隨亮度電平發(fā)生變化。目前制造的GaAIAs發(fā)光二極管中，由于非線性造成的微分增益一般為5%15%，最高達(dá)20%；微分相位一般為1° 5°最高可達(dá)10°。在電視傳輸

13、系統(tǒng)中，這兩項指標(biāo)的要求通常分別為1%和1°。因此，為了達(dá)到要求，在電路中需要采取預(yù)補償措施，以校正輸出特性的非線性。 一般，在LED驅(qū)動電路中，利用預(yù)補償網(wǎng)絡(luò)中的非線性元件，使輸入的電視信號得到和光源特性相反的非線性失真，從而抵消光源原來的非線性失真，使總的輸出特性的非線性得到改善。 四、光接收端機 光發(fā)送端機輸出的光信號，在光纖中傳輸時不僅幅度會受到衰減，而且脈沖的波形也會被展寬。光接收端機的任務(wù)是探測經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?，并以最小的附加噪聲及失真去放大、再生而恢?fù)成原傳輸?shù)碾娦盘枴?#160;1、光接收端機的組成 光纖傳輸系統(tǒng)有模擬和數(shù)字

14、兩大類，光接收機也有數(shù)字接收機和模擬接收機兩種形式(如圖3所示)。它們均由反向偏壓下的光電檢測器、低噪聲前置放大器及其他信號處理電路組成，是一種直接檢測（DD）方式。與模擬接收機相比，數(shù)字接收機更復(fù)雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大電路（見圖3b）。但因它們在高電平下工作，并不影響對光接收機基本性能的分析。在光接收端機中，首先需要將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，即對光進(jìn)行解調(diào)，這個過程是由半導(dǎo)體光電檢測器件（一般用PIN光電二極管或雪崩光電二極管APD）來完成的。經(jīng)半導(dǎo)體光電檢測器件檢測而得的微弱信號電流（nA A ），流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后，由前置放大器加以放

15、大。但前置放大器在將信號進(jìn)行放大的同時，也會引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。另外，后面的主放大器在放大前置放大器的輸出信號時，也會將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起放大。所以，前置放大器的性能優(yōu)劣對接收機的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶的放大器。光電檢測和前置放大器合起來叫做接收機前端，其性能的優(yōu)劣是決定接收靈敏度的主要因素。 主放大器主要用來提供高的增益，它將前置放大器的輸出信號放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號電平一般為mV量級，而主放大器的輸出信號一般為1V3V（峰/峰值）。 均衡濾波的作用是對主放大器輸出的失真的

16、數(shù)字脈沖信號進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決碼間干擾最小的升余弦波形。均衡濾波的輸出信號通常分為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號的峰值成比例的直流信號，送入自動增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡濾波輸出的升余弦信號恢復(fù)為“0”或“1”的數(shù)字信號。 定時提取電路用來恢復(fù)采樣所需的時鐘。 衡量接收機性能的主要指標(biāo)是接收靈敏度。在接收機的理論中，中心的問題是如何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機靈敏度主要取決于光電檢測器的響應(yīng)度以及檢測器和放大器的噪聲。 2、半導(dǎo)體光電檢測器件 光纖通信和光纖圖像傳輸系統(tǒng)中最常用

17、的半導(dǎo)體光電檢測器件是擴散型PIN硅光電二極管與雪崩光電二極管APD。PIN光電二極管比較簡單，只需加1020V的反向偏壓即可工作，且不需偏壓控制，并且由于在PN結(jié)間增加了1層，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，使結(jié)電容下降，提高了靈敏度與頻率響應(yīng)，但它沒有增益，因此使用PIN管的接收機的靈敏度不如APD管；APD管具有10200倍的內(nèi)部電流增益，可提高光接收機的靈敏度，但使用APD管比較復(fù)雜，需要幾十到200V的偏壓，并且溫度變化較嚴(yán)重地影響APD的增益特性，所以通常需對APD管的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益不變，或采用溫度補償措施以保持其增益不變。PIN管與APD管的性能比較如表2所示。表2、 &

18、#160;半導(dǎo)體光電探測器件PIN光電二極管與雪崩光電二極管APD的性能比較PINAPD 光敏面積（m）=200200 峰值波長（m）0.850.85 倍增因子G無100 量子效率（%）7560 工作電壓（V）1020幾十 200 暗電流（nA）0.30.1(G=10) 結(jié)電容（Pf）23 響應(yīng)時間 ( ns )0.210 溫度影響小較大 3、光接收端機的主要技術(shù)指標(biāo) （1）接收靈敏度 接收靈敏度是數(shù)字光接收機最重要的指標(biāo)，行業(yè)中國它直接決定光纖傳輸(通信)系統(tǒng)中的中繼距離和

19、傳輸(通信)質(zhì)量。數(shù)字光接收機靈敏度的定義如下：在指定誤碼率或信噪比時的最小接收信號光功率Pr(mW)，通常用dBm表示。                               Sr = 10logPr(dBm)    (1) Pr或Sr越小，意味著數(shù)字光接收機接收微弱信號的能力就越強，靈敏度越高，此時當(dāng)光發(fā)射機輸出功率一定時，則保證傳輸質(zhì)量（滿足一定誤碼率的要求）的中繼傳輸(通信)距離就越

20、長。因此，提高數(shù)字光接收機的靈敏度，可以延長光纖傳輸(通信)的中繼距離和增加通信容量。 影響接收靈敏度的主要因素是光信號檢測過程及前置放大器中各種噪聲。它包括光電檢測器的噪聲、放大器噪聲和模分配噪聲等，其中光電檢測器和放大器的噪聲稱接收機噪聲。模分配噪聲是指在高速調(diào)制下，激光器呈多模特性，而且各縱模的功率是隨機起伏的。此外，由于光纖具有色散特性，多縱模的譜線經(jīng)過光纖傳輸后產(chǎn)生不同的延時，從而產(chǎn)生噪聲。模分配噪聲是在發(fā)送端的光源和傳輸介質(zhì)光纖中形成的噪聲，接收機無法避免。 在實際的光纖傳輸系統(tǒng)中，光接收機很少工作在極限靈敏度下，這是由于在系統(tǒng)設(shè)計中考慮到元件老化、溫度變化及制

21、造公差等引起的退化，必須留出一定的富余量（3 dB6 dB）。而且對接收靈敏度的要求也和系統(tǒng)應(yīng)用有關(guān)。例如對于海底光傳輸(通信)系統(tǒng)，總希望盡量減少中繼站數(shù)目以提高可靠性并易于維修。這就希望有很高的接收靈敏度，以延長中繼距離；而對陸地光傳輸(通信)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)網(wǎng)，中繼距離常常取決于中繼站的位置，對接收靈敏度的要求就不高。因此，接收靈敏度是接收機設(shè)計中最基本的問題。 （2）動態(tài)范圍 在實際的系統(tǒng)中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔接頭損耗的不同，發(fā)送功率隨溫度的變化及老化等因素，接收光功率有一定的范圍。 數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍是最大允許的接收光功率和最小可接收光功率

22、之差。而最大光功率取決于非線性失真和前置放大器的飽和電平，最小光功率則取決于接收靈敏度。 寬的動態(tài)范圍對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說更方便靈活，使同一個接收機可用于不同長度的中繼距離，在陸地光傳輸(通信)系統(tǒng)中，中繼距離的長短由中繼站決定，長短不一，要求具有較寬的動態(tài)范圍。本地網(wǎng)應(yīng)用中，各發(fā)射機到接收機的距離各不相同，并可能經(jīng)過不同數(shù)量的耦合器、分路器后到達(dá)接收機，對接收機的動態(tài)范圍也提出了較高的要求。 工程上，光接收機的動態(tài)范圍D是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機的最大允許接收光功率與最小接收光功率之比，即式中， 即為接收機的靈敏度。   五、光纖多路

23、電視傳輸系統(tǒng) 在一條光纖上同時傳輸多路視頻信號的多路復(fù)用系統(tǒng)所采用的技術(shù)有光波分復(fù)用、頻分復(fù)用以及時分復(fù)用，下面分別作一簡要的介紹。 1、光波分復(fù)用技術(shù) 光波分復(fù)用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)是在一根光纖中能同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來（復(fù)用），在接收端又將組合的光信號分開（解復(fù)用）并送入不同的終端，因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)。     由于WDM技術(shù)中使用的各波長相互獨立，因此可實現(xiàn)多媒體信號（如音頻、視頻、數(shù)據(jù)、文字、圖像等）混合傳輸     光WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的擴容升級、發(fā)展寬帶新業(yè)務(wù)（如CATV，HDTV和BIP-ISDN等）、充分挖掘光纖帶寬潛力、實現(xiàn)超高速傳輸通信等具有十分重要的意義。尤其是WDM加上光纖放大EDFA更是對現(xiàn)代電信網(wǎng)具有強大的吸引力。2光頻分復(fù)用技術(shù)光頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing）技術(shù)與光波分復(fù)用技術(shù)在概念上并無明顯區(qū)別，這是由于光是一種電磁波，而電磁波的頻率與波長是一一對應(yīng)的，所以，