AM/PFM 模擬光纖傳輸系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用

      在圖象光纖傳輸中，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，它是多路圖象、遠距離、高品質(zhì)傳輸?shù)闹饕�方式。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)有的模擬圖象信號相兼容的特點，因此在圖象監(jiān)控工程中，模擬光纖傳輸仍得廣泛應(yīng)用。本文將對監(jiān)控圖象模擬光纖傳輸?shù)闹饕�方式和技術(shù)特點作簡要分析。

    監(jiān)控圖象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。

1  基帶視頻信號直接光強度調(diào)制

    基帶視頻信號直接光強度調(diào)制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(biāo)：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850 nm 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-30 dBm，因此光傳輸動態(tài)范圍為14 dB，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1310 nm 窗口，由于單模1310 nm 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。

2  脈沖頻率調(diào)制

    脈沖頻率調(diào)制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。

2.1 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。而在接收端通過PIN 管將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過PFM 解調(diào)恢復(fù)出視頻信號。

圖1 單路視頻傳輸系統(tǒng)原理圖

    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�；鶐б曨l信號的帶寬為8MHz，經(jīng)過PFM 調(diào)制后，信號帶寬可限定在30 MHz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(biāo)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。

2.2 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四路圖象的頻分復(fù)用。

2.3 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：
    （1） 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)不出來或數(shù)據(jù)誤碼過高。
    （2） 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。

3  結(jié)論

    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。