解决方案

视频模拟光纤传输技术

2015/10/14

监控系统中的信号有三类:图像、音频、数据,如何将这三种信号置于有效的控制之下要考虑的因素之一是传输问题。在光纤应用之前,铜缆因为费用低廉而被大量采用(但在远距离传输上采用光纤传输的成本要低于采用铜缆传输),但是铜缆传输越来越暴露其缺点,传输距离短,保密性差,容易受到电磁干扰,维护费用高等等。光纤出现之后,光纤通讯的应用得到迅猛发展,已经成为远距离/近距离传输(超过500/800米的距离)的首选,可以预料当光纤成本进一步下降,光纤必将取代铜缆大量应用。

光纤监控系统的传输中,按传送信号的模式大致可分为两种方式:其一是模拟光纤传输,其二是数字光纤传输。目前,模拟光纤传输因为其成熟的技术保证而得到广泛的应用。通常采用的模拟光纤传输,大致可分为以下几类:VIDEO、DATA、AUDIO、VIDEO+DATA、VIDEO+AUDIO、VIDEO+DATA+AUDIO等。

在本篇中主要讨论模拟光纤传输的技术、工艺、设备类型、视频信号的几个重要参数名词解释、测试问题以及设计方案(选用设备)要考虑的安全、有效的维护保证和成本等因素。

一、 光纤传输设备的技术和工艺

  1. 传统的模拟光端机所采用的技术有两种:FM和AM。早期各大公司的光纤传输设备大多采用AM技术,而随着时间的推移,FM技术已经成为市场的主流,表1将AM与FM的特点作以定性比较:由表1比较可知,FM技术较AM技术更为可靠:抗干扰能力强,保真度高,在线形良好的介质中传输,对非线形失真的要求不高,可大幅度提高光接收机的灵敏度。

  2. 早期的光纤传输设备所采用的焊接工艺为插件式,插件焊接工艺有其先天不足的一面,如板间电磁干扰大,设备功耗大,产品体积大等等,这样就对传输系统造成了一定的影响,由于板间电磁干扰较大,系统引入的噪声也较大,从而影响到系统的信噪比和系统的视频指标。现在的产品大多采用SMT工艺,降低了系统的电磁噪声影响,可以更好的体现设计意图。

二、光纤传输设备的类型

光纤传输设备传输方式可简单的分成:多模光纤传输设备和单模光纤传输设备。

  1. 多模光纤传输设备所采用的光器件是LED,通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长,按输出功率可分为普通LED和增强LED——ELED。多模光纤传输所用的光纤,有62.5mm和50mm两种。

    在多模光纤上传输决定传输距离的主要因素是光纤的带宽和LED的工作波长,例如,如果采用工作波长1300nm的LED和50微米的光纤,其传输带宽是400MHz.km,链路衰减为0.7dB/km,如果基带传输频率F为150MHz,对于出纤功率为-18dBm,接收灵敏度为-25 dBm的光纤传输系统,其最大链路损耗为7 dB,则可计算:

    ST连接器损耗:

    2dB(两个ST连接器)

    光学损耗裕量:2

    则理论传输距离:

    L=(7 dB-2 dB-2 dB)/0.7dB/km=4.2 km

    L为传输距离,而根据光纤的带宽计算:

    L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km

    其中 B为光纤带宽,F为基带传输频率,那么实际传输测试时,L£2.6km,由此可见,决定传输距离的主要因素是多模光纤的带宽。

  2. 单模传输设备所采用的光器件是LD,通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长,按输出功率可分为普通LD、高功率LD、DFB-LD(分布反馈光器件)。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652,其线径为9微米。

    1310nm波长的光在G.652光纤上传输时,决定其传输距离限制的是衰减因数;因为在1310nm波长下,光纤的材料色散与结构色散相互抵消总的色散为0,在1310nm波长上有微小振幅的光信号能够实现宽频带传输。

    1550nm波长的光在G.652光纤上传输时衰减因数很小,单纯从衰减因数考虑,1550nm波长的光在相同的光功率下传输的距离大于1310nm波长的光下的传输的距离,但是实际情况并非如此,单模光纤带宽B与色散因数D的关系为:

    B=132.5/(DlxDxL)GHz

    其中L为光纤的长度,Dl为谱线宽度,对于1550nm波长的光,其色散因数如表3为20 ps/(nm.km),假设其光谱宽度等于1nm,传输距离为L=50公里,则有:

    B=132.5/(DxL)GHz=132.5MHz

    也就是说,对于模拟波形,采用1550nm波长的光,当传输距离为50公里时,传输带宽已经小于132.5 MHz,如果基带传输频率F为150MHz,那么传输距离已经小于50km,况且实际应用中,光源的谱线宽度往往大于1nm。

    从上式可以看出,1550nm波长的光在G.652光纤上传输时决定其传输距离限制的主要是色散因数。

三、视频信号的DG(微分增益),DP(微分相位),S/N(信噪比)DG(微分增益):在PAL制电视信号中,彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色副载波上,而色副载波又是迭加在亮度信号上的,色副载波的幅度决定彩色信号的饱和度。视频信号的DG失真是指系统的增益特性随输入信号的电平而变化。

通俗的说,由于亮度消隐电平变到白电平时,在视频通道输出端产生色度信号幅度的变化,这样,在亮的部分和暗的部分,其彩色饱和度,色调(尤其是饱和度)均有不同的变化。DP(微分相位):在PAL制电视信号中,彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色副载波上,而色副载波又是迭加在亮度信号上的,色副载波的相位决定彩色信号的色调。视频信号的DG失真是指上系统的相移特性随输入视频信号而变化。传输线路上的相移量随不同亮度电平而变化,则色同步和色副载波之间相移就起变化,于是画面亮的部分和暗的部分的色调就不同。

S/N(信噪比):在电视信号传输中,常用信号功率的峰峰值和噪声的有效值之比表示其值。

四、光纤传输设备的视频指标检测及常用仪器

(1)工业监控中,由于模拟调频信号的解调噪声谱呈三角形状,随着基带频率的增高,解调噪声也越来越大,随着S/N的下降,图像质量也不断下降,表现在监视器画面上为有规则的的细斜纹图案,飘动状干扰图案,雪花等等。当调制波形是模拟信号时,则检波后信号电平随信号频率的增高而降低,表现为非线形失真,使基波的谐波分量增加,从而影响到DG(微分增益),DP(微分相位)。DG微分增益不满足要求。色度信号的幅度在不同的亮度电平上发生了变化,色度信号的幅度变化导致色饱和度发生变化。这样,在屏幕的亮度发生变化时,图像的色饱和度也要发生变化,亮电平时的红色在睛电平时可能变为浅红或深红,造成图像失真。DP微分相位不满足要求。色度信号的相位在不同的亮度电平上发生了变化,色度信号相位变化导致色彩发生变化。这样,在亮度电平发生变化时,图像的颜色也要发生变化,造成失真。

(2)众所周知光衰减器通常采用空气衰减或偏振片衰减以增加传输损耗,数字信号光纤传输时,可用BER表示其传输质量的好坏,并且可采用增加光衰减器的方法来测试接收机的灵敏度。但是多路视频模拟信号在光纤中传输时,更多的要考虑噪声影响及系统的非线形失真(包括光器件和光纤的非线形失真),所以如果采用添加光衰减器所测试出的光功率只是单纯的功率量,其引入的系统信号噪声、S/N、系统的非线形失真是无法通过添加光衰减器的方法模拟。最好的方法是采用实际距离的光纤进行检测。

(3)视频方面有反射损耗、介入增益及其稳定度、视频杂波、视频非线性和视频线性失真五大指标,并以此来反映模拟信号的通道质量。光纤传输方面有光功率、栽噪比、接受灵敏度反映光纤传输质量。

有以下几个测试参数:

  • 出纤光功率

  • 信噪比

  • 微分增益

  • 微分相位

  • 视频信号幅度

  • 视频波形监测及色度相位监测

(4)测试仪器:

  • 频谱分析仪

  • 测试信号发生器

  • 矢量示波器

  • 波形监视仪

  • 视频综合测试仪

  • 光功率计

可选用以下仪器方案:

  • Tek 2715有线电视频谱分析仪

  • TSG-271PAL电视测试信号发生器

  • VM700T全自动视频综合测试仪

  • Tek1711B电视波形监视器

  • Tek1721矢量示波器

  • TOP-200光功率计

五、设计方案(选用设备)要考虑的安全、有效的维护保证和成本因素

首先,电信上的光纤传输设备中,为维护系统的安全,一般具备环路系统,以保证可靠传输;闭路电视光纤传输系统中,基本是点对点传输,一般不具备倒换系统。如果传输所用光纤或者传输设备出现故障,将影响整个系统的运转。因此,应该尽量避免采用大容量复用(如64路、32路视频/音频设备)的光纤传输设备,而采用小容量(如8路,甚至4路视音频设备)传输设备以保证系统整体的安全性。

其次,一旦设备本身出了故障,则整个监控系统将陷于瘫痪,而且一般这种设备很昂贵,业主不会考虑备用备件,厂家也不会备有现货(都是定单生产),同时维修周期很长(一般会超过1个月)。所以,从安全及有效维护的角度来看不能不周全考虑。

另外,从成本方面来讲,虽然采用大容量复用传输达到节省光纤资源的目的,但其成本远远高于采用小容量光传输方案。而且随着光纤价格的进一步下调,光传输系统里光纤(缆)成本所占的比重越来越小,而光端机的采购费用所占比重越来越大。

所以,除了受光纤资源限制,一般的方案设计还是不采用大容量复用光传输设备。况且从保证信号传输的质量考虑,目前的监控视频信号大容量复用传输是否都能满足监控视频信号的指标要求还需进一步探讨。

从监控行业的发展趋势来看,光纤数字传输设备是未来发展的方向。但是,因为技术的因素,在现阶段应用于监控行业的光纤数字传输设备仍然是概念性过渡产品。光纤模拟传输设备因其技术成熟、价格低廉、实时无损传输等优点,仍然是一种优秀的传输手段,它必将在近几年内仍得到广泛应用


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