光纤传输在视频监控系统中的应用之欧阳化创编.docx

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光纤传输在视频监控系统中的应用之欧阳化创编

光纤传输在视频监控系统中的应用（图）

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化

 　随着光电技术及信息时代的发展，人们对电视监控系统的可靠性和工作效能的要求越来越高。

所谓“工作效能”，指的是系统能将多少只摄像机的画面送到多少台监视器上去，传输距离有多远，能适应多么严苛的工作环境等。

光纤不但能够有效地提升系统的可靠性和工作效能，还具有视频信号失真度小、安全性高等优点。

因此，光纤传输系统正在得到越来越普遍的使用，尤其是在传输高质量的电视画面，不希望画质有任何降低的远距离传输时常用光纤传输。

　　一、光纤传输的特点 

　　与铜线和同轴电缆等传输系统相比，光纤视频传输方式具有下列明显的优势：

①当长距离的传输时，光纤传输系统的保真度和画面清晰度比电线或电缆传输系统要高得多；

②光纤不受电磁辐射与雷击等任何电气干扰的影响，并且光纤是绝缘体，它可与高压电气设备或电力线接触，而不会导致任何问题；

③光纤不存在接地回路问题，也不存在交扰横条、图像撕扯等问题；

④在对光纤进行维护时，不须将发射端机与接收端机断电；

⑤在那些不能使用铜线的地区，可以使用光纤；

⑥光纤不会生锈或腐蚀，大部分化学品对玻璃纤维都不会造成不良影响，因此直埋式光纤可以埋到各种土壤中，或暴露在腐蚀性的大气中（如室外或化工厂内）；

⑦光纤没有起火的危险。

即使在火灾风险非常高的天气中，也不会对设备和设施构成威胁；

⑧光纤几乎不受天气条件的影响，因此光缆可以铺设到地面或架设到电线杆上，并且光缆比标准的电气线缆、同轴电缆要结实得多，如使用得法，它能耐受风荷载和冰荷载带来的应力；

⑨光纤传输非常安全、很难窃听，并能很容易地发现有没有人正在企图窃听；

⑩光纤传送视频信号的损耗小、效率高，并且不需要中继器（放大器），所以设备可靠性高、容易维护，是理想的远距离传输设备；

　　○11不论是单模光纤还是多模光纤，光缆总比同轴电缆细、轻得多，因而在搬动、安装和使用时都容易得多。

一般普通光缆每千米的重量是3.6kg，外径仅为4mm；而普通同轴电缆每千米的重量为150kg，直径约为10.4mm。

　　在对光纤传输系统进行选择评估时，用户不应单单考虑设备本身的投资，光纤的柔性以及较小的体积和重量等优点往往可以弥补其价格方面的劣势。

只要想一想光纤传输系统能够预防多少无法预见的问题（如上面所列的11条），就可以发现光纤传输系统的价格高是物有所值。

　　因此，既然光纤传输系统有这么多的优势，在需要传输高质量的电视画面，不希望画质有任何降低时，应当把它作为首选的传输手段。

　　二、光纤传输系统的组成

　　在光纤传输系统中，实际上光只是载波。

由电磁波谱知，光的频率比无线电信号的频率要高几个数量级（约1000倍以上）。

而我们知道，载波频率越高，可以调制到电缆上去的信号的带宽也就越宽。

由于光纤的带宽实在是太宽了，许多发射机和接收机都能够把许多路电视信号连同控制信号、双向音频信号一起调制到同一根光纤上去。

　　在使用光纤传输系统时，系统的画面质量只受限于摄像机、环境和监视器这三个因素。

光纤传输系统可以将画面传送到非常远的地方，一般几公里远，都不会使信号发生任何形式的畸变，更不会减损画面的清晰度或细节。

图1是光纤传输系统的组成原理框图。

　　由图1知，该系统主要有一个电光信号转换/发送器，它将摄像机输出的视频电信号转换为光信号，并被载在光波上，再经耦合输入到光纤光缆内，接着经光缆传输，被一个光电信号接收/转换器接收。

这个接收/转换器将光纤传来的光信号转换为电信号，并解调出所传送的视频电信号，供监视器显示。

图中的转换/发送器也称为光发送端机，接收/转换器也称为光接收端机。

摄像机是通过一小段同轴电缆连接到光发射端机的，光接收端机也是通过一小段同轴电缆连接到监视器的。

　　三、光发射端机 

　　1、半导体发光器件

　　光纤传输系统传输的是光信号，因此，作为光纤传输系统的光源，便成为重要的器件之一。

它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送。

由于系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以下要求：

（1）体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；

（2）发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即0.85μm、1.31μm和1.55μm波段；

　　（3）可以进行光强度调制；

　　（4）可靠性高。

一般要求它工作寿命长、工作稳定性好，并具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；

　　（5）发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；

　　（6）温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。

　　能够满足以上要求的光源一般为半导体发光器件。

最常用的半导体发光器件是发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。

前者可用于短距离、低容量或模拟系统，其成本低、可靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。

在选用时应根据需要综合考虑来决定，因为它们都有自己的优缺点和特性。

如表1所示。

　　表1、 发光二极管（LED）与激光二极管（LD）的性能比较

　　比较项目LEDLD

　　发光原理电子与空穴复合发光受激辐射

　　入纤光功率（mw）0.030.5

　　输出光功率（mw）1~2几~几十

　　与光纤的耦合效率低，仅百分之几高，可达80%以上

　　发光谱线宽度（?

）宽，300?

窄，20?

　　光束方向性差，发散度大强，发散度小

　　输出特性曲线大电流下易饱和阈值电流以上线性较好

　　阈值电流（mA）0.55~250

　　模式噪声无有

　　频率响应（MHZ）几十~200几百~几十GHZ

　　上升时间（ns）2~20≤1

　　调制速度低，数十兆比/秒高，数千兆比/秒

　　工作寿命（小时）长，106~1010短，105 ~106

　　可靠性较高，工作温度范围宽一般

　　制造工艺难度小，成本低难度大，成本高

　　反馈稳定电路无有

　　应用系统短距离、低容量长距离、大容量、高速率

　　2、光发射端机的组成

　　根据图1中的描述，光纤发射机是一个电光转换装置，它接收摄像机的视频输出，将其转换成光信号后传送给光缆的输入端。

发射机的作用是高效而准确地将电子视频信号转换成光学信号，并将它耦合到光纤中去。

发射机电路通过发光二极管（LED）或激光二极管（LD）将调幅的CCTV信号转换成调幅或调频的光信号。

这种光信号是CCTV信号的忠实翻版，在一般的安全防范应用中，往往选用装有LED的发射机；当需要进行远距离的传输时，则需要使用内装LD的发射机。

多数安

　　全防范系统都使用LED式发射机。

图2是光发射端机的组成原理框图。

　　由图看出，光发送端机主要由发光器件、预校正电路、调制电路以及驱动电路组成。

　　图2为直接光强度调制光发射端机的电路原理框图。

由于是模拟信号调制，所以光源用发光二极管LED。

图中，全电视信号经输入电路（阻抗匹配的输入衰减级和缓冲级）后将信号分成两路：

一路进入预校正电路（即微分增益DG与微分相位DP校正电路），然后经调制、激励级去驱动LED，以实现直接光调制；另一路则送入箝位脉冲形成电路及箝位电路，以恢复视频信号中的直流电平。

　　对于光发送端机而言，我们要求它能输出尽可能大的光功率。

（这由发光管的特性所决定），并且具有较深的调制度。

这是因为光功率越大，信号可传送的距离越远。

而调制度越深，对接收机而言可以得到高的信噪比输出，这是我们所希望的。

但是另一方面，由于发光二极管的非线性失真，当光功率或调制度加大时会产生严重的微分增益失真，同时还由于发光管扩散导纳随载流子的注入大小而变化。

这使得在信号的被调制过程中还会产生相位失真，这就要求不要采用过大的激励信号。

　　显然，以上两个要求是矛盾的。

在以上的电路框图中，设计者主要考虑是保证要达到的目的是前者，而对于后者所造成的不利影响，则由电路本身来克服。

　　当系统传输图像时，LED本身的非线性将导致微分增益（DG）和微分相位（DP）失真。

微分增益失真产生的原因是位于不同亮度电平上的副载波振幅的放大程度不同，表现为图像的彩色饱和度随亮度电平发生变化；微分相位失真是位于不同亮度电平上的副载波相位使相对于色同步的相位发生变化，表现为彩色色调随亮度电平发生变化。

目前制造的GaAIAs发光二极管中，由于非线性造成的微分增益一般为5%~15%，最高达20%；微分相位一般为1°~5°最高可达10°。

在电视传输系统中，这两项指标的要求通常分别为1%和1°。

因此，为了达到要求，在电路中需要采取预补偿措施，以校正输出特性的非线性。

　　一般，在LED驱动电路中，利用预补偿网络中的非线性元件，使输入的电视信号得到和光源特性相反的非线性失真，从而抵消光源原来的非线性失真，使总的输出特性的非线性得到改善。

　　四、光接收端机

　　光发送端机输出的光信号，在光纤中传输时不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。

光接收端机的任务是探测经过传输的微弱光信号，并以最小的附加噪声及失真去放大、再生而恢复成原传输的电信号。

　　1、光接收端机的组成

　　光纤传输系统有模拟和数字两大类，光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式（如图3所示）。

它们均由反向偏压下的光电检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测（DD）方式。

与模拟接收机相比，数字接收机更复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大电路（见图3b）。

但因它们在高电平下工作，并不影响对光接收机基本性能的分析。

　　在光接收端机中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过程是由半导体光电检测器件（一般用PIN光电二极管或雪崩光电二极管APD）来完成的。

经半导体光电检测器件检测而得的微弱信号电流（nA~μA），流经负载电阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。

但前置放大器在将信号进行放大的同时，也会引入放大器本身电阻的热噪声和晶体管的散弹噪声。

另外，后面的主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前置放大器产生的噪声一起放大。

所以，前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响。

为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。

光电检测和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣是决定接收灵敏度的主要因素。

　　主放大器主要用来提供高的增益，它将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。

前置放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号一般为1V~3V（峰/峰值）。

　　均衡滤波的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。

均衡滤波的输出信号通常分为两路，一路经峰值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判决再生电路，将均衡滤波输出的升余弦信号恢复为“0”或“1”的数字信号。

　　定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。

　　衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度。

在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输入端的噪声，提高接收灵敏度。

光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器的噪声。

　　2、半导体光电检测器件

　　光纤通信和光纤图像传输系统中最常用的半导体光电检测器件是扩散型PIN硅光电二极管与雪崩光电二极管APD。

PIN光电二极管比较简单，只需加10~20V的反向偏压即可工作，且不需偏压控制，并且由于在PN结间增加了1层，展宽了光电转换的有效工作区域，使结电容下降，提高了灵敏度与频率响应，但它没有增益，因此使用PIN管的接收机的灵敏度不如APD管；APD管具有10~200倍的内部电流增益，可提高光接收机的灵敏度，但使用APD管比较复杂，需要几十到200V的偏压，并且温度变化较严重地影响APD的增益特性，所以通常需对APD管的偏压进行控制以保持其增益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。

PIN管与APD管的性能比较如表2所示。

　　表2、 半导体光电探测器件PIN光电二极管与雪崩光电二极管APD的性能比较PINAPD

　　光敏面积（μm）φ=200φ＞200

　　峰值波长（μm）0.850.85

　　倍增因子G无＞100

　　量子效率（%）7560

　　工作电压（V）10~20几十~200

　　暗电流（nA）0.30.1（G=10）

　　结电容（Pf）23

　　响应时间（ns）0.210

　　温度影响小较大

　3、光接收端机的主要技术指标

（1）接收灵敏度

　　接收灵敏度是数字光接收机最重要的指标，行业中国它直接决定光纤传输（通信）系统中的中继距离和传输（通信）质量。

数字光接收机灵敏度的定义如下：

在指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率Pr（mW），通常用dBm表示。

　　               Sr=10logPr（dBm）    

（1）

　　Pr或Sr越小，意味着数字光接收机接收微弱信号的能力就越强，灵敏度越高，此时当光发射机输出功率一定时，则保证传输质量（满足一定误码率的要求）的中继传输（通信）距离就越长。

因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤传输（通信）的中继距离和增加通信容量。

　　影响接收灵敏度的主要因素是光信号检测过程及前置放大器中各种噪声。

它包括光电检测器的噪声、放大器噪声和模分配噪声等，其中光电检测器和放大器的噪声称接收机噪声。

模分配噪声是指在高速调制下，激光器呈多模特性，而且各纵模的功率是随机起伏的。

此外，由于光纤具有色散特性，多纵模的谱线经过光纤传输后产生不同的延时，从而产生噪声。

模分配噪声是在发送端的光源和传输介质光纤中形成的噪声，接收机无法避免。

　　在实际的光纤传输系统中，光接收机很少工作在极限灵敏度下，这是由于在系统设计中考虑到元件老化、温度变化及制造公差等引起的退化，必须留出一定的富余量（3dB～6dB）。

而且对接收灵敏度的要求也和系统应用有关。

例如对于海底光传输（通信）系统，总希望尽量减少中继站数目以提高可靠性并易于维修。

这就希望有很高的接收灵敏度，以延长中继距离；而对陆地光传输（通信）系统及数据网，中继距离常常取决于中继站的位置，对接收灵敏度的要求就不高。

因此，接收灵敏度是接收机设计中最基本的问题。

（2）动态范围

　　在实际的系统中，由于中继距离、光纤损耗、连接器及熔接头损耗的不同，发送功率随温度的变化及老化等因素，接收光功率有一定的范围。

　　数字光接收机的动态范围是最大允许的接收光功率和最小可接收光功率之差。

而最大光功率取决于非线性失真和前置放大器的饱和电平，最小光功率则取决于接收灵敏度。

　　宽的动态范围对系统结构来说更方便灵活，使同一个接收机可用于不同长度的中继距离，在陆地光传输（通信）系统中，中继距离的长短由中继站决定，长短不一，要求具有较宽的动态范围。

本地网应用中，各发射机到接收机的距离各不相同，并可能经过不同数量的耦合器、分路器后到达接收机，对接收机的动态范围也提出了较高的要求。

　　工程上，光接收机的动态范围D是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许接收光功率与最小接收光功率之比，即式中， 即为接收机的灵敏度。

　五、光纤多路电视传输系统

　　在一条光纤上同时传输多路视频信号的多路复用系统所采用的技术有光波分复用、频分复用以及时分复用，下面分别作一简要的介绍。

　　1、光波分复用技术

　　光波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤中能同时传输多波长光信号的一项技术。

其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），在接收端又将组合的光信号分开（解复用）并送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用（WDM）技术。

　　  由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因此可实现多媒体信号（如音频、视频、数据、文字、图像等）混合传输 

　　  光WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带新业务（如CATV，HDTV和BIP-ISDN等）、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速传输通信等具有十分重要的意义。

尤其是WDM加上光纤放大EDFA更是对现代电信网具有强大的吸引力。

　　2．光频分复用技术

　　光频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）技术与光波分复用技术在概念上并无明显区别，这是由于光是一种电磁波，而电磁波的频率与波长是一一对应的，所以，FDM与WDM实际上是一回事，只不过是科学家为研究方便起见，对同一项技术所起的二个不同名字而已。

一般来说当波长间隔大于1nm时的复用技术称为光WDM，而把极窄的信道间隔（小于1nm）的复用技术称为光FDM，具体的划分可参看图4。

所以，光WDM往往以纳米（nm）为单位描述间隔，而光FDM往往以吉赫（GHz）为单位描述间隔。

　　由于光频分复用比光波分复用的信道间隔要窄很多，所以它具有两个比较突出的优点：

　　能大大增加复用光信道；各信道之间的光纤传输变化小，当然，所涉及到的技术问题也较为复杂。

　　3、光时分复用技术

　　所谓时分复用是指将通信时间分成相等的间隔，每间隔只传输固定信道的一种技术形式。

光时分复用（OTDM，OpticTimeDivisionMultiplexing）是指时分复用在光学领域完成的一项先进技术。

　　在90年代以前，由于单路光传输通信的传输速率尚有很大的潜力，因此发展缓慢，但自90年代开始，随着对传输速率要求的日渐提高，尤其是几十至上百吉比特率的超高速光信号的要求，使半导体激光器、调制器及相关电子器件的有限带宽难以胜任，而OTDM可将多路光信号合并在一起，实现超高速的传输通信速率，是提高光纤传输通信容量的有效途径之一。

　　4、光纤模拟射频多路电视信号传输系统

　　利用射频多频道电视信号直接调制单模激光器，不加中继放大、均衡等处理，经低损耗一根单模光纤长距离传送到光检波器。

然后经检波器直接恢复多频道电视射频信号，再经对应各射频信号的解调器解调出视频全电视信号。

其典型的框图如图5所示。

　　图5中的AM光纤传输系统是先将各摄像机的视频信号分别调制到对应的射频频道上。

经混合后再去调制光发射端机，光发射端机输出光信号送入光纤（光缆内）中。

经光纤传输后，由光接收端机解调出射频信号，再经射频解调器解调出对应摄像机的视频全电视信号。

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化