（光学工程专业论文）基于cpld的数字光端机的设计与实现.pdf

哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 摘要 本课题是对哈尔滨锐科光电技术有限公司的项目一工业与交通用监控光 端机功能的扩展和完善。这是为改进同等功能的模拟光端机的缺陷、完善数 字视频光端机的功能和为多路数字光端机的开发做准备而研制的项目。该项 目要求用一根光纤传输一路视频信号、一路音频信号和一路数据信号，同时 要保证所研制的光端机具有较大的温差变化适应性。 视频监控由于其广阔的应用范围，多年来一直受到业界的关注。视频监 控具有直观、方便、信息内容丰富等特点。随着电子和光纤通信技术的不断 发展，以及监控系统需要传输的信息量越来越大，视频监控光端机的传输容 量也由最初的单路传输向多路传输发展，视频监控技术由模拟向数字转变。 本课题利用大规模可编程逻辑器件来完成不同速率的信号之问的同步，以完 成视频、音频和数据的复合传输。最终完成系统的软、硬件设计与调试。 本系统利用目前应用更为广泛的光收发模块来完成电信号与光纤的对 接。最后对各路信号进行了测试，经过测试，证明了方案的正确性与可行性， 具有较大的应用空问。 关键词：光纤通信；视频监控；串并转换：可编程逻辑 a b s t r a c t t h i st a s ki sd e s i g n e dt oe n h a n c et h ed i g i t a lo p t i c a lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r o fh a r b i nr o c ko p t i c - e l e c t r o n i ct e c h n i q u ec o l t d t h i si t e mi sd u et op r o g r e s s t h ed i s a d v a n t a g eo ft h ea n a l o go p t i c a lt e r m i n a l ，c o n s u m m a t et h ef u n c t i o no ft h e d i g i t a lo p t i c a lt e r m i n a la n dp r e p a r ef o rt h em u l t i d i g i t a lo p t i c a lt e r m i n a l i tm u s t a c c u r a t e l yt r a n s m i to n ev i d e os i g n a l ，o n ea u d i os i g n a la n dt w od a t as i g n a l si no n e f i b e ra n dw o r kw e l lw h e nt h et e m p e r a t eh a sc h a n g e dg r e a t l y d u et oi t sw i d ea p p l y i n gr a n g e ，v i d e os u r v e i l l a n c eh a sa t t r a c t e da t t e n t i o nf o r m a n yy e a r s v i d e os u r v e i l l a n c eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t u i t i o n i s t i c ，c o n v e n i e n t a n da b u n d a n ti n f o r m a t i o n ，g ow i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n do d t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ， a n dw i t ht h e q u a n t i t y o f i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e db e c o m e sm o r ea n dm o r el a r g e ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e ma l s oe v o l u t i o nf r o ms i n g l ec h a n n e lt om u f t i c h a n n e l t h et e c h n i q u e s c h a n g e sf r o ma n a l o g t o d i g i t a l t h es u b j e c tu s e sc p l dt oa c h i e v et h e s y n c h r o n i z a t i o no fd i f f e r e n ts i g n a l s ，t h e nd e s i g nt h et r a n s m i s s i o no ft h ev i d e o s i g n a l 、a u d i os i g n a la n dd a t as i g n a l f i n i s ht h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h i ss y s t e r mu s e st h eo p t i c a lm u d u l et oc o n n e c t i o nt h ee l e c t r i c a ls i g n a la n d o p t i c a lf i b e r a tl a s t ，w et e s tt h es y s t e m ，t h r o u g ht e s t ，w ep r o v e dt h ee x a c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m i th a sag o o da p p l i c a t i o nf e a t u r e k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ；v i d e os u r v e i l l a n c e ；d e s e r i a l i z e r ； c p l d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本论文的研究做出重要贡 献的个人和集体均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。 作者( 签字) ： 窒垦财 日期：w 锣年弓月f7 日 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 视频监控系统概述 视频监控系统已经成为安全技术防范体系中一个重要的组成部分，它通 过固定摄像机和可遥控摄像机直接观看被监视场所，可以把被监视场所现场 的图像和声音等内容通过通信线路传送到监控中心，同时视频监控系统还可 以与防盗报警等其它安全防范体系联动运行，使得防范能力更加强大。 视频监控作为图像通信的一个分支，其渊源可以追述到1 8 4 3 年发明的传 真原理，但实际现代应用的传真系统是美国电话电报公司的贝尔实验室于 1 9 2 5 年发明的。同年，苏格兰的贝阿特发明了实用的电视。此后不久，基于 电视的视频监控系统就诞生了，只是当时的监控系统非常简单，仅由一架摄 像机和一台监视器，中间用连接线连接而成。 视频监控系统最初主要用于国民经济的机要部门，但随着监控系统的发 展与完善，开始逐渐应用于国民经济的其它部门。一般而言，这些部门所用 的监控系统都比较庞大复杂，可以完成较多的功能。例如： 1 对机要部门的监视、控制和报警。如档案室、文件室、金库、保安等部 门； 2 对工厂、市场等的监视。如工厂的生产过程、市场秩序、营业厅、展览 厅、货场等的监视； 3 对交通运输的监视。如公共交通、路口、高速公路收费站、铁路车站等 的监视； 4 j 、区安全监视。如防盗、防火、治安管理等。 依照上述用途，以及业界的不断努力，近年来市面上已经拥有了品类繁 多、功能齐全的监控系统。诸如银行综合多媒体监视系统、a t m 机远程连网 监视、交通路口系统、高速公路收费站监视系统、考场监视系统、粮库油库 多媒体监视系统、监狱多媒体监视系统、智能大厦多媒体监视系统、小区视 频监控系统等。它们的功能基本相同，但由于应用的具体场合不同，所以又 哈尔滨i ：程人学硕十学传论文 各自有其自身特点。 视频监控由于其广阔的应用范围，多年来一直受到业界的关注。视频监 控具有直观、方便、信息内容丰富等特点，其技术水平随着半导体工艺的不 断革新和通信技术的持续发展而逐步提高。 视频监控系统的发展经历了三个阶段。在上世纪九十年代初以前，主要 是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年 代中期，利用计算机的多媒体技术束实现监控，称为第二代数字化本地视频 监控系统。九十年代未以来，以专用网络和因特网为依托，以数字视频压缩、 传输、存储和播放为核心，以实用的智能图像分析为特色，引发了视频监控 行业的技术革命，视频监控步入了全数字化时代，称为第三代远程视频监控 系统。 上世纪九十年代未，数字视频技术的飞速发展，数字化的概念逐渐被人 们所接受，数字视频技术的不断完善，人们逐渐由过去的模拟处理方式转向 数字处理方式。这主要基于以下几个原因，一是模拟信号在传输过程中，特 别是在中继传输时，图像质量的损伤是积累的。例如，信号非线性失真的积 累使图像对比度产生越来越大的畸变；噪声的积累使图像清晰度越来越低； 相位失真积累使图像产生类似衍射环那样的镶边，从而产生彩色失真和使鬼 影现象越来越严重。二是模拟电视信号稳定度差、可靠性低、不便于存储和 模拟器件调试困难，不便于大规模生产等。把模拟视频信号数字化，可以解 决上述模拟视频信号难于解决的问题，并产生许多新特性。首先，由于数字 信号只存在“o ”“1 ”两个电平，只要噪声电平小于信号电平的一半就能无误 地再生出原始信号，这就克服了噪声积累的问题。信号再生还可以忽略非线 性失真的影响，因为非线性失真只对“0 ”“1 ”之问的脉冲过渡沿有影响，而 解码时此种影响并不重要。相位失真的积累也因同样的原因而减小，并且可 以进一步克服。这样就解决了模拟视频的主要问题，使数字视频信号即使经 远距离的传输、多次切换和反复录制仍能具有令人满意的图像质量。其次， 数字视频稳定性好，可靠性高，调整简单，便于操作、控制和处理。第三， 数字视频的信道通融性和电路通用性强。与模拟信号对信道的要求随信号类 型而异不同，数字信号是二值电平的脉冲信号，不论是视频、音频或其它数 据信号，只要它们的传输码率相同，都可以在一种数字信道内传输。又由于 2 哈尔滨1 j 程大学硕十学位论文 数字逻辑元件都是标准化的，电路通用性强，就便于进行电路设计、集成和 大规模生产。而且目前大部分( 除少数高端芯片外) 视频模数转换芯片以及专 用视频压缩芯片的稳定性和价格己经可以让客户接受，因此视频监控的数字 化已是大势所趋。当然视频信号数字化也存在一个明显的缺点，就是其数据 量非常大，因此实时传输所需的带宽很大。但是随着传输介质带宽的不断增 大，如光纤的应用，以及多种视频压缩技术和视频压缩专用芯片的发展，带 宽限制己经无法阻挡数字化视频的大规模应用。 说到传输介质，传统的视频监控系统的视频信号是利用电缆传输的，其 在传输距离、信息容量及可靠性方面都有缺陷。 主要问题是： ( 1 ) 电缆干线每传输几百米需设置一个放大器，以实际中所使用的同轴 电缆为例，其传输衰耗约在1 5 d b k m 。多级放大器的级连除增加噪声累计之 外，还使交扰调制和相互调制失真增加。 ( 2 ) 电缆的损耗既是频率的函数又随温度变化，因此往往必须在放大器 上进行频率和温度补偿，导致了调试和维护的困难。 ( 3 ) 由于放大器的接入，接插环节多，大量的无源接插件与有源接插件 的级连是故障发生的主要因素，使系统的可靠性和稳定性受到威胁，给维护 工作带来不少麻烦。 与电缆传输相比较，光纤传输具有以下优点： ( 1 ) 损耗极低，中继距离很长。以标准单模光纤6 6 5 2 为例，现己达到 的损耗水平是在1 3 1 0 n m 波长窗口处损耗是0 3 4 d b k m ，在1 5 5 0 n m 波长窗口 处损耗是0 2 0d b k m ，这只是同轴电缆的损耗的几十分之一【i 】。 ( 2 ) 频带极宽，传输容量很大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽， 理论上一对单模光纤可传2 5 亿个话路，是同轴电缆的几百倍。若采用多个 光源的波分复用，则带宽更大。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好。光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路 不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 ( 4 ) 泄漏小，保密性能好。在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯 曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤 中传输非常安全。 哈尔滨厂程大学硕十学位论文 ( 5 ) 体积小、重量轻。光缆的直径相对于相同芯数的电缆来说是非常小 的，而且重量也轻得多，这就有效解决了地下管线通道拥挤的问题。 ( 6 ) 温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比，光纤的温度系数 极小，其传输特性基本不随温度而变，故光纤传输系统十分稳定可靠，而且 不易老化。 由于光纤通信具有以上独特的优越性参考，它已成为视频图像传输系统 中重要的传输介质。目f i i ，在本地监控系统中仍然有用同轴电缆或双绞线作 传输介质的，而在远程专用监控系统中则绝大部分采用了光纤传输。 1 2 视频监控光端机的发展及现状 随着视频监控技术由模拟向数字转变，传输介质由电缆向光纤转变，专 用的视频监控光端机也如雨后春笋般发展起来。 光端机由光发射机和光接收机组成。光发射机的功能是把准备传输的视 频电信号转换成光信号并发射出去；光接收机的功能是接收光信号并将其转 换回视频电信号供后续电路处理输出。 摄像头h 銎訾篓h 耋蓑卜_ 毒f 一袭蓑h 銎誓篓h 监视器 图1 1 单路视频监控系统 随着电子和光纤通信技术的不断发展，以及监控系统需要传输的信息量 越来越大，视频监控光端机的传输容量也由最初的单路传输向多路传输发展。 目前，4 路、8 路、1 6 路、3 2 路、6 4 路、甚至1 2 8 路视频传输都己经有商用 系统出现。其中1 6 路以下的系统中有模拟系统也有数字系统，模拟系统主要 采用s c m ( 副载波复用) 技术，数字系统主要采用时分复用、波分复用和视频 压缩技术。而多于1 6 路的系统则主要为数字系统，采用的技术有视频压缩、 c w d m ( 粗波分复用) 等。 国外在视频监控光端机领域的研究起步较早，因而在产品的技术含量、 容量、可靠性和稳定性上还略好于国内。在低端市场，国内企业已经掌握了 其技术，而且有价格优势，所以占有率在不断上升。但在高端市场，技术较 4 哈尔滨广稃大学硕十学位论文 ；1i 1imt ；葺昌昌；皇 复杂的产品市场，如多路数字式光端机、总线式大容量光端机、网络光端机 仍以国外光端机品牌为主。目前国内市场上云集了以美国产品为主的国际品 牌，如：f i b e ro p t i o n ，y l i n k ，i f s ，c o e ，t e l e s t e ，o s d ，o f s ，n t k 等， 以及几十个国产品牌，如：g t t ，a n s ，t i a n c a i ( 天财) 、a p e x ，b o c o m ( 深 划博康) 、a b ( 误比) 、北京蛙视等。 1 3 课题的主要任务 本课题研究的是利用大规模专用集成电路和大规模可编程逻辑器件以 及用光收发器设计开发一种专用的数字光纤传输系统，要求设计的这套光纤 传输系统，在一根光纤中实现一路视频数字化、一路音频数字化和路反向 数据的传输。 1 3 1 系统总体结构 数据模块 语音模块 训反 模块 数据模块 语音模块 模块 系统框图说明： o 勺 p o n 勺 p o t 1 6 5 l v 1 0 2 3 a t 1 6 5 l v 1 2 2 4 b 图1 2 系统总体框图 光发射 模块 光接收 模块 光纤 光纤 哈尔滨。i ：稃大学硕十学位论文 u i i _ _ _ _ 宣薯i ；i ；i 宣宣鲁宣i i ；i i 宣嗣葺i 宣声；暑暑；暑暑| 葺_ _ 暑暑宣置罱i 薯；鼍i 暑宣宣昌i i ；昌宣 现场被转化为视频信号后的数字化光纤传输 声音转化为音频信号后的数字化光纤传输 监控中心返回一路数据信号作为对现场的控制 利用c p l d 实现信号在单纤中复合传输 利用光发射模块来进行电光的转换 1 3 2 系统技术指标 ( 1 ) 要求视频达到的技术规格如下： 信号电平：1 圪， 信号阻抗：7 5 q 微分增益：d g 5 微分相位：d p 5 0 ( 2 ) 要求数据达到的技术规格如下： 数据接口：r s 4 8 5 数据速率：0 1 2 5 k b p s 误码率： 1 0 曲 ( 3 ) 音频达到的技术规格： 输入输出阻抗：6 0 0 f 2 信号电平：2 2 砟， ( 4 ) 整个系统达到的性能指标： 工作温度：4 0 8 0 0 c 灵敏度： 1 8 d b 无中继传输距离：5 0 k m 1 4 本章小结 本章简略介绍了监控系统的基本的原理，说明了光纤通信在专用监控系 统中的应用和其优点；介绍了国内外光纤技术在专用系统应用中的研究现状， 6 哈尔滨l 科人学硕十学f 寺：论文 比较了模拟视频传输和数字视频传输的优缺点；根据这些提出本论文的研究 任务和系统所要达到的技术指标。 7 哈尔滨l 。稃火学硕十学位论文 第2 章光纤通信原理技术 1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为2 0 d b 的石英光纤，证明光纤 作为通信的传输媒质是大有希望的。同年，g a a i a s 异质结半导体激光器实 现了室温下的连续工作，为光纤通信提供了理想的光源。从此，便开始了光 纤通信迅速发展的时代。 在2 0 世纪7 0 年代，光纤通信由起步到逐渐成熟。这首先表现在光纤的 传输质量大大提高不断延长，光纤的传输损耗逐年下降，带宽不断增加，光 源寿命不断延长，光源和光电检测的性能不断改善。 8 0 年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光纤通信迅速由0 8 5 m 波段转向1 3 1 m 波段和1 5 5 m 波段，由多模光纤转向单模光纤。各种速 率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越 的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手 段。 随着密集波分复用系统( d w d m ) 、掺饵光纤放大器( e d f a ) 等技术逐渐成 熟，一根光纤中已经能够传输几百吉比特每秒到上太比特每秒的数字信息。 传输系统容量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。通信网中 交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高，未来的大型交换系统将需要 处理总量达几百太比特每秒的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络的 发展已经接近了极限。为了解决电子瓶颈限制问题，研究人员开始在交换系 统中引入光子技术，从而引发了全光通信的发展。 总而言之，自1 9 7 0 年以来的3 0 多年时间早，光纤通信以惊人的速度发 展着，为信息传输提供了宽敞的传输通路。 2 1 光纤通信系统 光纤通信系统的原理如图2 1 所示。其中，电端机的作用是对来自信息 源的信号进行处理，例如模数变换，多路复用等处理，它是常规的通信设备。 光端机的发送端内有光源，如激光器，把电信号变成光信号，输入于光纤传 哈尔滨下程人学硕十号：传论文 输至远方。光端机的接收端内有光检测器，如光电二极管，把来自光纤的光 信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输入到电端机的接收 端。对于长距离的光纤通信系统，需要有中继器，其作用是把经过长距离光 纤的衰减和畸变后的微弱光信号，放大、整形、再生成一定强度的光信号， 继续送向前方，以保证良好的通信质量。目前的中继器都采用光一电一光的 形式。即把接收到的光信号，用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、 再生后，再调制光源，把电信号变换为光信号，重新发出( 。 2 ，1 1 数字光发送机 图2 1 光纤通信系统原理框图 光发送机是数字光纤通信系统中的三大组成部分( 光发送机，光纤光缆 和光接收机) 之一。其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤 通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出 去。 在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是光频载波，通过调制， 使其载荷信息，一般采用直接强度调制的方式。光发送机原理方框图见图2 2 ， 主要由整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源组成。图中的其它部 分电路，如光检测放大、比较放大、功控与保护及温度控制电路，是为了实 现光发送机的各项技术指标，结合光源器件的应用特性而采取的相应的补偿 措施。该框图适合采用激光器( l d ) 作光源的光发送机。对于采用发光二极管 ( l e d ) 作光源的光发送机，其中有些电路可以省去。 哈尔滨f ：程人号：硕十学位论文 一个性能十分完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特 点的性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进 的电子线路技术进行恰到好处的控制与防范，这就是光发送机除了一定要有 整形或码型变换电路、光源驱动、电和发射光源以外，还可能要有自动光功 率控常i j ( a p c ) 、自动温度控sj ( a t c ) 和各种保护电路的原因。因此，可以说光 发送机的本质含义就是根据光源器件的应用特性采取有针对性的电子线路技 术而使光源器件能有效和可靠地应用在数字光纤通信系统中。 ， s i c p 图2 2 光发送机原理框图 ( 1 ) 光源l d 光发送机依靠光源器件一激光器( l d ) 或发光二极管( l e d ) 将电脉冲信号 变换成光脉冲信号，因此光源器件是光发送机中的核心部件。光源器件的性 能直接影响着光发送机的主要性能指标。 光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波 长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必 须足够大，入纤功率一般在1 0 微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可 靠性，工作寿命至少在1 0 万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四， 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调 制速率应能适应系统的要求。第六，电光转换效率不应太低，否则会导致器 件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。 光源器件主要包括半导体激光器( l d ) 和半导体发光二极管( l e d ) 。l e d 是自然发光，光输出功率小，发射角较大，与光纤的藕合效率低；但其受温 度影响较小，光输出功率恒定且驱动电路简单，因而在模拟光纤传输系统和 中、小距离数字光纤通信系统中得到广泛应用。l d 是受激发光，入纤光功 率大，调制速率高，主要用于大容量、中长距离数字光纤通信系统中；其缺 点是受温度影响大，需加自动功率控制电路以保证输出光功率的恒定。 ( 2 ) l d 的驱动与控制 由前述可知，光源l d 要保证其输出光信号的可靠性和自身的长寿命， 必须对l d 的温度和输出光功率进行有效的控制。l d 的输出特性受环境温度 变化和老化效应的影响变化较大，这些变化主要表现在l d 的阈值和微分量 子效率的变化上，随着温度的升高，l d 的阈值增大，微分量子效率下降， 温度越高，曲线斜率就变得越小，即l d 的电一光转换效率越小。如果是l d 驱动电流( 直流偏置电流加调制电流) 不变的条件下，其输出光脉冲下降的幅 度己超出准许范围，这在具体应用中，很可能会发生通信中断。如果l d 的 驱动电流由于具体应用的要求本来就很小时，则l d 因环境温度的变化就可 能发不出激光而根本无法维持正常的通信工作。 针对以上情况，为了稳定l d 的输出光功率不变，简单有效的控制方法 是调整驱动l d 的直流偏置电流，即当阈值电流发生变化时，其直流偏置电 流随即发生相应的变化，以保证在l d 的调制电流不变的条件下，保持l d 的输出光功率恒定不变。通过调整l d 的直流偏置电流从而达到稳定其输出， 光功率恒定不变的自动光功率控制的方法很多，目自仃在光纤通信系统中普遍 采用平均光功率反馈控制法，这种控制方法比较简单，而且其控制效果也比 较好。 ( 3 ) 光发送机的指标要求 综合l d 器件的应用特性和数字光纤通信系统传输性能的要求，对光发 送机的指标要求包括如下几点： 1 ) 输出光功率必须保持恒定，要求在环境温度变化或l d 器件老化的过 哈尔滨鼙人学硕十学位论文 程中，其输出光功率保持不变，或者其变化幅度在数字光纤通信工程设计指 标要求的范围内，以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。 2 ) 光发送机发送的光脉冲的消光比应尽可能大，以免光接收机付出较 大的光接收灵敏度代价。 3 ) 光脉冲的响应时间及开通延迟时间必须远小于每个码元的时隙，以 便使光脉冲成为传输数字信号的准确重现。 4 ) 输出光脉冲无张驰振荡和自脉动。 5 ) l d 的辐射波长必须保持恒定。 6 ) 光发送机在保证满足数字光纤通信系统所要求的技术性能指标的前 提下，要求其电路简单、可靠、经济、功耗省以及便于批量生产和维护。 2 1 2 数字光接收机 数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经过光纤光缆传输后 衰减变形的微弱光脉冲信号通过光一电转换成为电脉冲信号，并给予足够大 的放大、均衡与定时再生还原成为标准的数字脉冲信号。 数字光接收机原理方框图如图2 4 所示。它由光检测器( 包括其偏压电 路) 、前置放大器、主放大器、自动增益控制电路( a g c ) 、均衡与时钟提取及 判决电路所组成。 光检测器是数字光接收机的核心器件，它将光脉冲信号转换成为电脉冲 信号。数字光纤通信中常用的光检测器主要有p i n 光电二极管和雪崩光电二 极管( a p d ) 。p i n 光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低，而且可以 固定不变，不需要任何控制。a p d 具有很高的内部倍增因子，它与合理设计 的电子放大器结合，可以使a p d 工作在最佳倍增工作状态。这样的数字光接 收机能够得到比采用p i n 光检测器的数字光接收机高1 0 d b 以内的接收灵敏 度。但由于a p d 需要较高的工作偏压( 几十伏到两百伏) 以及其倍增特性受温 度的影响较严重，因此使用起来比较复杂。如图2 4 中需要利用a g c 电路对 a p d 的工作偏压进行控制，在要求较高的数字光接收机中，还必须对a p d 采取温度补偿措施。 前置放大器是数字光接收机的关键部件，它与光检测器的合理匹配，要 1 2 哈尔滨i ：程大学硕十学传论文 求能够得到从理论上可以得到的尽可能大的输出信噪比的信号，并将这样的 信号放大输出到有一定数量级的脉冲信号电压，一般为毫伏数量级。 主放大器是一个高增益的宽带放大器，它放大来自f i 置放大器输出的小 信号电压。一般来说，通过主放大器放大的信号基本是无失真的前置放大器 的输出信号。为了判决电平的需要，主放大器输出电压为1 3 v ( 峰峰值) 。 对于不同输入光功率信号，其放大增益可以通过a g c 调整得到不同大小的 数值，从而保证其输出电平幅度不变。 均衡电路一方面是为了得到有利于判决的信号输出波形，即信号波形引 起的码间干扰小，按均衡的要求，具体的输出为升余弦频谱波形。另一方面 是通过均衡可以合理压缩主放大器过宽的带宽，减少数字光接收放大器的噪 声，提高其输出信噪比。这样均衡后输出信号波形送到图2 3 中的判决电路 可以得到最佳判决，从而得到理想的接收灵敏度。至于时钟提取的目的在于 判决与定时的需要，使数字脉冲信号得以再生。 图2 3 数字光接收机原理方框图 2 2 光波分复用( w d m ) 技术 波分复用( w d m ) 是一项9 0 年代在通信网中扮演重要角色的技术。它的 兴起反映了人类向信息社会迈进的过程中对通信容量和带宽日益增长的要 求。在发达国家，9 0 年代后话音流量的增长已不明显，但数据业务( 电子信 函、会议电视、视频点播、传真等) 及计算机互联l 网( i n t e m e t ) 的流量却迅猛增 长，人们对带宽和容量的要求一如既往。i po v e rs d h 、i po v e r a t m 和i po v e r w d m 己经成为热门的研究课题。 光纤通信发展的3 0 多年来，传统的电时分复用的光纤通信系统的速率 哈尔滨f j 稃人学硕十导：何论文 几乎以每十年1 0 0 倍的速度稳定增长，但其发展速度最终受到电子器件速率 瓶颈的限制，在4 0 g b i t s 以上很难实现。而w d m 技术以较低的成本、较简 单的结构形式成几倍、数十倍地扩大单根光纤的传输容量，使其成为未来宽 带光网络中的主导技术【2 l 。 2 2 1 波分复用技术原理及优点 波分复用( w d m ) 的基本原理是在同一根光纤中形成具有不同调制方式 的多个信道，同时传输有不同波长的多个光信号。通常以g h z 或n m 这两种 计量单位来表示任何两个信道的波长间隔，如2 0 0 g h z 或1 6 n m ，1 0 0 g h z 或 o 8 n m 等。当波长的间隔小于1 0 0 g h z 或0 8 n m 时，w d m 成为密集波分复用 技术( d w d m ) 。使用w d m 技术就可以在原有传输速率的基础上成倍的扩大 光纤的传输能力，图2 4 是一个波分复用系统及其频谱示意图。 波k w d m 波长 图2 4w d m 系统及频谱示意图 1 4 哈尔滨1 ：稃人学硕十学何论文 利用w d m 技术扩大光纤通信系统的容量在当前是切实可行并被广泛应 用的技术方案，w d m 技术目前己经成为光纤通信研究的热点领域，对于宽 带网络建设和信息高速公路建设具有极大的现实意义。w d m 技术有许多优 越性： ( 1 ) w d m 可以在不需要敷设新光缆的条件下，大大增加单芯光纤的传输 容量，因而大大节约投资，具有巨大的经济效益； ( 2 ) “w d m + e d f a 光纤传输系统具有传输透明性，它可以传输现有 的任意码率和任意制式的数字信号，也可以传输模拟信号。因此，在传输系 统升级改造时，只需要更换两端的光端机即可，不需要改变传输线路，大大 节约改造时间和经费； ( 3 ) w d m 通信网是一个协议透明、格式透明的网络，可以不断地将现有 的电网络叠加到光网络上。w d m 网络可以根据需要随时升级扩容，以满足 未来新业务的需求； ( 4 ) w d m 技术用于网络中可以实现大容量的全光交换( 光互连网络) ，增 加了网络的灵活性，简化了网络结构。 不言而喻，w d m 技术是克服电路限制、扩大通信带宽以及在光纤通信 网络中实现波长路由和信道重复使用的关键技术。在光纤巨大的带宽资源 ( 3 0 t h z ) 中，电时分复用技术只利用了其中的1 0 1 0 。因此，w d m 技术 是有效利用光纤带宽资源的重要手段。 2 2 2 复用和解复用器件 光复用器件和光解复用器件是w d m 系统的重要组成部分，它们的功能 相反，统称为w d m 器件。根据制造工艺可以分为熔锥型、干涉膜滤光型、 光纤光栅型和阵列波导光栅型等等【3 j 。 限于篇幅，这里只介绍常用的熔锥型波分复用器。其制造工艺是熔融拉 锥法，即将两根( 或两根以上) 光纤除去涂覆层，以一定的方法靠拢，在高温 加热下熔融，同时两侧拉伸并稍加扭曲，最终在加热区形成双锥体形式的特 殊波导结构。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消逝波 藕合达到所需要的藕合功率。熔锥型的波分复用器制造简单，易于批量生产。 哈尔滨l ：稃人学硕十学何论文 熔锥型的w d m 器件的特点是插入损耗低( 最大值小5 d b ，典型值 0 2 d b ) ，无需波长选择器件，此外还具有较好的光通路带宽、通路问隔比和 温度稳定性。不足之处是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较差( 2 0 d b 左右) 。 2 3 本章小结 本章首先介绍了光纤通信的发展，接着重点论述了光纤通信系统的原理 及其两大组成部分：光发送机和光接收机。其中，对光发送机的光源、l d 驱动、自动功率控制( a p c ) 等方面做了较详细的阐述，并给出了光纤通信系 统中对光发送机的指标要求。在第二节中介绍了本课题目前光纤通信领域研 究热点之一的光波分复用( w d m ) 技术，并简要介绍了光波分复用系统和复 用、解复用器件。 1 6 哈尔滨门掣人学硕+ 学位论文 第3 章视音频信号原理与设计实现 视频信号的光纤数字传输系统是一种把模拟信号数字化后通过光纤进行 传输的通信系统。这里的视频信号是三维景象投射到的c c d 相机输出二维 视频彩色标准电视信号。用光纤进行传输，首先要考虑的是如何在发送端将 电信号变换成适合于光纤传输的光信号，并能够在接收端将光信号恢复成原 来的电信号。最后接收到的是彩色全电视信号，由电视监视器显示。本章在 介绍模拟视音频信号及其技术参数的基础上，讨论了视音频信号的数字化及 实现方式。 3 1 视频信号的理论论述 3 1 1 视频信号的基本原理 ( 1 ) 视频图像的扫描格式 自然界的三维景象投射到c c d 等成像面上，变成二维视频图像，在使 用电子扫描方式将视频图像从上到下一行行变换成一维视频图像信号，并一 帧帧传送出去。视频信号的组成是将一幅图像分成许多细小的象素，然后由 左到右，由上到下地将象素一个一个地送出去。在荧光屏上，光点按象素的 次序进行扫描，由左到右的扫描称为行扫描，由上到下的扫描称为场扫描。 光点的亮度取决于象素的亮度，视频图像的清晰度是一个很重要的参数，垂 直清晰度是由一帧图像扫描行数决定的，要提高垂直清晰度必须增加扫描行 数。水平清晰度是由以行扫描线所能显示的像素数决定的，要提高清晰度就 要增加一行扫描线的像素数 4 1 。 ( 2 ) 垂直清晰度与扫描行数 人眼的视觉空间频率特性，是低通滤波器的特性。空间频率的单位用每 度视角多少周r 来表示。可用相对响应值下降6 d b 时的空间频率一定义为人 眼视觉系统激励响应的高端截止频率，一般 = 9 3 周度。若定义x 为相对n 的归一化空间频率x = r r l ，则当归一化空间频率x o = r o r l = 1 5 时的称为空 间频率上限，墨为归一化上限空间频率。 哈尔滨i j 程人学硕十学传论文 or l r 0 频率 图3 1 视觉的空间频率特性 由图所示，在上限空问频率时，眼睛能分辨出屏幕上垂直方向黑白线 条总数为： ，z ，= 2 或= ：z x o r , o ，( 3 1 ) 9 ，为垂直视角。同理，在水平方向能分辨出的像素数为： r = 2 r o = 2 k 铭( 3 2 ) 由电视理论知，图像的垂直分解能力n 和系统扫描行数n 之间有如下关 系：或= k k , r l ，n ，k 为凯尔系数，可取k = 0 7 ；q 是隔行扫描系数，当2 ：1 隔行扫描时，k ，= 0 6 0 7 ；r ，为垂直扫描有效率。 为满足垂直清晰度的要求，应取见行，。若取或= i ，时，可求的扫描 行数： ：皇盟a r c t a n 上 f 3 3 ) k k , r i ， 2 d 、7 表3 1 视距与图像高度之比和扫描行数的关系 视距与幽像高度之比d l 7 2 j 6 j 4 i 3 3 i 32 52 扫描行数 5 2 56 2 59 4 01 1 2 51 2 4 01 4 8 01 8 4 0 ( 3 ) 水平清晰度与视频带宽 若沿水平方向扫过一个像素所需的时间为t ，则亮度信号的视频带宽为 五= ，设一行周期乃内有心个像素，则： 1 8 哈尔滨r ：稗大学硕十学伊论文 乞磊2 志 p 4 ， 厶为行频。由于厶= 怫( 为帧频，n 为每帧行数) ，则视频带宽为： 五：_ n n + + p ( 3 - 5 ) 将式( 2 - 4 ) 代入上式，整理后得： = 4 7 7 x h 。f i a r c t a n 2 a 万 ( 3 - 6 ) q h z d 将式( 3 6 ) 代入式( 3 5 ) 得： 以= 羔a r c t a n c l ，撒协c 寺，= 丢半 a r c t a n c 寺， - la r c t a n ( 寺d ) ( 3 7 ) 上式表明扫描行数越多，宽高比越大的高清晰度电视系统，所要求的视频带 宽越宽。表3 2 时出了不同扫描行数及视距与图像高度之i ：ld 时的带宽。在 计算时，宽高比a = 5 ：3 ，2 ：1 隔行扫描时k 二0 6 o 7 ，仇= o 9 3 5 ，r = 0 8 3 5 ， 桢炳为3 0 h z 。 表3 2 不同扫描行数及视距与图像高度之比d 时的视频带宽比 视距与图像高度之比d 7 243 332 52 扫描行数n ( 线) 5 2 59 4 01 1 2 51 2 4 01 4 8 01 8 4 0 水平视角0 n ( 度) 1 0 72 3 52 8 33 1 03 6 94 5 2 视频带宽f h ( m h z ) 3 51 l1 6 1 9 2 7 5 4 2 3 1 2 模拟彩色电视制式 ( 1 ) r 、g 、b 信号与y 、c 、c ，( 或yu ，v ) 信号的变换 根据三基色原理，自然界中几乎所有的彩色都可以有红绿蓝三种互为独 立的基色按一定比列混合得到，为了节省带宽，同时也能实现黑白电视与彩 色电视的兼容，不传送三基色信号，而是传送由线性变换来的亮度信号y 及 两个色差信号c 、c r ( 或u 、v ) y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 11 4 b ( 3 - 8 ) 1 9 哈尔滨i ：稃人学硕十字：何论文 g = 0 5 6 4 ( b - y ) 或u = 0 4 9 3 ( b y )( 3 - 9 ) c ，= 0 7 1 3 ( r - y ) 或v = 0 8 7 7 ( r - y )( 3 - l o ) 在传送黑白电视时只传送一个亮度信号y ，色差信号为零，此时亮度信 号以6 m h z 的视频带宽传送。在传送彩色电视信号时，除了用6 m h z 的带宽 传送传送亮度信号y 外，还要传送两个色差信号。我国电视标准规定，色差 信号带宽为1 3 m h z 。 ( 2 ) p a l ( p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ) 我国模拟电视制式采用p a l 制式。为了克服n t s c 信号由于相位失真所 引起的彩色畸变，在色差信号u = 0 4 9 3 ( b y ) 及v = 0 8 7 7 ( r y ) 对副载波进行 调制时，使用v 信号进行逐行倒相的方法。选择副载波频率 厶，= ( 2 8 4 1 4 厶) + 2 5 h z ，即进行四分之一行频偏置，同样能实现频谱交错。 行扫描的逆程，即从右到左的回扫过程是被消隐的，它在荧光屏上不发 光。场扫描的逆程也是被消隐的，共占有2 5 行的时i 白j 。每两场合成一帧，即 一幅画面。 我国的电视制式( p a l d ) 规定，p a l 信号为2 ：l 隔行扫描，每帧6 2 5 行， 每场3 1 2 5 行，每秒5 0 场，行扫描频率为厶= 6 2 5x2 5 = 1 5 6 2 5 k h z 。一场占 1 5 0 秒，即2 0 毫秒，一帧占1 2 5 秒：一行占的时间为6 4 微秒。场消隐时间 为1 6 毫秒，行消隐时间则为1 2 微秒。由此可以算出一场包含3 1 2 5 行，一 帧包含6 2 5 行，所以称6 2 5 行制式。与此同时，色度信号也相应地按每个象 素送出。在接收端复原图像时，彩色正好在原处叠加在黑白图像上，形成彩 色图像。色度信号用一个频率为4 4 3 3 6 1 8 7 5 m h z 的副载波传送。 图像传送时，为了能恢复原图像，接收端必须与发送端同步，因而信号 中必须有传送同步信息的信号，包括行和场同步信号。我们把这些同步信号 称为行同步和场同步信号，它们是用一些负的脉冲来实现的。在行同步脉冲 后面，行消隐上有一个4 4 3 m h z 的色同步信号，它是为了在接收端再现彩色 时作为基准用的【4 】。 3 1 3 视频信号的采样 对于图像信号的传输而言，一般是采用扫描方法将二维图像扫描变成一 2 0 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 维的视频信号，然后进行传输，此时图像信号的数字化就是对一维视频信号 进行数字化。 一维视频信号的数字化先是对模拟视频信号时间上进行取样，是模拟视 频信号变换位时间上的离散视频信号，即脉冲幅度调制信号p a m 。然后再进 行幅度上的离散化，用有限的层次来代表幅度大小，即量化。最后进行编码 后变成二进制数字视频信号，即变成p c m 信号。 在取样理论中已经证明，利用取样脉冲使时间上连续的信号离散化，只 要取样脉冲频率大于连续信号最高频率的2 倍，就可以把离散信号不失真地 恢复为连续信号1 5 】。在振幅轴上经量化后的离散信号可以通过内插滤波器恢 复为幅度上连续的信号，只要在幅度上离散的间距足够小，恢复得到的连续 信号仅包含可以忽略的噪声。 ( 1 ) 量化及量化的误差 模拟的视频信号通过取样、量化然后编码成二进制数字信号的过程称为 模数转换( h d 变换) 或p c m ( 脉冲编码调制) 编码，所得到的信号也称为p c m 信号，其过程可用图3 2 表示。若取样频率等于人、用n ( b i t ) 量化，则p c m 信号的码率为蜕( b i f f s ) 。p c m 编码既可以对彩色全电视信号直接进行，也