（通信与信息系统专业论文）分布接入的视频光纤传输系统.pdf

中文摘要 视频光纤传输技术是远程监控和有线电视系统中常用的重要技术，具有传输 频带宽、传输信息量大、传输损耗低、传输质量高、传输距离远以及抗电磁干扰 性能好等优点。本文采用一种新的结构的分布接入的视频光纤传输系统，并且设 计了一种与分布接入的视频光纤传输系统相适应的视频传输节点，实现了多路视 频信号的光纤传输。这种新的系统结构和视频传输节点的设计已申报国家发明专 利。 本论文主要包括以下几项工作： 1 本文首先根据分布接入的视频光纤传输的原理构建了分布接入的视频光 纤传输系统的总体方案。本系统采用多路调频信号频分复用( f d m ) 和光波分 复用( w d m ) 相结合的技术方案实现分布接入的视频信号的光纤传输。 2 根据分布接入的视频光纤传输系统的总体方案，建立了三路视频调频信 号频分复用和四路光信号波分复用的实验系统。 系统中包括十二个视频传输节点和一个接收节点。针对实验系统的构成和特 点，进行了器件的选择和参数的确定。同时，对系统的光功率、载噪比、复合二 次差拍失真c s o 、复合三次差拍失真c t b 等参数进行了理论分析和计算。 3 根据实验系统方案，对视频传输节点的光路和电路进行设计，其中电路 部分设计包括：光电检测处理电路的设计、频分复用电路设计、激光器驱动和调 制发射电路设计以及系统电源电路设计。 4 实验系统设计中，高频电路的p c b 设计、高频信号的辐射和干扰以及阻 抗匹配等关键问题通过仿真优化、系统实验调试等措施得到了较好的解决。 关键词： 分布接入的视频光纤通信、视频传输节点、频分复用、波分复用 a bs t r a c t v i d e oo p t i c a lf i b e rt r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g yi sai m p o r t a n tt e c h n o l o g yf r e q u e n t l y a d o p t e d i nl o n gd i s t a n c ev i d e os u p e r v i s o r ys y s t e ma n dc a t v t r a n s m i t t i n gs y s t e m ， w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha saw i d et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h 、al a r g eq u a n t i t y o fi n f o r m a t i o n 、l o wi r a n s m i s s i o nl o s s 、h i g ht r a n s m i s s i o nq u a l i t y 、l o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c ea n dh i g hi n t e r f e r e n c ef r e eq u a l i t y an e ws t r u c t u r ed i s t r i b u t e da c c e s sv i d e o o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa d o p t e da n dav i d e ot r a n s m i s s i o nn o d ei sd e s i g n e d f o rt h es y s t e mt or e a l i z em u l t i v i d e o s i g n a lo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ni nt h ep a p e r t h e s t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h ed e s i g no ft h en o d ea r ea p p l i e df o rn a t i o n a lp a t e n to f i n v e n t i o n t h em e t h o d sa n de x p e r i m e n t si nt h ep a p e ra r em a i n l ya sf o l l o w s ： 1 f i r s t l yad i s t r i b u t e da c c e s sv i d e oo p t i c a lf i b e rs y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t e da c c e s sv i d e oo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nt h e o r yp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h es y s t e ma d o p t sac o m b i n a t i o no f f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga n d w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u et ot r a n s m i td i s t r i b u t e da c c e s sv i d e o s i g n a l si no p t i c a lf i b e r 2 ae x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e dw i t l lt h r e ec h a n n e l sf r e q u e n c ym o d u l a t e dv i d e o s i g n a l sm u l t i p l e x e db yf r e q u e n c yd i v i s i o na n df o u rc h a n n e l sw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c o r d i n gt ot h es y s t e mp r e s e n t e da b o v e t h e r ea r et w e l v ev i d e ot r a n s m i s s i o nn o d e sa n do n er e c e i v i n gn o d ei nt h es y s t e m d e v i c e sa r es e l e c t e da n dp a r a m e t e r sa r ef i x e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dt h e f e a t u r e so f t h es y s t e m p a r a m e t e r ss u c ha so p t i c a lp o w e r 、c a r r i e r - t o - n o i s er a t i o 、 c o m p o s i t es e c o n do r d e r ( c s o ) a n dc o m p o s i t et r i p l eb e a t ( c t b ) d i s t o r t i o n sa r e a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d 3 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h eo p t i c a ll i n ka n dc i r c u i t sa r ed e s i g n e df o r t h ev i d e ot r a n s m i s s i o nn o d e ，i nw h i c ht h ec i r c u i t sd e s i g ni n c l u d e sp h o t o e l e c t r i c p r o c e s s i n gc i r c u i t sd e s i g n 、f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gc i r c u i td e s i g n 、t h e d r i v e 、m o d u l a t i n ga n dt r a n s m i t t i n gc i r c u i t so f t h el a s e rd e s i g na n dt h es y s t e m p o w e rc i r c u i t sd e s i g n 4 i nt h ep r o c e s so f t h es y s t e md e s i g n ，s o m ek e yp o i n t ss u c ha sp c bd e s i g nf o rt h e h i g hf r e q u e n c yc i r c u i t s 、t h er a d i a t e di n t e r f e r e n c eo f t h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a la n d i m p e d a n c em a t c h i n ga l es o l v e db ye m u l a t i o n 、o p t i m i z a t i o na n ds y s t e m d e b u g g i n g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e da c c e s sv i d e oo p t i c a lf i b e rs y s t e m ，v i d e o t r a n s m i s s i o n n o d e ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：汤广强 签字日期：? 刃厂年2 月2 , o1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：沥了殛) 导师签名：刍看少 签字日期：二佃年应月l o 日 签字日期：伊年j 厶月伽日 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展 第一章绪论 光通信的历史可以追溯到以烟火传递信息的远古时代。而近代光通信的真正 发展则是近几十年的事。其中起主导作用的是激光器和光纤的诞生。首先是1 9 6 0 年，梅曼发明了红宝石激光器，激光器产生的强相干光为现代光通信提供了可靠 的光源。1 9 6 6 年，高琨等人发表了对光纤通信发展具有历史意义的著名论文。 他指出如能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，提高材料 的均匀性，就可使光纤的质量大大提高而成为实用的传输介质，而且可以使光纤 的损耗减少到每公里一分贝左右。在此理论的指导下，1 9 7 0 年美国康宁公司拉 出了第一根损耗为2 0 d b k m 的光纤，同一年贝尔实验室研制成功室温下可以连续 工作的半导体激光器，其体积小，重量轻，功耗低，效率高，是光纤通信的理想 光源。从此光纤通信开始飞速发展。 1 9 7 6 年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试 验，系统采用g a a l a s 机激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为4 4 7 m b s ， 传输距离约1 0 k m 。1 9 8 0 年美国标准化光纤通信系统投入商业应用，系统采用渐 变型多模光纤，速率为4 4 7 m b s 。1 9 7 6 年和1 9 7 8 年，日本先后进行了速率为 3 4 m b s ，传输距离为6 4 k m 的突变型多模光纤通信系统，以及速率为l o o m b s 渐变 型多模光纤通信系统的试验。随着光纤通信技术的成熟，光缆线路从陆地敷向海 底。美、日、英等国联合建立的太平洋光缆、横跨大西洋的海底光缆都相继开通 1 - 5 从各国光纤通信技术发展的情况来看，光纤通信的发展大致经过了以下几个 阶段睁埘： 第一代光纤通信系统2 0 世纪7 0 年代后期投入使用，工作波长为入= 8 5 0um 波长段的多模光纤系统。光线衰减为2 5 4 o d b k m ，系统的传输速率在2 0 l o o m b i t s 之间。接着在2 0 世纪8 0 年代初，工作波长为入= 1 3 1 0um 波长段的 多模光纤系统投入使用。光线衰减为0 5 5 1 o d b k m ，系统的传输速率达 1 4 0 m b i t s ，中继距离为2 0 3 0 k m 。 第二代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代中期投入使用，工作波长为入= 1 3 1 0u m 波长段的单模光纤系统。光线衰减为0 3 - 0 5 d b k m ，可传送准同步数字体系 ( p d h ) 的各次群信号，系统的传输速率可达1 7 g b i t s ，中继距离约为5 0 k m 。 第一章绪论 第三代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代后期投入使用，工作波长为入= 1 5 5 0um 波长段的单模光纤系统。光线衰减为0 2 d b k m ，应用在同步数字体系( s d h ) 的 光纤传输网，系统的传输速率可达1 7 g b i t s ，中继距离约为5 0 k m 。 第四代光纤通信系统是采用光放大器来增加中继距离和采用波分复用和频 分复用技术来提高传输速率为特征。2 0 世纪9 0 年代初光纤放大器研制成功并的 投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。 第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性压缩，抵消由于光纤色散产生 的脉冲展宽的新概念产生的光孤子，来实现光脉冲的保形传输。2 0 世纪9 0 年代 后，各国的试验都取得了重大进展。例如在日本，已试验分别将l o g b i t s 和 2 0 g b it s 的数据传输了2 5 0 0 k m 和1 0 0 0 k m 。 纵观光纤通信的发展过程，可以看到以下几点发展趋势： 1 由短波长向长波长发展； 2 由多模光纤向单模光纤发展； 3 由低速率向高速率发展； 4 由准同步数字体系( p d h ) 向同步数字体系发展( s d h ) ； 5 应用领域编辑市话、长途和接入网； 6 新技术、新器件层出不穷 总之，光纤技术将会在网络技术、单模光纤的传输技术、复用技术、器件集 成化、全光通信等方面获得进一步发展。 1 2 光纤通信系统的构成和分类。1 町 1 2 1 光纤通信系统的构成和传输原理 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发射 机，广义信道、光接收机组成。如图1 - 1 所示。此外，系统还包括一些互连和光 信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、光开关等。 在该系统中，信息源把用户信息转换成原始电信号，这种信号称为基带信号。 电发射机将该基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果经过调制，则 其输出信号称为己调信号。对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围 0 3 - - - 3 4 k h z 的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把 多路数字信号组合在一起。模数转换目前普遍采用脉冲编码调制( p c m ) 方式。 这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传 输速率为6 4 k b s 的数字信号，然后用数字复接器把2 4 路或3 0 路p c m 信号组合 成1 5 4 4 m b s 或2 0 4 8 m b s 的一次群甚至高次群的数字系列，最后输入光发射机。 2 第一章绪论 对于模拟视频传输，则用摄像机把图像转换为6 m l - l z 的模拟基带信号，直接输入 光发射机。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制信号( f m ) 、 脉冲频率调制( p f m ) 或脉冲宽度调制( p w m ) 信号，最后把这种己调信号输入到 光发射机。还可以采用频分复用的技术，用来自不同的信息源的视频模拟基带信 号( 或数字基带信号) 分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带 有信息的射频信号组合成多路宽带信号，输入光发射机，由光载波进行传输。在 这个过程中，受调制的射频电波称为副载波，这种采用频分复用的多路视频传输 技术，称为副载波复用( s 傩) 。 电 光 发 发 射 射 机 机 图1 - 1 光纤通信系统的组成 不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通 过调制转换成为光信号。光载波经光纤线路传输到接收端，再由光接收机将光信 号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收到的电信号 转换回基带信号，最后由信息终端恢复信息。在整个通信系统中，在光发射机之 前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电通信相同。不同 的是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光路系统代替了电路传输。 1 2 2 基本光路系统 1 光发射机 光发射机的作用是把输入的电信号转换成光信号并将光信号最大限度的注 入光纤传输系统。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，发射机的核心是光源。 对光源的要求是输出功率足够大，调制速率足够高，光谱线宽度和光束发散角小， 输出光功率和光波长要稳定，器件寿命长。目前最广泛使用的光源由半导体激光 器( 或激光二极管，l d ) 和半导体发光二极管( l e d ) 。普通的激光器谱线宽度较 宽，是多纵模激光器，在高速率调制下，激光器的输出频谱较宽，从而限制了码 率和中继距离。一种谱线宽度很窄的单纵模分布反馈( d f b ) 激光器已经逐渐被 第一章绪论 广泛应用。 光发射机把电信号转换成光信号的过程是通过电信号对光源进行调制实现 的。光调制有直接调制和间接调制( 外调制) 两种。直接调制是利用电信号注入 半导体激光器或发光二极管从而获得相应的光信号。其输出功率的大小随信号电 流的大小而变，这种方式较简单，容易实现，但调制速率受激光器特性所限制。 外调制是把激光器的产生和调制分开，是在激光形成后再加载调制信号，是用独 立的调制器对激光器输出的激光进行调制。 2 光纤线路 光纤线路是光信号的传输介质，把来自发射机的光信号以尽可能小的衰减和 脉冲展宽传送到接收机。对光纤的要求是光纤的基本传输参数色散和衰减要尽可 能小。光纤要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞合 在一起组成的光缆。整个光纤线路由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。 目前使用的光纤为石英光纤。石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的 波长区，即波长为8 5 0 n m ，1 3 1 0 n m ，1 5 5 0 n m 三个低损耗区。为此光纤通信系统的 工作波长只能选择在这8 5 0 n m 、1 3 1 0 h m 、15 5 0 n m 三个波长窗口。激光器的发射波 长、光电二极管p i n 的响应波长都与其一致。这三个低损耗窗口的损耗分别小于 2 d b k m 、0 4 d b k m 、0 2 d b k m 。石英光纤在1 3 1 0 n m 波长附近有一个零色散区， 其色散值可以做到最小，其带宽可以达到几十g h z k m 。通过光纤的设计，可以 将零色散波长移到1 5 5 0 n m 处，做成可以在波长1 5 5 0 n m 处实现损耗合色散都最小 的色散位移光纤。为适合光纤通信系统中的波分复用技术的应用，又制成了非零 色散位移光纤。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输性能比多模光 纤好，在大容量、长距离的光纤传输系统中都采用单模光纤。 3 光接收机 光接收机的功能是将由发送机发送的，经光纤线路传输后输出的己产生畸变 和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大、再生恢复为原来的电信号。 光接收机由光电二极管p i n 、放大器和相关电路组成。对光电二极管p i n 的 要求是响应度高、噪声 低、响应速度快。目前广泛使用的光电二极管p i n 由光电二极管( p i n ) 和 雪崩二极管( a p d ) 。 光接收机把光信号转换为电信号的过程是通过光电二极管p i n 实现的。光电 二极管p i n 检测的方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是由光电二极管 p i n 直接把光信号转换为电信号。外差检测是在接收机中设置一个本地振荡器和 第一章绪论 一个混频器，使本地振荡光和光纤输出的光进行混频产生差拍而输出中频信号， 再经过光电二极管p i n 把中频信号转换成电信号。这种外差检测方式中，对本地 激光器的要求很高，要求光源是频率非常稳定，谱线宽度很窄，相位和偏振方向 可控制的单模激光器。其优点是接收灵敏度高。目前实用的光纤通信系统中普遍 采用直接调制一直接检测方式。外差检测用在相干光纤通信，虽然外差调制一外 差检测的方式技术复杂，但有着传输速度高，接收灵敏度高等优点，所以是一种 应用前途的通信方式。 衡量接收机的质量的主要指标是接收机灵敏度。它表示在一定的误码率条件 下，接收机调整到最佳状态时接收微弱信号的能力。接收机的噪声是影响接收机 灵敏度的主要因素。 1 2 3 光纤通信系统的分类 根据传输信号的形式，光纤通信系统可分为数字光纤传输系统和模拟光纤传 输系统。 1 数字光纤传输系统 被传输的电信号是二进制数码0 和1 ，并采用基带传输方式，即把l 和0 以 脉冲电流形式直接调制光源的发光强度，或者以脉冲电压形式调制通过外调制器 的光波的强度。这种系统依赖于光接收机后的判决再生电路回复原始发送的信 码，从而具有各种数字传输系统所共有的优点：无噪声积累、抗干扰性强、可中 继多次和信号保密性好。另外收、发电路都采用大规模数字集成电路，因而设备 体积小、可靠性高、成本低。 这种系统所传输的信息内容过去与现在主要是电话，今后将逐渐包含越来越 多的视频节目( 按m p e g 制式编码的普通数字视频或高清晰度数字视频) 。光纤通 信系统的早期应用就是数字电话的局间中继，所传信号是按时分复用组合起来的 6 4 k b i t s 话音码。借助于时分复用，一根光纤可传输大量的电话信号。数字光 纤传输系统的性能指标主要是误码率和定时抖动。在满足误码率要求的条件下， 一个数字光纤传输系统的码速率距离乘积有一定的限度。 2 模拟光纤传输系统 模拟光纤通信系统是一种通过光纤信道传输模拟信号的通信系统，它的特点 是设备简单、造价低和方便利用电通信的一些成熟技术，它现在主要用于有线视 频、工业交通等领域的监控系统以及一些相对恶劣的应用环境下。和数字光纤通 信系统不同，模拟光纤通信系统采用参数大小连续变化的信号代表信息，要求在 电光转换过程中信号和信息存在线形对应关系。因此，对光源功率特性的线形要 求，对系统信噪比的要求都比较高。 5 第一章绪论 被传输的电信号主要是视频信号和音频信号。由于视频的基带图象和伴音副 载波信号占据着相当宽的频带，例如6 一- 8 m h z ，所以过去的视频音频光纤传输 系统大多采用节约带宽的模拟传输方式。而多路视频、音频信号则采用副载波复 用( s c m ) 模拟传输方式。把不同的视频音频信号分别调制在不同的电副载波上， 然后用多副载波的合成信号对光源作强度调制。在接收端利用不同的滤波器，就 可以取出所想要的己调副载波，然后解调出视频音频信号。视频音频信号对副 载波的调制方式有调频( f m ) 、残留边带调制( a m v s b ) 和数字调制等。借助于 上述副载波调制方式，就不但可以通过一根光纤同时传输许多路模拟视频、音频 信号，而且可以同时传输模拟视频音频信号和数字化的视频音频信号及其它数 据信号。 1 3 模拟光纤传输系统n 卜嘲 模拟光纤传输方式主要有以下几种方式： 1 模拟基带直接光强调制( d - i m ) 2 模拟间接光强调制方式 3 频分复用光强调制方式 1 3 1 模拟基带直接光强调制( d - l m ) 模拟基带直接光强调制( d i m ) 是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机 光源( l e d 或l d ) 进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟 基带信号的波形成比例。 模拟基带直接光强调制( d i m ) 光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收 机( 光探测器) 组成， 这种系统的方框图如图i - 2 所示： 赫耸啦孬一九 基带孳三墨兰仁 一萋 二垩i l 娟胪：t ， 发送机 i 。 光纤 ： 接收机 兀二i 1 _ 发送机 。 接收机 图卜2 模拟基带直接光强调制系统框图 1 评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪 比( s n r ) 和信号失真( 信号畸变) 。 6 第一章绪论 ( 1 ) 信噪比 正弦信号直接光强调制系统的信噪比主要受光接收机性能的影响，因而输入 到光探测器的信号非常微弱，所以对系统的s n r 影响很大。 ( 2 ) 信号失真 为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实地反映输入电信号，要求系 统输出光功率与输入电信号成比例地随时间变化，即不发生信号失真。 一般说，实现电光转换的光源，由于在大信号条件下工作，线性较差，所 以发射机光源的输出功率特性是d i _ m 系统产生非线性失真的主要原因。 1 3 2 模拟间接光强调制 模拟间接光强调制方式是先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然 后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制( i m ) 。 预调制主要有以下三种： a 、频率调制( f m ) ： b 、脉冲频率调制( p f m ) c 、方波频率调制( s w f m ) 。 1 3 3 频分复用 频分复用光强调制是用每路模拟视频基带信号，分别对某个指定的射频( r f ) 电信号进行调幅( a m ) 或调频( f m ) ，然后用组合器把多个预调r f 信号组合成多路 宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。光载波经光纤传 输后，由远端接收机进行光电转换和信号分离。因为传统意义上的载波是光载 波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的r f 电载波称为副载波，这种复用 方式也称为副载波复用( s c m ) 。 副载波复用( s c m ) 模拟视频光纤传输系统框图如下： 组 合 电 路 坼为调制器q 为解调器 肼为带通滤波器 l 阡为低通滤波器 图1 - 3 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 7 第一章绪论 1 s c m 模拟电视光纤传输系统的优点： 一个光载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载不同类型的业 务。 s c m 系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，制造成本较低。 前后兼容。不仅可以满足目前社会对电视频道日益增多的要求，而且便 于在光纤与同轴电缆混合的有线电视系统c ) 中采用。 2 副载波复用的实质是： 利用光纤传输系统很宽的带宽换取有限的信号功率，也就是增加信道带宽， 降低对信道载噪比( 载波功率噪声功率) 的要求，而又保持输出信噪比不变。在 副载波系统中，预调制是采用调频还是调幅，取决于所要求的信道载噪比和所占 用的带宽。本设计采用的就是调频系统。 1 4 本论文的主要工作和创新点 本论文对分布接入的视频光纤传输系统进行了总体设计和分析，同时进行了 具体的实验系统的方案设计，并且对实验方案进行了理论分析和调试。 论文中着重讨论了视频传输节点的设计，包括电路设计，器件的选择和参数 的确定以及p c b 电路板的设计与调试。根据微带电路设计理论，利用射频仿真软 件，进行p c b 电路板的设计和调试，成功的解决了阻抗匹配等高频电路问题。 实验中较好的实现了1 2 节点频分复用和波分复用的负载波复用的模拟光纤 视频传输系统，实现了单纤多节点多路视频信号的实时传输。 8 第二章分布接入的视频光纤传输系统 第二章分布接入的视频光纤传输系统 2 1 视频光纤传输系统概述 2 1 1 课题背景2 圳 视频监控的应用一般来讲分为两大类：一是集中监控，其特点是监控点分布 在一个较小的范围内或从从一定的范围来看可以看成是点到点的线路( 比如远程 无人监守机房，监控点分布在一个较小的机房内，监控中心与无人机房就可以看 成点到点) ，此时用点到点的传输技术就可以了。目前的产品应用主要集中在这 个领域，相关的技术问题解决的也比较好，市场相对成熟一些。可以采用传统的 模拟视频监控系统、也可以采用数字视频技术( 压缩或非压缩的) 。 视频监控的另外一大类应用是分布接入的的视频监控。监控点分散在一个很 大的范围内( 如高速公路、铁路、长距离管线、边界的监控等) ，以高速公路为 例，如果每公里设置1 个监控点，1 0 0 公里的公路上就需要1 0 0 个监控点。由于 传统的模拟视频传输技术无法联网，只能对于每个监控点采用点对点的方式监视 现场，导致布线工程量极大，基本上不可能实际应用。非压缩的数字视频技术在 接入点较多的情况下需要很高的系统带宽和全网同步，导致每个节点非常复杂， 成本过高，基本也很难实际应用。目前只有采用压缩的数字视频信号+ t c p i p 构成计算机网络的传输技术在类似的分布接入的视频监控系统中有应用，但是由 于每个节点都必须有压缩、协议转换等过程，每个节点仍过于复杂，成本高( 目 前的估算，每个节点在l o 万人民币左右) ；系统速率受到计算能力( 主要是协议 处理) 的限制而很难提高，大大限制了该应用的推广。另外，计算机网络中采用 的是带宽独占方案，当接入节点较多时，图像的实时性很难保证，对于很多实时 要求高的场合，也无法满足系统要求。 综上所述，目前视频光纤传输和监控领域中所采用点到点的光纤传输，这样 尽管可以做到长距离传输监控，但是却存在着不能灵活的接入新的监控节点和无 法实现大范围的分布接入的监控的缺点，并且点对点光纤传输中光纤中传输一个 波长，光纤的宽带宽特性没有得到有效利用另外，在采用计算机网络传输技术的 视频传送方案中，存在着带宽资源难以得到保证，接入节点个数受到限制的不足。 9 第二章分布接入的视频光纤传输系统 2 1 2 视频光纤传输系统方案 为了实现长距离大范围的实时监控，就必须解决带宽资源的问题：同时，还要 解决接入节点个数受到限制，接入方式不灵活的缺点为了解决这些问题，我们 提出了一种新的视频光纤传输系统方案以及相应的发射接收模块。 视频发射接收模块采用分布接入从而解决了多路视频信号在多个接入点分 布接入的技术难题。并且多路信号可以在1 根光纤上同时实时传输，实现了大范 围的视频监控和监控节点的灵活接入，同时解决了带宽资源受限和全网同步问题， 提高了光纤通道的利用率。 2 1 3 系统要求和设计 1 总体要求 本视频传输系统要求：在公路干线上，每1 公里设置一个摄像监测点，沿公 路干线共设置1 0 0 个监测点，并将每个节点摄像监测得到的视频信号实时的、无 明显失真的传送到总监测室。 2 总体设计 根据系统的总体要求，考虑到传输信号为视频信号，传输信号的路数，传输 距离及传输的实时性等因素，我们决定采用副载波复用( s c m ) 技术和光波分复 用( w d m ) 技术相结合的视频光纤传输系统。此方案充分利用了光纤自身的优点， 如频带宽，传输容量大，损耗低，传输距离长，抗电磁干扰性能好等等，又通过 两种光复用技术的结合，进一步挖掘光纤的带宽资源，减少了光纤线路铺设的路 数，一定程度上降低了成本。 本视频光纤传输系统进一步根据系统成本的高低、实现的难易程度，决定采 用4 路调频信号( f m ) 频分复用( f d m ) 的副载波调制( s c m ) 技术与2 5 路光波 波分复用( w d m ) 技术相结合的方案来实现1 0 0 个摄像监测点的视频信号传输， 总体框图以及各个模块的框图如图2 一l 、2 2 、2 - 3 所示。 】o 第二章分布接入的视频光纤传输系统 o a d m 卜 接收 上t 节点 视频发射模块 节点1节点2 5节点2 6节点1 0 0 图2 1 系统总体框图 - i 光电探钡8 器i -放大电路 y m w ”li ”i 合 路 器 晦像头卜砷m 视频信号调制器卜一- 图2 - 2 视频发射模块框图 图2 - 3 接收节点框图 2 2 视频光纤传输系统工作原理和实现 2 2 1 系统的工作原理 本系统将节点1 2 5 输入的视频信号分别通过f m 视频信号调制器对频率为 f 1 的载波进行频率调制( f m ) ，然后将得到的调频信号分别对每个节点相对应的 不同波长( 九1 ，入2 ，入2 5 ) 的光载波进行直接光强度调制；相似的，将节点 2 6 一5 0 输入的视频信号通过f m 视频信号调制器调制到频率为f 2 的载波上，然 后再分别对与相应节点对应的波长( 入l ，入2 ，入2 5 ) 的光载波进行直接光强 度调制，将节点5 1 - 7 5 输入的视频信号通过f m 视频信号调制器调制到频率为 f 3 的载波上，然后再分别对与相应节点对应的波长( 入1 ，入2 ，入2 5 ) 的光 载波进行直接光强度调制，将节点7 6 1 0 0 输入的视频信号通过f m 视频信号调 制器调制到频率为f 4 的载波上，然后再分别对与相应节点对应的波长( 入l ， 第二章分布接入的视频光纤传输系统 入2 ，入2 5 ) 的光载波进行直接光强度调制。 在信号传输的过程中，从节点1 到节点2 5 ，后一个节点上的光分插复用器 将前一个节点发来的光信号与本节点上的光信号进行复用合为一路信号，并发送 到下一个节点，再与下一个节点的光信号进行两路光信号的波分复用。由于节点 2 6 5 0 ，节点5 1 - 7 5 ，节点7 6 1 0 0 所采用的光波长均依次对应为入1 ， 入2 ，入2 5 ，而每组节点调频所采用的载波频率为f 2 ，f 3 ，f 4 。所以当信号传递 至节点2 6 ( 或2 5 + n ( 0 n 2 6 ) ) 时，首先节点上的解复用器将波长为入1 ( 或入1 3 ) 的光信号分离出来，并通过p i n 光电二极管把调频信号检测出来，然后通过放大 电路进行放大，之后与节点2 6 ( 或节点2 5 + n ( o n 2 6 ) ) 上的载波为f 2 的调频 信号通过合路器进行频分复用( f d m ) 合为一路信号，然后此信号对波长为入l 光载波进行直接光强度调制，并通过波分复用器与分离出来的另一路信号进行复 用合为一路并向下一个节点传输。节点5 l 7 5 ，节点7 6 1 0 0 的工作原理与之 类似。 在接收节点处( 相当于总监测室) ，解复用器( d w d m ) 将光纤传输来得复用 信号进行解复用，将2 5 路不同光载波波长的光信号分开，并通过p i n 光电二极 管对每路光信号进行光电检测，将每个载波上的频分复用信号检测下来。接着频 分复用信号经过分段带通滤波器，不同载波的调频信号相互分开，然后分别经过 相对应的解调器进行解调( d f m ) ，再经过放大电路放大，最终将摄像监测点发来 的视频信号还原出来。 2 2 2 系统方案的具体实现， 整个方案是由1 0 0 个节点组成的庞大的实验系统，受到成本以及实验空间等 因素的限制，因此整个方案的实现存在着诸多的困难。由于各个节点的结构十分 相似，所以在实验室的环境下，我们对具有代表性的几个波长( 入l ，入2 ，入3 ， 入4 ) 和频率( f l ，f 2 ，f 3 ) 进行选取节点，以减少节点的个数，来组成实验系 统，以实现整个实验方案的结构和功能。 1 2 第三章分布接入的视频光纤传输系统实验系统的分析与设计 第三章分布接入的视频光纤传输系统实验系统的分析与设计 3 1 实验系统的具体设计 因为整个系统是由1 0 0 个相邻间隔为i k m 的摄像监测发送节点和1 个接收节 点组成，所以如果在实验室条件下实现整个系统，那么所需要的工作量和资金数 额是惊人的，并且也会造成大量的不必要的人力物力财力的浪费。经过前面的讨 论我们可以发现，节点2 - 2 5 中的每个节点的内部结构都是十分相似的，不同之 处只是在于它们进行光强度调制的光载波波长不同，依次为入2 ，入3 ，入2 5 。 另外，节点2 6 - 5 0 ，节点5 1 - 7 5 ，节点7 6 - 1 0 0 这三组发送节点组内节点结构和组 间节点结构都是十分相似的。不同之处只是在于频率调制的载波频率和光载波的 波长有所区别。 根据上面的分析，我们决定采用节点1 、2 、3 、2 6 、2 7 、2 8 、5 6 、5 7 、5 8 、 7 6 、7 7 、7 8 十二个节点为代表组成实验系统的发送和传输部分，再加上相应的 接收节点就组成了视频光纤传输系统的实验系统，我们对选取的节点进行编号， 其中，节点1 、5 、9 采用光波长为入1 的激光器，载波频率分别为f l 、f 2 、f 3 的视频信号调制器；节点2 、6 、1 0 采用光波长为入2 的激光器，载波频率分别 为f l 、f 2 、f 3 的视频信号调制器；节点3 、7 、1 1 采用光波长为入3 的激光器， 载波频率分别为f 1 、f 2 、f 3 的视频信号调制器；节点4 、8 、1 2 采用光波长为入4 的激光器，载波频率分别为f 1 、f 2 、f 3 的视频信号调制器；得到的实验系统如 图3 - 1 、图3 - 2 、图3 - 3 所示。 io a d m 卜+接收 0t 节点 视频发射模块 节点1 节点2 节点3 节点1 2 图3 - i 实验系统框图 第三章分布接入的视频光纤传输系统实验系统的分析与设计 - | 光电探测器放大电路 厶 口 路 器 腹像头卜_ 叫m 视频信号调制器卜_ - 图3 - 2 视频发射模块 图3 3 接收节点 前面我们已经介绍了总体系统的工作原理，在此基础上我们对实验系统的工 作过程作一介绍：该实验系统由十二个发送节点和一个接收节点组成，采用三路 调频信号频分复用( f d m ) 和四路光信号波分复用( w d m ) 相结合的技术进行传输， 最后在接收端进行解复用将原始信号恢复出来。 在节点l 中，载波为f l 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号再对波长为入1 的激光器进行光强度调制然后经光纤向节点2 中 o a d m 进行传输。 在节点2 处，载波为f 1 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号再对波长为入2 的激光器进行光强度调制然后经o a d m 与节点1 发射传输过来的信号实现波分复用并将信号向节点3 传输。 在节点3 处，载波为f l 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号再对波长为入3 的激光器进行光强度调制然后经o a d m 与节点2 发射传输过来的信号实现波分复用并将信号向节点4 传输。 在节点4 处，载波为f 1 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号再对波长为入4 的激光器进行光强度调制然后经o a d m 与节点3 发射传输过来的信号实现波分复用并将信号向节点4 传输。 在节点5 中，o a d m 接收到由节点4 发射传输过来含有入1 、入2 、入3 、入4 1 4 第三章分布接入的视频光纤传输系统实验系统的分析与设计 四个波长的光信号，并且将波长为入1 的光信号进行下路，经光电探测器进行光 电转换，再经过放大电路对载波频率为f 1 的调频信号进行放大；同时，载波频 率为f 2 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号与放 大电路输出的载频为f 1 的调频信号通过合路器进行频分复用，复用信号对波长 为入1 的信号进行光强度调制。光信号经过上行通道与波长为入2 、入3 、入4 的 光信号再次波分复用为一路信号向节点6 传输。 在节点6 中，o a d m 接收到由节点5 发射传输过来含有。入1 、入2 、入3 、入4 四个波长的光信号，并且将波长为入2 的光信号进行下路，经光电探测器进行光 电转换，再经过放大电路对载波频率为f 1 的调频信号进行放大；同时，载波频 率为f 2 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号与放 大电路输出的载频为f 1 的调频信号通过合路器进行频分复用，复用信号对波长 为入2 的信号进行光强度调制。光信号经过上行通道与波长为入l 、入3 、入4 的 光信号再次波分复用为一路信号向节点7 传输。 在节点7 中，o a d m 接收到由节点6 发射传输过来含有入1 、入2 、九3 、入4 四个波长的光信号，并且将波长为入3 的光信号进行下路，经光电探测器进行光 电转换，再经过放大电路对载波频率为f 1 的调频信号进行放大；同时，载波频 率为f 2 的视频信号调制器将摄像头输出的视频信号进行f m 调制，调频信号与放 大电路输出的载频为f 1 的调频信号通过合路器进行频分复用，复用信号对波长 为入3 的信号进行光强度调制。光信号经过上行通道与波长为入1 、入2 、入4 的 光信号再次波分复用为一路信号向节点8 传输。 在节点8 中，o a d m 接收到由节点5 发射传输过来含有入l 、入2 、入3 、入4 四个