模擬光纖技術(shù)

基帶視頻信號(hào)直接光強(qiáng)度調(diào)制的工作原理是在光發(fā)射端通過(guò)基帶視頻信號(hào)直接調(diào)制光源，使輸出光的強(qiáng)度隨電視信號(hào)的幅度線性變化，然后在光接收端通過(guò)光電探測(cè)器將光信號(hào)還原成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和增益控制電路，得到穩(wěn)定的視頻信號(hào)。

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(diǎn)是性能穩(wěn)定，線性度好，在多模光纖中不會(huì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(cè)器的靈敏度為-30 dBm，因此光傳輸動(dòng)態(tài)范圍為14 dB，在多模光纖中最遠(yuǎn)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(yuǎn)距離應(yīng)用要求，傳輸距離可達(dá)30 公里。但是和LED 相比，LD 光源的線性度不好，在電路設(shè)計(jì)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(dòng)增益控制電路，其作用除了可以使接收機(jī)的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大外，更重要的是因?yàn)檫@種系統(tǒng)接收端的輸出信號(hào)是隨著收到的光功率的大小而變化的，因而自動(dòng)增益控制使接收端電視信號(hào)輸出電平維持衡定的接口電平。

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(hào)幅度大小呈線性變化，而脈寬保持不變。PFM 是信號(hào)光強(qiáng)度調(diào)制前的一種預(yù)處理過(guò)程，信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制后，頻譜會(huì)變寬，并以此可以換取傳輸質(zhì)量的提高。而PFM 處理帶來(lái)的傳輸帶寬的增加，對(duì)于帶寬極寬的光纖來(lái)說(shuō)并不存在什么問(wèn)題，而且由于光源的非線性對(duì)系統(tǒng)的影響不大，故光調(diào)制深度可以增加，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信噪比。

通過(guò)脈沖頻率調(diào)制可實(shí)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(duì)幾種方案做簡(jiǎn)要描述。

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(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)加重，進(jìn)行PFM 調(diào)制，然后去調(diào)制激光器。而在接收端通過(guò)PIN 管將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)PFM 解調(diào)恢復(fù)出視頻信號(hào)。

圖1 單路視頻傳輸系統(tǒng)原理圖

視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)PFM 后，頻譜呈第一類貝塞爾函數(shù)分布，頻譜中含有無(wú)窮多個(gè)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(jì)，因此PFM 信號(hào)可近似認(rèn)為具有有限頻譜?；鶐б曨l信號(hào)的帶寬為8MHz，經(jīng)過(guò)PFM 調(diào)制后，信號(hào)帶寬可限定在30 MHz以上而不會(huì)明顯影響PFM 性能。

不同于基帶視頻信號(hào)直接光強(qiáng)度調(diào)制方式，該系統(tǒng)對(duì)發(fā)光器件沒(méi)有特殊要求，可以根據(jù)實(shí)際工程需要選用不同的發(fā)光器件。如多模850nm 波長(zhǎng)LED 滿足4 公里以內(nèi)應(yīng)用，單模1310nm波長(zhǎng)LD 滿足30 公里以內(nèi)應(yīng)用，單模1550nm 波長(zhǎng)DFB 激光器滿足100 公里以內(nèi)應(yīng)用。無(wú)論是多模LED，還是單模LD，系統(tǒng)都具有良好的性能。批量測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(hào)解調(diào)輸出噪聲功率譜密度和調(diào)頻信號(hào)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(jì)中往往采用預(yù)加重和去加重電路。預(yù)加重使視頻信號(hào)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(shí)，由于信號(hào)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(duì)低頻成分起著壓縮作用，也壓縮了亮度信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而降低了微分增益和微分相位的失真。

通過(guò)將多路視頻分別調(diào)制于不同的頻率范圍，然后進(jìn)行頻分復(fù)用，可以在單根光纖中實(shí)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(guò)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(shí)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(huì)隨時(shí)間和溫度漂移，加上帶通濾波器的特性也會(huì)隨溫度變化，給多路視頻復(fù)用帶來(lái)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。