AM/PFM 模拟光纤传输系统的技术应用

      在图象光纤传输中，就信号的调制方式而言，可分为数字光纤传输和模拟光纤传输。数字信号便于进行数字处理，传输中抗干扰、抗杂波能力强，无噪声积累，并且多路低速数字信号可很方便地复接成一路高速的数字信号，它是多路图象、远距离、高品质传输的主要方式。然而，模拟光纤传输具有技术成熟、设备简单、价格便宜，且与现有的模拟图象信号相兼容的特点，因此在图象监控工程中，模拟光纤传输仍得广泛应用。本文将对监控图象模拟光纤传输的主要方式和技术特点作简要分析。

    监控图象模拟光纤传输方式中，常用的有基带视频信号直接光强度调制（简称AM）、脉冲频率调制（PFM）等方式。

1  基带视频信号直接光强度调制

    基带视频信号直接光强度调制的工作原理是在光发射端通过基带视频信号直接调制光源，使输出光的强度随电视信号的幅度线性变化，然后在光接收端通过光电探测器将光信号还原成电信号，经过放大和增益控制电路，得到稳定的视频信号。

    在该系统中，通常采用发光二极管（LED）作为光源。LED 的特点是性能稳定，线性度好，在多模光纤中不会产生模噪声，因此能得到较好的信噪比、微分增益和微分相位。实验证明：以LED 为光源的光传输系统中，系统性能指标：加权信噪比为54dB，微分增益为5%，微分相位为5°。目前LED 的工作波长为850nm，适合在多模光纤850 nm 窗口传输。LED 光源的输出光功率典型值为-16dBm，而光电探测器的灵敏度为-30 dBm，因此光传输动态范围为14 dB，在多模光纤中最远可传输4 公里。

    当然也可以采用LD作为光源。LD 可工作在单模1310 nm 窗口，由于单模1310 nm 窗口损耗小（考虑附加损耗后每公里0.45dB），可以满足远距离应用要求，传输距离可达30 公里。但是和LED 相比，LD 光源的线性度不好，在电路设计中必须增加预失真电路。因此增加了硬件成本和调试难度。

    在接收端，必须具有自动增益控制电路，其作用除了可以使接收机的信号动态范围扩大外，更重要的是因为这种系统接收端的输出信号是随着收到的光功率的大小而变化的，因而自动增益控制使接收端电视信号输出电平维持衡定的接口电平。

2  脉冲频率调制

    脉冲频率调制传输方式是目前模拟视频光纤传输方式中传输质量最高的方式之一，其原理是调制脉冲重复频率随信号幅度大小呈线性变化，而脉宽保持不变。PFM 是信号光强度调制前的一种预处理过程，信号经过脉冲调制后，频谱会变宽，并以此可以换取传输质量的提高。而PFM 处理带来的传输带宽的增加，对于带宽极宽的光纤来说并不存在什么问题，而且由于光源的非线性对系统的影响不大，故光调制深度可以增加，进一步提高系统的信噪比。

    通过脉冲频率调制可实现单路视频传输，多路视频传输，视频/数据传输。下面对几种方案做简要描述。

2.1 单路视频传输

    单路视频传输系统工作原理如图1，在发射端基带视频信号经过预加重，进行PFM 调制，然后去调制激光器。而在接收端通过PIN 管将光信号转化成电信号，经过PFM 解调恢复出视频信号。

图1 单路视频传输系统原理图

    视频信号经过PFM 后，频谱呈第一类贝塞尔函数分布，频谱中含有无穷多个频率分量，但功率谱主要集中在载波和低次谐波分量上，高次边频分量可略去不计，因此PFM 信号可近似认为具有有限频谱。基带视频信号的带宽为8MHz，经过PFM 调制后，信号带宽可限定在30 MHz以上而不会明显影响PFM 性能。

    不同于基带视频信号直接光强度调制方式，该系统对发光器件没有特殊要求，可以根据实际工程需要选用不同的发光器件。如多模850nm 波长LED 满足4 公里以内应用，单模1310nm波长LD 满足30 公里以内应用，单模1550nm 波长DFB 激光器满足100 公里以内应用。无论是多模LED，还是单模LD，系统都具有良好的性能。批量测试结果表明，系统经过光纤传输后，系统主要指标为：加权信噪比为60dB，微分增益为3%，微分相位为3°。

    由于PFM 信号解调输出噪声功率谱密度和调频信号解调输出噪声功率谱密度一样，呈三角形噪声特性，造成高频端噪声大而低频端噪声小的现象。为了克服这种现象，在设计中往往采用预加重和去加重电路。预加重使视频信号在频率上人为地加以预倾斜，使高频端升高，低频端压低。在接收端解调时，由于信号高频端电平提升而使解调信噪比有所提高，而低频端则有所降低，从而均衡了带内信噪比的分布。另外，预加重对低频成分起着压缩作用，也压缩了亮度信号的动态范围，从而降低了微分增益和微分相位的失真。

2.2 多路视频传输

    通过将多路视频分别调制于不同的频率范围，然后进行频分复用，可以在单根光纤中实现多路视频传输。其发射部分原理框图如图2，接收部分原理是发射部分的逆过程。

    从理论上讲，光纤和光器件的带宽极大，完全满足8 路以上多路视频频分复用的带宽要求。但实际上由于目前采用的分立元件，特别是高频电容和电感的精密度和稳定性不够，使得PFM中心频率的稳定性不好，中心频率会随时间和温度漂移，加上带通滤波器的特性也会随温度变化，给多路视频复用带来很多不稳定因素。所以目前较为成熟的也只是四路图象的频分复用。

2.3 视频/数据传输

    通过PFM 方式不仅可以完成较高质量的视频传输，而且可以完成一路甚至多路双向数据传输。正向数据工作原理是在发射端首先将数据信号进行FSK 调制，再将FSK 信号和视频基带信号混合，然后将混合信号进行PFM 调制。在接收端首先进行PFM 解调，通过带通滤波器分离出视频信号和FSK 信号，最后进行FSK 解调，还原出数据信号。反向数据则直接对发光器件进行强度调制。原理框图如图3。

    视频、数据混合传输存在两个问题：
    （1） 视频和正向数据间相互干扰。由于数据信号经过FSK 调制和带通滤波后仍存在较丰富的谐波成分，这些谐波成分会影响视频信号，使视频信号受到干扰。为了降低这种干扰，可以通过降低FSK 幅度的方法来实现，但FSK 幅度过低会造成数据解调不出来或数据误码过高。
    （2） 数据速率不高。目前比较成熟的FSK 技术适合于速率为1Mbps 的数据信号的调制解调，在异步数据通信中往往采用8 倍的过采样，所以这种FSK 技术可以传输一路速率为115.2Kbps 的高速异步数据。但如果要传输多路异步数据，异步数据的速率则远低于115.2Kbps。

3  结论

    模拟光纤传输系统可采用基带视频信号直接光强度调制和脉冲频率调制方式。基带视频信号直接光强度调制方式设备简单、价格便宜，适合于单路视频传输。脉冲频率调制方式得到的视频质量高，满足0~100 公里不同距离视频传输要求。该方式虽然可以完成多路视频传输及视频和数据的混合传输，但由于模拟技术的局限，这种应用不久将会被数字方案所取代。