光纤传输在视频监控系统中的应用

光纤传输在视频监控系统中的应用（图）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=10