数字电视光纤传输系统设计.doc

数字电视光纤传输系统设计摘要：电视是20世纪发展起来的一门学科技术，电视接收机是广播电视系统的终端设备。而数字电视是指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。利用光纤传输数字电视节目具有频带宽、容量大、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高等优势。本文以数字电视为基础对数字电视光纤传输系统进行了分析与设计。关键词：数字电视 光纤传输 光端机 无源器件课程设计的教学目的1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。2）巩固所学的光纤通信及SDH技术知识，培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力，培养初步的独立设计能力。3）掌握文献资料的检索与运用，并学会撰写严谨流畅的设计文档。1 数字电视1.1 数字电视的含义数字电视是电视数字化和网络化后的产物。其实，“数字电视”的含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。也可以说数字电视是在信源、信道、信宿三个方面全面实现数字化和数字处理的电视系统。该系统所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的数字流来传播的，数字信号的传播速率是每秒19.39兆字节，如此大的数据流的传递保证了数字电视的高清晰度，克服了模拟电视的先天不足。1.2数字电视的工作原理数字电视就是包括节目摄制、编辑、发送、传输、存储、接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电视系统。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播、光缆或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。 图1-1数字电视系统框图Fig.1-1 System block diagram of digital TV1.3数字电视的优势1）图像传输质量高，距离远模拟电视图像信号在传输过程中，要受到传输信道特性和噪声干扰等影响，质量不高，而且经过多次转换传输，图像质量会进一步下降，而这些影响对于数字电视信号来说有些是不存在的。在数字信号传输过程中，不会降低信噪比，收端图像质量基本保持与发端一致，且传输距离不受限制。2）频谱资源利用率高频谱资源是重要的国家资源，模拟电视的频谱资源有限，一套模拟电视节目要占用36MHz宽带的卫星转发器，占用8MHz的地面电视广播和有线电视频带。而数字电视采用压缩编码技术，在36MHz的卫星转发器中传5套SDTV节目，在一个8MHz频道内传输4套以上的SDTV节目。3）节省发送功率，覆盖范围广数字电视发射设备在相同覆盖服务区所需的平均功率，比模拟电视发射设备的峰值功率要低一个数量级。4）信号稳定可靠，设备维护简单模拟电视信号数字化后，信号以二进制的形式出现，它只有“0”和“1”两种状态，二进制数字信号不受电源波动、器件非线性的影响，所以信号能保持稳定、可靠。5）灵活友好的人机界面灵活和易用的人机交互界面。便于普通群众操作，除显示设备外，容易系统集成而大规模生产，价格低廉，便于推广普及。6）易于实现条件接收数字电视信号容易进行加密加扰，有利于信息安全，便于付费电视、视频点播及交互式电视。2 光纤传输系统2.1 光纤光纤是光导纤维的简写，它是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。它主要是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输提供反射面和光隔阂，并在起一定的机械的保护作用。经过了几十年的发展，人们已经可以生产出各种各样的光纤。不同种类的光纤，由于其传输特性不同，会有不同的适用范围。按光在光纤中的传输模式划分，可分为多模和单模光纤两种。常用多模光纤的直径为125m，其中芯径一般在 50100m之间。在多模光纤中，可以有数百个光波模在传播。多模光纤一般工作于短波长（0.8m）区，损耗与色散都比较大，带宽较小，适用于低速短距离光通信系统中。多模光纤的优点在于其具有较大的纤芯直径，可以用较高的耦合效率将光功率注入到多模光纤中。常用单模光纤的直径也为125m，芯径为812m。在单模光纤中，因只有一个模式传播，不存在模间色散， 具有较大的传输带宽，并且在1 550 nm波长区的损耗非常低（约为0.20.25 db/km），因而被广泛应用于高速长距离的光纤通信系统中。使用单模光纤时，色度色散是影响信号传输的主要因素，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性都有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模光纤一般必须使用半导体激光器激励。按折射率分布的情况化分，可分为突变折射率光纤和渐变折射率光纤。突变折射率光纤从芯层到包层的折射率是突变的。多模阶跃折射率光纤的成本低，模间色散高，适用于短距离低速通信。多模渐变折射率光纤从芯层到包层的折射率是逐渐变小，可使高阶模按正弦形式传播，这样能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高。现在所使用的多模光纤多为渐变折射率光纤。2.2 光纤传输2.2.1 光纤传输原理光纤传输，即以光线为介质进行传输。光纤，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。其数据传输率能达几千Mbps。如果在不使用中继器的情况下，传输范围能达到6-8km。图1-2 光纤传输系统Fig.1-2 Optical fiber transmission system2.2.2 光纤传输的特点光纤传输之所以受到人们的极大重视，这是因为和其他手段相比，具有无以伦比的优越性。1）通信容量大从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路，虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输50万个话路（40Gb/s）的试验已经取得成功，它比传统的同轴电缆、微波等高出几千乃至几十万倍以上。2）中继距离长由于光纤具有极低的衰减系数，若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上，这是传统的电缆、微波无法为与之相比的。3）保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，即没有任何纤间串扰，不易被窃听，因此其保密性能极好。4）抗电磁干扰能力强光纤是不用金属的光导纤维，即使工作在电磁场附近的环境中，光纤也不会产生感应电压和感应电流，这有利于传送动态图像。5）体积小、重量轻光线直径一般只有几微米到几十微米，相同容量的话路光缆，要比电缆轻90%95%，直径不到电缆的1/5。 2.3光缆2.3.1光缆的结构光缆一般由缆芯和护套组成，有时在护套外面加有铠装。缆芯通常包括被覆光纤和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常在缆芯中心，有时配置在护套中。护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。2.3.2光缆的类型光线的类型多种多样，根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本形式。1）层绞式，把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。2）骨架式，把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。3）中心束管式，把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于以减轻光缆的重量。4）带状式，把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式的结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽或松套管中，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。3 光端机光端机，就是光信号传输的终端设备。在远程光纤传输中，光缆对信号的传输影响很小，光纤传输系统的传输质量主要取决于光端机的质量，因为光端机负责光电转换以及光发射和光接收，它的优劣直接影响整个系统，所以就需要众多新用户或对此有意向的用户对光端机的性能和应用有所了解，才能更好地配置和进行采购。3.1 光端机的功能光端机是用来将光信号和电信号互相转换的一种设备，它对所传信号不会进行任何压缩，因此光端机也是一个延长数据传输的光纤通信设备，它主要是通过信号调制、光电转化等技术，利用光传输特性来达到远程传输的目的。光端机一般成对使用，分为光发射机和光接收机，光发射机完成电/光转换，并把光信号发射出去用于光纤传输；光接收机主要是把从光纤接收的光信号再还原为电信号，完成光/电转换。光端机作用就是用于远程传输数据。 3.2 光端机的选型对于数字光端机，光纤中只有“有光”和“无光”两种状态，因而对光源的线性要求不高或几乎没有要求，从而避免了信号在处理过程中的损失。另外，数字光端机比较容易实现多通道、多种信号的混合传输。由于都只转换为数字信号，借助TDM（时分复用）技术就能很容易地实现多通道多种信号的传输。现在已有光端机生产厂商能够做到在一个波长通道上一次传输10路非压缩实时视频图像。光纤网络拓扑方式决定了视频光端机类型。根据光纤传输网络拓扑型式除可选择传统的点对点传输光端机外，还有节点式和环网式光端机可供选择。节点式视频光端机将前端各节点组成链网或树型网络，节点机在每个节点首先将信号接收下来，转换成电信号，再和本地节点的信号交换复用，光电转换后采用WDM技术复用到一条光纤上传输。在每个节点不进行模数转换，降低了信号衰减。环网式光端机将各主要节点连成环网，并且通过光分支的型式还可以有星型分支，可以做到网络拓扑的随意性，做到全网信息的共享等许多独特的功能。多模或单模光缆，光纤网络是由多模或单模光缆组成，这就决定了选用多模端机还是单模端机。相对于多模光纤，单模光纤传输距离更远、信息容量更大、速度更快。3.3 光端机的技术指标3.3.1光口连接型式视频光端机与光纤网络的连接头可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT 等型式，目前应用最广的只有FC、SC 和ST 三种。一般长距离或大容量通信大多使用FC或SC 型连接器，其优点是插入损失小、安装容易、稳定性高。其中又以FC连接头更好，由于它采用螺纹紧固，能提供稳定可靠的连接。SC 连接头是插拨式的，多次插拔之后连接头的可靠性会降低。短距离信号传输则较多用ST 型连接器，且多用于多模系统，因为其精度要求不高，成本也就较低。3.3.2 带宽 光端机的带宽（Bandwidth）是指光端机的实际可正常工作的频率范围，单位是赫兹（Hz）。通常，这个范围越大，就说明光端机的理论适应性能越强。例如，某视/音频光端机的视频带宽是2Hz10MHz，音频带宽为40Hz20KHz，体现了较强的动态范围宽度。3.3.3 信噪比 信噪比（SNK:Sighal To Noise Ratio ）是指光端机音源产生最大不失真声音信号强度与同时发出的噪音强度之间的比率，通常以S/N表示，一般用分贝（dB）为单位。信噪比越高表示音频质量越好，一般音频光端机的信噪应该在60dB以上。3.3.4 误码率 误码率（BER：bit error ratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。如果有误码就有误码率。 （3-1）3.3.5 信号电平信号电平（signal level）是指设备输出信号和输入信号的功率比然后取对数值，通常用P表示。 （3-2）3.3.6 信号阻抗信号阻抗（Sighal Inpedance）是指输入信号的电压与电流的比值。单位通常是欧姆（）。由于单位是欧姆，所以同样适用于欧姆定律，即在相同电压下，阻抗愈高将流过愈少的电流，阻抗愈低会流过愈多的电流。 3.3.7 光功率光功率是指光在单位时间内所做的功。单位常用毫瓦(mw)和分贝(db)表示,其中两者的关系为：1mw=0db.而小于1mw的分贝为负值。4 光无源器件无源器件包括分支器、分配器、系统输出口、滤波、均衡、衰减、各种接插件等，是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等。4.1 连接器插头使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接；插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其主要尺寸如下： 外径 2.4990.0005mm 外径不圆度 0.0005mm 微孔直径 1260.5m 微孔偏心量 1m 微孔深度 4mm 或 10mm 插针外圆柱体光洁度 14 端面曲率半径 20-60mm 插针和光纤相结合成为插针体。插针体的制作是将选配好的光纤插入微孔中，用胶固定后，再加工其端面，插头端面的曲率半径对反射损耗影响很大，通常曲率半径越小，反射损耗越大。插头按其端面的形状可分为3类：PC型、SPC型、APC型。PC型插头端面曲率半径最大，近乎平面接触，反射损耗最低；SPC型插头端面的曲率半径为20mm，反射损耗可达45dB，插入损耗可以做到小于0.2dB；反射损耗最高的是APC型，它除了采用球面接触外，还把端面加工成斜面，以使反射光反射出光纤，避免反射回光发射机。斜面的倾角越大，反射损耗越大，但插入损耗也随之增大，一般取倾角为8o9o，此时插入损耗约0.2dB，反射损耗可达60DB，在CATV系统中所有的光纤插头端面均为APC型。要想保证插针体的质量，光纤的几何尺寸必须达到下列要求：光纤外径比微孔直径小0.0005mm；光纤纤芯的不同轴度小于0.0005mm。因此，插针和光纤以及两者的选配对连接器插头的质量影响极大，也是连接器插头质量好坏的关键。不同厂家的产品工艺水平不一样，因而差别就很大，在实际应用中，本人也曾多次碰到一个插头插损1dB以上的情况，而正常值一般小于0.3dB。在工程应用中，不要小看一个小小的插头，质量低劣的插头对系统的影响是和很大的。 4.2 跳线将一根光纤的两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是跳线的特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。在工程及仪表应用中，大量使用着各种型号、规格的跳线，跳线中光纤两头的插头可以是同一型号，也可以是不同的型号。跳线可以是单芯的，也可以是多芯的。跳线的价格主要由接头的质量决定。因而价格也相差较大。在选用跳线时，本着质优价廉去选是不错，但一定不要买质次价低的产品。 4.3 转换器把光纤接头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器，转换器俗称法兰盘。在CATV系统中用得最多的是FC型连接器；SC型连接器因使用方便、价格低廉，可以密集安装等优点，应用前景也不错，除此地外，ST型连接器也有一定数量的应用。 1）FC型连接器。FC型连接器是一种用螺纹连接，外部元件采用金属材料制作的圆形连接器。它是我国采用的主要品种，在有线电视光网络系统中大量应用；其有较强的抗拉强度，能适应各种工程的要求。 2）SC型连接器。SC型连接器外壳采用工程塑料制作，采用矩形结构，便于密集安装；不用螺纹连接，可以直接插拔，操作空间小。实用于高密集安装，使用方便。 3）ST型连接器。ST型连接器采用带键的卡口式锁紧结构，确保连接时准确对中。 这三种连接器虽然外观不一样，但核心元件套筒是一样的。套筒是一个加工精密的套管（有开口和不开口两种），两个插针在套筒中对接并保证两根光纤的对准。其原理是：以插针的外圆柱面为基准面，插针与套筒之间为紧配合；当光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面、以及套筒的内孔加工的非常精密时，两根插针在套筒中对接，就实现了两根光纤的对准。 4.4 变换器将某一种型号的插头变换成另一型号插头的器件叫做变换器，该器件由两部分组成，其中一半为某一型号的转换器，另一半为其它型号的插头。使用时将某一型号的插头插入同型号的转换器中，就变成其它型号的插头了。在实际工程应用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而