（通信与信息系统专业论文）水下机器人岸基—水下光纤多路图像信号复合传输系统设计.pdf

摘要 利用光纤传输信号具有损耗低、频带宽、抗干扰能力强等优点，因而光 纤通信系统被越来越广泛地应用于各个领域。用光纤传输视频信号也被很多 人关注和研究，本课题正是在这样的背景下开展研究工作的。 课题主要研究的是多路视频传输系统，采用的是频分复用( f d m ) 的传 输方法，设计了多路视频传输系统的方案，完成了多路模拟视频信号的复用 传输。论文对这套系统从原理到整个系统的构成进行了详细的分析阐述，并 针对系统实现过程中出现的问题提出了相应的解决措施和改进意见。 课题研究设计了这套方案来传输视频信号，并进行了论证，基本达到了 预期目的。 关键词：视频传输；光纤通信：频分复用 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o w e rw a s t a g ew i d e b a n da n d s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y t om a k eu s eo fo p t i c a lf i b e rt o t r a n s m i tt h es i g n a l ，s oi th a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s m a n yp e o p l e h a v ep a i da t t e n t i o nt ot h ev i d e ot r a n s m i s s i o no v e ro p t i c a lf i b e ra n d a r er e s e a r c h i n go ni t t h i ss u b j e c tb e g a nt h ew o r ku n d e rs u c ha b a c k g r o u n d t h es u b j e c th a sm a d eas t u d yo ft h em u l t i p l e x i n go fv i d e os i g n a l s t r a n s m i s s i o n ，a n dh a sd e s i g n e das e to fp r o j e c tw h i c hi sb a s e do 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 g ( f d m ) t h a ti su s e dt ot r a n s m i ta n a l o g v i d e os i g n a l t h e s i sh a si n t r o d u c e dt h et h e o r yo ft h ep r o j e c ta n dt h e s t r u c t u r eo ft h es y s t e m s o m ei m p o r t a n tp r o b l e m si nd e b u g g i n ga n d s u g g e s t i o na r ea l s od i s c u s s e d t h ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nf i n i s h e da n dh a sb e e nm a d e r e l a t i v et e s t t h es p e c i f i c a t i o na t t a i n st h e a n t i c i p a t e dg o a l b a s i c a l l y k e y w o r d s ：v i d e ot r a n s m i s s i o n ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ：f d m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独 立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文 献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 塑丢二垄 日期：汐了年v 月加日 第1 章绪论 1 1 光纤通信系统简介 光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输媒质的通信方式。光纤 通信系统是由光源、光纤、光发送机、光接收机及发送端与接收端的电信号 处理设备组成。光源是产生光波的器件；光纤是传输光波的载体；光发送机 的功能是产生光束，将电信号转变成光信号，再把光信号导入光纤：光接收 机的功能是接收光纤上传输的光信号，并将它转变成电信号，经解调后再作 相应处理。可见，实现光纤通信需要有将电信号转换为光信号的装置，还需 要有传输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置，光纤通信系统的 组成框图如图1 1 所示。 图1 1 光纤通信系统原理框图 所以在光纤通信中有三个主要的技术问题：一、便于应用且性能优良的 光源；二、能长距离传输光信号的光纤；三、灵敏地接收光信号并能把光信 号转化为电信号的光检测器。 光纤通信可视为一有线传输系统，它与电缆传输相比较，光纤传输具有 以下优点：( 1 ) 传输频带宽，通信容量大。( 2 ) 线路损耗低，传输距离远。( 3 ) 抗电磁干扰能力强，通信质量好。( 4 ) 线径细，重量轻。( 5 ) 抗化学腐蚀能力 强。( 6 ) 光纤制造资源丰富。 1 2 光纤通信的发展现状及前景 光通信从一开始就是为传送基于电路交换信息的，所以用户信号一般是 t d m ( 时分复用) 的连续码流，如p d h ( 准同步数字系列) 、s d h ( 同步数 字系列) 等。随着计算机网络，特别是互联网的发展，数据信息的传送量越 柬越大，客户信号中基于分组交换的分组信号的比例逐步增加。分组信号与 连续码流的特点完全不同，它具有随机性、突发性，因此如何传送这一类信 号，就成为光通信技术要解决的重点。另外，传送数据信号的光收发模块及 设备与传统的传送连续码流的光收发模块及设备有很大区别。在接入网中， 所实现的系统即为a t m - p o n ( 基于a t m 的无源光网络) 、e p o n ( 以太网无 源光网络) 或g p o n ( 千兆无源光以太网) 等。在核心网，实现i p 数据信号 在光层( 包括在波分复用系统) 的直接承载，就是大家熟知的i po v e ro p t i c a l 的技术。 由于s d h 系统的良好特性及已有的大量资源，可充分利用原有的s d h 系统来传送数据信号。起初只考虑了对a t m 的承载，后来，通过s d h 网络 承载的数据信号的类型越来越多，例如f r 、a t m 、i p 、1 0 m b a s e t 、f e 、g e 、 1 0 g e 、d d n 、f d d i 、f i b e rc h a n n e l 、f i c o n 、e s c o n 等。于是，人们提出 了许多将i p 等信号送进s d h 虚容器v c 的方法，起初是先将i p 或e t h e m e t 装进a t m ，然后再映射进s d h 传输，即i p e t h e m e to v e r a t m ，再o v e rs d h 。 后来，又把中间过程省去，直接将i p 或e t h e r n e t 送到s d h ，如p p p 、l a p s 、 s d l 、g f p 等，即i p o v e r s d h 、p o s 或e o s 。 光通信系统己从p d h 发展到s d h ，信息速率从1 5 5 m b s 发展到1 0 g b s ， 近来，4 0 g b s 的系统已实现商品化。同时，还正在探讨更大容量的系统，如 1 6 0 g b s ( 单波道) 系统已在实验室研制开发成功，正在考虑为其制定标准。 此外，利用波分复用技术，还可以将系统容量进一步提高。目前3 2 1 0 g b s ( 即3 2 0 g b s ) 的d w d m 系统已普遍应用，1 6 0 x 1 0 g b s ( 即1 6 t b s ) 的系 统也投入了商用，实验室中超过1 0 t b s 的系统已在多家公司开发出来。光时 分复用o t d m 、光孤子技术等已有很大进展。毫无疑问，这些对于骨干网的 传输是非常有利的。 从宏观来说，对光纤传输的要求当然是传输距离越远越好，所有研究光 2 纤通信技术的机构，都在这方面下了很大工夫。特别是在光纤放大器出现以 后，这方面的记录接连不断。不仅每个跨距的长度不断增加，例如，由当初 的2 0 k r n 、4 0 k i n ，最多为8 0 k m ，增加到1 2 0 k i n 、1 6 0 k i n 。而且，总的无再生 中继距离也在不断增加，如从6 0 0 k i n 左右增加到3 0 0 0 k m 、4 0 0 0 k m 。从技术 的角度看，光纤放大器为增大无再生中继距离创造了条件。同时。采用有利 于长距离传送的线路编码，如r z 或c s r z 码；采用f e c 、e f e c 或s f e c 等技术提高接收灵敏度；用色散补偿和p m d 补偿技术解决光通道代价和选 用合适的光纤及光器件等措施，已经可以实现超过s t m - 6 4 或基于1 0 g b s 的 d w d m 系统，4 0 0 0 k m 无电再生中继器的超长距离传输。 随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光传输逐渐靠近业务 节点。在应用中人们觉得光通信仅仅作为种传输手段尚未能完全适应城域 网的需要。作为业务节点，比较靠近用户，特别对于数据业务的用户，希望 光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的光通信技 术实际上可以看作是传输与交换的融合。目前已广泛使用的基于s d h 的多业 务传送平台m s t p ，就是一个典型的实例。基于s d h 的m s t p 是指在s d h 的平台上，同时实现t d m 、a t m 、以太网等业务的接入处理和传送，提供 统一网管的多业务节点设备。实际上，有些m s t p 设备除了提供上述业务外， 还可以提供f r 、f d d i 、f i b e rc h a n n e l 、f i c o n 、e s c o n 等众多类型的业务。 除了基于s d h 的m s t p 之外，还可以有基于w d m 的m s t p 。实际上 是将w d m 的每个波道分别用作各个业务的通道，即可以用透传的方式，也 可以支持各种业务的接入处理，如在f e 、g e 等端口中嵌入以太网2 层甚至 3 层交换功能等，使w d m 系统不仅仅具有传送能力，而且具有业务提供能 力，从而进一步在光层网络中，将传输与交换功能相结合，从而导出了自动 交换光网络a s o n 的概念。a s o n 除了原有的光传送平面和管理平面之外， 还增加了控制平面，除了能实现原来光传送网的固定型连接( 硬连接) 外， 在信令的控制下，还可以实现交换连接( 软连接) 和混合连接。即除了传送 功能外，还有交换功能。 近年来，随着互联网的迅猛发展，i p 业务呈现爆炸式增长。预测表明， i p 将承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务，构成未来信息网络的基 础；同时以w d m 为核心、以智能化光网络( o n ) 为目标的光传送网进一 步将控制信令引入光层，满足未来网络对多粒度信息交换的需求，提高资源 利用率和组网应用的灵活性。因此如何构建能够有效支持i p 业务的下一代光 网络已成为人们广泛关注的热点之一。 对承载业务的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是超大容量和 宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性，并要求在光节点 上实现光交换，其目的是通过光层和i p 层的适配与融合，建立一个经济高效、 灵活扩展和支持业务q o s 等的光网络，满足i p 业务对信息传输与交换系统 的要求。智能化光网络吸取了i p 网的智能化特点，在现有的光传送网上增加 了一层控制平面，这层控制平面不仅用来为用户建立连接、提供服务和对底 层网络进行控制，而且具有高可靠性、可扩展性和高有效性等突出特点，并 支持不同的技术方案和不同的业务需求，代表了下一代光网络建设的发展方 向。 研究表明，随着i p 业务的爆发性增长，电信业和i t 业正处于融合与冲 突的“洗牌”阶段，新技术呼之欲出。尤其是随着软件控制( “软光”技术) 的 使用，使得今天的光网络将逐步演进为智能化的光网络，它允许运营者更加 有效地自动配置用户业务量和管理业务量，同时还将提供良好的恢复机制， 以支持带有不同q o s 需求的业务，从而使运营者可以建设并灵活管理的光网 络，并开展一些新的应用，包括带宽租赁、波长业务、光层组网、光虚拟专 用网( o v p n ) 等新业务。 综上所述，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智 能光联网技术为核心，并面向i p 互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤 通信研究热点，在未来的一段时间里，人们将继续研究和建设各种先进的光 网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光传送网的关键技术 进行更全面、更深入地研究。从技术发展趋势角度来看，w d m 技术将朝着 更多的信道数、更高的信道速率和更密的信道间隔的方向发展。从应用角度 看，光网络则朝着面向i p 互联网、能融入更多业务、能进行灵活的资源配置 和生存性更强的方向发展，尤其是为了与近期需求相适应，光通信技术在基 本实现了超高速、长距离、大容量的传送功能的基础上，将朝着智能化的传 送功能发展。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 视频光纤传输系统 由于光纤通信具有以上独特的优越性，光纤已成为图像传输系统中不可 取代的传输介质。 多路视频传输系统属于多点电视监控系统，从传输的角度来说系统可以 分为图像传输和数据传输。图像用来监视，而数据则主要用于控制，其中图 像传输主要有以下几种形式： 1 单路单点传输 图1 2 示出了一个基本的单点单路图像监视光纤传输系统，图像信号由 摄像机输出后，直接通过光纤传输系统传至控制中心进行监视。在这种系统 中光源大多采用发光二极管( l e d ) ，如采用p f m 方式，其入纤功率一般在一 1 6 至q - - 2 5 d b m 之间，而接收灵敏度约为- - 3 0 到- - 4 0 d b m 。 威一蛰音_ 卦磊监视器。一。一。摄像机 图1 2 单路单点图像监控系统 2 多点图像传输系统 图1 3 是一个图像信号传至多个接收点的传输系统，只有一个光发送端 机，接收端通过光分路器可以连接若干个接收点，起到一发多收的目的。这 种方式可做小范围会议电视中心会场下行线传输之用。 图1 3 多点图象传输系统 3 同纤双向传输系统 图1 4 示出了利用波分复用器进行两路双向传输的系统。在有些场合( 如 电视会议) 需要系统能双向同时传输图像信号，不过这种系统因为增添了波 分复用器，因此需要考虑它的损耗。 图1 4 同纤双向两路传输系统 1 4 本课题的任务及应用 本课题来源于“水下智能机器入”项目，目的是为了将机器人从水下获得 的多路图像信息传给监视器，从而可以对水下情况进行多方位实时监控。具体 要求是实现3 路图像信号( 0 6 m h z ) ，对频率分别为f 、f 2 、f 3 的载频进 行频率调制，然后把3 路f m 信号复合成l 路信号，用l 根光纤传输。接收机 经光电转换后，用电路把3 路信号分开( 解复用) ，再分别解调，最后恢复 为3 路原始图像信号。本课题研究的是光纤在专用通信系统中的应用。所谓 专用通信系统是指不开放公用或不防碍公用通信网经营管理的那些通信系 统。由于不需要与公用标准兼容，所以专用通信系统在开发和应用上具有很 大的灵活性。在众多的视频传输方案中找到一个在保证图像传输质量的基础 上具有结构比较简单、实现比较容易、成本比较低的方案，并通过实践论证 方案的可行性，为今后的进一步研究打下坚实的基础。本课题所研究的系统 不仅可用于水下机器人的探测工作，还可以用于银行、交通、小区等的全天 候监视以及电视会议等，具有广泛的应用前景和市场。 1 。5 系统的技术指标 信号电平；l v 。 6 ；垒型坠墼鐾堡些丝塑一 信号阻抗：7 5 q 视频带宽：o 6 m h z 微分增益d g ： 5 微分相位d p ： 5 0 第2 章模拟视频信号的多路复用传输 2 1 方案设计的整体思路 2 1 1 信号处理技术方案的选定 光纤监控系统的传输中，按传送信号的类型大致可分为两种方式：其一 是模拟光纤传输，其二是数字光纤传输。与数字光纤通信系统相比，模拟光 纤通信系统具有设备简单、体积小、价格便宜、调制方式多样、使用比较灵 活等优点，特别是在专用光纤通信系统中，模拟调制传输技术有着明显的特 点。目前，模拟光纤传输因为其成熟的技术以及低廉的价格成本，所以在 定范围内仍得到广泛应用。通常采用的模拟光纤传输，大致可分为以下几类： v i d e o 、d a t a 、a u d i o 、v i d e o + d a t a 、v i d e o + a u d i o 、 v i d e o + d a t a + a u d i o 等。 模拟光纤传输系统分调幅和调频两种。在这两种类型的系统中，光发射 机将基带视频、音频、数据等信号对光波调制，变换成光信号送入光纤。 在a m ( 调幅) 系统，光信号是随原输入模拟电信号强度而变化的光束。 发光二极管( l e d ) 或激光二极管作为光信号源。由于l e b 和激光二极管都是 非线性器件，所以，以连续控制的方式通过完全地接通或断开来控制光的强 度是非常困难的。然而，在删系统中，必须准确地控制信号的强度。因此， 各种被发射的信号很容易产生畸变，例如：随着光缆的长度增加，信噪比降 低；视频信号的非线性差分增益和相位引起的误差等。 为了改善基于a m 光纤传输系统的性能，引入了f m ( 调频) 技术。在基 于调频光纤传输系统中，信号被l e d 和激光二极管进行调制，其脉冲频率取 决于原来的输入基带信号。踟传输系统克服了a m 系统中的许多弊端，因此， 在光纤中传输的信号质量要好的多，图2 1 和图2 2 是通过两根光纤光信号 感光照片的对比( a m 和f m 调制) 图2 1a m 传输系统的信号感光照片 图2 2f m 传输系统的信号感光照片 由图2 1 和图2 2 的比较可知，f m 技术较a m 技术更为可靠：抗干扰能 力强，保真度高，在线性良好的介质中传输，对非线性失真的要求不高，可 大幅度提高光接收机的灵敏度。因此，本系统采用f m 技术进行调制。 2 1 2 光纤传输设备类型的选定 光纤传输设备按传输方式可简单的分成：多模光纤传输设备和单模光纤 传输设备。 一、多模光纤传输设备所采用的光器件是l e d ，通常按波长可分为8 5 0 r i m 和1 3 0 0 n m 两个波长，按输出功率可分为普通l e d 和增强l e d 一e l e d 。多 模光纤传输所用的光纤，有6 2 5um 和5 0um 两种。不同波长的光在多模光 纤上的传输特性如表2 1 所示 表2 1 不同波长的光在多模光纤上的传输特性 6 2 5u m5 0 斗m 工作波长带宽衰减带宽衰减 8 5 0 n m1 6 0 m h z k m2 7 3 8 d b k m4 0 0 m h z k m2 _ 3 3 o d b k i n 1 3 0 0 n m4 0 0 m h z k m0 6 0 8 d b k i n4 0 0 m h z k mo 5 0 7 d b k r n 由上表可见，多模光纤决定传输距离的主要因素是光纤的带宽和l e d 的 工作波长。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 二、单模传输设备所采用的光器件是l d ，通常按波长可分为8 5 0 n m 和 1 3 0 0 r i m 两个波长，按输出功率可分为普通l d 、高功率l d 、d f b l d ( 分布 反馈光器件) 。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是g 6 5 2 ，其线径为9 微米。 不同波长的光在g 6 5 2 光纤上传输特性如表2 2 所示 表2 2 不同波长的光在g 6 5 2 光纤上传输特性 工作波长衰减 色散 1 3 1 0 n m o 3 4 d b k m 茎3 5 p s f f m n k m ) 1 5 5 0 n m m + l 时，恒有lj 。( 蜥) i o 1 ，因此其频谱宽度为 b & = 2 ( m + 1 ) f( 2 1 3 ) 若搠值不为整数，则b 。就不是f 的整数倍，计算时坍的数值应取靠近 原数值的整数值。在一些特定条件下，表达式还可以简化： 当m ”1 时 曰z2 m f( 2 - 1 4 ) 当埘 l 时 bcr“2f(2-15) 由于所：型叠：鲤：篮 e 22 即调频波的调制指数0 1 与调制频率，成反比，而有效频谱宽度 b c r = 2 ( m + 1 ) f = 2 ( 帆+ f ) ( 2 - 1 6 ) 由于调制信号的振幅不变，最大频偏a 乙不变。当调制信号频率f 变化 时，调频波的有效频谱宽度反。变化不大。这一点对于信号的传输来说无疑 是非常有利的。 2 2 2 调频方法概述 实现调频的方法可分为直接调频和间接调频两大类。 直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其 不失真地反映调制信号变化规律。一般来说，要用调制信号去控制载波振荡 器的振荡频率，也就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或 电路参数的数值，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地 改变，这样就实现了直接调频。 间接调频的基本原理，根据调频波的表示式 v 舟p ) = v e t oc o s ( l ，。f + k ，f v 。q ) d t 可见调频波的相位偏移为t ，f v 。( t ) d t ，即与调制信号( r ) 的积分成正比。若 将调制信号先通过积分器得j v 。( t ) d t ，然后再通过调相器进行调相，即可得 到调制信号为i v 。( f ) 面的调相波，即 v ( f ) = kc 。s 眈f + k pj v n ( t ) d t 实际上v 。0 ) 是调制信号为v 。( f ) 的调频波，因此，调频可以通过调相间接 实现，通常将这样的调频方式称为间接调频。 2 3 单路模拟视频传输系统 2 3 1 系统构成 视 视 图2 4 单路模拟视频传输系统结构框图 1 6 1 箝位电路 在视频信号传输中，对应于图像不同部分的亮度变化，信号的大小是不 同的，从没有图像信号的黑色电平到亮度最大的白色电平，其最大亮度不是 确定的固定值。显而易见，从固定的黑色电平到白色电平的单极性脉冲的亮 度落差，包含有视频信号的平均分量( 或直流分量) ，它反映了一个或几个行 周期相对于黑色电平的平均分量。直流分量的损失使得电视图像只有亮度的 瞬时变化而无亮度的缓慢变化，并且显像管光特性的工作点保持不变，而信 号是双极性的，这样，就不能分辨是在白天还是黄昏传送的景物。因此，在 电视技术中要求视频通道能传送直流电平。但是如果要求通道由直流放大器 组成，则牵涉到设计这样的放大器的经济与技术指标较困难，所以在一般情 况下。直流电平不是直接传送的，而是采用箝位电路。因为每一行视频信号 都有一段消隐期，它的电平是黑电平( 或比黑电平还低的某一电平) 。当视频 信号具有直流分量时，每一行的消隐电平都是一样的，一旦失去了直流分量， 行消隐电平就不一样了。为此我们将失去直流分量的视频信号的消隐期筘定 在某电平上( 相当于黑色电平) ，使它与平均分量的大小无关，这样视频信 号经过交流放大器损失了的直流分量，经过筘位后得到恢复，所以视频信号 中的缓变信号( 直至直流分量) 无须直接传送，而借助箝位器，可以达到间 接传送的目的。本系统采用二极管筘位电路，电路如图2 5 所示。 v c 。 r 申宁 【、 图2 5 二极管箝位电路 电路的工作原理：当信号负半周期到来时，二极管导通( 忽略死区电压) ， 给电容器c 充电，因充电常数c r d ( - - 极管导通电阻很小) 很小，因此c 两端 能迅速充电，且到达同步头的高度。当同步头过去好，c 将通过r 放电，只 要电路元件选择适当，就可以使电容器两端维持一定的电压，其数值应等于 图像信号负同步头的高度，也就是说在每一个行周期内电容器充上的电量与 放掉的电量相等，使c 两端所维持的直流电压将随同步头的高、低而变。 2 预加重 众所周知，调频信号解调后的噪声谱呈三角状，即解调出来的基带信号 中，高频端噪声较大，而低频端噪声较小，为了使带内信噪比分布均匀，可以 在发送端调频之前将视频信号在高频率端人为地加以预倾斜，使高频幅度上 升。而低频幅度下降由于信号高频端电平提高而使得解调信噪比有所改善。 采用预加重技术还可以得到其它的好处。微分增益( d g ) 和微分相位( d 巾) 是电视信号传输中的两个重要指标，它们都是由于亮度信号变化时，色度副 载波的幅度和相位失真造成的。预加重对视频信号低频成分进行压缩，而亮 度信号能量较大成分正好在低频段，因此预加重使亮度信号的动态范围减小， 可使d g 、d p 失真得到改善。此外，由于低频能量大幅度减小，相当于视频 动态范围也减小了，在调制特性线性范围有限的情况下，可以适当地减小频 偏，这样对改善亮度非线性是有好处的。同时，由于调频频偏的降低，对接 收机前置放大器的带宽要求也可以有所降低。 图2 6 示出了一个简单预加重与去加重网络的具体电路。 ( a ) 预加重网络 工。 ( b ) 去加重网络 图2 6预加重与去加重网络 由图2 6 ( a ) 预加重网络的结构可以看出，当输入信号的频率较低时， 网络中电容的电抗很大，输入信号的能量有相当一部分都消耗在预加重网络 的电路中，而输出端仅获得一部分能量。而当频率较高时，网络中的电容电 抗很小，输入信号的能量大部分通过电容送到了输出端。预加重的特性曲线 如图2 7 所示 去加重特性与预加重特性相反，由图2 6 ( b ) 去加重网络的结构可以看 出，当输入信号的频率较低时，电容的电抗很大，输入信号的能量大部分都 由输出端输出。当输入信号的频率较高时，电容的电抗很小，输出支路分得 可 的能量较少，大部分能量都消耗在去加重网络中。 相 对5 电 平0 ( d b ) - 5 1 u0 lu 0 20 0 501020 512 51 0b i h z 图2 7预加重特性曲线 3 调频电路 本系统采用直接调频方式，选用的是m o t o r o l a 公司生产的压控振荡芯 片m c l 6 4 8 。i c l 6 4 8 芯片既可以用于构成锁相环电路又可以直接用于调频系 统。用m c l 6 4 8 构成的压控振荡电路图如图2 8 所示。 o u l p u t 图2 8m c l 6 4 8 构成的压控振荡电路图 b l c l 6 4 8 芯片有正、负两种供电模式，与之相对应的输出电平也有正、负 两种极性。m c l 6 4 8 芯片的输出可以正弦波输出也可以是方波输出，输出的波 形不同，所采取的电路形式也不一样。当输出正弦波时所采取的电路形式如 图2 9 ( a ) 所示，当输出方波时所采取的电路形式如图2 9 ( b ) 所示。本系 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统载波采用正弦波，因此采用图2 9 ( a ) 的电路形式。 ( a ) 正弦波输出电路( b ) 方波输出电路 图2 9 波形选择电路 芯片输入的控制电压与输出频率之间存在一定的关系，当输入控制电压 在某些范围以内，输出频率基本随输入电压线性变化，而在其它一些范围， 这种线性变化则不是很好。所以系统设计时应该让输入控制信号的电压维持 在芯片的线性工作范围内，这样有利于提高输出信号的质量。 调频后输出信号为e c l 电平，经过电平转换后变成p e c l 电平，可直接 送给后级的光发送模块进行电光转换。接收端，在光接收模块中完成光电 转换后，还要将电信号送给鉴频器进行解调。 4 鉴频器 鉴频器是用来对调频波进行解调的电路。鉴频电路有很多，其中常用的 类型有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器以及脉冲均值型鉴频器、正交 鉴频器与锁相鉴频器等。本系统采用正交鉴频器( 又称乘积型相位鉴频器或 移相式乘积鉴频器) 。正交鉴频器属于相位鉴频器的一种，它具有电路简单、 调试方便和易于集成等特点，是目前集成电路中用得最多的鉴频方法。 正交鉴频器的方框图如图2 1 0 所示。图中调频信号先经过移相网络进 行移相，把调频信号的瞬时频率变化转换为瞬时相位变化，再与原调频信号 经乘法器进行相位比较，经低通滤波器滤波，得到与输入信号瞬时频率变化 成正比的原始调制信号。 哈尔滨亡程人学硕士学位论文 l j 图2 1 0乘积型相位鉴频器的方框图 图2 1 0 中的移相网络常采用图2 1 l 所示的l c 串并联回路。 该网络的传输特性为； 图2 1 l 移相网络 一，2 硬j c o c i r 2 丽j c o c , r ( 2 邯) 上式的模为 阱器 p 移相角为 伊= 争a r c t g 宇 ( 2 - 1 9 ) 菲削等= q 警嗍= 1 廊而，q = r 驰 在这里，a r c t g 亭是由于调频波瞬时频率变化所引起的相移，称之为调频 相移。在调频相移较小( a r c t g 手 詈) 的情况下，；f f a r c t g 善* 掌，s i n f “孝， 鉴相器的输出值近似为 虬：g c o s 妒= 足s i n ( a r c t g f ) ：世s i n f 。霹：靶孚( 2 - 2 0 ) 也就是说正交鉴频器的输出电压与频偏近似成线性关系。 式中，k = 以爿，k 。k ，u 、a ，、k 。和k ，分别为输入信号的幅度及相移网 络、乘法器、滤波电路的传输系数。 由以上分析可知整个鉴频器输出信号的表达式应该为 = k c l q 万c _ 一l 1 等警 ( 2 - 2 1 ) 式中，k = 。2 k 。k ，。 由近似公式再i z l + 委( 石 0 3 时，近似公式的误差比较大；当掌0 3 时，误 差小于1 0 ，而在孝o i 时，误差小于1 ，故在舌0 3 时能够满足近似公式 的要求。图2 1 2 给出了，( 。= 善和厂( 毋= 鬻两个函数在i 亭i 1 时 的曲线。 显然，厂( d = 鬻函数具有s 型鉴频特性；而在j fi + f = 1 7 ( m h z ) 但是还要有一定的保护过渡带，为防止调频波的边带分量串入基带，载 波中心频率至少为2 0 2 5 m h z 。 由于调频波的中心振荡频率对元件的误差比较灵敏，所以电路最好选用 稳定而精密的电感和电容，以提高中心频率的稳定度。 另外在接收端，移相网络参数的选择也直接关系到能否达到最好的鉴频 效果，这需要通过实际调试电路来解决。 2 4 多路视频信号的光纤传输系统 由于光纤的传输带宽极宽，因此，它是实现多路信号传输的极好媒介。 所谓多路通信，就是把多个不同信源所发出的信号组合成一个群信号，并经 由同一信道进行传输，在接收端再将它们分离并被相应接收。多路通信是一 种信道复用技术，通常有频分复用、时分复用、波分复用等。模拟信号多以 频分复用进行多路信号的传输，其中也包括键控方式在内的多路数字信号的 f d m 调制方式，这些方式一般统称为副载波复用( s c m ) 。所谓副载波指的是 除光载波以外，多路信号还调制在电的频分复用副载波上的意思。频分复用 频率调伟) j ( f d m - f m ) 多路视频传输是s c m 模拟调制方式中较常用的方式之 2 4 1 系统构成 本系统构成的结构框图如图2 1 7 所示。将三路视频图像信号分别调频 ( 副载波频率为、正、六) 经过合路器复合后，进行电光转换，再送入 光纤传输。在接收端，光，电转换后，将信号送入不同的带通滤波器。剩用相 应的带通滤波器可以区分开三路信号，然后再各自解调，低通滤波，恢复原 始信号。 与单路模拟视频传输系统相比多路传输系统在构成上多了一个合路器 ( 发射端) 和对应于每一路调频信号中心频率的带通滤波器( 接收端) 。 低 通 艇一+ 滤 波 低 四 通 - 1 溅器r l r 滤 波 低 娅带通lj鉴i一 叫滤波器ll 频l 通 滤 波 图2 1 7 频分复用系统的结构框图 本系统构成的结构框图如图2 1 7 所示。将三路视频图像信号分别调频 ( 副载波频率为石、五、以) 经过合路器复合后，进行电，光转换，再送入 光纤传输。在接收端，光电转换后，将信号送入不同的带通滤波器。利用相 应的带通滤波器可以区分开三路信号，然后再各自解调，低通滤波，恢复原 始信号。 与单路模拟视频传输系统相比多路传输系统在构成上多了一个合路器 ( 发射端) 和对应于每一路调频信号中心频率的带通滤波器( 接收端) 。 1 合路器 本系统采用高速加法电路来完成三路信号的合路。输出电压与若干个输 入电压之和成比例关系的电路称为加法运算电路，也称求和电路。它有反相 求和和正相求和两种电路。同正相加法电路相比反相加法电路具有计算、调 节方便的优点，故本系统采用反相加法电路。电路如图3 1 8 所示。 图2 1 8反相加法电路 电路的输出电压u 为 尺，尺，r ， 2 蓄+ 云u z + 云乩 ( 2 之6 ) 根据式( 2 - 2 6 ) ，可通过调整电路中电阻阻值，按设计要求对多路信号进行 求和，完成合路。 2 带通滤波器 本系统采用克莱微波公司生产的椭圆函数型带通滤波器。椭圆函数型滤 波器的最大优点是频率选择性好，缺点是通带边缘附近延时特性较差。解决 的办法是在满足带外抑制的前提下，尽量增加通带带宽，并使已调信号中心 频率落在滤波器通带中部。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 4 2 系统设计应该注意的问题 三路副载波中心频率的选择仍然是我们关心的问题。前面已经说明过一 路调频信号的中心频率是如何确定的，那么多路调频波的各路中心频率如何 确定，有什么问题需要注意呢? 图2 1 9 频分复用信号的频谱结构 在确定三路调频信号各自的中心频率之前，首先要了解频分复用信号的 频谱结构，经过频分复用的信号的频谱结构如图2 1 9 所示。 由图可见，复用的信号共有n 路，设每一路信号的最高角频率都是国。 在选择载频时，应考虑到边带频谱的宽度。同时，为了防止邻路信号间相互 干扰，还应该有一定的防护频带缈。，即 元。= 尼+ ( 厶+ ) ，i - 1 ，2 ，3 ，n ( 2 - 2 7 ) 式( 2 2 7 ) 中厶与元。分别为第i 路与第i + l 路的载频的频率：厶为每一 路的最高频率；t 为邻路间隔防护频带。 由上面分析可知，如果三路副载波中心频率距离太近，会造成频谱的混 叠，如果太远，又会造成频带浪费，而且给技术实现上带来难度，那么本系 统应该如何选取这三路副载波的中心频率呢? 本系统频分复用信号的频谱简 示图如图2 2 0 所示。 已知，第一路载波中心频率一为7 0 m h z ，根据式( 2 2 7 ) 可求得第二路载 波中心频率以为 五。；+ ，；+ 六+ ( 2 2 8 ) 厶。五十瓴+ 正+ 萌( 2 2 9 ) 式中，m 、奶和m 都是调频波频谱带宽的半，即 m = 萌= 奶= 警= l l m h z ，为保护带，本系统取2 8 m h z ，4 弋a x ( 2 - 2 8 ) 得到第二路载波的中心频率 为 = z + + 厶+ 尘j = 7 0 + 1 l + 8 十1 1 = 1 0 0 m h z ( 2 - 3 0 ) 将式( 2 3 0 ) 代入式( 2 2 9 ) 得到第三路的中心频率兀为 六= 矗+ 4 ：+ 以+ 2 1 1 0 + 1 1 + 8 + 1 1 5 1 3 0 m h z 因此，本系统选取第一路中心频率：为7 0 m h z ，第二路中心频率五为 1 0 0 m h z ，第三路中心频率为1 3 0 m h z 。 s ( 厂) f 、一鹭 、l 、七鹭、凡一鳟。凡矗七峨氛一鹭，氕扎七鹭s 图2 2 0 本系统频分复用信号的频谱简示图 2 5 本章小结 本章开始部分介绍了方案的选取原则，接着在介绍了信号调频传输原理 的基础上，结合课题具体阐述了调频传输系统的组成。在详细分析单路信号 的调频传输系统之后，又进一步介绍了副载波传输三路信号的系统，并指出 了系统设计时应考虑的问题。 第3 章光纤传输系统设计原理及实现 前面已经从理论上对视频信号电信号部分进行了系统的分析，电信号经 过处理后还要经过电光转换才能送入光纤进行传输。电光转换的过程中会 遇到哪些问题，对系统产生哪些影响以及怎样解决，这些将在下文介绍分析。 3 1 光发射机 3 1 1 光发射机的组成及原理 光发射机是光纤通信系统中的三大组成部分( 光发射机，光纤光缆和光 接收机) 之一。其功能是将电信号变换成光信号并以光纤通信系统传输性能 所要求的光信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去。 光发射机依靠光源器件激光器( l d ) 或发光二极管( l e d ) 将电信 号变换成光信号，因此光源器件是光发送机中的核心部件。光源器件的性能 直接影响着光发送机的主要性能指标。 根据光纤在0 8 5p m 、1 3 lur l l 、1 5 5 u i n 附近呈现低损耗的特性，结合 半导体发光材料，其辐射波长能够覆盖上述范围的是砷化镓( g a a s ) 化合物， 而且在此基础上发展三元和四元化合物很方便。因此，目前在长、短波长的 光纤通信中广泛使用的光源器件是i n g a a s p i n p 双异质结( d h ) 半导体激光 器与发光= 极管和a 1 g a a s g a a s 双异质结半导体激光器与发光二极管。 目前，光纤传输系统种类众多，本课题采用了以l d 为光源的光强度调 制直接检测系统( i m d d 系统) 。i m 强度调制是用电信号去调制光载波的强 度，在实现上有两种方式，即外调制和内调制。内调制适合于半导体光源， 如l d ，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输 出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成比例。这种内调制方式的强度调 制主要由半导体光源l d 的p i 特性曲线所决定。l d 的p i 特性曲线与调制 波形如图3 1 所示。 p 0么二。 爿 。一 三 。1 。一 图3 1l d 的p i 特性曲线与调制波形 从图3 1 中可以看出，光源输出的光功率基本上与注入电流成正比，而 注入电流就代表了要传送的信息，因此这种强度调制就是内调制，而且调制 电流转化为光频调制是一种线性调制。由于内调制方式本质上是电领域的调 制方式，所以受电调制速率的限制，当光纤通信向着大容量高速化方向发展 时，则需要采用外调制。外调制是在光源外对光源发出的光载波进行调制， 改变了它的可探测性，外调制可以对光的强度、相位、偏振和波长等调制。 外调制中的强度调制是以光强度作为调制对象，一般用于高速大容量系统中， 如光孤子系统、相干系统。本课题中采用的光强度调制指采用内调制方式的 强度调制。以后所说的光强度调制直接检测系统中的光发送机的i m 都是指 内调制方式的强度调制。 仅有光源的信息调制并不能有效地把信号送上光纤线路，这是因为所有 的半导体光源l d 都有自己的特性，只有满足了光源的工作条件，才能有效 地完成信息调制。因此一个光发送机除了信息调制部分外，还应该有相应的 辅助部分进行恰到好处的控制。 一个性能十分完善的光发送机，一方面是需要能够适应光纤通信特点的 性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电 子线路技术进行恰到好处的控制与防范。这就是光发送机除了一定要有光源 驱动电路和发射光源以外，还要有自动光功率控制( a p c ) 、自动温度控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a t c ) 和各种保护电路的原因。因此，可以说光发送机的本质含义就是根 据光源器件的应用特性，采取有针对性的电子线路技术而使光源器件能有效 和可靠地应用在光纤通信系统中。光发送机原理框图如图3 2 所示。 图3 2 光发送机原理框图 在图3 2 中，s 为输入信号，光源驱动电路是光发送机的主干电路，光 源驱动电路和发射光源是光发送机的基本部分，而自动光功率控制( a p e ) 、自 动温度控制( a t c ) 和各种保护电路是光发送机的辅助部分。 o 么j 簟兰 当_ 量 。1 。一 图3 3 l d 的p i 特性随温度变化曲线 l d 的p - i 特性随温度变化曲线如图3 3 所示。从图3 3 中可以看出当温 度从2 5 升高到5 0 时，l d 的阈值电流屯增加了很多，同时p - i 特性曲线 的斜率也减小不少；在图3 3 中所示的l d 驱动电流( 直流偏置电流和调制电 流) 不变的条件下，当温度从2 5 升高到5 0 时，l d 输出光脉冲的幅度明显 下降，下降幅度可能会超出允许的范围，导致通信中断。如果l d 的驱动电 流由于具体应用的要求本来就较小时，则l d 因环境温度的变化就可能发不 出激光而根本无法维持正常的通信工作。同时还可以看出，即使是环境温度 不变，由于l d 随着工作时间的增加并达到一定时间以后，进入损耗失效期 而引起的闽值电流的增加和曲线斜率的下降也会使l d 无法正常工作，因此， 对l d 而言，光发送机的辅助部分a t c 、a p c 电路缺一不可。下面将介绍并 分析光发送机的基本部分和辅助部分。 一、光源驱动电路 l d 驱动电路的功能主要是用电信号来调 | 目j l d 器件的发光强度，发出具有 一定光功率的光信号，其次是保证所发射出的光信号有足够快的响应速度。 l d 器件