第3章圖像信號的傳送

第3章圖像信號的傳送 3 1同軸電纜視頻傳送3 2非屏蔽雙絞線 UTP 視頻傳送3 3光纜視頻傳送 3 1同軸電纜視頻傳送 圖像信號的傳輸是應(yīng)用電視系統(tǒng)的重要部分 在大型系統(tǒng)和需要進行遠距離監(jiān)視和控制的系統(tǒng)中 建立高質(zhì)量的圖像信號傳輸網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用電視系統(tǒng)的關(guān)鍵 長距離傳輸引起的圖像質(zhì)量下降會影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量 也限制了電視系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 敷設(shè)線纜需要巨大的工程量 這些原因使傳輸環(huán)節(jié)成為決定應(yīng)用電視系統(tǒng)的質(zhì)量 造價和工作難度的主要因素 圖像信號的傳輸有多種方式 可以通過不同的介質(zhì)傳輸 可以采用不同的調(diào)制方式 表3 1給出了幾種圖像信號傳輸方式的特點和適用范圍 具體應(yīng)用要結(jié)合實際條件進行選擇 表3 1幾種圖像信號傳輸方式的特點和適用范圍 無線方式設(shè)備成本較高 保密性差 必須取得無線電管理委員會的許可 傳輸多路信號時必須相互避開所用的頻道 若采用微波定向傳輸 設(shè)備架設(shè)比較困難 所以較少使用 圖像信號的基帶傳輸 視頻傳輸 是最為常用的傳輸方式 即使采用調(diào)制技術(shù) 仍然可以把傳輸設(shè)備 調(diào)制 解調(diào)器 與線纜視為一個整體 把它看作一個視頻入 視頻出的傳輸過程 對傳輸系統(tǒng)質(zhì)量的評價也是把線纜與相關(guān)的傳輸設(shè)備結(jié)合在一起進行 在某種意義上 同軸電纜視頻傳輸可以看作是視頻設(shè)備之間的直接連接 它不需要或只需要較少的附加設(shè)備 在一定范圍內(nèi)可獲得較好和穩(wěn)定的圖像質(zhì)量 線纜敷設(shè) 接續(xù)和維護方便 它是目前大多數(shù)應(yīng)用電視系統(tǒng)所采用的圖像信號傳輸方式 它所利用的傳輸介質(zhì)是同軸電纜 3 1 1同軸電纜的結(jié)構(gòu)與特性1 同軸電纜的結(jié)構(gòu)圖3 1是同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖 同軸電纜由中心導體 絕緣介質(zhì) 屏蔽層和護套四部分組成 圖3 1同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖 中心導體是實現(xiàn)電信號傳輸?shù)幕就ǖ?是一根圓柱型或由多股導線絞合而成的柱型銅質(zhì)導體 它位于電纜的中心 絕緣介質(zhì) 它充滿屏蔽層和中心導體之間 形成一個不導電的空間 主要材料是聚乙烯 真空或干燥的空氣是最好的絕緣介質(zhì) 所以目前多采用通過物理方法形成的泡沫聚乙烯作為電纜的絕緣介質(zhì) 它的主要作用是保證中心導體和屏蔽層之間的幾何位置 防止電纜變形 它在很大程度上決定著電纜的傳輸速度和損耗特性 屏蔽層是與中心導體同心的環(huán)狀導體 采用細銅導線編織而成 它既能將電信號約束在一個封閉的空間中傳送 又能阻止外界其他信號串入電纜 同時對加強電纜的機械強度也有很大的作用 所謂同軸就是指屏蔽層與中心導體之間的這種均勻的同心結(jié)構(gòu) 護套是起防水 防潮 抗磨損作用的塑膠材料 保護導體不被銹蝕和磨損 專用電纜經(jīng)常還加有鋁皮或鉛防護 既加強了機械強度 也增強了抗干擾性 同軸電纜的特性阻抗有50 75 等規(guī)格 主要型號有 SYV型 它的絕緣層為實心的聚乙烯 SBYFV型 其絕緣層應(yīng)用泡沫聚乙烯 在應(yīng)用電視工程中 視頻信號的傳輸主要用SYV型和SBYFV型特性阻抗為75 的兩種同軸電纜 單以衰減特性來說 同樣直徑的這兩種電纜 SBYFV型的衰減量比SYV型要小 為了便于比較 表3 2列出了幾種同軸電纜的性能 表3 2幾種同軸電纜的主要參數(shù) 2 同軸電纜的特性同軸電纜在視頻范圍內(nèi)是一種有損耗的傳輸線 我們可以用傳輸線理論對它進行分析 1 同軸電纜的等效電路在電特性上 同軸電纜可以看成是一個四端網(wǎng)絡(luò) 而這一個四端網(wǎng)絡(luò)又是由無數(shù)個無限小的四端網(wǎng)絡(luò) 也就是無限小的電纜段 串聯(lián)組成的 回路導線上存在著均勻分布的電阻和電感 回路中心導體和屏蔽層之間分布著電容和電導 這些無限小的四端網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式 等效電路 如圖3 2所示 圖中 R為回路單位長度的有效電阻 L為單位長度電感 C為內(nèi)外導體間單位長度的電容 G為內(nèi)外導體間單位長度的電導 圖3 2均勻電纜的等效電路 為了討論方便 我們假設(shè)電纜段的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)沿著長度都是均勻的 稱為均勻電纜 實際電纜是不均勻的 總存在著微小的差別 電纜的每一無限小段都是相同的 那么對于全長來說 就可以看作是由這樣的無限小電纜段串聯(lián)而成 圖3 2為同軸電纜的等效電路 所以 同軸電纜是一種分布參數(shù)電路 在集中參數(shù)電路中 信號傳輸?shù)某掷m(xù)時間與該信號本身變化的時間相比要短得多 信號的能量集中消耗和存儲在電路的各個元件 R L C 上 因此 集中參數(shù)電路的電壓或電流和空間坐標的位置無關(guān) 它們只是時間的函數(shù) 即在集中參數(shù)電路 或稱短線 中電壓或電流是均勻分布的 在分布參數(shù)電路中 如同軸電纜 信號傳輸?shù)某掷m(xù)時間與該信號本身變化的時間可以相比或長得多 因此在這種電路中 電壓或電流不僅是時間的函數(shù) 而且還與空間的坐標有關(guān) 即在分布參數(shù)電路 或稱長線 中 電壓或電流的分布是不均勻的 2 衰減常數(shù) 相移常數(shù) 和波阻抗Z從同軸電纜的等效電路可以得出電纜的兩個傳輸參數(shù) 傳播常數(shù) 和波阻抗 特性阻抗 Z 傳播常數(shù) 是個復(fù)數(shù) 它的實數(shù)部分 稱為衰減常數(shù) 它的虛數(shù)部分 稱為相移常數(shù) 和Z可以用下式表示 3 1 3 2 式中 表示信號在均勻電纜上每單位長度的衰減值 表示信號的相位在均勻電纜上單位長度的變化值 波阻抗Z表示信號在沒有反射時電纜所呈現(xiàn)的阻抗 R L G C分別代表單位長度電纜的電阻 電感 電導和電容 Z都是 的函數(shù) 都隨頻率變化 1 衰減常數(shù) 衰減常數(shù) 是信號頻率f的函數(shù) 單位為dB m或dB km 因為信號在同軸電纜里傳輸時 除有導體的電阻損耗外 還有絕緣材料的介質(zhì)損耗 這兩種損耗都隨著電纜線的加長和信號頻率的增高而增加 圖3 3表示出不同長度的SYV 75 5型同軸電纜在傳輸0 5MHz到7MHz信號時的實際衰減情況 圖3 3不同長度的SYV 75 5型同軸電纜在傳輸信號時的實際衰減情況 衰減常數(shù) 不但與電纜的長度和頻率有關(guān) 還與同軸電纜的直徑 絕緣體的介電數(shù)有關(guān) 金屬損耗造成的衰減 與成正比 介質(zhì)損耗造成的衰減與f成正比 但在頻率為幾兆赫時介質(zhì)損耗造成的衰減不大于總衰減值的1 因此同軸電纜的衰減常數(shù) 大致與成正比 在工程中 應(yīng)根據(jù)要求的衰減量選擇合適的同軸電纜 圖3 4是幾種不同規(guī)格的SYV型同軸電纜的衰減特性 圖3 4不同規(guī)格SYV型同軸電纜的衰減特性 2 相移常數(shù) 相移常數(shù) 隨信號頻率的增高和電纜的增長而增大 不同結(jié)構(gòu) 材料和直徑的電纜也具有不同的相移特性 3 波阻抗 特性阻抗 Z 特性阻抗Z的普遍形式為公式 3 2 從式 3 2 可以看出同軸電纜的特性阻抗Z是信號頻率的函數(shù) 在高頻率時 L R C G 同軸電纜的高頻波阻抗也可寫成下式形式 3 3 市售同軸電纜所標的波阻抗就是指高頻時的特性阻抗 考慮到視頻信號是20Hz 6MHz的寬頻帶信號 同軸電纜在低頻時和高頻時所表現(xiàn)出來的阻抗不相同 無法做到完全的匹配 但是圖像細節(jié)信號都在1MHz以上的頻帶內(nèi) 只要高頻段阻抗匹配就能夠滿足傳輸?shù)囊?在低頻段即使有微小的失配 圖像也不會有明顯的重影失真 因此 只要按電纜的高頻特性阻抗 也即生產(chǎn)廠的標稱特性阻抗 進行阻抗匹配就可以了 3 1 2同軸電纜損耗補償器在應(yīng)用電視系統(tǒng)中 大多采用同軸電纜基帶傳輸方式 傳輸距離越長 視頻信號的衰減越大 信號頻率越高 衰減越大 同時也會引起很大的群延時失真 由于相位校正是很難實現(xiàn)的 所以電纜補償主要對攝像機輸出的1V p p 視頻信號進行幅頻失真的補償 一般情況下 經(jīng)過300米SYV 75 5型同軸電纜的傳輸后 圖像還能達到400線左右的分辨力 則認為能夠滿足一般應(yīng)用的要求 在傳輸線超過300米后 應(yīng)該考慮使用電纜補償器 以保證圖像質(zhì)量 1 電纜補償器的原理圖3 5是電纜補償電路原理圖 電路主要由RC電路組成 通過減少高頻分量負反饋的方法 來提高其增益 從而進行頻率均衡和補償 如果將電纜的衰減曲線分成幾段 對應(yīng)于各段都用一組RC電路予以補償 這樣電路的幅頻曲線就比較接近電纜的衰減曲線的補償曲線 實現(xiàn)對規(guī)定長度電纜段衰耗的整體補償 圖3 5RC電纜補償電路原理圖 電路3 5 a 中RC補償電路串接在三極管的基極回路里 容抗Zc 1 C是隨著頻率升高而減小的 我們把容抗Zc R時的頻率叫RC串聯(lián)電路的中心頻率f0 那么f0 1 2 RC 如圖3 6所示 工作頻率低于f0時串聯(lián)電路的阻抗主要決定于電容C 工作頻率高于f0時串聯(lián)電路的阻抗主要決定于電阻R 在設(shè)計補償器電路時 可以查閱所用長度同軸電纜的衰減 畫出其衰減曲線 然后根據(jù)補償精度的要求分段選取中心頻率 就可以決定出RC補償電路的數(shù)值和段數(shù) 圖3 5 b 電路中RC電路是并聯(lián)在晶體三極管的發(fā)射極負反饋電阻上的 RC電路的阻抗將隨頻率升高而減小 使放大器放大倍數(shù)K增加 從而對電纜損耗進行補償 圖3 7是長度是1km的SYV 75 5電纜的衰減曲線和對應(yīng)的補償曲線 圖3 6RC串聯(lián)電路頻率與阻抗關(guān)系 圖3 7長度為1km的SYV 75 5電纜的衰減曲線和對應(yīng)的補償曲線 2 電纜補償器的組成電纜補償器除了RC電路補償高頻衰減外 為了消除電纜芯線和屏蔽層上的干擾 輸入級采用差分平衡電路 電路的增益和補償點應(yīng)可微調(diào) 以滿足輸出視頻信號1V p p 幅度和補償?shù)囊?輸出級要低阻抗輸出 75 圖3 8是電纜補償器的原理方框圖 圖中補償器有1000米和2000米兩種補償長度 用開關(guān)轉(zhuǎn)換 在2000米時 增加一級RC補償電路 這個電纜補償器的視頻輸入插座與機箱絕緣 使同軸電纜的中心導體和屏蔽層以平衡的形式接到運算放大器的同相和反相輸入端 經(jīng)長距離傳輸后的視頻信號 幅度較小 還可能混有干擾信號 調(diào)整電位器R可以使干擾信號得到抑制 視頻信號在放大器中放大后被耦合到由三極管和RC補償電路組成的補償級 這一級采用發(fā)射極補償?shù)霓k法 調(diào)整RC串聯(lián)電路中電阻或電容的數(shù)值 可以改變補償曲線的幅度和補償點 圖3 8電纜補償器的原理方框圖 仔細調(diào)整四個并聯(lián)RC電路的參數(shù) 就可以得到合適的補償曲線 實際調(diào)整時 把需要補償?shù)碾娎|的一端接到掃頻儀輸出端 電纜的另一端與補償器輸入端相接 掃頻儀的輸入端接到補償器的輸出端 調(diào)整RC電路 直到掃頻儀表示出從20Hz 7MHz的振幅不平度小于3dB為止 這表示電纜補償器的頻響曲線已調(diào)好 也可用有多波群信號的電視信號發(fā)生器來調(diào)整 需要補償?shù)碾娎|一端接多波群信號 電纜的另一端與補償器輸入端相接 補償器的輸出端接示波器 用示波器監(jiān)視補償器的輸出來調(diào)整RC 直到示波器上多波群信號振幅不平度小于3dB為止 最好是用一種方法調(diào)整 用另一種方法驗證 RC補償電路后面是箝位級和增益調(diào)整級 箝位的目的是為了進一步消除低頻交流干擾和恢復(fù)視頻信號經(jīng)多級交流耦合而失去的直流電平 增益調(diào)整級的目的是使最后輸出的視頻信號幅度在1V p p 1 2V p p 輸出級應(yīng)具有一定的放大倍數(shù) 較寬的通頻帶和75 的輸出阻抗 3 1 3同軸電纜基帶傳輸容易出現(xiàn)的問題及解決辦法基帶傳輸還有一個缺點是抗干擾能力差 同軸電纜容易受廣播和低頻電磁波的干擾 1 廣播干擾同軸電纜在架空敷設(shè)時 電纜線本身就成了一根很長的天線 在受到廣播電磁波感應(yīng)時 感應(yīng)出電位差 這個電位差產(chǎn)生在電纜線屏蔽層兩端 芯線也存在感生電位差 但較小 如圖3 9所示 假設(shè)A端電位EA高于B端電位EB EA EB 則電纜A端屏蔽層通過信號源內(nèi)阻與芯線相連 B端芯線通過75 負載連于電纜屏蔽層 屏蔽層的電位差EA EB就通過以上回路而形成了干擾電流 該電流在負載電阻75 上形成干擾壓降而疊加到視頻信號上 這種干擾頻率一般在幾百千赫到幾兆赫 對圖像產(chǎn)生較為穩(wěn)定的網(wǎng)紋干擾 干擾頻率越高條紋就越細越密 大于10MHz的干擾已基本上不影響觀看效果了 圖3 9廣播干擾形成原理示意圖 將電纜埋地敷設(shè)是抑制這種干擾的最好辦法 也可采用鉛包電纜或具有外屏蔽層的對稱平衡電纜作為傳輸線 當然這時傳送的信號也必須是平衡方式輸出 當只能采用同軸電纜傳輸時 應(yīng)使電纜線屏蔽層單端接地 同時在接收端設(shè)置對稱輸入的電纜補償器 如圖3 10所示 該補償器有輸入信號平衡調(diào)整電位器 適當調(diào)整該電位器 就可以抑制干擾所引起的網(wǎng)紋 采用高電平傳輸?shù)姆椒ㄒ材茌^好地抑制廣播和其他較低頻率電磁波的干擾 方法是把視頻信號放大到5 8V p p 后再饋送到電纜上去 在接收端干擾電平相對于視頻信號就減小了 傳輸距離也可更遠一些 圖3 10對稱輸入抑制廣播干擾示意圖 2 低頻干擾低頻干擾主要是50Hz工頻干擾 這種干擾使圖像產(chǎn)生水平黑色滾道 嚴重時使圖像不同步 無法觀看 形成50Hz干擾的主要原因是地電位差 在城市和工廠區(qū) 用電設(shè)施很多 大功率設(shè)備多 用電設(shè)備的三相不平衡或接地方式不同時 就會形成較大的地電流 這個電流通過具有地電阻的大地時 就會在兩地之間形成電壓降 如果電纜線兩端都接地 地電位差就會在電纜線上形成電流 圖3 11是地電位差形成干擾電流混入視頻信號的示意圖 圖3 11地電位差形成干擾原理示意圖 假設(shè)始端A點與終端B點存在著地電位差 則形成兩個電流回路 一是通過電纜屏蔽層的電流回路 這一路電流不通過75 負載 不構(gòu)成干擾 二是通過信號源內(nèi)阻 電纜芯線 負載電阻的電流回路 這一電流在75 負載上形成壓降 從而造成了干擾 因此抑制50Hz地電位差引起干擾的最好方法是采用電纜線單端接地 具體施工時 可以在始端把電纜的屏蔽層接地 或在終端把電纜的屏蔽層接地 但要注意 在一個系統(tǒng)工程中 接地方式要一致 一般采用終端 控制端或監(jiān)視端 接地為好 當應(yīng)用電視系統(tǒng)中50Hz工頻干擾嚴重時 系統(tǒng)中攝像機全部不接地 攝像機與防護外殼之間絕緣隔離 而防護外殼接地 這是為了使外殼與地電位一致 以保證施工人員的安全 但如果攝像機與防護外殼間有危險的電位差 則應(yīng)采取防護措施 遵守安全標準 3 2非屏蔽雙絞線 UTP 視頻傳送 非屏蔽雙絞線傳輸是應(yīng)用電視系統(tǒng)中目前較少采用的一種傳輸方式 但當智能大樓內(nèi)已經(jīng)按標準敷設(shè)了大量的雙絞線 五類線 并且在各相關(guān)房間內(nèi)均留有相應(yīng)的信息接口 RJ 45接口或RJ 11接口 則應(yīng)用電視系統(tǒng)就不需再重新布線 視 音頻信號及控制數(shù)據(jù)都將通過敷設(shè)的雙絞線來傳輸 隨著智能大樓綜合布線在我國的普及 將會有越來越多的系統(tǒng)采用雙絞線來傳輸 3 2 1智能大樓一棟現(xiàn)代化的大樓不僅要有舒適的環(huán)境 豪華的裝飾 還必須有話音 數(shù)據(jù)和圖像等基礎(chǔ)通信設(shè)施來提高工作效率 激發(fā)辦公人員的創(chuàng)造性 此外 應(yīng)配置電視監(jiān)控 安全檢測 以及對供電及空調(diào)設(shè)備的控制 以便對大樓進行有效的管理 一棟稱得上智能化的大樓應(yīng)具備以下三個系統(tǒng) 1 大樓自動化系統(tǒng) BA 大樓自動化系統(tǒng)主要包括電視監(jiān)控保安系統(tǒng) 電力及照明管理系統(tǒng) 給水排水管理系統(tǒng) 火災(zāi)檢測及報警系統(tǒng) 空調(diào)管理系統(tǒng)和其他設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng) 2 通信自動化系統(tǒng) CA 通信自動化系統(tǒng)主要有電話自動交換機 廣播 傳真和其他數(shù)據(jù)通信自動化系統(tǒng) 3 辦公自動化系統(tǒng) OA 辦公自動化系統(tǒng)主要是計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 還包括會議電視 綜合管理和輔助決策系統(tǒng) 由于現(xiàn)代科學技術(shù)的交叉和互通 實際上這三個系統(tǒng)是你中有我 我中有你 很難清楚地分開 3 2 2綜合布線智能大樓通過綜合布線將上述各部分構(gòu)成一個有機的整體 綜合布線系統(tǒng)采用組合壓接方式 模塊化結(jié)構(gòu) 星型布線方法并具有開放系統(tǒng)特征 是一套完整的布線系統(tǒng) 布線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用星型連接 星型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于系統(tǒng)中的任意節(jié)點發(fā)生故障時可以自動關(guān)閉相應(yīng)的端口 而網(wǎng)絡(luò)上的其他終端不受影響 綜合布線系統(tǒng)是一種開放式結(jié)構(gòu) 除了能支持電話及多種計算機數(shù)據(jù)系統(tǒng) 還能滿足電視監(jiān)控等系統(tǒng)的需要 布線系統(tǒng)采用非屏蔽雙絞線 UTP 和光纜 非屏蔽雙絞線有三類 四類 五類 超五類 六類等幾種 其最高傳輸頻率分別是16 20 100 100 200MHz 采用的光纖直徑為62 5 m 光纖包層直徑為125 m的緩變增強型多模光纜 其標稱波長為850nm 長距離也可采用光纖直徑為10 m 光纖包層直徑125 m 標稱波長為1300nm的單模光纜 綜合布線系統(tǒng)所有設(shè)備之間的連接端子 塑料絕緣的電纜或?qū)Ь€ 電纜環(huán)箍都使用色標 不僅各個線對是用顏色識別的 而且線束組也使用同一圖表中的色標 總之 綜合布線系統(tǒng)采用標準化的統(tǒng)一材料 統(tǒng)一的布線設(shè)計 統(tǒng)一安裝施工 集中管理維護 整個大樓的布線系統(tǒng)成為一個有機的整體 便于管理 維護和設(shè)備擴展 提高了系統(tǒng)可靠性 綜合布線分六個子系統(tǒng) 1 工作區(qū)子系統(tǒng)一個獨立的需要設(shè)置終端設(shè)備的區(qū)域宜劃分為一個工作區(qū) 工作區(qū)子系統(tǒng)應(yīng)由水平子系統(tǒng)的信息插座延伸到工作站終端設(shè)備處的連接電纜及適配器組成 信息插座的類型有墻上型和桌上型 它們各自都有單孔和雙孔兩種型號 插座的接口是符合國際標準的RJ 45接口 它既可插計算機的RJ 45插頭 也能插電話常用的RJ 11插頭 2 水平 配線 子系統(tǒng)水平子系統(tǒng)是由工作區(qū)用的信息插座 每層配線設(shè)備至信息插座的配線電纜和終端匹配器等組成 攝像機一般不用信息插座 只用配接信息插座的接線盒 在接線盒中 從配線設(shè)備來的電纜和從攝像機適配器來的電纜直接相連 3 管理子系統(tǒng)管理子系統(tǒng)設(shè)置在每層配線設(shè)備的房間內(nèi) 管理子系統(tǒng)應(yīng)由交接間的配線設(shè)備 主要是配線架 輸入 輸出設(shè)備等組成 在經(jīng)常需要重組線路時宜使用插接式交接設(shè)備 即用插頭插座連接的交接設(shè)備 如110P 在無需經(jīng)常重組線路時 宜使用夾接式交接設(shè)備 即夾接固定連接的設(shè)備 如110A 4 垂直 干線 子系統(tǒng)垂直子系統(tǒng)是由設(shè)備間子系統(tǒng) 管理子系統(tǒng)的引入口之間的連接電纜組成 如果設(shè)備間 計算機房 電視監(jiān)控的中央控制室處于不同的地點 而且需要把話音電纜連至設(shè)備間 把數(shù)據(jù)電纜連至計算機房 把圖像電纜連至電視監(jiān)控的中央控制室 則應(yīng)選取干線電纜的不同部分來分別滿足不同路由話音 數(shù)據(jù)和圖像的需要 連接電纜一般是大對數(shù)電纜 有25 50 75 100對等幾種 5 設(shè)備間子系統(tǒng)設(shè)備間是在大樓的適當?shù)攸c設(shè)置進線設(shè)備 進行網(wǎng)絡(luò)管理及管理人員值班的場所 可與程控電話交換機 計算機主機房 電視監(jiān)控的中央控制室 消防控制主機合并建設(shè) 設(shè)備間子系統(tǒng)應(yīng)由建筑物進線設(shè)備與電話 計算機 電視監(jiān)控 消防控制等的配線設(shè)備組成 在實際建設(shè)中 往往只有電視監(jiān)控的中央控制室 消防控制主機合并建設(shè) 程控電話交換機 計算機主機房都是獨立的 6 建筑群子系統(tǒng)建筑群子系統(tǒng)是由兩個以上建筑物綜合布線系統(tǒng)組成的 宜采用地下管道或直埋電纜溝內(nèi)的敷設(shè)方式 3 2 3視頻信號與綜合布線的連接1 視頻信號以模擬信號形式傳送1 模擬信號傳送的特點在智能大樓中 應(yīng)用電視的視頻信號目前主要是以模擬信號形式傳送的 這種傳輸方法的特點是對圖像質(zhì)量的影響小 傳輸設(shè)備費用低 在攝像機端 視頻信號用視頻適配器將單端的非平衡視頻信號轉(zhuǎn)換為雙端平衡信號 通過信息插座的接線盒接入綜合布線系統(tǒng) 由五類非屏蔽雙絞線送到中控室 在中控室先經(jīng)視頻適配器將雙端平衡信號轉(zhuǎn)換成單端非平衡信號后 再進入電視監(jiān)控主控設(shè)備 如疊加字符 切換和多畫面合成等 再由主控設(shè)備處理后輸出 可以在中控室的監(jiān)視器上顯示圖像 也可以再經(jīng)視頻適配器和綜合布線系統(tǒng)將信號傳送到其他地方的監(jiān)視器上顯示圖像 用五類非屏蔽雙絞線傳送基帶彩色視頻信號的最長距離為457m 傳送基帶黑白視頻信號的最長距離為762m 對云臺和變焦鏡頭的控制信號是從中控室控制設(shè)備的RS 485接口輸出 經(jīng)綜合布線系統(tǒng)的一對五類非屏蔽雙絞線送到各個解碼器 解碼器再將串行的控制信號解碼后 由驅(qū)動電路輸出控制云臺 變焦鏡頭的電壓信號 分控制器將鍵盤命令轉(zhuǎn)換成串行控制信號 經(jīng)RS 485接口輸出 經(jīng)綜合布線系統(tǒng)送到主控 再由主控制器去控制視頻切換或經(jīng)過解碼器去控制云臺和變焦鏡頭 分控需要的視頻信號由主控制器切換輸出 經(jīng)視頻適配器變?yōu)殡p端信號后 在綜合布線系統(tǒng)中傳送到分控所在地 再經(jīng)視頻適配器變?yōu)閱味诵盘柡笤诒O(jiān)視器上顯示 這種方式傳送視頻信號 設(shè)備價格較低 圖像的清晰度較高 400電視線以上 圖像質(zhì)量主要由攝像機和監(jiān)視器的性能決定 傳送控制信號能實時起到作用 便于快速調(diào)整云臺 變焦鏡頭 能對移動目標進行實時跟蹤攝像 缺點是每一圖像信號都需要有一對雙絞線送到中控室 控制信號也需要用一對雙絞線從中控室送到解碼器 距離不遠的幾個解碼器可共用一對線 分控所需的圖像信號也需一對雙絞線從中控室送到分控所在地 分控的控制信號也是從分控所在地經(jīng)雙絞線送到主控制器的 2 視頻適配器視頻適配器可以是電感耦合型的無源適配器 如朗訊科技公司的380B型無源視頻適配器 這種無源視頻適配器是無方向性的 即由非平衡信號轉(zhuǎn)換成平衡信號或?qū)⑵胶庑盘栟D(zhuǎn)換為非平衡信號用的是同一種產(chǎn)品 而國產(chǎn)的視頻適配器大部分是有源適配器 是利用視頻運算放大器或視頻放大器來進行 平衡 非平衡 轉(zhuǎn)換的 有將平衡信號轉(zhuǎn)換為非平衡信號和將非平衡信號轉(zhuǎn)換成平衡信號兩種不同的產(chǎn)品 有源視頻適配器一般選用寬帶 高速 有較大驅(qū)動能力的視頻運算放大器組成 如AD813 LM6181 LF357等集成運放 附加少量電阻 電容就可組成有源視頻適配器 當買不到上述運放時 也可用通用寬帶視頻放大器LM733加晶體管驅(qū)動電路組成有源視頻適配器 圖3 12是視頻適配器 從同軸電纜轉(zhuǎn)雙絞線 電原理圖 圖3 12視頻適配器 從同軸電纜轉(zhuǎn)雙絞線 電原理圖 電纜芯線送來的視頻信號通過分壓電位器接放大器的正輸入端 屏蔽線接放大器的負輸入端 LM733的G1A G1B G2A G2B端不接時 電壓增益為10 調(diào)整輸入電位器使適配器輸出幅度合適 放大器的正 負輸出分別經(jīng)兩級射極輸出器進行電流放大后驅(qū)動低阻雙絞線 圖3 13是視頻適配器 從雙絞線轉(zhuǎn)同軸電纜 電原理圖 雙絞線送來的正極性視頻信號通過分壓電位器接放大器的正輸入端 負極性視頻信號接放大器的負輸入端 LM733的G1A G1B G2A G2B端不接時 電壓增益為10 調(diào)整輸入電位器使適配器輸出幅度合適 放大器的正輸出經(jīng)兩級射極輸出器進行電流放大后驅(qū)動75 同軸電纜 圖3 13視頻適配器 從雙絞線轉(zhuǎn)同軸電纜 電原理圖 2 視頻信號以數(shù)字信號形式傳送視頻信號以數(shù)字信號形式傳送時 攝像機的視頻信號首先送到計算機的采集壓縮卡先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 然后 利用視頻信號的行間相關(guān)性和幀間相關(guān)性進行數(shù)據(jù)壓縮 壓縮數(shù)據(jù)打包后 通過網(wǎng)卡在網(wǎng)上組播 對一組指定的計算機廣播 網(wǎng)上任一臺計算機只要被授權(quán)且有接收 解壓縮軟件均可在CRT上顯示圖像 控制信號也在網(wǎng)上傳送 網(wǎng)上的任意一臺計算機只要具備相應(yīng)的控制軟件 都可以接收本機鍵盤 鼠標的控制命令 形成控制數(shù)據(jù)包后 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)送到某臺指定的計算機 這臺計算機接收到控制數(shù)據(jù)包后 在其RS 232接口上輸出串行控制信號 經(jīng)RS 232 485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成平衡信號后 再經(jīng)綜合布線系統(tǒng)送到各個解碼器 由控制數(shù)據(jù)包指定的解碼器接收到控制信號后 由其驅(qū)動電路輸出電壓信號去控制云臺和變焦鏡頭的電機 視頻信號以數(shù)字信號形式傳送最重要的優(yōu)點是有靈活性和可移動性 可從計算機網(wǎng)絡(luò)的任意信息點上獲取壓縮的數(shù)字化的電視信號 數(shù)據(jù)包經(jīng)計算機解壓縮后在計算機的CRT上顯示 也可調(diào)整攝像機的云臺和變焦鏡頭 視頻信號以數(shù)字信號形式傳送的缺點是 1 圖像質(zhì)量和清晰度由視頻采集壓縮卡決定 目前一般的采集壓縮卡是CIF格式 即352 288點陣 水平清晰度最高能達280電視線 即使攝像機的清晰度高于280電視線 經(jīng)采集壓縮后圖像信號的清晰度也下降為280電視線 若需要更高的清晰度 必須采用高分辨率的采集壓縮卡 高分辨率的采集壓縮卡價格較高 2 傳送延遲時間長 圖像信號經(jīng)采集 壓縮 打包 傳輸 拆包和解壓縮處理后才能在CRT上顯示 整個過程需要一定的時間 一般的計算機要延遲1 2秒鐘 如果只是觀察圖像 感覺不到這種延遲 值得注意的是 由于這種延遲不能對移動目標進行實時跟蹤 因為調(diào)整云臺 變焦鏡頭后 調(diào)整的效果要經(jīng)過1 2秒鐘后才能看到 這樣 云臺 變焦鏡頭只能作粗調(diào) 無法進行精細調(diào)整 目前的產(chǎn)品都聲稱能進行PTZ控制 即云臺水平掃描 俯仰和鏡頭變倍三種控制 還勉強可用 光圈和聚焦則不易調(diào)節(jié) 應(yīng)采用自動光圈 自動聚焦鏡頭 這一缺點應(yīng)該引起足夠重視 3 容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)擁塞 當網(wǎng)絡(luò)中傳送的視頻信號路數(shù)較多時 容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)擁塞 使延遲時間變長 視頻信號以數(shù)字信號形式傳送目前雖然有許多不足之處 但隨著計算機速度的加快 千兆網(wǎng)的普及 視頻信號以數(shù)字信號形式傳送將成為主流 目前市售的硬盤錄像機 采用1GHz的P4CPU 在傳輸速率可達100Mb s的網(wǎng)上組播 網(wǎng)上同類的PC機能接收2 10路CIF格式的準實時圖像或錄像 3 3光纜視頻傳送 光通信是人類最古老的通信方式之一 一直采用大氣作為傳輸介質(zhì) 通信距離 通信容量受到了很大的限制 光導纖維 簡稱為光纖 的出現(xiàn) 使光通信展現(xiàn)了良好的前景 它具有傳輸損耗低 通帶寬 抗干擾性強的特點 是實現(xiàn)大容量通信的理想介質(zhì) 電視信號具有很寬的頻帶 長距離傳輸是一個很困難的問題 因此 光纖傳輸成為電視信號傳輸?shù)闹匾绞?3 3 1光纖傳輸原理1 光纖傳輸?shù)奶攸c1 傳輸損耗低光纖作為光信號的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點 非常適合于長距離傳輸 一般以每公里幾分貝來衡量光纖的損耗 將來會降至每百公里幾分貝 這是電纜傳輸所無法比擬的 2 傳輸頻帶寬光纖一般都具有幾百Mb s以上的傳輸帶寬 非常適合于傳輸速率高于2Mb s的寬帶業(yè)務(wù) 實現(xiàn)大容量通信 包括可視電話 高分辨率傳真和高分辨率電視等 光纖傳輸視頻信號能夠保證長距離傳輸具有很高的信噪比 可省去電纜傳輸所需的高頻補償 光纖的寬帶特性不僅適于基帶信號視頻信號的傳輸 還可以實現(xiàn)頻分復(fù)用多路 FDM 方式傳輸 可以將多路視頻信號調(diào)制于不同的載頻 然后形成一路寬帶 FDM 載波信號 在一根光纖中傳輸 3 抗干擾性強光纖傳輸無電磁輻射 無信號泄漏 光纖傳輸中的載波為光波 是頻率極高的電磁波 遠高于電波通信所使用的頻率 它不受干擾 尤其是不受強電干擾 光波是在光纜之內(nèi)傳輸?shù)?無輻射 對環(huán)境無污染 傳送信號無泄漏 保密性強 4 成本低由于生產(chǎn)技術(shù)和制造工藝的提高 光纖傳輸成本 包括光器件 光纜等 下降得很快 光纖生產(chǎn)的主要材料是地球上蘊藏最豐富的石英砂 在當今金屬 如生產(chǎn)電纜所用的銅 資源缺乏的情況下 其意義就更加重大了 目前 按單芯計算光纜的價格與電纜基本相同 從發(fā)展趨勢上看 光纜的價格會大大低于電纜 5 機械性能好有人認為光纖機械性能差 易于折斷 線路敷設(shè)工序復(fù)雜 不如電纜方便 這是一種誤解 現(xiàn)在光纜在機械強度 抗拉強度 抗側(cè)壓強度 上均不低于電纜 在施工過程中造成光纖損傷的可能性很小 光纜的重量輕 直徑小 便于運輸 便于施工 近年來 高質(zhì)量的光纖熔接機 光纖性能測試設(shè)備和接頭防護裝置不斷出現(xiàn) 使得光纖傳輸系統(tǒng)的建立更加方便 此外 光纖傳輸還有信號失真小 系統(tǒng)功耗低 耐高溫 以及沒有接地和短路問題等優(yōu)點 同電纜相比 在性能上 價格上均具有明顯的優(yōu)勢 2 光纖與光纜光纖是光波傳輸?shù)慕橘|(zhì) 是由介質(zhì)材料構(gòu)成的圓柱體 它分為芯子和包層兩部分 光沿芯子傳播 在實際工程應(yīng)用中 光纖是指由預(yù)制棒拉制出纖絲經(jīng)過簡單被復(fù)后的纖芯 纖芯再經(jīng)過被復(fù) 加強和防護成為各種工程應(yīng)用的光纜 光纖是光通信技術(shù)中的一個技術(shù)名詞 而光纜是實際光通信系統(tǒng)中的器材 3 光纖傳光的機理光波在光纖中的傳播過程是一個復(fù)雜的電磁場的邊界值問題 但是對大多數(shù)實際應(yīng)用來說 用幾何光學的方法定性分析就足夠了 光纖芯子的直徑要比傳播光的波長高幾十倍以上 因此這種分析方法是正確的 在介紹光纖傳光的機理之前 首先敘述有關(guān)光線在介質(zhì)交界面上的折射和反射現(xiàn)象 如圖3 14所示 當一束光線投射在兩種具有不同折射率的介質(zhì)交界面上時 就會發(fā)生折射和反射 假定兩種介質(zhì)的折射率分別為n1 n2 且n1 n2 折射光會向交界面方向偏轉(zhuǎn) 當入射角 1增大至 c arcsin n2 n1 時 就將沒有光線進入第二種介質(zhì) 形成全反射 所有入射角 1 c的光線在交界面處都會形成全反射 c稱為臨界角 對于多層介質(zhì)形成的一系列交界面 若n1 n2 n3 nm 則光線通過每一個界面的入射角逐漸加大 直至形成全反射 由于折射率的變化入射光會受到偏轉(zhuǎn)的作用 而改變傳播方向 把這樣的分析應(yīng)用于光纖 就可以很清楚地理解光纖傳光的機理了 圖3 14光線的折射和反射 光纖由芯子 包層和套層組成 套層的作用是保護光纖 對光的傳播沒有什么作用 芯子和包層的折射率不同 其折射率的分布主要有兩種類型 折射率連續(xù)分布型 又稱梯度分布型 和折射率間斷分布型 又稱階躍分布型 這樣的結(jié)構(gòu)為什么能夠傳光呢 我們結(jié)合圖3 15予以說明 先以階躍光纖為例 入射光經(jīng)過光纖端面的折射后進入光纖 除了與其軸線一致的光沿直線傳播外 其余的光線將投射到芯子和包層的交界面 出現(xiàn)以下兩種情況 圖3 15 一種是與光纖軸線的夾角為 相當界面的入射角大于等于 c 折射率的相對變化率 n1 n2 n1 即n2 n1 1 的光線 在界面處形成全反射 這些光線與光纖軸線的夾角將保持不變 呈鋸齒狀無損耗地在光纖芯子內(nèi)向前傳播 這些光 包括直線傳播光 我們稱之為傳播光 另一種是與光纖軸線的夾角的光線 它們在界面處只有一部分形成反射 還有一部分被折射 進入包層 最后被套層吸收 反射的光線再次到達界面時 又會有部分損耗掉 因而不能傳播 這就是非傳播光 必須指出 上面的敘述是在光纖的軸線截面上進行的 入射光是光纖的軸面光 而實際上進入光纖的光大部分并不是軸面光 所以還存在著第三種光 即泄漏光 這種光線與光纖軸的夾角 它在界面的入射角仍大于全反射的臨界角 形成全反射 而得到傳播 由于交界面不平坦等缺陷 這些光會逐漸損耗掉 對于長距離傳輸是沒有意義的 對于折射率連續(xù)變化的光纖也可以進行類似的分析 由于芯子折射率離開軸線逐漸減小 光線進入光纖向芯子與包層的交界面?zhèn)鞑r 就會受到一個向軸心偏轉(zhuǎn)的作用 與軸線夾角 小于一定值的光線將不能達到界面或達到界面形成全反射 而受束于芯子內(nèi) 呈波浪狀無損耗地向前傳播 成為傳播光 其余的光由于有一部分在界面處折射進入包層 逐漸被吸收掉 而不能傳播 圖3 16光纖的折射率分布和典型參數(shù) a 梯形分布型 b 階躍分布型 4 光纖的分類可以從不同的角度 如材料 制造方法 折射率分布及傳播光的模數(shù) 對光纖進行分類 表3 3給出了幾種主要的分類情況 這里對多模和單模光纖說明一下 先簡單地介紹一下模的概念 我們可以把一條光線理解為一個模 或者是不同模表示不同角度的入射光 如我們在前面講得一樣 根據(jù)幾何光學 光的射線理論 只要與光纖軸線夾角的光線都可以傳播 而光的波動理論認為 光纖只能允許有限的離散數(shù)目的光 或者模 傳播 實驗也證明了這一點 光纖中可以傳播模的數(shù)量是芯子的橫截面積和芯子中心與包層間折射率差的函數(shù) 二者成正比例關(guān)系 當光纖芯子的直徑減小到一定值時 光纖就只允許一個模的光傳播了 即成為單模光纖 顯然單模光纖只傳播軸線光 因此不存在模色散 具有很大的信息載送容量 多模光纖一般可以有幾百個低損耗的傳播模 易與光源和探測器耦合 表3 3光纖的分類 5 光纖的特性光纖的特性包括傳輸特性 幾何參數(shù)和折射率差等 傳輸特性主要是傳輸損耗和帶寬 1 數(shù)值孔徑NA光纖的數(shù)值孔徑NA是光纖的一個重要參數(shù) 它表示一根光纖收集光線本領(lǐng)的大小 即表示光纖易不易激發(fā) 以及光纖與光源和別的光纖耦合的難易程度 光纖的數(shù)值孔徑越大 其集光能力越強 因而也越容易與其他的光源或光纖耦合 數(shù)值孔徑同時還對連接損耗 微彎損耗 衰減溫度特性和傳輸帶寬等都有影響 數(shù)值孔徑過大時 會給制造及傳輸損耗帶來不利影響 因而光纖的數(shù)值孔徑應(yīng)取折衷值 據(jù)標準規(guī)定 多模梯度光纖的數(shù)值孔徑以在0 20左右為宜 單模光纖沒有規(guī)定值 但經(jīng)計算可得出其數(shù)值孔徑約為0 11左右 因此單模光纖比多模光纖的耦合效率要小許多 數(shù)值孔徑NA也表示光纖芯子與包層之間折射率的差 n1為纖芯折射率 n2為包層折射率 且n1 n2 折射率的相對變化率 為 3 4 從圖3 17可以看到 max為入射光與光纖軸線的最大外夾角 超過此角的入射光會在包層界面發(fā)生折射 能在光纖中傳播的光的最大入射角應(yīng)滿足如下關(guān)系 圖3 17 式中 n為光纖外部介質(zhì)的折射率 對于空氣為1 因n1 n2 n 則有 3 5 3 6 2 傳輸損耗傳輸損耗是光纖的一項重要光學特性 引起光纖損耗的原因有材料吸收 散射損耗和結(jié)構(gòu)缺陷等 材料吸收是指光在光纖中傳播時 其功率以熱的形式消耗的過程 材料不純是產(chǎn)生材料吸收的一個主要原因 散射損耗是由于光纖的幾何參數(shù)或折射率分布的不均勻性造成的 因為這個不均勻性會引起一個傳播模的光功率部分轉(zhuǎn)移到另一個模上去 這就是散射 如果轉(zhuǎn)移模為非傳播模 就產(chǎn)生了散射損耗 光纖結(jié)構(gòu)的缺陷也是產(chǎn)生損耗的一個原因 如芯子包層界面不光滑 氣泡 應(yīng)力 直徑的變化和軸線的彎曲等 都會引起損耗 3 傳輸帶寬傳輸帶寬表示光纖的傳輸速率 主要是受到光纖色散的限制 色散將導致脈沖展寬 這是理解其限制光纖傳輸速率最直觀的方法 光纖色散主要有材料色散 波導色散和模色散 在1 3 m波長處石英光纖的波導色散與材料色散互相抵消 因此 在理論上可以制造出1 3 m零色散單模光纖如能將石英光纖的零色散點從1 3 m移到它最低損耗波長1 55 m處 就可制造出色散位移 DS 單模光纖 若能使在長波長的寬范圍內(nèi)色散都很低 即為色散平坦光纖 這些光纖將為大容量 高速率通信提供更好的介質(zhì) 人們常用帶寬距離乘積 f km 來計量光纖的傳輸帶寬 而對單模光纖則常用色散值來表示其傳輸特性 光通信系統(tǒng)的實際傳輸帶寬為 3 7 式中 B0為一公里的傳輸帶寬 L為距離 在大多數(shù)應(yīng)用中取 1 6 光纜光纖傳輸要得到實際應(yīng)用 必須能適應(yīng)各種工程施工的要求和各種自然環(huán)境條件 因此 要對光纖進行加強 防護 使之成為具有實用價值的傳輸介質(zhì) 光纜 由光纖到光纜是光纖傳輸從實驗室進入實際應(yīng)用的過程 光纜制造技術(shù)的發(fā)展對光纖通信的推廣應(yīng)用起很大作用 為了保證光纖具有良好和穩(wěn)定的傳輸特性 光纜設(shè)計要考慮以下幾方面 1 避免產(chǎn)生纖芯的微彎損耗 2 避免纖芯的表面受到損傷 3 保證光纜有足夠的機械強度 良好的密封性和防潮性能 4 多芯光纜要便于識別每根纖芯 5 合理的重量 體積和纖芯空間分布 所有這些設(shè)計考慮主要是為了避免纖芯不受到任何附加應(yīng)力和損傷 提高可靠性 同時使光纜具有適應(yīng)工程施工所要求的機械強度 便于現(xiàn)場接續(xù)和運輸 常用的光纜型式有層絞式和骨架式兩種 所謂層絞式光纜是以一根纖維加強塑料或鋼絲為中心加強件 外面環(huán)繞一層緩沖層 多根纖芯均勻地分布在緩沖層外 分一層或多層 螺線狀地環(huán)繞著中心加強件 纖芯層外面又是一層緩沖層 最外層是防水 防護被復(fù) 骨架式光纜采用一根含有中心鋼絲的特殊形狀塑料骨架 纖芯平穩(wěn)地放置在骨架周圍的空腔中 纖芯同樣也是螺線狀的環(huán)繞著中心鋼絲 這就避免了在光纜折彎時 纖芯受到附加的應(yīng)力 其外層是防水 防護被復(fù) 3 3 2光源光纖傳輸信息的載體是光波 因此光源是最重要的器件 光纖傳輸用的光源要求有很好的穩(wěn)定性和足夠的壽命 其波長應(yīng)與光纖的低損耗區(qū)互相一致 同時具有很好的調(diào)制性能 體積小 價格低又易于調(diào)制的固體發(fā)光器件很適合于光纖傳輸 1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 簡稱LED LightEmittingDiode 發(fā)射波長為0 8 0 9 m或1 1 1 6 m的發(fā)光二極管是最簡單的固體光源 它可以提供足夠的輸出功率和中等程度的光譜寬度 容易與光纖耦合 可以方便地直接調(diào)制 在光纖傳輸中得到了大量的應(yīng)用 在通常的情況下 正向偏置的半導體 族化合物 PN結(jié)都可以發(fā)射出可見光和紅外波段的自發(fā)輻射 這種器件就是發(fā)光二極管 當PN結(jié)加上正向偏壓時 就會有少數(shù)載流子 電子 注入P區(qū) 這些處于導帶的電子當與價帶內(nèi)的空穴 多數(shù)載流子 復(fù)合時 就會發(fā)射出光子 其能量取決于半導體材料導帶和價帶之間的能量 它也決定了發(fā)射光的波長 這種自發(fā)復(fù)合通常是在靠近PN結(jié)的P區(qū)進行的 稱為輻射復(fù)合 由于晶體缺陷等原因 有些復(fù)合不發(fā)出光子 使得LED的轉(zhuǎn)換效率不是100 通常同質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的量子效率為50 雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的量子效率可達60 80 發(fā)光二極管有表面發(fā)光二極管和端面發(fā)光二極管兩種結(jié)構(gòu) 表面發(fā)光二極管在小面積的有源區(qū)發(fā)光 光沿垂直于結(jié)平面的方向 通過有源區(qū)上面一個很薄的透明半導體層輸出 如把有源區(qū)做成小的圓面 直徑可為25 100 m 光纖端面可以非常接近有源區(qū) 得到很好的耦合 端面發(fā)光二極管是直接從暴露的有源區(qū)的一個端面輸出光 由于有源層的折射率高于兩側(cè) 形成波導效應(yīng) 發(fā)射光集中在有源層內(nèi) 在一個端面鍍上反射膜 而在另一個端面 即輸出面 鍍上抗反射膜 就會使光從一個端面集束地發(fā)射出來 該端面的光強度很高 便于與光纖耦合 2 半導體激光器激光二極管簡稱LD LaserDiode 也是一種常用的光源 它具有很窄的光譜寬度 一般小于1nm 在材料色散是限制光纖傳輸帶寬的主要因素時 LD是非常優(yōu)越的 同時它與光纖的耦合效率也要比LED高得多 在正常的偏置條件下 半導體激光器的調(diào)制頻率可達1GHz以上 在長距離 高速率傳輸系統(tǒng)中非常適用 半導體激光器的工作方式是利用光來產(chǎn)生強烈的受激輻射 一個諧振腔 如果它的回路增益大于回路中損耗的那部分光功率 就會產(chǎn)生激光振蕩 對于光來說 兩個相對的反射面 就可以使光在兩個鏡面之間來回往復(fù) 形成光反饋 給LED加上一個能夠提供反饋的諧振腔 在大電流密度下 就構(gòu)成了半導體激光器 最常見的是雙異質(zhì)DH DoubleHetero 結(jié)條型半導體激光器 這種結(jié)構(gòu)型式是利用兩個端面的反射作用來形成激光振蕩反饋的 3 光源的特性光源的特性主要有以下幾項 1 光譜特性 光源的基本特性 通常用波長 和光譜寬度 光功率下降3dB時寬度 來表示 光源的光譜特性是光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計時考慮的主要參數(shù) 2 功率效率 它表示實際接收到的光功率與加到二極管上的電功率之比 實際接收到的光功率與光源的結(jié)構(gòu)和光纖的耦合方式有關(guān) 因此耦合效率也是一個有用的指標 它表示注入光纖的光功率與光源輸出的光功率之比 3 輸出特性 光源的輸出特性表示了工作電流與輸出光功率 或出纖功率 之間的關(guān)系 圖3 18給出了發(fā)光二極管和半導體激光器的典型輸出特性曲線 可以看出兩者之間有著明顯的差別 LED在較寬范圍內(nèi)有良好的線性 當注入電流達一定值時 呈現(xiàn)飽和狀態(tài) 而半導體激光器則有一個拐點 它對應(yīng)受激發(fā)光的閾值 當注入電流低于閾值時 器件處于LED狀態(tài) 當注入電流高于閾值時 開始受激發(fā)光 產(chǎn)生高功率輸出 并有一段很好的線性區(qū) 光源的輸出特性是設(shè)計光發(fā)射機時選取工作點 確定電信號的調(diào)制幅度的重要依據(jù) 圖3 18光源輸出特性曲線 a LED光源輸出特性 b LD光源輸出特性 4 效率與調(diào)制帶寬 光源的效率和調(diào)制帶寬是一對互相制約的量 高輸出的器件只能以低速率調(diào)制 若想得到高的調(diào)制速率 就必須犧牲輸出功率 因此用帶寬 功率乘積 PfW 來表示光源特性 在PfW中 Pf為出纖功率 W是光源的輸出功率 5 壽命 它是關(guān)系到傳輸系統(tǒng)可靠性 經(jīng)濟性的一項指標 工作壽命是指光源的輸出光功率降至初始值一半時的工作時間 4 光源的調(diào)制為將信息搭載到光波上 就要對光源進行調(diào)制 有多種調(diào)制方式 直接光強度調(diào)制 IM 方式是應(yīng)用較為廣泛的一種 改變發(fā)光二極管的注入電流 可以改變其輸出光功率 從圖3 18輸出曲線可以看出 輸出光功率 即光強度 與注入電流有很寬的線性范圍 將小交變信號 f 2 疊加在一個直流偏置電流上作為注入電流 其輸出光強度就會包含靜態(tài)分量I0與調(diào)制量I 兩部分 調(diào)制光強度的幅度 I 代表了LED對交流驅(qū)動的響應(yīng) 近似于 式中 I 0 為零頻率的調(diào)制強度 為載流子壽命 因可以檢測到的電功率P 同 I 2成正比 當P P 0 2 3dB帶寬的概念 有 I 2 I 0 2 2 即可定義調(diào)制帶寬 為 3 8 3 9 這說明材料的載流子壽命 是限制LED調(diào)制帶寬的主要因素 半導體激光器也可以通過改變驅(qū)動電流的方法來進行直接調(diào)制 調(diào)制光強度具有同LED一樣的關(guān)系 因為注入型激光器中載流子的壽命由于受激發(fā)射的作用而明顯變短 所以它的調(diào)制帶寬明顯高于LED 非常適于寬帶信號的傳輸系統(tǒng) 3 3 3光探測器與光源相反 光探測器的作用是解調(diào)光信號 把搭載于光波上的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?光纖傳輸系統(tǒng)對光探測器的主要要求是在工作波段上有足夠的靈敏度和帶寬目前常用的光探測器有PIN光電二極管和雪崩二極管 1 PIN光電二極管PIN光電二極管 PIN PD Positive Intrinsic NegativePhotoDiode 圖3 19示出了PIN光電二極管與普通光電二極管結(jié)構(gòu)的區(qū)別 普通光電二極管PN結(jié)的耗盡層受到光的照射 在入射光子的能量大于或等于半導體帶間能差時 光子能量被吸收 產(chǎn)生空穴電子對 由于強電場的作用 空穴 電子向相反方向漂移 通過結(jié)后被收集 形成光電流 這就是光電二極管的工作原理 為提高耗盡層的寬度 減小摻雜量使P區(qū)實際上成為本征區(qū) I區(qū) 再通過重摻雜的P區(qū)構(gòu)成良好的歐姆接觸 就形成了PIN結(jié)構(gòu) 圖3 19PIN PD與普通PD結(jié)構(gòu)的區(qū)別 a 普通光電二極管結(jié)構(gòu) b PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 2 雪崩光電二極管雪崩光電二極管APD AvalanchePhotoDiode 是一種高靈敏度的探測器件 它接收的光功率是可以毫微瓦級的 它的工作原理如圖3 20所示 在加反向偏壓的二極管中 當耗盡層內(nèi)的電場足夠強時 光生載流子可以獲得足夠大的能量去撞擊被束縛的價電子使之電離 從而產(chǎn)生額外的空穴電子對 這些載流子同樣可以在電場中獲得能量去撞擊受束縛的價電子 再產(chǎn)生新的載流子 如此往復(fù)下去 就會形成載流子的雪崩倍增 當入射光的光子被吸收 產(chǎn)生空穴電子對 如果有強電場的存在 就會出現(xiàn)雪崩倍增 這樣形成的光電流就相應(yīng)地被放大了幾十到幾百倍 圖3 20APD工作原理 雪崩噪聲是雪崩二極管的主要特性 因為雪崩本身具有統(tǒng)計的性質(zhì) 絕不是每一個光電子都會產(chǎn)生相同的倍增作用 這個增益漲落即表現(xiàn)為雪崩噪聲 PIN和APD都是一種把光強度的變化直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓钠骷?這種工作方式稱之為直接探測 其輸出電流是入射光功率的線性函數(shù) 在光纖通信系統(tǒng)中 直接光強調(diào)制是最為普遍的形式 因此 PIN和APD直接探測也就成為應(yīng)用很廣泛的方式 由于在穩(wěn)定性 壽命和價格方面的優(yōu)勢 因而PIN探測器的應(yīng)用最為廣泛 3 3 4光纖視頻傳輸系統(tǒng)光纖傳輸?shù)娜厥?光源 光纖和探測器 光源將電信號調(diào)制 完成電光轉(zhuǎn)換 構(gòu)成光發(fā)射機 光纖將光信號傳送到目的地 由探測器將光信號解調(diào)還原為電信號即為光接收機 表3 4給出了它們的特性參數(shù) 表3 4光纖傳輸各部分的特性 1 視頻傳輸系統(tǒng)在應(yīng)用電視中 主要采用模擬基帶方式和脈沖頻率調(diào)制 PFM 方式傳輸 1 基帶傳輸方式典型的基帶傳輸方式如圖3 21所示 這是一種最簡單的系統(tǒng) 通?？傻玫?0MHz以上的帶寬 傳輸距離可達數(shù)公里 預(yù)加重電路可用來提高S N 非線性補償電路主要是針對光源的非線性失真 校正由非線性失真引起的微分增益DG DifferentialGain 微分相位DP DifferentialPhase 失真 這樣的系統(tǒng)多采用LED為光源 驅(qū)動電路是發(fā)射機關(guān)鍵部分 圖3 22給出了幾種常用的LED驅(qū)動電路 圖3 21模擬基帶視頻傳輸系統(tǒng)示意圖 圖3 22LED的驅(qū)動電路 a 射極驅(qū)動 b 數(shù)個并列集電極驅(qū)動 c 負反饋非線性補償 圖3 22 a 是最簡單的驅(qū)動方式 射極輸出器方式 與LED串聯(lián)的RC電路具有頻率補償作用 圖3 22 b 是集電極恒流驅(qū)動電路 也是一種常用的方式 右邊的電路是非線性補償電路 圖3 22 c 是具有反饋控制的驅(qū)動電路 它通過本機探測器截獲一部分發(fā)射光 通過反饋來改善光源的線性 要求較高的系統(tǒng)往往采用這種驅(qū)動電路 光接