实验九 光纤视频传输实验

实验九光纤视频传输实验

实验目的：

1. 了解基带模拟信号直接光强度调制传输系统的构成；

2. 了解不同业务对传输系统的要求差异。

实验仪器：

1. 光纤通信实验箱

2. 摄像头、监视器

3. 光纤跳线、视频线

实验原理：

基带模拟信号直接光强度调制传输是模拟光纤传输最基本的传输技术。以发光二极管为光源的基带电视信号光纤传输系统具有设备简单、价格便宜的特点。传输质量可以满足不同指标的要求，适用于较短距离的电视传输，在广播电视与工业电视传输中有着广泛地应用。这种设备以发光二极管为光源，是因为LED的入纤光功率虽不如激光器的高，但它是非相干光源，对微分增益（DG）和微分相位（DP）的校正比用激光器（LD）作为光源来得容易，而且光源驱动电路也比较简单。另外，在多模光纤传输系统中，它也不存在模式噪声对信噪比的影响问题。因此，LED是这种系统中常用的光源。

图9-1示出了一个系统的基本组成方框。在我国采用的PAL制电视信号中，彩色信号是调制在频率为4.43MHz的色副载波上，而色副载波又是叠加在亮度信号上的。色副载波的幅度决定着彩色信号的饱和度，其相位决定了色调。由于亮度信号的变化在传输中可能引起色副载波的幅度和相位失真，在电视信号中被称作微分增益（DG）和微分相位（DP）失真。在传输系统中，发光二极管的非线性是引起DG、DP失真的主要原因，这是因为发光二极管的阻抗特性、注入电流、内部量子效率、辐射复合率的温度特性以及调制带宽等因素的影响所致。一般发光二极管在不采用任何校正措施的情况下，系统可引起10~15%左右的DG变化和1~3度的DP变化，这对于高指标传输来说是不利的。因此需要加入校正电路用以消除这种影响。校正发光二极管的非线性的方法很多，如反馈法、相移调制法、前馈法和准前馈法等。但上述这些方法对校正电路或光器件的要求都很高，采用这些方法会使设备原本简单便宜的系统反而变得比较复杂，设备成本也因此而有所提高。因此一般情况下多采用预失真（预校正）法比较实用。所谓预失真法是用普通二极管的非线性在发送端使信号预先失真，用以抵消发光二极管的非线性失真。

众所周知，电视信号在通过传输设备的电路时，由于交流耦合电容的影响，会失去信号中的低频成分和直流成分。为了保持良好的场响应，常常采取箝位措施，恢复直流分量。除此之外，发端采用箝位技术控制电视信号，可使其工作在发光二极管的P-I特性线性校正区范围内。因而，预失真电路和光源驱动电路中也采用箝位技术。在收端，光电检测器究竟是采用PIN光电二极管还是雪崩光电二极管（APD），这要看对光纤传输系统信噪比的要求而定。如前所述，信噪比要求较高时多采用PIN，而信噪比要求较低时，采用APD可以提高接收机的灵敏度。前置放大器可以采用高阻抗低噪声放大器或高跨阻抗低噪声放大器，这样有利于接收机灵敏度的提高。上述两种放大器的带宽并不理想，为了保证电视信号的幅频特

性要求，有时需要进行幅度均衡。限制噪声带宽的低通滤波器一般和幅度均衡特性一起考虑，并不单独设置。在这种光纤传输系统中，自动增益控制（AGC）电路的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电平是随着收到的光功率的大小而改变的，因而自动增益控制还起到使接收端电视信号输出电平维持恒定接口电平的作用。

图9-1 LED强度调制视频光纤传输

这里需要指出的是，基带模拟电视信号光强度调制系统容易受到光源非线性的影响，虽然可以采用各种措施去改善非线性失真的影响，但光源的P-I特性一致性较差，使得批量生产时，调整工作量较大，特别是采用LD作光源时，影响传输指标的因素更多，加之脉冲频率调制技术已经成熟，而且又不受光源的非线性影响，因此采用激光器的基带模拟电视信号强度调制系统目前已很少采用。

图9-2 等宽PFM视频光纤传输系统原理图

脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation：PFM）传输方式是目前单路模拟视频光纤传输方式中传输质量较高的方式之一，它也属于脉冲调制光纤传输系统中的一种。所谓脉冲调制包括脉冲调幅、脉冲调相、脉冲调宽、脉冲间隔调制、脉冲调频以及其它双参数脉冲调制等。在这些方式中除脉冲调幅外，都不受光源非线性的影响。

脉冲频率调制有两种方式，一种是调制脉冲的重复频率随信号幅度大小呈线性变化，而脉冲持续期（脉宽）则固定不变；另一种是脉冲占空比为1:1，而调制脉冲的重复频率仍然与信号的幅度成比例变化。后者实际上叫做方波调频（SWFM）方式。

方波频率调制（SWFM）是一种脉冲化了的调频方式（也叫脉冲占空比为1:1的PFM 方式），它是在等宽PFM基础上发展起来的更适合于光纤传输系统的视频传输方式。因此，近年来在光纤单路电视传输中占有重要地位。通过频谱分析可知：等宽PFM信号的频谱中含有基带电视信号成份，这给PFM信号的解调带来了方便。但同时也给接收端的判决带来了不便，这是因为在等宽PFM脉冲中的直流成分会给判决点的确定带来麻烦。由于脉冲较窄，带宽较宽，给接收端前置放大器设计和接收灵敏度的提高也都带来了不便，而在SWFM 系统中，上述这些不足之处都可以得到克服。SWFM信号的频谱成分中不含基带视频分量，也不含直流成分，因此，它不影响判决点的确定。而且其信号能量主要集中在载频f0附近，因此传输带宽比较窄。

图9-3 SWFM传输系统构成原理

为了获得活动的图像，电影和电视是把若干幅静止的画面快速地连续播放，我们就会觉得这些画面上的物体是在连续地运动着。每一幅“静止”的画面称为一“帧(Frame)”，电影的播放速度是24帧/秒、PAL制电视是25帧/秒，NTSC制电视是30帧/秒。电视的每帧画面又是由若干条水平方向的扫描线组成的、PAL制为625行/帧，NTSC制为525行/帧。如果这一帧画面中听有的行是从上到下一行接一行地连续完成的，或者说扫描顷序是1、2、3……525，我们就称这种扫描方式为逐行扫描。但是实际上，广播电视的一帧画面需要由两遍扫描来完成，第一遍只扫描奇数行，即第l、3、5……525行，第二遍扫描则只扫描偶数行，即第2、1、6……524行，这种扫描方式就是隔行扫描。一幅只含奇数行或偶数行的画面称为一“场(Field)”，其中只含奇数行的场称为奇数场或前场(Top Field)，只含偶数行的场称为偶数场或后场(Bottom Field)。

每一帧图像均是由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成，这种扫描方式称为逐行扫描。要得到稳定的逐行扫描图像，每帧图像必须扫描整数行。举例来说，一帧图像是连续扫描625行组成的，每秒钟共扫描50帧图像，即帧扫描频率为50帧/秒，或写成50Hz(赫芝)，行扫描频率为31.25kHz。

逐行扫描方法使信号的频谱及传送该信号的信道带宽均达到很高的要求。电视专家想出了一个巧妙的方法，把一幅625行图像分成两场来扫，第一场称奇数场，只扫描625行的奇数行(依次扫描1、3、5、…行)，而第二场(偶数场)只扫描625行的偶数行(依次扫描2、4、6、…行)，通过两场扫描完成原来一帧图像扫描的行数，这就是隔行扫描。对于每帧图像为625行的隔行扫描，每帧图像分两场扫，每一场只扫描了312.5行，而每秒钟只要扫描25帧图像就可以了，故每秒钟共扫描50场(奇数场与偶数场各25场)，即隔行扫描时帧频为25Hz、场频为50Hz，而行扫描频率为15.625kHz。

隔行扫描的行扫描频率为逐行扫描时的一半，因而电视信号的频谱及传送该信号的信道带宽亦为逐行扫描的一半。这样采用了隔行扫描后，在图像质量下降不多的情况下，信道利用率提高了一倍。由于信道带宽的减小，使系统及设备的复杂性与成本也相应减少，这就是为什么世界上早期的电视制式均采用隔行扫描的原因。