一种低成本光纤双向视频数据传输系统的设计

吴晓娥 蒋继平

(1.榆林职业技术学院(神木校区) 陕西榆林 719300;2.常州信息职业技术学院 江苏常州 213164)

引言

在石油、化工、煤炭、交通等工业、保密、生产监控系统中常常需要视频及数据信号同时传输，光纤通信技术以其体积小、重量轻、节约能源、传输带宽大、无中继传输距离长、具有超强的抗辐射和抗电磁干扰能力等优点，在该领域的使用已经得到普遍认可。光纤可以传输的信息很多，但光纤信道资源又是有限的，所以研究开发单根光纤传输多路双向信号的传输系统是有一定意义的。本文介绍一种基于波分复用技术实现在一根单模光纤中传输视频信号和数据信号的方案设计。

1 波分复用传输系统

波分复用(WDM)传输系统如图1所示，它由1 550 nm波长收发光端机、1 310 nm波长收发光端机、复用/解复用器和单模光纤组成。在本系统中，视频信号相对于数据信号是宽带信号，视频信号的接收灵敏度约为－30 dBm，数据信号的接收灵敏度约为－40 dBm，而在同一单模光纤中1 550 nm波长的光比1 310 nm波长的光衰减小，综合考虑以上因素，数据传输采用1 310 nm波长，视频传输采用1 550 nm波长。

图1 单纤双向波分复用(WDM)光纤传输系统

2 视频传输系统

现今视频光端机一般分为两大类，一种是数字视频光端机，另一种是模拟视频光端机。本文介绍的系统属于模拟传输方式，模拟视频光端机按照调制方法分为:脉冲频率调制(PFM-IM)和视频基带直接强度调制(D-IM)传输光端机。脉冲频率调制(PFM-IM)方式传输距离较长，对光电器件线性无特效要求，动态范围大，适合长距离传输，但调试复杂，生产难度大，成本高，中短距离的传输系统使用性价比不高。本文介绍的系统是基带直接调制(D-IM)，通过特殊的电路克服了温度及外界干扰的影响，使系统工作稳定，在中短距离的传输系统中使用，是较为经济实用的方案，相对而言性价比也较高。基带直接调制视频光纤传输系统如图2所示。

图2 基带直接调制视频光纤传输系统

在本视频传输系统中，APC电路及AGC电路是关键，下面对APC和AGC电路进行介绍。

2.1 APC 电路介绍

在本设计系统中，核心元件是LD，其特性为:当温度升高和工作时间增长时，LD的输出光功率会减小。为了稳定LD输出光功率，使其不随温度升高和使用时间增长而改变，可采用自动功率控制电路(Automatic Power Contr0l)，简称 APC。

光功率自动控制的方法有很多，一是P-I曲线效率控制法;二是峰值功率和平均功率的自动控制;三是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态。本设计使用的是第三种方法，如图3所示，即通过直接检测光功率控制偏置电流，在激光器组中有LD激光管，同时也包含一个PD光电管，从LD激光管背向输出的光，经过光检测器PD完成光电转换，输出相应的大小的电流。这种方法的大致原理是:若输出光功率大于额定值，则通过反馈控制LD的偏置电流，从而减少驱动电流使LD输出额定功率值;若光功率小于额定值，则通过反馈控制LD的偏置电流，从而增大驱动电流使LD恢复额定功率值，这样可以基本稳定LD的输出光功率。

图3 APC自动功率控制电路

现以LD输出光功率降低来阐述此电路的自动控制过程:LD输出光功率降低，背向光的输出功率降低，PD输出电流降低，U9反相端输入电压降低，U9输出电压上升，Q4的基极电流上升，Q3集电极偏置电流上升，PD输出光功率上升，从而维持光输出光功率恒定。

2.2 AGC 电路介绍

本系统的视频传输是基于基带直接调制，所以在传输过程中有衰减，随着距离变长，信号衰减加重，表现为信号的幅度变小。为了保证信号输出幅度稳定，不随距离的变化而变化，在视频的接收端设计了自动增益控制电路。

自动增益控制(automatic gain control)电路，即对放大器的增益进行自动调节的过程。通常是为了使随输入信号电平变化而引起的输出信号电平变化少。AGC有两种控制方式:一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式，叫正向AGC;另一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式，叫反向AGC。正向AGC控制能力强，所需控制功率大，被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大;反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。本系统采用AD603构成AGC电路，具体电路见图4。

AD603为超低噪声、精密的电压控制型可变增益放大器，最大增益误差为0.5 dB，增益范围为－1.07 dB 到 +41.07 dB(记为0 dB 到40 dB)，根据AD603内部结构图其基本增益可用G=40V12+10表示。其中，V12是差分输入电压(即1、2两脚间的电压)，单位是V，G是AD603的基本增益，单位是dB。

图4 AGC自动增益控制电路

AD603的2脚对地压降固定，1脚对地压降即为Vagc，从而1、2脚的电压差 V12受 Vagc的控制，随着Vagc的增加，V12也增加，则AD603的增益变大;相反，若Vagc减小，V12也减小，则AD603的增益变小，从而使两级AD603的输出恒定在某个信号强度上。AGC时间常数的调整可以通过改变C6的容值来实现。

3 数据传输系统

本设计中数据传输系统使用的是数字调频(又称移频键控(FSK))，它是利用载频频率变化来传递数字信息。这种调制解调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据传输系统中得到了较为广泛的应用。

本数据传输是单工的，其原理如图5所示，数据输入接口主要是完成电平的转换，即将RS232或RS485电平转换成TTL电平，FSK调制电路将转换好的TTL信号进行频移键控调制，LD驱动电路将送来的电信号转换成光信号注入单模光纤中传输，在接收端，光纤传来的光信号进入PIN接收组件转变为FSK电信号并由前置放大器放大，再由专用的FSK解调集成电路(HCC4046BF)恢复成TTL信号，FSK集成电路模拟锁相环解调器的工作原理是十分简单的，只要在设计锁相环时，使它锁定在FSK的一个载频f1上，对应输出高电平，而对另一载频f2失锁，对应输出低电平，那么在锁相环路滤波器输出端就可以得到解调的基带信号序列，最后由接口芯片输出RS232或RS485信号。

本系统中的APC及AGC电路原理与上述视频传输系统中的相同，此处不再赘述。

图5 数据传输系统

4 系统主要技术指标

表1 视频和数据光纤传输主要技术指标

5 结束语

此套基于基带单纤双向视频和数据信号传输系统包括前端光端机和监控中心光端机，前端光端机主要功能为传输摄像机的视频信号和接收监控中心发出的云台控制数据信号，监控中心光端机作用为接收前端摄像机的视频信号和发送云台的控制信号，本系统可以应用于交通、化工、煤炭监控系统中，其具有密封防水、防有害气体、不受电磁干扰等特点，系统设计成本比脉冲频率调制及数字光端机成本都要低，且图像及数据传输效果良好，生产调试方便，是中短距离监控系统较为经济、实用的方案。

［1］ 赵梓森.光纤通信工程［M］.北京:人民邮电出版社，1995:890-915.

［2］ 邱琪，等.彩色视频信号PFM光纤传输系统的研制［J］.电视技术，1998(4):112-128.

［3］ 张家谋，等.电视传输与测量［M］.北京:人民邮电出版社，1984:200-315.

［4］ 邱琪.光纤双向视频数据传输系统的研究与实现［J］.电子科技大学学报，2001(6):46-89.