光端机技术的发展与应用

光端机技术的发展与应用

一、引言

随着通信技术的飞速发展，光纤通信技术已成为通信的重要手段。光纤传输系统具有容量大、传输距离远、抗干扰性强等优势,在通信传输方面有着不可替代的地位。光纤由玻璃做成，传输质量好,理论可利用带宽可达50000GHz，无中继传输距离可达50～80公里，可用于电力网和变电所等强电磁环境。

二、光端机的发展

光端机最初是从国外引进的，从最初的模仿制造到完全拥有自主知识产权的自主创新，光端机的发展经历了从模拟技术到数字化技术的过渡，实现了从功能单一到多业务综合传输的飞跃，由最初的少量使用到目前的大规模应用，光端机伴随着应用技术的发展一步步地走向了成熟。

早在2000年，国光端机市场主要被模拟视频光端机占据；2003年，数字视频光端机迅速发展，取代模拟视频光端机；2005～2009年，随着数字监控技术的迅猛发展，大项目、大系统中的组网方式越来越倾向于选择基于TCP/IP 网络传输协议的传输技术，用户的需求不再只满足于单一的产品，而需要一整套解决方案和一整套平台，光传输平台化产品以及系统解决方案技术成为新的技术竞争点；2010年，高清、智能时代来临，各大光端机厂商又纷纷将自身精力投向了视频监控智能技术、高清技术的研究，各种高清光端机产品纷纷投入生产、应用。

1. 光端机的工作原理

光端机就是用来将光信号和电信号互相转换的一种设备,它对所传信号不会有任何压缩，其主要作用是实现电-光和光-电转换。光端机一般分为光发射机（如图1所示）和光接收机（如图2所示），一般成对出现。

图1光端机SDI光纤发送器

图2光端机SDI光纤接收器

（1）光发送机

光发送机由输入码型变换电路、光发送电路组成，其中输入码型转换电路用CPLD或FPGA来实现，如图3所示。光发送机是把电端机输出的数字信号对光源进行直接光强度调制转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制实现。

在光纤通信系统中对光源有一些基本要求：①光源发光波长必须与光纤的低损耗工作波长相一致；②光源的输出功率必须足够大；③光源应有很高的可靠性；④光源的谱线宽度要窄；⑤电光转换效率要尽量高；⑥光源应便于调制；⑦光源应体积小、重量轻，便于安装。

光发送机的性能指标有很多，从应用的角度主要有以下两个：

平均发送光功率及稳定度：平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。

消光比：消光比定义为最大平均发送光功率与最小法光功率之比。

（2）光接收机

光接收机主要由光接收放大电路和输入码型变换电路组成，如图4所示。其作用是把经光线传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并处理放大，恢复为原发射的数字序列。

光接收机的主要性能指标有以下两个：

接收灵敏度：在一定误码率条件下接收机能监测到的最小平均信号光功率。

接受动态围：在一定误码率条件下，接收机能监测到的最小平均接受光功率与最大平均接受光功率之间的比值。

2. 光端机的分类

从传输方式上光端机可分为数字光端机和模拟光端机两类。模拟光端机是将要传输的信号进行幅度或频率调制然后将调制好的电信号转化成光信号，在接收端将光信号还原成电信号，再把信号进行解调，还原出图像、语音或数据信号。数字光端机是将所要传输的图像、语音以及数据信号进行数字化处理，再将这些数字信号进行复用处

理，使多路低速的数字信号转换成一路高速信号，并将这一信号转换成光信号。在接收端将光信号还原成电信号，还原的高速信号分解出原来的多路低速信号，最后再将这些数据信号还原成图像、语音以及数据信号。

模拟光端机上光头发射的光信号是模拟光调制信号，它随输入的模拟载波信号的幅度、频率、相位变化引起光信号幅度、频率、相位变化而分别称为调幅、调频、调相光端机。而数字光端机上光头发射的光信号是数字信号（即0或1对应光信号强、弱两种状态），不同的0和1组合代表不同幅度的视频、音频、数据信号。

模拟光端机与数字光端机的区别主要表现在以下几个方面：

（1）信号输入、输出处理方式不同

无论是模拟光端机还是数字光端机，对输入的基带的视频、音频、数据信号都必须进行处理。对于模拟调幅光端机，处理方式是将视频、音频、数据的幅度对一高频载波信号进行调制，使高频载波信号的幅度、频率、相位随视频、音频、数据的幅度变化而变化。而数字光端机对输入的基带的视频、音频、数据进行高分辨率的模拟-数字转换，如1Vp-p幅度围的幅度信号利用12bits的数字信号来表示，1V等分成4096，因此模数转换后引起的最大电压幅度误差为1/4096V（约2.5mV）,此误差电压称为量化误差电压，各种幅度的电压数值从0V、1/4096V、2/4096V……最大1V，分别对应的数字编码为0、……，数字编码信号直接控制光头发射的光信号的强、弱两种状态（对应0或1），接收光端机再将数字编码进行数字-模拟转换，恢复成原始的

基带的视频、音频、数据信号。

信号输入、输出处理方式的不同，会引起视频、音频、数据信号失真、畸变、干扰等不同。模拟光端机由于要进行调幅、调频、调相，所以模拟信号的幅度的变化与载波信号因调制而引起的幅度、频率、相位的变化是否为一一对应的线形关系成为衡量模拟光端机质量好坏的关键，到目前为止很难做到真正线性调制，但非线形必然引起信号失真，同时调制好的载波信号还要调制光信号，光信号的非线性也是一个非常重要的因素。众所周知，光器件的非线性与环境温度变化、工作电压的稳定性、光发射功率有很大的影响,因此光器件在生产时需进行7～10天的热循环老化等工艺筛选，老化、测试也只能将这种变换控制在一定的围；光信号在光纤中长距离传输，会引起光信号的功率衰减，传输频率漂移、相位失真，光信号色散效应同样也会引起光信号畸变；光信号到达接收端时，接收光器件仍然要引起非线性失真，由光电转换后的模拟信号进入解调，解调与调制一样会产生非线性畸变。所以综合模拟光端机从输入信号调制、电光转换、光输、光电转换到解调这五个过程中都会引起非线形失真，而这些信号畸变失真是固有的，是不可消除的，因此模拟光端机传输视频图像、音频质量、数据的效果很难达到很满意的效果。而数字式光端机仅有模数转换的量化误差（如1V视频信号12bits时仅为2.5mv)，不足以引起信号畸变。

（2）多路信号同传引起的交调失真

在现场监控应用中，用户可能有许多种信号，如视频图像、音频、