數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設計

1、數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)設計摘要：電視是20世紀發(fā)展起來的一門學科技術，電視接收機是廣播電視系統(tǒng)的終端設備。而數(shù)字電視是指電視信號的處理、傳輸、發(fā)射和接收過程中使用數(shù)字信號的電視系統(tǒng)或電視設備。利用光纖傳輸數(shù)字電視節(jié)目具有頻帶寬、容量大、損耗低、重量輕、抗干擾能力強、保真度高等優(yōu)勢。本文以數(shù)字電視為基礎對數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)進行了分析與設計。關鍵詞：數(shù)字電視 光纖傳輸 光端機 無源器件課程設計的教學目的1）培養(yǎng)學生正確的設計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科學態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。2）鞏固所學的光纖通信及sdh技術知識，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識與生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，分析和解決工程技

2、術問題的能力，培養(yǎng)初步的獨立設計能力。3）掌握文獻資料的檢索與運用，并學會撰寫嚴謹流暢的設計文檔。1 數(shù)字電視1.1 數(shù)字電視的含義數(shù)字電視是電視數(shù)字化和網(wǎng)絡化后的產(chǎn)物。其實，“數(shù)字電視”的含義并不是指我們一般人家中的電視機，而是指電視信號的處理、傳輸、發(fā)射和接收過程中使用數(shù)字信號的電視系統(tǒng)或電視設備。也可以說數(shù)字電視是在信源、信道、信宿三個方面全面實現(xiàn)數(shù)字化和數(shù)字處理的電視系統(tǒng)。該系統(tǒng)所有的信號傳播都是通過由0、1數(shù)字串所構成的數(shù)字流來傳播的，數(shù)字信號的傳播速率是每秒19.39兆字節(jié)，如此大的數(shù)據(jù)流的傳遞保證了數(shù)字電視的高清晰度，克服了模擬電視的先天不足。1.2數(shù)字電視的工作原理數(shù)字電視就是

3、包括節(jié)目攝制、編輯、發(fā)送、傳輸、存儲、接收和顯示等環(huán)節(jié)全部采用數(shù)字處理的全新電視系統(tǒng)。其具體傳輸過程是：由電視臺送出的圖像及聲音信號，經(jīng)數(shù)字壓縮和數(shù)字調(diào)制后，形成數(shù)字電視信號，經(jīng)過衛(wèi)星、地面無線廣播、光纜或有線電纜等方式傳送，由數(shù)字電視接收后，通過數(shù)字解調(diào)和數(shù)字視音頻解碼處理還原出原來的圖像及伴音。因為全過程均采用數(shù)字技術處理，因此，信號損失小，接收效果好。 圖1-1數(shù)字電視系統(tǒng)框圖fig.1-1 system block diagram of digital tv1.3數(shù)字電視的優(yōu)勢1）圖像傳輸質(zhì)量高，距離遠模擬電視圖像信號在傳輸過程中，要受到傳輸信道特性和噪聲干擾等影響，質(zhì)量不高，而且經(jīng)過

4、多次轉(zhuǎn)換傳輸，圖像質(zhì)量會進一步下降，而這些影響對于數(shù)字電視信號來說有些是不存在的。在數(shù)字信號傳輸過程中，不會降低信噪比，收端圖像質(zhì)量基本保持與發(fā)端一致，且傳輸距離不受限制。2）頻譜資源利用率高頻譜資源是重要的國家資源，模擬電視的頻譜資源有限，一套模擬電視節(jié)目要占用36mhz寬帶的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，占用8mhz的地面電視廣播和有線電視頻帶。而數(shù)字電視采用壓縮編碼技術，在36mhz的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中傳5套sdtv節(jié)目，在一個8mhz頻道內(nèi)傳輸4套以上的sdtv節(jié)目。3）節(jié)省發(fā)送功率，覆蓋范圍廣數(shù)字電視發(fā)射設備在相同覆蓋服務區(qū)所需的平均功率，比模擬電視發(fā)射設備的峰值功率要低一個數(shù)量級。4）信號穩(wěn)定可靠，設備維

5、護簡單模擬電視信號數(shù)字化后，信號以二進制的形式出現(xiàn)，它只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，二進制數(shù)字信號不受電源波動、器件非線性的影響，所以信號能保持穩(wěn)定、可靠。5）靈活友好的人機界面靈活和易用的人機交互界面。便于普通群眾操作，除顯示設備外，容易系統(tǒng)集成而大規(guī)模生產(chǎn)，價格低廉，便于推廣普及。6）易于實現(xiàn)條件接收數(shù)字電視信號容易進行加密加擾，有利于信息安全，便于付費電視、視頻點播及交互式電視。2 光纖傳輸系統(tǒng)2.1 光纖光纖是光導纖維的簡寫，它是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。它主要是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，

6、光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸提供反射面和光隔閡，并在起一定的機械的保護作用。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，人們已經(jīng)可以生產(chǎn)出各種各樣的光纖。不同種類的光纖，由于其傳輸特性不同，會有不同的適用范圍。按光在光纖中的傳輸模式劃分，可分為多模和單模光纖兩種。常用多模光纖的直徑為125m，其中芯徑一般在 50100m之間。在多模光纖中，可以有數(shù)百個光波模在傳播。多模光纖一般工作于短波長（0.8m）區(qū)，損耗與色散都比較大，帶寬較小，適用于低速短距離光通信系統(tǒng)中。多模光纖的優(yōu)點在于其具有較大的纖芯直徑，可以用較高的耦合效率將光功率注入到多模光纖中。常用單模光纖的直徑也為125m，芯徑為812m。在單模光纖中，因只有一個模式

7、傳播，不存在模間色散， 具有較大的傳輸帶寬，并且在1 550 nm波長區(qū)的損耗非常低（約為0.20.25 db/km），因而被廣泛應用于高速長距離的光纖通信系統(tǒng)中。使用單模光纖時，色度色散是影響信號傳輸?shù)闹饕蛩?，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性都有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。單模光纖一般必須使用半導體激光器激勵。按折射率分布的情況化分，可分為突變折射率光纖和漸變折射率光纖。突變折射率光纖從芯層到包層的折射率是突變的。多模階躍折射率光纖的成本低，模間色散高，適用于短距離低速通信。多模漸變折射率光纖從芯層到包層的折射率是逐漸變小，可使高階模按正弦形式傳播，這樣能減少模間色散，提高光纖帶寬

8、，增加傳輸距離，但成本較高?，F(xiàn)在所使用的多模光纖多為漸變折射率光纖。2.2 光纖傳輸2.2.1 光纖傳輸原理光纖傳輸，即以光線為介質(zhì)進行傳輸。光纖，不僅可用來傳輸模擬信號和數(shù)字信號，而且可以滿足視頻傳輸?shù)男枨?。其?shù)據(jù)傳輸率能達幾千mbps。如果在不使用中繼器的情況下，傳輸范圍能達到6-8km。圖1-2 光纖傳輸系統(tǒng)fig.1-2 optical fiber transmission system2.2.2 光纖傳輸?shù)奶攸c光纖傳輸之所以受到人們的極大重視，這是因為和其他手段相比，具有無以倫比的優(yōu)越性。1）通信容量大從理論上講，一根僅有頭發(fā)絲粗細的光纖可以同時傳輸1000億個話路，雖然目前遠遠未達

9、到如此高的傳輸容量，但用一根光纖同時傳輸50萬個話路（40gb/s）的試驗已經(jīng)取得成功，它比傳統(tǒng)的同軸電纜、微波等高出幾千乃至幾十萬倍以上。2）中繼距離長由于光纖具有極低的衰減系數(shù)，若配以適當?shù)墓獍l(fā)送與光接收設備，可使其中繼距離達數(shù)百公里以上，這是傳統(tǒng)的電纜、微波無法為與之相比的。3）保密性能好光波在光纖中傳輸時只在其芯區(qū)進行，基本上沒有光“泄露”出去，即沒有任何纖間串擾，不易被竊聽，因此其保密性能極好。4）抗電磁干擾能力強光纖是不用金屬的光導纖維，即使工作在電磁場附近的環(huán)境中，光纖也不會產(chǎn)生感應電壓和感應電流，這有利于傳送動態(tài)圖像。5）體積小、重量輕光線直徑一般只有幾微米到幾十微米，相同容量

10、的話路光纜，要比電纜輕90%95%，直徑不到電纜的1/5。 2.3光纜2.3.1光纜的結(jié)構光纜一般由纜芯和護套組成，有時在護套外面加有鎧裝。纜芯通常包括被覆光纖和加強件兩部分。被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。加強件起著承受光纜拉力的作用，通常在纜芯中心，有時配置在護套中。護套起著對纜芯的機械保護和環(huán)境保護作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。2.3.2光纜的類型光線的類型多種多樣，根據(jù)纜芯結(jié)構的特點，光纜可分為四種基本形式。1）層絞式，把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構成。這種結(jié)構的纜芯制造設備簡單，工藝相當成熟，得到廣泛應用。采用松套光纖的纜芯可以增強抗拉強

11、度，改善溫度特性。2）骨架式，把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構成。這種結(jié)構的纜芯抗側(cè)壓力性能好，有利于對光纖的保護。3）中心束管式，把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構成。這種結(jié)構的加強件同時起著護套的部分作用，有利于以減輕光纜的重量。4）帶狀式，把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式的結(jié)構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽或松套管中，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應用于接入網(wǎng)。3 光端機光端機，就是光信號傳輸?shù)慕K端設備。在遠程光纖傳輸中，光纜對信號的傳輸影響很小，光纖傳輸系

12、統(tǒng)的傳輸質(zhì)量主要取決于光端機的質(zhì)量，因為光端機負責光電轉(zhuǎn)換以及光發(fā)射和光接收，它的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)，所以就需要眾多新用戶或?qū)Υ擞幸庀虻挠脩魧舛藱C的性能和應用有所了解，才能更好地配置和進行采購。3.1 光端機的功能光端機是用來將光信號和電信號互相轉(zhuǎn)換的一種設備，它對所傳信號不會進行任何壓縮，因此光端機也是一個延長數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w通信設備，它主要是通過信號調(diào)制、光電轉(zhuǎn)化等技術，利用光傳輸特性來達到遠程傳輸?shù)哪康?。光端機一般成對使用，分為光發(fā)射機和光接收機，光發(fā)射機完成電/光轉(zhuǎn)換，并把光信號發(fā)射出去用于光纖傳輸；光接收機主要是把從光纖接收的光信號再還原為電信號，完成光/電轉(zhuǎn)換。光端機作用就是用于

13、遠程傳輸數(shù)據(jù)。 3.2 光端機的選型對于數(shù)字光端機，光纖中只有“有光”和“無光”兩種狀態(tài)，因而對光源的線性要求不高或幾乎沒有要求，從而避免了信號在處理過程中的損失。另外，數(shù)字光端機比較容易實現(xiàn)多通道、多種信號的混合傳輸。由于都只轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，借助tdm（時分復用）技術就能很容易地實現(xiàn)多通道多種信號的傳輸?，F(xiàn)在已有光端機生產(chǎn)廠商能夠做到在一個波長通道上一次傳輸10路非壓縮實時視頻圖像。光纖網(wǎng)絡拓撲方式?jīng)Q定了視頻光端機類型。根據(jù)光纖傳輸網(wǎng)絡拓撲型式除可選擇傳統(tǒng)的點對點傳輸光端機外，還有節(jié)點式和環(huán)網(wǎng)式光端機可供選擇。節(jié)點式視頻光端機將前端各節(jié)點組成鏈網(wǎng)或樹型網(wǎng)絡，節(jié)點機在每個節(jié)點首先將信號接收下來

14、，轉(zhuǎn)換成電信號，再和本地節(jié)點的信號交換復用，光電轉(zhuǎn)換后采用wdm技術復用到一條光纖上傳輸。在每個節(jié)點不進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，降低了信號衰減。環(huán)網(wǎng)式光端機將各主要節(jié)點連成環(huán)網(wǎng)，并且通過光分支的型式還可以有星型分支，可以做到網(wǎng)絡拓撲的隨意性，做到全網(wǎng)信息的共享等許多獨特的功能。多?；騿文９饫|，光纖網(wǎng)絡是由多?；騿文９饫|組成，這就決定了選用多模端機還是單模端機。相對于多模光纖，單模光纖傳輸距離更遠、信息容量更大、速度更快。3.3 光端機的技術指標3.3.1光口連接型式視頻光端機與光纖網(wǎng)絡的連接頭可分為：fc、sc、st、lc、d4、din、mu、mt 等型式，目前應用最廣的只有fc、sc 和st 三種。一般

15、長距離或大容量通信大多使用fc或sc 型連接器，其優(yōu)點是插入損失小、安裝容易、穩(wěn)定性高。其中又以fc連接頭更好，由于它采用螺紋緊固，能提供穩(wěn)定可靠的連接。sc 連接頭是插撥式的，多次插拔之后連接頭的可靠性會降低。短距離信號傳輸則較多用st 型連接器，且多用于多模系統(tǒng)，因為其精度要求不高，成本也就較低。3.3.2 帶寬 光端機的帶寬（bandwidth）是指光端機的實際可正常工作的頻率范圍，單位是赫茲（hz）。通常，這個范圍越大，就說明光端機的理論適應性能越強。例如，某視/音頻光端機的視頻帶寬是2hz10mhz，音頻帶寬為40hz20khz，體現(xiàn)了較強的動態(tài)范圍寬度。3.3.3 信噪比 信噪比（

16、snk:sighal to noise ratio ）是指光端機音源產(chǎn)生最大不失真聲音信號強度與同時發(fā)出的噪音強度之間的比率，通常以s/n表示，一般用分貝（db）為單位。信噪比越高表示音頻質(zhì)量越好，一般音頻光端機的信噪應該在60db以上。3.3.4 誤碼率 誤碼率（ber：bit error ratio）是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。如果有誤碼就有誤碼率。 （3-1）3.3.5 信號電平信號電平（signal level）是指設備輸出信號和輸入信號的功率比然后取對數(shù)值，通常用p表示。 （3-2）3.3.6 信號阻抗信號阻抗（sighal inpedance）是指輸入信號的電壓與電

17、流的比值。單位通常是歐姆（）。由于單位是歐姆，所以同樣適用于歐姆定律，即在相同電壓下，阻抗愈高將流過愈少的電流，阻抗愈低會流過愈多的電流。 3.3.7 光功率光功率是指光在單位時間內(nèi)所做的功。單位常用毫瓦(mw)和分貝(db)表示,其中兩者的關系為：1mw=0db.而小于1mw的分貝為負值。4 光無源器件無源器件包括分支器、分配器、系統(tǒng)輸出口、濾波、均衡、衰減、各種接插件等，是光纖通信設備的重要組成部分，也是其它光纖應用領域不可缺少的元器件。具有高回波損耗、低插入損耗、高可靠性、穩(wěn)定性、機械耐磨性和抗腐蝕性、易于操作等特點，廣泛應用于長距離通信、區(qū)域網(wǎng)絡及光纖到戶、視頻傳輸、光纖感測等。4.1

18、 連接器插頭使光纖在轉(zhuǎn)換器或變換器中完成插拔功能的部件稱為插頭，連接器插頭由插針體和若干外部機械結(jié)構零件組成。兩個插頭在插入轉(zhuǎn)換器或變換器后可以實現(xiàn)光纖（纜）之間的對接；插頭的機械結(jié)構用于對光纖進行有效的保護。插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其主要尺寸如下： 外徑 2.4990.0005mm 外徑不圓度 0.0005mm 微孔直徑 1260.5m 微孔偏心量 1m 微孔深度 4mm 或 10mm 插針外圓柱體光潔度 14 端面曲率半徑 20-60mm 插針和光纖相結(jié)合成為插針體。插針體的制作是將選配好的光纖插入微孔中，用膠固定后，再加工其端面，插頭端面的曲率半徑對反射損耗影響很大，通常曲率半徑

19、越小，反射損耗越大。插頭按其端面的形狀可分為3類：pc型、spc型、apc型。pc型插頭端面曲率半徑最大，近乎平面接觸，反射損耗最低；spc型插頭端面的曲率半徑為20mm，反射損耗可達45db，插入損耗可以做到小于0.2db；反射損耗最高的是apc型，它除了采用球面接觸外，還把端面加工成斜面，以使反射光反射出光纖，避免反射回光發(fā)射機。斜面的傾角越大，反射損耗越大，但插入損耗也隨之增大，一般取傾角為8o9o，此時插入損耗約0.2db，反射損耗可達60db，在catv系統(tǒng)中所有的光纖插頭端面均為apc型。要想保證插針體的質(zhì)量，光纖的幾何尺寸必須達到下列要求：光纖外徑比微孔直徑小0.0005mm；光

20、纖纖芯的不同軸度小于0.0005mm。因此，插針和光纖以及兩者的選配對連接器插頭的質(zhì)量影響極大，也是連接器插頭質(zhì)量好壞的關鍵。不同廠家的產(chǎn)品工藝水平不一樣，因而差別就很大，在實際應用中，本人也曾多次碰到一個插頭插損1db以上的情況，而正常值一般小于0.3db。在工程應用中，不要小看一個小小的插頭，質(zhì)量低劣的插頭對系統(tǒng)的影響是和很大的。 4.2 跳線將一根光纖的兩頭都裝上插頭，稱為跳線。連接器插頭是跳線的特殊情況，即只在光纖的一頭裝有插頭。在工程及儀表應用中，大量使用著各種型號、規(guī)格的跳線，跳線中光纖兩頭的插頭可以是同一型號，也可以是不同的型號。跳線可以是單芯的，也可以是多芯的。跳線的價格主要由

21、接頭的質(zhì)量決定。因而價格也相差較大。在選用跳線時，本著質(zhì)優(yōu)價廉去選是不錯，但一定不要買質(zhì)次價低的產(chǎn)品。 4.3 轉(zhuǎn)換器把光纖接頭連接在一起，從而使光纖接通的器件稱為轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器俗稱法蘭盤。在catv系統(tǒng)中用得最多的是fc型連接器；sc型連接器因使用方便、價格低廉，可以密集安裝等優(yōu)點，應用前景也不錯，除此地外，st型連接器也有一定數(shù)量的應用。 1）fc型連接器。fc型連接器是一種用螺紋連接，外部元件采用金屬材料制作的圓形連接器。它是我國采用的主要品種，在有線電視光網(wǎng)絡系統(tǒng)中大量應用；其有較強的抗拉強度，能適應各種工程的要求。 2）sc型連接器。sc型連接器外殼采用工程塑料制作，采用矩形結(jié)構，便

22、于密集安裝；不用螺紋連接，可以直接插拔，操作空間小。實用于高密集安裝，使用方便。 3）st型連接器。st型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊結(jié)構，確保連接時準確對中。 這三種連接器雖然外觀不一樣，但核心元件套筒是一樣的。套筒是一個加工精密的套管（有開口和不開口兩種），兩個插針在套筒中對接并保證兩根光纖的對準。其原理是：以插針的外圓柱面為基準面，插針與套筒之間為緊配合；當光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、以及套筒的內(nèi)孔加工的非常精密時，兩根插針在套筒中對接，就實現(xiàn)了兩根光纖的對準。 4.4 變換器將某一種型號的插頭變換成另一型號插頭的器件叫做變換器，該器件由兩部分組成，其中一半為某一型號的轉(zhuǎn)換器，另一半為其它型號的插頭。使用時將某一型號的插頭插入同型號的轉(zhuǎn)換器中，就變成其它型號的插頭了。在實際工程應用中，往往會遇到這種情況，即手頭上有某種型號的插頭，而