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DTV在光纖上傳輸

DTV在光纖上傳輸

DTV的五大特點中,有一項是「遠距傳輸」。由於同軸線本身的衰減,「遠距」也會有其物理限制,這裡的「遠距」所討論的合理範圍在1~2公里,超出這個範圍,可以選擇使用強波器,或者將電信號轉成光信號,利用光纖來達到更遠距的傳輸。這篇文章將會探討DTV信號在光纖上傳輸的相關主題。簡單介紹光纖傳輸系統之後,會討論適用於DTV的光纖系統架構。


光纖種類

就材質的角度,常見有塑膠光纖(plastic fiber)和玻璃光纖(glass fiber)兩種。就傳輸的用途而言,塑膠光纖多用於短距離傳輸高資料量;而玻璃光纖則是用於長距離及超長距離傳輸高資料量。在監控系統的應用中,多使用玻璃光纖。

玻璃光纖又可略分為單模光纖(single-mode)及多模光纖(multimode)。單模光纖的半徑較小,只能容許一種光的模態在其中傳播;多模光纖半徑較大,對於「對準」的需求較鬆,但因為容許多種光的模態在光纖中傳播,色散(dispersion)效應相對較大,影響傳輸距離。單模光纖中,最為知名的是美國康寧公司(Corning® )n所生產的SMF-28®


光纖損耗

光纖的特性之一就是它的低損耗,表 1列出幾個常見用於光纖的波長(註1)。從表中可以看出,1550nm是光纖中損耗最低的波長範圍(註2),其損耗約為0.18 dB/km;1310nm是另一個低損耗的波長範圍,其損耗約為0.32 dB/km。就時間先後而言,1310nm相關產品較早發展,之後才是1550nm,在這兩個波長範圍,不管是光發射器、光接收器、或相關的主被動元件都較成熟。相對於1550nm,1310nm損耗較高,但在監控系統會用到的數公里到十數公里的傳輸距離,這個差異造成的影響不大。

表 1. 光纖中常用波長及其損耗(註3)

     Wavelength (nm)     

     Maximum Value (dB/km)     

1310

£0.32

1550

£0.18

 
 

註1* 雖說在速度v固定的情況下,波長l和頻率f是一對一的關係,l = v/f。但習慣上,在光通訊的領域,多使用波長;而在RF的領域,多使用頻率。

註2* 雖然稱之為「光」纖,但實際上用於傳輸的波長是在紅外線(波長較可見光長)的範圍。
註3* 這裡引用Corning® SMF-28® 的數據https://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/SMF-28%20Ultra.pdf


光發射機 – 光調變

光發射機可以從光源及調變兩個部分來討論,這裡先討論調變的部分。光發射機的調變方式決定它的應用,這裡只說明和監控系統應用相關的調變方式。在市面上有幾種光發射機,底下簡略說明。

(1)  For CATV (cable television,有線電視系統)

因為CATV所使用的頻率範圍,是1GHz以下的RF信號,和DTV一樣。所以,給CATV使用的光收發機,可以直接用在DTV系統中。

(2)  For CCTV (closed-circuit television, 也就是類比監控系統)

這類光發射機的產品描述中,常會提到 “10-bit digitally encoded broadcast quality video”,在這裡提到 “10-bit”,是因為在這類發射機的輸入端,會直接對頻寬只有數MHz的類比影像訊號直接取樣,轉成脈衝編碼調變(Pulse-Code Modulation)的光訊號在光纖中傳輸。接收端收到後,先做光電轉換回取樣的電信號,然後透過DAC再恢復類比影像訊號的波形。這種「取樣」再以脈衝編碼調變訊號傳輸的好處,是可以控制在光纖中傳輸所造成類比影像訊號的失真。但因為類比影像非常敏感,所以取樣再還原對訊號頻譜的影響,以及脈衝編碼調變所產生的量化誤差,有時還是會造成影像的水波紋或串色(cross-color),及交叉亮度(cross-luminance)等失真。由於這類光收發機是設計給CCTV使用,其數位取樣的頻寬不需太寬,<100 MHz就綽綽有餘,所以不適用於調變在>100MHz的DTV的訊號。

(3)  For AHD/TVI/CVI (類比高清監控系統)

這類光發射機和(2)中提到的類似,只是配會類比高清監控系統的規格,取樣的頻寬較(2)為寬。

(4)  For Ethernet

輸入端為數位信號(RJ45接頭),在光上面以0與1的資料對光做振幅開關調變(on-off keying)。由於Ethernet是雙向的,這類產品通常是雙向的「光收發機」型式,會有一對光接頭。因為振幅開關調變對於線性度的要求不高,甚至可能在接收端使用如 “limiting amplifier” 這類元件來增加SNR。DTV雖然是數位調變,但在其轉換至RF信號時已是COFDM調變訊號,故此類光收發機也不適用於DTV。


光接收機

光的接收是要將光信號轉換回電信號,使用的是光二極體(photodiode 或photo detector)。光二極體的材料決定它可以轉換的光波長。市面可購得的光二極體通常可以同時接收上述1310nm及1550nm兩個波長範圍。


架構圖

底下討論在光纖上傳DTV信號的幾種情況。

一台攝影機 (一個頻道) 使用一條光纖。攝影機輸出信號直接接到光發射機的電輸入端。如前所述,在數公里到十數公里的範圍內,選擇1310 nm或1550 nm 的差距不大,皆可使用。

(1)  一台攝影機 (一個頻道) 使用一條光纖。攝影機輸出信號直接接到光發射機的電輸入端。如前所述,在數公里到十數公里的範圍內,選擇1310 nm或1550 nm 的差距不大,皆可使用。

 

(2)  多台攝影機 (多個頻道) 共用一條光纖:在 “電”上面先做信號合併,再一起做光調變。

 

(3)  一台攝影機,雙向傳輸。由於雙向傳輸的關係,選用兩個光波長是最簡單的方式。此時可以一個方向用1310 nm,另一個方向用1550 nm。在這個情況下,兩端都需要光的發射機和接收機。在這個架構中,還需要一個重要的光被動元件,也就是圖中的”WDM combiner”。這裡”WDM”是”wavelength division multiplexing”的縮寫,中文翻做「分波多工」。這個元件的功能是將不同波長的光合起來或是分開,和電上面的「分接器」功能類似。