基于光纖通信技術(shù)的遠(yuǎn)距離通信信號傳輸系統(tǒng)

郝春昀

摘要：隨著遠(yuǎn)距離通信需求的增加，光纖通信技術(shù)成為一種重要的傳輸媒介。研究和分析基于光纖通信技術(shù)的遠(yuǎn)距離通信信號傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有高寬帶、低損耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。以現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，分析電視信號遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)設(shè)計原則及策略，提出一種新的遠(yuǎn)距離傳輸環(huán)網(wǎng)配置和通信模塊搭建方案，并通過模擬軟件對設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性，具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：光纖通信；遠(yuǎn)距離通信；信號傳輸

一、前言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，遠(yuǎn)距離通信在現(xiàn)代社會中扮演著至關(guān)重要的角色。為了滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求并提供高速、可靠的通信服務(wù)，研究人員不斷探索新的通信技術(shù)。在這一領(lǐng)域中，基于光纖通信技術(shù)的遠(yuǎn)距離通信信號傳輸系統(tǒng)展現(xiàn)出了巨大的潛力。

光纖通信作為一種信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，以其高寬帶、低損耗和抗干擾性能，成為極具吸引力的選擇[1]。光纖通信系統(tǒng)通過將信號轉(zhuǎn)化為光脈沖并在光纖中進(jìn)行傳輸，克服了傳統(tǒng)電纜傳輸?shù)南拗疲@著提高了通信速度和質(zhì)量，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電話、互聯(lián)網(wǎng)、電視廣播和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

二、光纖通信系統(tǒng)組成

現(xiàn)代光纖通信技術(shù)是以光導(dǎo)纖維為媒介完成通信，工作波長集中在0.8～1.8 μm。以激光作為載波的光纖通信系統(tǒng)組成包括脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）光端機(jī)（發(fā)射端、接收端）、中繼裝置、信號連接裝置以及各類轉(zhuǎn)化設(shè)備等，具體系統(tǒng)組成見圖1[2]。

三、遠(yuǎn)距離通信的需求與挑戰(zhàn)

遠(yuǎn)距離通信是指在相對較遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行信息傳輸和交流的過程[3]，需要足夠的寬帶和高速度，以支持大容量的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時通信。較高的寬帶將允許更快的數(shù)據(jù)傳輸和更好的通信質(zhì)量。信號在長距離傳輸中會衰減，即信號強(qiáng)度逐漸減弱。此外，長距離傳輸也會引起一定的傳播延遲，導(dǎo)致信號到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)的時間增加。這些因素可能會影響通信質(zhì)量和實(shí)時性。遠(yuǎn)距離通信面臨來自環(huán)境、其他設(shè)備或無線信號的干擾。通信系統(tǒng)需要具備一定程度的抗干擾能力，以保障信號的可靠傳輸和接收。遠(yuǎn)距離通信需要相應(yīng)的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施來支持。例如，有線通信需要鋪設(shè)光纜或光纖網(wǎng)絡(luò)，而衛(wèi)星通信需要衛(wèi)星和地面站等設(shè)備。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，缺乏適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施可能會限制遠(yuǎn)距離通信的可能性。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信可能涉及高昂的成本，包括設(shè)備購買、安裝和維護(hù)等方面。此外，隨著距離的增加，通信所需的技術(shù)復(fù)雜性和能耗也可能增加。遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)涉及廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，需要有效地管理和維護(hù)。監(jiān)控和管理故障、更新和升級設(shè)備、處理服務(wù)中斷等問題是運(yùn)營遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。針對以上挑戰(zhàn)，需要綜合考慮技術(shù)創(chuàng)新、合理規(guī)劃和管理等因素，以提高遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和可靠性。

四、基于光纖通信技術(shù)的遠(yuǎn)距離信號傳輸方法

（一）電視信號遠(yuǎn)距離傳輸原理

電視信號的遠(yuǎn)距離傳輸是利用天線遠(yuǎn)端區(qū)、電纜及機(jī)房監(jiān)控臺3部分完成。

在電視信號的遠(yuǎn)距離傳輸中，天線遠(yuǎn)端區(qū)的主要作用是接收和傳輸無線電信號。天線接收從發(fā)射器發(fā)出的無線電信號，并將無線電信號轉(zhuǎn)換為電信號。接收到的電信號需要經(jīng)過調(diào)制，以增強(qiáng)信號的質(zhì)量和可靠性。部分天線遠(yuǎn)端區(qū)的天線上會設(shè)置調(diào)解器，用于解碼特定類型的信號，如數(shù)字電視信號或數(shù)字音頻信號等。將處理后的電信號通過傳輸介質(zhì)傳輸?shù)浇邮照军c(diǎn)或者其他輔助設(shè)備。天線遠(yuǎn)端區(qū)主要負(fù)責(zé)接收和處理發(fā)射器發(fā)送的無線電信號，并將信號傳輸?shù)侥繕?biāo)接收站站點(diǎn)，它起著連接發(fā)射器和接收器之間信號傳輸?shù)年P(guān)鍵作用[4]。電纜在電視信號遠(yuǎn)距離傳輸中起著重要的傳輸介質(zhì)作用。電視信號首先經(jīng)過調(diào)制后，將音頻和視頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，這些電信號隨后通過電纜中的導(dǎo)體傳輸。電信號在導(dǎo)體中以電流的形式傳遞，它們通過電場和磁場之間的相互作用沿著電纜傳播。長距離傳輸中，信號可能會因?yàn)閭鬏斶^程中的阻尼、干擾和衰減而變?nèi)酰虼耍谶m當(dāng)?shù)奈恢茫枰褂梅糯笃骱脱a(bǔ)償器來增強(qiáng)和恢復(fù)信號的強(qiáng)度，以確保信號質(zhì)量和可靠性。電纜傳輸利用導(dǎo)體中的電場和磁場相互作用，將調(diào)制后的電信號從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍ㄟ^使用合適的電纜和信號處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)廣播電視信號在遠(yuǎn)距離傳輸中的高質(zhì)量和可靠性。

機(jī)房監(jiān)控臺接收來自電視信號源頭的信號源，通過專業(yè)的設(shè)備接收和調(diào)節(jié)到達(dá)的信號源，這些設(shè)備能夠轉(zhuǎn)換不同類型的信號以及各種頻率范圍的信號，使其成為適合后續(xù)處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。機(jī)房控制臺將經(jīng)過處理的信號分配給不同的傳輸路徑，這些路徑通常連接到信號傳輸塔等，以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。機(jī)房監(jiān)控臺會對信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以確保信號的質(zhì)量及穩(wěn)定性。機(jī)房控制臺所配備的管理和控制系統(tǒng)，對整個信號傳輸過程進(jìn)行監(jiān)視和管理，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。機(jī)房監(jiān)控臺在電視信號遠(yuǎn)距離傳輸中，負(fù)責(zé)接收、處理、編碼、壓縮、分配和監(jiān)控信號，以及管理整個傳輸系統(tǒng)，它是保證信號傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

（二）信號采集與信號恢復(fù)

信號采集可以針對環(huán)網(wǎng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計，同時具備體系化的數(shù)據(jù)通信能力，其核心部件為主控芯片，采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）完成硬件設(shè)計，F(xiàn)PGA是一種集成電路芯片，具有高度的可編程性和靈活性，通過邏輯門陣列、可編程資源和軟件開發(fā)工具，以及可重構(gòu)性的特點(diǎn)，使得開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)各種定制的數(shù)字電路功能，并在設(shè)計周期中進(jìn)行快速迭代和優(yōu)化。通過FPGA的高速串行通信接口與千兆收發(fā)器（Gigabit Transceiver，GTX）直接連接，實(shí)現(xiàn)信息采集功能[5]。GTX是一種用于高速數(shù)據(jù)通信的收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)和其他高速數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)的傳輸，它通過調(diào)制數(shù)字信號、提供物理接口并與其他通信設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。為了保證網(wǎng)絡(luò)通信暢通，采集過程涉及光、電間的信號分離和變換工作，最終需要轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的數(shù)字采樣序列。對此擬采用GTX配置小型可插拔（Small Form Pluggable，SFP）光模塊，經(jīng)FPGA內(nèi)部邏輯處理完成所有采樣序列與光信號之間的轉(zhuǎn)換[6]。

信號恢復(fù)主要是為了復(fù)原數(shù)字序列在采樣分析中可能造成的碼元信息丟失，信號傳輸模式與FPGA模塊設(shè)計類似，這里擬采用可熱插拔使用的轉(zhuǎn)化接口器件（Gigabit Interface Converter，GBIC）完成千兆位電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并再次變換為數(shù)字序列，以此匹配環(huán)網(wǎng)通信，如圖2所示。數(shù)字序列通過FPGA的邏輯門和觸發(fā)器等內(nèi)部元件進(jìn)行運(yùn)算和操作，完成對信號的編碼、解碼、濾波、調(diào)制等處理任務(wù)。為了恢復(fù)原始信號，使用了一種叫做漏極開路（Open Drain，OD）的復(fù)原電路[7]。通過FPGA內(nèi)部邏輯和漏極開路復(fù)原電路的協(xié)同工作，可以有效地恢復(fù)原始信號，實(shí)現(xiàn)信號的完整傳輸和處理。

（三）光纖通信模塊的設(shè)計

光纖通信模塊的設(shè)計主要涵蓋兩個方面。首先，它涉及前端模數(shù)轉(zhuǎn)換器所采數(shù)據(jù)，需要采用特定的排列方式進(jìn)行編碼并完成傳輸。其次，它還涉及Aurora（奧羅拉）串行傳輸協(xié)議邏輯程序的設(shè)計。Aurora通信邏輯程序是一種通信協(xié)議，用于高速串行數(shù)據(jù)傳輸，該協(xié)議旨在提供低延遲、高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。Aurora協(xié)議使用差分信號、可變時鐘和256b/257b編碼來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它支持點(diǎn)到點(diǎn)連接和多點(diǎn)連接，并且能夠在不同的傳輸速率下工作，包括1Gbsp、2.5Gbsp、3.125Gbsp等。Aurora協(xié)議還提供監(jiān)測和糾正傳輸錯誤的功能，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。Aurora協(xié)議主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，例如，芯片與外部設(shè)備之間的通信、FPGA之間的互聯(lián)以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸。它在處理器間通信、圖像傳輸和高性能計算等應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用[8]。

在FPAG邏輯中，需要使用100MHz的全局時鐘，此外，在ADC采集邏輯設(shè)計中，為了確保數(shù)據(jù)能夠按照ADC01、ADC02、...、ADC30的順序被寫入后端FIFO（First Input First Output，F(xiàn)IFO），需要引入一個寫使能信號的隨路指令，這個隨路指令可以使用全局時鐘進(jìn)行觸發(fā)，從而確保數(shù)據(jù)能夠有序地被寫入FIFO中。

FIFO是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)入隊列的元素首先被處理或刪除，意味著在后端添加新元素，從前端移除或處理現(xiàn)有元素。此外，可以在FIFO中設(shè)置一個幾乎滿格信號作為后端通信的觸發(fā)點(diǎn)，來應(yīng)對ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）實(shí)時采集數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常問題。由于數(shù)據(jù)傳輸過程中可能會發(fā)生錯誤，需要在模塊中增加RS（Reed-Solomon）編碼程序。RS編碼是一種特別設(shè)計的碼，它在遠(yuǎn)距離傳輸中具有良好的可分性，可以檢測和糾正多個錯誤，即使在存在一定數(shù)量錯誤的情況下，接收端仍能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，具有高效的糾錯性能，有效提升了傳輸效率。對于發(fā)送的RS編碼，其對應(yīng)的多項式計算公式為：

RS編碼器的主要作用是檢測并糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤信號序列。一旦檢測到錯誤信號序列，RS編碼器會利用特定的算法進(jìn)行糾正，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。糾正后的信號隨后被傳輸?shù)紸urora通信邏輯。Aurora通信邏輯必須遵循特定的通信機(jī)制，確保信號的穩(wěn)定傳輸。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Aurora通信邏輯利用光纖鏈路作為傳輸媒介。光纖通信技術(shù)具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，能夠在滿足相關(guān)通信要求的同時，保證信號的長距離穩(wěn)定傳輸。

五、模塊應(yīng)用與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出方法的可靠性和實(shí)際效果，選擇某廣播電視信號作為測試對象，以模擬實(shí)際應(yīng)用場景，降低測試風(fēng)險。使用模擬軟件進(jìn)行模擬測試，針對不同傳輸距離產(chǎn)生的傳輸異常情況進(jìn)行仿真模擬。具體傳輸距離設(shè)置為50m、100m、150m、200m、250m和300m，并記錄實(shí)際傳輸異常的數(shù)量，分別為10、14、17、21、24、27個。對傳統(tǒng)方法和本文方法進(jìn)行多次測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著傳輸距離的增加，兩種方法的時間消耗都逐漸增多。當(dāng)傳輸距離為50m時，傳統(tǒng)方法所耗時間為12.5s，本文方法所耗時間僅為0.95s，當(dāng)傳輸距離達(dá)到300m時，傳統(tǒng)方法所耗時間增加到了19.9s，本文方法僅為11.1s。隨著傳輸距離的增加，雖然，本文方法所耗時間有所增加，但與傳統(tǒng)的傳輸方法相比，所需時間明顯更短。

除了對比所耗時間，還需要對兩種信號傳輸方法的準(zhǔn)確度進(jìn)行對比。對比結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，使用本文方法的準(zhǔn)確度明顯高于傳統(tǒng)方法。在各個傳輸距離下，本文方法的準(zhǔn)確度都達(dá)到了90%以上，表現(xiàn)出極高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過以上實(shí)驗(yàn)和測試，可以得出結(jié)論：本文提出的遠(yuǎn)距離信號傳輸方法采用光纖通信技術(shù)，可以有效降低傳輸異常數(shù)量，提高信號傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法可以廣泛應(yīng)用于廣播電視、通信、軍事等領(lǐng)域，為遠(yuǎn)距離信號傳輸提供更加穩(wěn)定、可靠的技術(shù)支持。

六、結(jié)語

光纖通信技術(shù)在遠(yuǎn)距離通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為人類提供了高速、高寬帶、可靠和安全的通信解決方案。通過對光纖通信系統(tǒng)的原理和工作機(jī)制進(jìn)行了解，認(rèn)識到光纖的低衰減、抗干擾等能力為遠(yuǎn)距離通信提供了良好的基礎(chǔ)。光纖通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、長距離覆蓋和多種應(yīng)用需求的支持。然而，光纖通信系統(tǒng)也面臨著一系列的挑戰(zhàn)和問題，期望在未來的研究中進(jìn)一步克服這些挑戰(zhàn)，并不斷提升光纖通信系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離通信中的應(yīng)用。通過不斷地努力與創(chuàng)新，進(jìn)一步推動光纖通信技術(shù)的發(fā)展，并為全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離通信需求提供更好的解決方案。

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責(zé)任編輯：張津平