DTV 在光纤上传输

DTV 的五大特点中，有一项是「远距传输」。 由于同轴线本身的衰减，「远距」也会有其物理限制，这里的「远距」所讨论的合理范围在1~2公里，超出这个范围，可以选择使用强波器，或者将电信号转成光信号，利用光纤来达到更远距的传输。 这篇文章将会探讨DTV信号在光纤上传输的相关主题。 简单介绍光纤传输系统之后，会讨论适用于DTV的光纤系统架构。

光纤种类

就材质的角度，常见有塑料光纤(plastic fiber)和玻璃光纤(glass fiber)两种。 就传输的用途而言，塑料光纤多用于短距离传输高数据量；而玻璃光纤则是用于长距离及超长距离传输高数据量。 在监控系统的应用中，多使用玻璃光纤。

玻璃光纤又可略分为单模光纤(single-mode)及多模光纤(multimode)。 单模光纤的半径较小，只能容许一种光的模态在其中传播；多模光纤半径较大，对于「对准」的需求较松，但因为容许多种光的模态在光纤中传播，色散(dispersion)效应相对较大，影响传输距离。 单模光纤中，最为知名的是美国康宁公司(Corning^® )n所生产的SMF-28^®。

光纤损耗

光纤的特性之一就是它的低损耗，表1列出几个常见用于光纤的波长(注1)。 从表中可以看出，1550nm是光纤中损耗最低的波长范围(注2)，其损耗约为0.18 dB/km；1310nm 是另一个低损耗的波长范围，其损耗约为0.32 dB/km。 就时间先后而言，1310nm相关产品较早发展，之后才是1550nm，在这两个波长范围，不管是光发射器、光接收器、或相关的主被动组件都较成熟。 相对于1550nm，1310nm损耗较高，但在监控系统会用到的数公里到十数公里的传输距离，这个差异造成的影响不大。

表1. 光纤中常用波长及其损耗(注3)

注1*虽说在速度v固定的情况下，波长l和频率f是一对一的关系，l = v/f。 但习惯上，在光通讯的领域，多使用波长；而在RF的领域，多使用频率。

注2*虽然称之为「光」纤，但实际上用于传输的波长是在红外线（波长较可见光长）的范围。
注3*这里引用Corning® SMF-28®的数据https://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/ Fiber/SMF-28%20Ultra.pdf

光发射机 – 光调变

光发射机可以从光源及调变两个部分来讨论，这里先讨论调变的部分。 光发射机的调变方式决定它的应用，这里只说明和监控系统应用相关的调变方式。 在市面上有几种光发射机，底下简略说明。

(1) For CATV （cable television，有线电视系统）

因为CATV所使用的频率范围，是1GHz以下的RF信号，和DTV一样。 所以，给CATV使用的光收发机，可以直接用在DTV系统中。

(2) For CCTV （closed-circuit television,也就是模拟监控系统）

这类光发射机的产品描述中，常会提到 “10-bit digitally encoded broadcast quality video”，在这里提到 “10-bit”， 是因为在这类发射机的输入端，会直接对带宽只有数MHz的模拟影像讯号直接取样，转成脉冲编码调变(Pulse-Code Modulation)的光讯号在光纤中传输。 接收端收到后，先做光电转换回取样的电信号，然后透过DAC再恢复模拟影像讯号的波形。 这种「取样」再以脉冲编码调变讯号传输的好处，是可以控制在光纤中传输所造成模拟影像讯号的失真。 但因为模拟影像非常敏感，所以取样再还原对讯号频谱的影响，以及脉冲编码调变所产生的量化误差，有时还是会造成影像的水波纹或串色(cross-color)，及交叉亮度( cross-luminance)等失真。 由于这类光收发机是设计给CCTV使用，其数字取样的带宽不需太宽，<100 MHz就绰绰有余，所以不适用于调变在>100MHz的 DTV的讯号。

(3) For AHD/TVI/CVI （模拟高清监控系统）

这类光发射机和(2)中提到的类似，只是配会模拟高清监控系统的规格，取样的带宽较(2)为宽。

(4) For Ethernet

输入端为数字信号(RJ45接头)，在光上面以０与１的数据对光做振幅开关调变(on-off keying)。 由于Ethernet是双向的，这类产品通常是双向的「光收发机」型式，会有一对光接头。 因为振幅开关调变对于线性度的要求不高，甚至可能在接收端使用如 “limiting amplifier” 这类组件来增加SNR。 DTV虽然是数字调变，但在其转换至RF信号时已是COFDM调变讯号，故此类光收发机也不适用于DTV。

光接收机

光的接收是要将光信号转换回电信号，使用的是光二极管(photodiode或photo detector)。 光二极管的材料决定它可以转换的光波长。 市面可购得的光二极管通常可以同时接收上述1310nm及1550nm两个波长范围。

架构图

底下讨论在光纤上传DTV信号的几种情况。

一台摄影机 (一个频道) 使用一条光纤。 摄影机输出信号直接接到光发射机的电输入端。 如前所述，在数公里到十数公里的范围内，选择1310 nm或1550 nm的差距不大，皆可使用。

(1) 一台摄影机 (一个频道) 使用一条光纤。 摄影机输出信号直接接到光发射机的电输入端。 如前所述，在数公里到十数公里的范围内，选择1310 nm或1550 nm的差距不大，皆可使用。

(2) 多台摄影机 (多个频道) 共享一条光纤：在 “电”上面先做信号合并，再一起做光调变。

(3) 一台摄影机，双向传输。 由于双向传输的关系，选用两个光波长是最简单的方式。 此时可以一个方向用1310 nm，另一个方向用1550 nm。 在这个情况下，两端都需要光的发射机和接收机。 在这个架构中，还需要一个重要的光被动组件，也就是图中的”WDM combiner”。 这里”WDM”是”wavelength division multiplexing”的缩写，中文翻做「分波多任务」。 这个组件的功能是将不同波长的光合起来或是分开，和电上面的「分接器」功能类似。