基于光纖通信技術的遠距離通信信號傳輸系統

郝春昀

摘要：隨著遠距離通信需求的增加，光纖通信技術成為一種重要的傳輸媒介。研究和分析基于光纖通信技術的遠距離通信信號傳輸系統，該系統利用光纖作為傳輸介質，具有高寬帶、低損耗和抗干擾能力強等優勢。以現代光纖通信系統的功能及特點為出發點，分析電視信號遠距離傳輸系統設計原則及策略，提出一種新的遠距離傳輸環網配置和通信模塊搭建方案，并通過模擬軟件對設置系統進行測試，驗證了系統設計的有效性，具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：光纖通信；遠距離通信；信號傳輸

一、前言

隨著信息技術的飛速發展，遠距離通信在現代社會中扮演著至關重要的角色。為了滿足日益增長的數據傳輸需求并提供高速、可靠的通信服務，研究人員不斷探索新的通信技術。在這一領域中，基于光纖通信技術的遠距離通信信號傳輸系統展現出了巨大的潛力。

光纖通信作為一種信息傳輸的關鍵技術，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]。光纖通信系統通過將信號轉化為光脈沖并在光纖中進行傳輸，克服了傳統電纜傳輸的限制，并顯著提高了通信速度和質量，已經廣泛應用于電話、互聯網、電視廣播和數據中心等領域。

二、光纖通信系統組成

現代光纖通信技術是以光導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組成包括脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）光端機（發射端、接收端）、中繼裝置、信號連接裝置以及各類轉化設備等，具體系統組成見圖1[2]。

三、遠距離通信的需求與挑戰

遠距離通信是指在相對較遠的距離上進行信息傳輸和交流的過程[3]，需要足夠的寬帶和高速度，以支持大容量的數據傳輸和實時通信。較高的寬帶將允許更快的數據傳輸和更好的通信質量。信號在長距離傳輸中會衰減，即信號強度逐漸減弱。此外，長距離傳輸也會引起一定的傳播延遲，導致信號到達目標地點的時間增加。這些因素可能會影響通信質量和實時性。遠距離通信面臨來自環境、其他設備或無線信號的干擾。通信系統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。遠距離通信需要相應的設備和基礎設施來支持。例如，有線通信需要鋪設光纜或光纖網絡，而衛星通信需要衛星和地面站等設備。在一些偏遠地區，缺乏適當的基礎設施可能會限制遠距離通信的可能性。實現遠距離通信可能涉及高昂的成本，包括設備購買、安裝和維護等方面。此外，隨著距離的增加，通信所需的技術復雜性和能耗也可能增加。遠距離通信系統涉及廣泛的基礎設施和設備，需要有效地管理和維護。監控和管理故障、更新和升級設備、處理服務中斷等問題是運營遠距離通信系統面臨的挑戰。針對以上挑戰，需要綜合考慮技術創新、合理規劃和管理等因素，以提高遠距離通信系統的性能、穩定性和可靠性。

四、基于光纖通信技術的遠距離信號傳輸方法

（一）電視信號遠距離傳輸原理

電視信號的遠距離傳輸是利用天線遠端區、電纜及機房監控臺3部分完成。

在電視信號的遠距離傳輸中，天線遠端區的主要作用是接收和傳輸無線電信號。天線接收從發射器發出的無線電信號，并將無線電信號轉換為電信號。接收到的電信號需要經過調制，以增強信號的質量和可靠性。部分天線遠端區的天線上會設置調解器，用于解碼特定類型的信號，如數字電視信號或數字音頻信號等。將處理后的電信號通過傳輸介質傳輸到接收站點或者其他輔助設備。天線遠端區主要負責接收和處理發射器發送的無線電信號，并將信號傳輸到目標接收站站點，它起著連接發射器和接收器之間信號傳輸的關鍵作用[4]。電纜在電視信號遠距離傳輸中起著重要的傳輸介質作用。電視信號首先經過調制后，將音頻和視頻信號轉換為電信號，這些電信號隨后通過電纜中的導體傳輸。電信號在導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，信號可能會因為傳輸過程中的阻尼、干擾和衰減而變弱，因此，在適當的位置，需要使用放大器和補償器來增強和恢復信號的強度，以確保信號質量和可靠性。電纜傳輸利用導體中的電場和磁場相互作用，將調制后的電信號從發射端傳輸到接收端，通過使用合適的電纜和信號處理技術，可以實現廣播電視信號在遠距離傳輸中的高質量和可靠性。

機房監控臺接收來自電視信號源頭的信號源，通過專業的設備接收和調節到達的信號源，這些設備能夠轉換不同類型的信號以及各種頻率范圍的信號，使其成為適合后續處理的標準信號。機房控制臺將經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，以進行遠距離傳輸。機房監控臺會對信號進行實時監控，以確保信號的質量及穩定性。機房控制臺所配備的管理和控制系統，對整個信號傳輸過程進行監視和管理，以確保系統的正常運行。機房監控臺在電視信號遠距離傳輸中，負責接收、處理、編碼、壓縮、分配和監控信號，以及管理整個傳輸系統，它是保證信號傳輸質量和穩定性的重要環節。

（二）信號采集與信號恢復

信號采集可以針對環網工作狀態進行實時統計，同時具備體系化的數據通信能力，其核心部件為主控芯片，采用現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）完成硬件設計，FPGA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工具，以及可重構性的特點，使得開發人員能夠實現各種定制的數字電路功能，并在設計周期中進行快速迭代和優化。通過FPGA的高速串行通信接口與千兆收發器（Gigabit Transceiver，GTX）直接連接，實現信息采集功能[5]。GTX是一種用于高速數據通信的收發器，可以實現千兆以太網和其他高速數據通信標準的傳輸，它通過調制數字信號、提供物理接口并與其他通信設備連接，實現高速、可靠的數據傳輸。為了保證網絡通信暢通，采集過程涉及光、電間的信號分離和變換工作，最終需要轉換為可執行的數字采樣序列。對此擬采用GTX配置小型可插拔（Small Form Pluggable，SFP）光模塊，經FPGA內部邏輯處理完成所有采樣序列與光信號之間的轉換[6]。

信號恢復主要是為了復原數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模塊設計類似，這里擬采用可熱插拔使用的轉化接口器件（Gigabit Interface Converter，GBIC）完成千兆位電信號轉換為光信號，并再次變換為數字序列，以此匹配環網通信，如圖2所示。數字序列通過FPGA的邏輯門和觸發器等內部元件進行運算和操作，完成對信號的編碼、解碼、濾波、調制等處理任務。為了恢復原始信號，使用了一種叫做漏極開路（Open Drain，OD）的復原電路[7]。通過FPGA內部邏輯和漏極開路復原電路的協同工作，可以有效地恢復原始信號，實現信號的完整傳輸和處理。

（三）光纖通信模塊的設計

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

在FPAG邏輯中，需要使用100MHz的全局時鐘，此外，在ADC采集邏輯設計中，為了確保數據能夠按照ADC01、ADC02、...、ADC30的順序被寫入后端FIFO（First Input First Output，FIFO），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行觸發，從而確保數據能夠有序地被寫入FIFO中。

FIFO是一種先進先出的數據結構，先進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有元素。此外，可以在FIFO中設置一個幾乎滿格信號作為后端通信的觸發點，來應對ADC（模數轉換器）實時采集數據時可能出現的數據異常問題。由于數據傳輸過程中可能會發生錯誤，需要在模塊中增加RS（Reed-Solomon）編碼程序。RS編碼是一種特別設計的碼，它在遠距離傳輸中具有良好的可分性，可以檢測和糾正多個錯誤，即使在存在一定數量錯誤的情況下，接收端仍能恢復原始數據，具有高效的糾錯性能，有效提升了傳輸效率。對于發送的RS編碼，其對應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據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行糾正，確保數據的準確性和完整性。糾正后的信號隨后被傳輸到Aurora通信邏輯。Aurora通信邏輯必須遵循特定的通信機制，確保信號的穩定傳輸。為了實現這一目標，Aurora通信邏輯利用光纖鏈路作為傳輸媒介。光纖通信技術具有遠距離傳輸的優勢，能夠在滿足相關通信要求的同時，保證信號的長距離穩定傳輸。

五、模塊應用與結果分析

為了驗證本文提出方法的可靠性和實際效果，選擇某廣播電視信號作為測試對象，以模擬實際應用場景，降低測試風險。使用模擬軟件進行模擬測試，針對不同傳輸距離產生的傳輸異常情況進行仿真模擬。具體傳輸距離設置為50m、100m、150m、200m、250m和300m，并記錄實際傳輸異常的數量，分別為10、14、17、21、24、27個。對傳統方法和本文方法進行多次測試，并對測試結果進行對比，對比結果如圖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。當傳輸距離為50m時，傳統方法所耗時間為12.5s，本文方法所耗時間僅為0.95s，當傳輸距離達到300m時，傳統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確度進行對比。對比結果如表1所示。

從表1可以看出，使用本文方法的準確度明顯高于傳統方法。在各個傳輸距離下，本文方法的準確度都達到了90%以上，表現出極高的準確性和穩定性。通過以上實驗和測試，可以得出結論：本文提出的遠距離信號傳輸方法采用光纖通信技術，可以有效降低傳輸異常數量，提高信號傳輸的可靠性和穩定性。在實際應用中，該方法可以廣泛應用于廣播電視、通信、軍事等領域，為遠距離信號傳輸提供更加穩定、可靠的技術支持。

六、結語

光纖通信技術在遠距離通信領域發揮著重要作用，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的原理和工作機制進行了解，認識到光纖的低衰減、抗干擾等能力為遠距離通信提供了良好的基礎。光纖通信系統能夠實現高速數據傳輸、長距離覆蓋和多種應用需求的支持。然而，光纖通信系統也面臨著一系列的挑戰和問題，期望在未來的研究中進一步克服這些挑戰，并不斷提升光纖通信系統在遠距離通信中的應用。通過不斷地努力與創新，進一步推動光纖通信技術的發展，并為全球范圍內的遠距離通信需求提供更好的解決方案。

參考文獻

[1]楊宏偉.基于光纖通信技術的廣播電視信號遠距離傳輸方法[J].信息與電腦，2022，34（14）：196-198.

[2]袁曉波.基于光纖通訊技術下的短波廣播信號遠距離傳輸系統[C]//國家廣電總局，中國電子學會.第十四屆國際廣播電視技術研討會，2009.

[3]王立金.基于現代光纖通信技術的廣播電視信號傳輸網設計[J].通信電源技術，2023，40（04）：110-112.

[4]胡肖松，段振英，徐維開，等.話音和數據在遠距離光纖通信系統中的傳輸[J].光通信技術，2013，37（01）：28-30.

[5]朱亞朋，李鴻鵬，霍德強，等.基于AD650的模擬信號光纖傳輸系統的設計[J].計算機測量與控制，2012，20（06）：1662-1664+1668.

[6]楊洋.基于FPGA的4路HD-SDI光纖傳輸系統[J].光通信技術，2015，39（05）：5-7.

[7]盧敏，張子墨.基于FPGA的LVDS—光纖通信系統的實現[J].信息技術，2007（12）：164-166.

[8]張宇坤，李沼云，陶智勇，等.基于光域補償的遠距離光混沌同步[J].激光與光電子學進展，2023，60（17）：162-168.

責任編輯：張津平