基于光纤通信技术的远距离通信信号传输系统

郝春昀

摘要：随着远距离通信需求的增加，光纤通信技术成为一种重要的传输媒介。研究和分析基于光纤通信技术的远距离通信信号传输系统，该系统利用光纤作为传输介质，具有高宽带、低损耗和抗干扰能力强等优势。以现代光纤通信系统的功能及特点为出发点，分析电视信号远距离传输系统设计原则及策略，提出一种新的远距离传输环网配置和通信模块搭建方案，并通过模拟软件对设置系统进行测试，验证了系统设计的有效性，具有一定的借鉴意义。

关键词：光纤通信；远距离通信；信号传输

一、前言

随着信息技术的飞速发展，远距离通信在现代社会中扮演着至关重要的角色。为了满足日益增长的数据传输需求并提供高速、可靠的通信服务，研究人员不断探索新的通信技术。在这一领域中，基于光纤通信技术的远距离通信信号传输系统展现出了巨大的潜力。

光纤通信作为一种信息传输的关键技术，以其高宽带、低损耗和抗干扰性能，成为极具吸引力的选择[1]。光纤通信系统通过将信号转化为光脉冲并在光纤中进行传输，克服了传统电缆传输的限制，并显著提高了通信速度和质量，已经广泛应用于电话、互联网、电视广播和数据中心等领域。

二、光纤通信系统组成

现代光纤通信技术是以光导纤维为媒介完成通信，工作波长集中在0.8～1.8 μm。以激光作为载波的光纤通信系统组成包括脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）光端机（发射端、接收端）、中继装置、信号连接装置以及各类转化设备等，具体系统组成见图1[2]。

三、远距离通信的需求与挑战

远距离通信是指在相对较远的距离上进行信息传输和交流的过程[3]，需要足够的宽带和高速度，以支持大容量的数据传输和实时通信。较高的宽带将允许更快的数据传输和更好的通信质量。信号在长距离传输中会衰减，即信号强度逐渐减弱。此外，长距离传输也会引起一定的传播延迟，导致信号到达目标地点的时间增加。这些因素可能会影响通信质量和实时性。远距离通信面临来自环境、其他设备或无线信号的干扰。通信系统需要具备一定程度的抗干扰能力，以保障信号的可靠傳输和接收。远距离通信需要相应的设备和基础设施来支持。例如，有线通信需要铺设光缆或光纤网络，而卫星通信需要卫星和地面站等设备。在一些偏远地区，缺乏适当的基础设施可能会限制远距离通信的可能性。实现远距离通信可能涉及高昂的成本，包括设备购买、安装和维护等方面。此外，随着距离的增加，通信所需的技术复杂性和能耗也可能增加。远距离通信系统涉及广泛的基础设施和设备，需要有效地管理和维护。监控和管理故障、更新和升级设备、处理服务中断等问题是运营远距离通信系统面临的挑战。针对以上挑战，需要综合考虑技术创新、合理规划和管理等因素，以提高远距离通信系统的性能、稳定性和可靠性。

四、基于光纤通信技术的远距离信号传输方法

（一）电视信号远距离传输原理

电视信号的远距离传输是利用天线远端区、电缆及机房监控台3部分完成。

在电视信号的远距离传输中，天线远端区的主要作用是接收和传输无线电信号。天线接收从发射器发出的无线电信号，并将无线电信号转换为电信号。接收到的电信号需要经过调制，以增强信号的质量和可靠性。部分天线远端区的天线上会设置调解器，用于解码特定类型的信号，如数字电视信号或数字音频信号等。将处理后的电信号通过传输介质传输到接收站点或者其他辅助设备。天线远端区主要负责接收和处理发射器发送的无线电信号，并将信号传输到目标接收站站点，它起着连接发射器和接收器之间信号传输的关键作用[4]。电缆在电视信号远距离传输中起着重要的传输介质作用。电视信号首先经过调制后，将音频和视频信号转换为电信号，这些电信号随后通过电缆中的导体传输。电信号在导体中以电流的形式传递，它们通过电场和磁场之间的相互作用沿着电缆传播。长距离传输中，信号可能会因为传输过程中的阻尼、干扰和衰减而变弱，因此，在适当的位置，需要使用放大器和补偿器来增强和恢复信号的强度，以确保信号质量和可靠性。电缆传输利用导体中的电场和磁场相互作用，将调制后的电信号从发射端传输到接收端，通过使用合适的电缆和信号处理技术，可以实现广播电视信号在远距离传输中的高质量和可靠性。

机房监控台接收来自电视信号源头的信号源，通过专业的设备接收和调节到达的信号源，这些设备能够转换不同类型的信号以及各种频率范围的信号，使其成为适合后续处理的标准信号。机房控制台将经过处理的信号分配给不同的传输路径，这些路径通常连接到信号传输塔等，以进行远距离传输。机房监控台会对信号进行实时监控，以确保信号的质量及稳定性。机房控制台所配备的管理和控制系统，对整个信号传输过程进行监视和管理，以确保系统的正常运行。机房监控台在电视信号远距离传输中，负责接收、处理、编码、压缩、分配和监控信号，以及管理整个传输系统，它是保证信号传输质量和稳定性的重要环节。

（二）信号采集与信号恢复

信号采集可以针对环网工作状态进行实时统计，同时具备体系化的数据通信能力，其核心部件为主控芯片，采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）完成硬件设计，FPGA是一种集成电路芯片，具有高度的可编程性和灵活性，通过逻辑门阵列、可编程资源和软件开发工具，以及可重构性的特点，使得开发人员能够实现各种定制的数字电路功能，并在设计周期中进行快速迭代和优化。通过FPGA的高速串行通信接口与千兆收发器（Gigabit Transceiver，GTX）直接连接，实现信息采集功能[5]。GTX是一种用于高速数据通信的收发器，可以实现千兆以太网和其他高速数据通信标准的传输，它通过调制数字信号、提供物理接口并与其他通信设备连接，实现高速、可靠的数据传输。为了保证网络通信畅通，采集过程涉及光、电间的信号分离和变换工作，最终需要转换为可执行的数字采样序列。对此拟采用GTX配置小型可插拔（Small Form Pluggable，SFP）光模块，经FPGA内部逻辑处理完成所有采样序列与光信号之间的转换[6]。

信号恢复主要是为了复原数字序列在采样分析中可能造成的码元信息丢失，信号传输模式与FPGA模块设计类似，这里拟采用可热插拔使用的转化接口器件（Gigabit Interface Converter，GBIC）完成千兆位电信号转换为光信号，并再次变换为数字序列，以此匹配环网通信，如图2所示。数字序列通过FPGA的逻辑门和触发器等内部元件进行运算和操作，完成对信号的编码、解码、滤波、调制等处理任务。为了恢复原始信号，使用了一种叫做漏极开路（Open Drain，OD）的复原电路[7]。通过FPGA内部逻辑和漏极开路复原电路的协同工作，可以有效地恢复原始信号，实现信号的完整传输和处理。

（三）光纤通信模块的设计

光纤通信模块的设计主要涵盖两个方面。首先，它涉及前端模数转换器所采数据，需要采用特定的排列方式进行编码并完成传输。其次，它还涉及Aurora（奥罗拉）串行传输协议逻辑程序的设计。Aurora通信逻辑程序是一种通信协议，用于高速串行数据传输，该协议旨在提供低延迟、高宽带的数据传输解决方案。Aurora协议使用差分信号、可变时钟和256b/257b编码来进行数据传输。它支持点到点连接和多点连接，并且能够在不同的传输速率下工作，包括1Gbsp、2.5Gbsp、3.125Gbsp等。Aurora协议还提供监测和纠正传输错误的功能，以保证数据的可靠性。Aurora协议主要应用于高速数据传输领域，例如，芯片与外部设备之间的通信、FPGA之间的互联以及网络交换机系统中的数据传输。它在处理器间通信、图像传输和高性能计算等应用中发挥着重要的作用[8]。

在FPAG逻辑中，需要使用100MHz的全局时钟，此外，在ADC采集逻辑设计中，为了确保数据能够按照ADC01、ADC02、...、ADC30的顺序被写入后端FIFO（First Input First Output，FIFO），需要引入一个写使能信号的随路指令，这个随路指令可以使用全局时钟进行触发，从而确保数据能够有序地被寫入FIFO中。

FIFO是一种先进先出的数据结构，先进入队列的元素首先被处理或删除，意味着在后端添加新元素，从前端移除或处理现有元素。此外，可以在FIFO中设置一个几乎满格信号作为后端通信的触发点，来应对ADC（模数转换器）实时采集数据时可能出现的数据异常问题。由于数据传输过程中可能会发生错误，需要在模块中增加RS（Reed-Solomon）编码程序。RS编码是一种特别设计的码，它在远距离传输中具有良好的可分性，可以检测和纠正多个错误，即使在存在一定数量错误的情况下，接收端仍能恢复原始数据，具有高效的纠错性能，有效提升了传输效率。对于发送的RS编码，其对应的多项式计算公式为：

RS编码器的主要作用是检测并纠正数据传输过程中的错误信号序列。一旦检测到错误信号序列，RS编码器会利用特定的算法进行纠正，确保数据的准确性和完整性。纠正后的信号随后被传输到Aurora通信逻辑。Aurora通信逻辑必须遵循特定的通信机制，确保信号的稳定传输。为了实现这一目标，Aurora通信逻辑利用光纤链路作为传输媒介。光纤通信技术具有远距离传输的优势，能够在满足相关通信要求的同时，保证信号的长距离稳定传输。

五、模块应用与结果分析

为了验证本文提出方法的可靠性和实际效果，选择某广播电视信号作为测试对象，以模拟实际应用场景，降低测试风险。使用模拟软件进行模拟测试，针对不同传输距离产生的传输异常情况进行仿真模拟。具体传输距离设置为50m、100m、150m、200m、250m和300m，并记录实际传输异常的数量，分别为10、14、17、21、24、27个。对传统方法和本文方法进行多次测试，并对测试结果进行对比，对比结果如图3所示。

从图3可以看出，随着传输距离的增加，两种方法的时间消耗都逐渐增多。当传输距离为50m时，传统方法所耗时间为12.5s，本文方法所耗时间仅为0.95s，当传输距离达到300m时，传统方法所耗时间增加到了19.9s，本文方法仅为11.1s。随着传输距离的增加，虽然，本文方法所耗时间有所增加，但与传统的传输方法相比，所需时间明显更短。

除了对比所耗时间，还需要对两种信号传输方法的准确度进行对比。对比结果如表1所示。

从表1可以看出，使用本文方法的准确度明显高于传统方法。在各个传输距离下，本文方法的准确度都达到了90%以上，表现出极高的准确性和稳定性。通过以上实验和测试，可以得出结论：本文提出的远距离信号传输方法采用光纤通信技术，可以有效降低传输异常数量，提高信号传输的可靠性和稳定性。在实际应用中，该方法可以广泛应用于广播电视、通信、军事等领域，为远距离信号传输提供更加稳定、可靠的技术支持。

六、结语

光纤通信技术在远距离通信领域发挥着重要作用，为人类提供了高速、高宽带、可靠和安全的通信解决方案。通过对光纤通信系统的原理和工作机制进行了解，认识到光纤的低衰减、抗干扰等能力为远距离通信提供了良好的基础。光纤通信系统能够实现高速数据传输、长距离覆盖和多种应用需求的支持。然而，光纤通信系统也面临着一系列的挑战和问题，期望在未来的研究中进一步克服这些挑战，并不断提升光纤通信系统在远距离通信中的应用。通过不断地努力与创新，进一步推动光纤通信技术的发展，并为全球范围内的远距离通信需求提供更好的解决方案。

参考文献

[1]杨宏伟.基于光纤通信技术的广播电视信号远距离传输方法[J].信息与电脑，2022，34（14）：196-198.

[2]袁晓波.基于光纤通讯技术下的短波广播信号远距离传输系统[C]//国家广电总局，中国电子学会.第十四届国际广播电视技术研讨会，2009.

[3]王立金.基于现代光纤通信技术的广播电视信号传输网设计[J].通信电源技术，2023，40（04）：110-112.

[4]胡肖松，段振英，徐维开，等.话音和数据在远距离光纤通信系统中的传输[J].光通信技术，2013，37（01）：28-30.

[5]朱亚朋，李鸿鹏，霍德强，等.基于AD650的模拟信号光纤传输系统的设计[J].计算机测量与控制，2012，20（06）：1662-1664+1668.

[6]杨洋.基于FPGA的4路HD-SDI光纤传输系统[J].光通信技术，2015，39（05）：5-7.

[7]卢敏，张子墨.基于FPGA的LVDS—光纤通信系统的实现[J].信息技术，2007（12）：164-166.

[8]张宇坤，李沼云，陶智勇，等.基于光域补偿的远距离光混沌同步[J].激光与光电子学进展，2023，60（17）：162-168.

责任编辑：张津平