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監控傳輸的光纖化技術和應用 (監控傳輸的光纖化技術和應用)

更新日期:	2006/07/18
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【2005-12-13作者/王鼎安】

自從1970年發展出第一條低損耗的光纖開始，人們使用光纖做為信號傳輸的媒介已有三十多年的歷史。隨著技術的進步，光纖已經悄悄地深入每個人的日常生活之中。

由於我們對於通信質與量的需求不斷增加，在許多場合光纖已經成為不得不然的選擇。儘管光纖傳輸方案的成本早已大幅下降，甚至性價比已明顯優於傳統信號傳輸方式，在大多數人心中的光纖仍然是一種昂貴而陌生的技術。這並不只是使用者的問題，其實光纖產品的業者也要負起一些責任。

￡光纖也可以物美價廉

大家也許不知道光纖還有許多實惠的用途，只要使用得當，可以非常低的價格（甚至低於傳統方案），改善一般信號傳輸環境的通信品質。

其中一個典型的例子就是光纖在安全監控中的應用。為了建構一個完整的安全監控系統，我們會使用到幾種主要信號的傳輸：

1.影像信號：即攝影機到監視器或錄影機的信號，也是監控系統中最基本的信號，通常為固定的NTSC或PAL等格式。原始信號所需要的頻寬在10MHz以下。

2.聲音信號：包括現場收音、廣播、對講等音頻信號，所需頻寬僅數十kHz。但信號傳輸的方向依應用環境有很大的不同，有和影像相同的、相反的或是兼有兩個方向的。

3. 控制信號：用於遙控遠端設備（如攝影機的雲台）或由遠方傳回感測器接收的信號。和聲音信號一樣，在不同的應用環境中有不同的信號傳輸方向。另外，需要的頻寬也和控制信號實際傳送的資料速率有很大差異，由數k至數Mbps不等。

4. 一般通信信號：為了與其他遠端設備連繫，信號經由編碼，套用通用的通信協定後傳送。包括乙太網及電信用的E1、T1等都是。為了要達到互通的目的，通常使用的是一般通用的通信設備或信號接口。

￡光纖可解決的傳輸問題

不難看出，其實以上的應用都不需要非常特別的傳輸條件或極大的頻寬，用一般常見的傳輸方法（如同軸電纜）就可以輕鬆達成。然而，光纖的應用卻可以有效解決以下的問題：

1.傳輸距離的問題：一般電信號會在長途傳輸下有嚴重的信號衰減或失真問題，尤其是高頻的信號會特別明顯。在以類比影像信號為傳輸重點的監控系統中，這個問題的影響會更加嚴重。就算沒有這些問題，中繼器的使用只能補償衰減，不能補償失真，使用過多只會讓信號雜訊比嚴重劣化。由於光纖的損耗極低，而且較不受信號頻率的影響，所以可以完全克服這個問題。

2.信號多工的問題：這裡指的是用同一條實體線路傳輸多種信號或多路相同信號的能力。由於光纖可以支持的頻寬非常大，所以只要我們能用信號處理的多工技術將多路信號整合成一路，即使最後信號頻寬擴增數倍，都可以輕鬆使用光纖傳輸。

且光纖通信還有獨特的「分波多工（wavelength division multiplexing）」技術，亦即應用不同的波長，在同一條光纖之中傳送獨立的信號內容，因而可以進一步擴展可用的頻寬。

3. 信號干擾的問題：信號在電線中傳輸時是以電磁場的形式存在，而這種電磁場的分布並非完全在線材內部，因此不但會干擾別的信號，也易受別的信號所干擾。

兩條彼此接近的信號線所產生的串擾（crosstalk），就是典型的電磁干擾實例。如果電纜的外層包覆破損，干擾的情況將更加嚴重。相反地，在光纖中，信號以光能量的形式被限制在光纖核心的內部，根本不會發生因電磁波輻射所產生的信號干擾問題。

4.使用環境的問題：光纖的重量輕、尺寸小，和電纜比起來，單位重量或體積的信號傳輸能力都勝過許多，在許多空間狹小或承載能力有限的地方（如飛機車船），都是非常適合的選擇。且光纖不像電纜是金屬製成，長久暴露在惡劣的環境會因氧化的問題而嚴重影響效能。許多越洋海底光纜的鋪設早已證明了光纖的高度可靠性。另外光信號在傳輸的過程中不會引起任何火花，也不怕雷擊，即使在充滿易燃、易爆品的危險環境中，也能安全使用。

5.資料安全性的問題：一般來說，有線的傳輸環境要比無線傳輸環境具有更高的資料保密性。同樣是有線傳輸，光的保密性又比電更高。電信號的電磁輻射可以讓有意竊取資料的人更容易以非破壞性的手法得逞，而電線續接、分接的容易也為入侵者開了許多方便之門。同樣的手段用在光纖身上就顯得無用武之地了。

￡光纖安全監控的要角──視頻光電轉換器

目前光纖在安全監控領域的應用中，最主要的產品就屬視頻光電轉換器。其基本的工作原理就是將影像信號轉為光信號，利用光纖傳輸後再轉回為原始的影像信號。有些產品除了影像信號之外，還能利用同一條光纖傳輸聲音或控制信號，或同時傳輸多路信號，提供許多方便的選擇。

由於國外光纖相關產品的起步較早，所以現今台灣的視頻光電轉換器市場還是以國外廠牌為主。國外的產品品質相對穩定，不過價格也居高不下。由於台灣許多光纖應用的案子都是屬於標案性質，規格特殊，需求量也不定。在這樣的情形下，國外廠商的支援常常無法即時滿足業主的需求，也不太可能爭取到具有競爭力的價格。再加上對於光纖工程的不了解，常常碰到安裝與使用上的困難。這些因素都阻礙了安全監控系統光纖化的發展。

針對不同光信號的調變方法，市面上視頻光電轉換器可分為三類： 1.基帶調變（baseband modulation）：將原始的電信號直接轉換成光信號，保留原有的波形。原本的信號表現在電壓的變化上，轉換後則表現在光功率的變化上。這種方式是最直覺的，技術上也相對簡單。不過這樣的調變方式直接考驗著光電元件與調變解調電路的線性度，只要轉換不是完全線性，就會造成或多或少的失真。由於信號經過傳輸必定也會造衰減，信號的振幅也隨之改變，因此通常在接收器端設計有增益控制電路，藉以補償衰減的信號振幅。另外，基帶信號本身不耐傳輸，對失真及干擾的容忍度低，同時也不能整合多路信號傳輸。市售許多只支援一路視頻信號的平價光電影像轉換器都屬於這一類。

2.頻率調變（frequency modulation, FM）：如同FM廣播的調變方式，將原本以振幅變化描述的信號轉為以頻率變化描述的信號。

再將調變後的電信號轉為光信號傳輸，之後再以相反的過程解調變成原始的信號。

經由頻率調變之後，實際信號的頻率會增加，但對於可接受高速調變的光元件來說不成問題。由於頻率成分在傳輸過程中不易變化，因此FM信號也較能避免傳輸過程中產生的失真。

頻率調變的另一好處是可以將不同信號調變至不同載波頻率上以實現信號的多工傳輸。但是，除了成本增加之外，頻率調變仍有頻率調整的問題，如果發射機和接收機頻率不能搭配，系統即無法工作。而且，如果多工的頻道數目增加，整個電路的複雜度將大幅增加，當然也會反應在成本上。

3.數位調變（digital modulation）：這是一種最先進的通信方式，但是整個過程也比較複雜。原始信號進過取樣、編碼等過程，變成數位信號之後，再透過光纖傳輸，最後再由數位類比傳換器轉回原始的信號。

數位信號最大的好處就是可以容忍的失真和干擾極大，原本評斷類比通信系統的指標如信號雜訊比和波形失真等不再重要，只要能控制好誤碼率（bit-error rate），就可讓信號經由長距離的傳輸之後仍然維持完全一樣的信號品質。

另外，使用數位傳輸的技術時，信號的多工也相對容易，不需因為頻道數的增加而大幅變更硬體的架構，也不會增加許多需要人為調整的工作，對於系統整體成本的控制有很大的幫助。

￡安全監控光纖化技術實例

現在我們看兩個實際應用的例子。第一個例子是國防大學的校園安全監視系統，這是典型的應用環境。校園中各處的攝影機和快速球將攝得的影像信號傳回控制中心的數位錄影及控制主機。

第二例是空軍某基地的監控系統，其系統架構如圖五所示。這個案子的特色，在於除了影像信號之外，還有許多環境的監控信號需要傳輸。因為基地的範圍很大，且在不能與其他重要的通信用信號互相干擾的前提下，利用光纖作為傳輸媒介是很好的選擇。

光纖應用產品的出現，實現了部分原本不可能的信號傳輸環境，並使許多安全監控的系統發揮更強大而完整的效果。舉例來說，在一個鄰里治安監視系統中，受限於信號品質和傳輸距離的限制，不可能做到即時的監控，僅能以錄存的影像做為事後偵查犯罪的工具。

但如果能配光纖的高品質、長距離傳輸效果，監控中心就可以設在警察局即時掌握治安狀態，並能整合聲音、控制、門禁、感測器及其他通信信號，真正達到預防性的治安防護效果。

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