光纖通信第二版 劉增基第6章

1、第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.1調(diào)制方式 6.2模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng) 6.3副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.1調(diào)制方式調(diào)制方式 模擬光纖傳輸系統(tǒng)目前使用的主要調(diào)制方式有模擬基帶 直接光強(qiáng)調(diào)制、模擬間接光強(qiáng)調(diào)制和頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制三種。 6.1.1模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)是用承載信息的模擬基帶 信號(hào)，直接對(duì)發(fā)射機(jī)光源(LED或LD)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，使光源 輸出光功率隨時(shí)間變化的波形和輸入模擬基帶信號(hào)的波形成 比例。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 20世紀(jì)70年代末期，光纖開(kāi)始用于模擬電視傳輸時(shí)，采 用一

2、根多模光纖傳輸一路電視信號(hào)的方式，就是這種基帶傳 輸方式。所謂基帶，就是對(duì)載波調(diào)制之前的視頻信號(hào)頻帶。 對(duì)于廣播電視節(jié)目而言，視頻信號(hào)帶寬(最高頻率)是6 MHz， 加上伴音信號(hào)，這種模擬基帶光纖傳輸系統(tǒng)每路電視信號(hào)的 帶寬為8 MHz。用這種模擬基帶信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)光源(線性良 好的LED)進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制，若光載波的波長(zhǎng)為0.85 m， 傳輸距離不到4 km, 若波長(zhǎng)為1.3 m，傳輸距離也只有10 km 左右。這種DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià) 格低廉，因而在短距離傳輸中得到廣泛應(yīng)用。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.1.2模擬間接光強(qiáng)調(diào)制模擬間接光強(qiáng)調(diào)制 模擬間接光強(qiáng)調(diào)制方式是先用

3、承載信息的模擬基帶信號(hào) 進(jìn)行電的預(yù)調(diào)制，然后用這個(gè)預(yù)調(diào)制的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光 強(qiáng)調(diào)制(IM)。這種系統(tǒng)又稱為預(yù)調(diào)制直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸 系統(tǒng)。預(yù)調(diào)制又有多種方式，主要有以下三種。 1. 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM) 頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)正弦載 波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅的頻率受調(diào)的正弦信號(hào)，其頻率隨輸 入的模擬基帶信號(hào)的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)正弦調(diào)頻信 號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成FM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 2. 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM) 脈沖頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)脈沖 載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、等寬的頻率受調(diào)的脈沖信號(hào)，其脈 沖頻

4、率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)脈 沖調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成PFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。 3. 方波頻率調(diào)制方波頻率調(diào)制(SWFM) 方波頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)方波 進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、不等寬的方波脈沖調(diào)頻信號(hào)，其方波脈 沖頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的幅度而變化。然后用這個(gè)方波 脈沖調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成SWFM-IM光纖傳輸系 統(tǒng)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的是提高傳輸質(zhì)量和增加傳 輸距離。由于模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)光纖電視傳輸系 統(tǒng)的性能受到光源非線性的限制，一般只能使用線性良好的 LED作光源。LED入

5、纖功率很小，所以傳輸距離很短。在采 用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制時(shí)，例如采用PFM-IM光纖電視傳輸系 統(tǒng)，由于驅(qū)動(dòng)光源的是脈沖信號(hào)，它基本上不受光源非線性 的影響，所以可以采用線性較差、入纖功率較大的LD器件 作光源。因而PFM-IM系統(tǒng)的傳輸距離比D-IM系統(tǒng)的更長(zhǎng)。 對(duì)于多模光纖，若波長(zhǎng)為0.85 m，傳輸距離可達(dá)10 km；若 波長(zhǎng)為1.3 m，傳輸距離可達(dá)30 km。對(duì)于單模光纖，若波 長(zhǎng)為1.3 m，傳輸距離可達(dá)50 km。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) SWFM-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)不僅具有PFM-IM系統(tǒng)的 傳輸距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還具有PFM-IM系統(tǒng)所沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 這種獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是： 在光纖上

6、傳輸?shù)牡确?、不等寬的方波調(diào) 頻(SWF-M)脈沖不含基帶成分，因而這種模擬光纖傳輸系統(tǒng) 的信號(hào)質(zhì)量與傳輸距離無(wú)關(guān)。此外，SWFM-IM系統(tǒng)的信噪 比也比D-IM系統(tǒng)的信噪比高得多。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 上述光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量都達(dá)到了 實(shí)際應(yīng)用的水平，而且技術(shù)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比 較便宜。盡管如此，這些傳輸方式都存在一個(gè)共同的問(wèn)題： 一根光纖只能傳輸一路電視。這種情況，既滿足不了現(xiàn)代社 會(huì)對(duì)電視頻道日益增多的要求，也沒(méi)有充分發(fā)揮光纖大帶寬 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，開(kāi)發(fā)多路模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，就成 為技術(shù)發(fā)展的必然。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路電視有多種

7、方法，目前現(xiàn)實(shí)的方 法是先對(duì)電信號(hào)復(fù)用，再對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。對(duì)電信號(hào)的 復(fù)用可以是頻分復(fù)用(FDM)，也可以是時(shí)分復(fù)用(TDM)。和 TDM系統(tǒng)相比，F(xiàn)DM系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較 低以及模擬和數(shù)字兼容等優(yōu)點(diǎn)。而且，F(xiàn)DM系統(tǒng)的傳輸容 量只受光器件調(diào)制帶寬的限制，與所用電子器件的關(guān)系不大。 這些明顯的優(yōu)點(diǎn)，使FDM多路電視傳輸方式受到廣泛的重 視。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.1.3頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制 頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式是用每路模擬電視基帶信號(hào)，分 別對(duì)某個(gè)指定的射頻(RF)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)， 然后用組合器把多個(gè)預(yù)調(diào)RF信號(hào)組合成多路寬帶信號(hào)，再

8、用這種多路寬帶信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。光載波經(jīng) 光纖傳輸后，由遠(yuǎn)端接收機(jī)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換和信號(hào)分離。因 為傳統(tǒng)意義上的載波是光載波，為區(qū)別起見(jiàn)，把受模擬基帶 信號(hào)預(yù)調(diào)制的RF電載波稱為副載波，這種復(fù)用方式也稱為 副載波復(fù)用(SCM)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： (1) 一個(gè)光載波可以傳輸多個(gè)副載波，各個(gè)副載波可以 承載不同類型的業(yè)務(wù)，有利于數(shù)字和模擬混合傳輸以及不同 業(yè)務(wù)的綜合和分離。 (2) SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無(wú)需復(fù)雜的定時(shí)技術(shù)， FM/SCM可以傳輸60120路模擬電視節(jié)目，制造成本較低。 因而在電視傳輸網(wǎng)中競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)，發(fā)展速度快。 第6章模擬光

9、纖通信系統(tǒng) (3) 在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)未能廣泛應(yīng)用的今天，線性良 好的大功率LD已能得到實(shí)際應(yīng)用，因而發(fā)展SCM模擬電視 傳輸系統(tǒng)是適時(shí)的選擇。這種系統(tǒng)不僅可以滿足目前社會(huì)對(duì) 電視頻道日益增多的要求，而且便于在光纖與同軸電纜混合 的有線電視系統(tǒng)(HFC)中采用。 副載波復(fù)用的實(shí)質(zhì)是利用光纖傳輸系統(tǒng)很寬的帶寬換取 有限的信號(hào)功率，也就是增加信道帶寬，降低對(duì)信道載噪比 (載波功率/噪聲功率)的要求，而又保持輸出信噪比不變。 在副載波系統(tǒng)中，預(yù)調(diào)制是采用調(diào)頻還是調(diào)幅，取決于 所要求的信道載噪比和所占用的帶寬。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.2模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸

10、系統(tǒng) 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī) (光源通常為發(fā)光二極管)、光纖線路和光接收機(jī)(光檢測(cè)器) 組成，這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.1模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.2.1特性參數(shù)特性參數(shù) 評(píng)價(jià)模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量的最重要的 特性參數(shù)是信噪比(SNR)和信號(hào)失真(信號(hào)畸變)。 1. 信噪比信噪比 正弦信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比主要受光接收機(jī)性 能的影響，因?yàn)檩斎氲焦鈾z測(cè)器的信號(hào)非常微弱，所以對(duì)系 統(tǒng)的SNR影響很大。圖6.2示出對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行正弦信號(hào) 直接光強(qiáng)調(diào)制的原理。這種系統(tǒng)的信噪比定

11、義為接收信號(hào)功 率和噪聲功率(Np)的比值 2 n 2 s L 2 n L 2 s P i i Ri Ri N S 噪聲功率 信號(hào)功率 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.2發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中，i2s和i2n分別為均方信號(hào)電流和均方噪聲電流， RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻。信噪比一般用dB作單位，即 如圖6.2所示，設(shè)光源驅(qū)動(dòng)電流 I=IB(1+m cost)(6.2) 光源具有嚴(yán)格線性特性，不存在信號(hào)畸變，則輸出光功率為 P=PB(1+m cost) (6.3) 式中，PB為偏置電流IB產(chǎn)生的光功率，m為調(diào)制指數(shù)， =2f , f 為調(diào)制頻率，t為時(shí)間。 2 n 2

12、s lg 10SNR i i (6.1) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 一般光纖線路有足夠的帶寬，可以假設(shè)信號(hào)在傳輸過(guò)程 不存在失真，只受到exp(aL)的衰減，其中a為光纖線路平 均損耗系數(shù)，L為傳輸距離。由于到達(dá)光檢測(cè)器的信號(hào)很弱， 光接收機(jī)引起的信號(hào)失真可以忽略。在這些條件下，光檢測(cè) 器的輸出光電流 is=I0(1+m cost)(6.4) 均方信號(hào)電流 2 m2 s 2 I i(6.5) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中, Im=mI0 為信號(hào)電流幅度，I0為平均信號(hào)電流，m為調(diào)制 指數(shù)，其定義為 平均信號(hào)電流 I0=gIP=gPb(6.7) 式中, Pb=KPB為輸入光檢測(cè)器的平均光傳輸系數(shù)，

13、K代表光 纖線路的傳輸系數(shù)，為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，IP為一次光生 電流，g為APD的倍增因子。若使用PIN-PD, 則g=1。 (6.6) minmax minmax minmaxmin minmax b om 2/ 2/ II II III II I I m 平均信號(hào)電流 信號(hào)電流幅度 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 由式(6.5)式(6.7)得到均方信號(hào)電流 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的噪聲主要來(lái)源于光檢測(cè)器 的量子噪聲、暗電流噪聲、負(fù)載電阻RL的熱噪聲和前置放大 器的噪聲，總均方噪聲電流(參考3.2節(jié))可寫(xiě)成 (6.8) 2 )( 2 b2 s gPm i L 2 d 2 b 2 T 2 d 2 q

14、 2 n 4 22 R kTFB BgeoIBgPeiiii xx (6.9) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中, i2q、i2d和i2T分別為量子噪聲、暗電流噪 聲和熱噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流，e為電子電荷，B為噪聲 帶寬，一般等于信號(hào)帶寬，Id為暗電流，k=1.381023 J/K 為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻， F為前置放大器的噪聲系數(shù)。 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào) 制系統(tǒng)的信噪比為 (6.10) )/422( 2/)( lg 10SNR L 2 db 2 b RkTFgeIPeB gPm x 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中=e

15、/ (hf)。 對(duì)于電視信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比有些不同，假 設(shè)傳輸?shù)氖请A梯形全電視信號(hào)，則 式中, mTV為電視信號(hào)的調(diào)制指數(shù)，其他符號(hào)的意義和式 (6.10)相同，但g=1。 (6.11) )/422( 44. 1 lg 20SNR Ldb bTV RkTFeIPeB Pm 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 和SNR關(guān)系密切的一個(gè)參數(shù)是接收靈敏度。和數(shù)字光纖 通信系統(tǒng)相似，在模擬光纖通信系統(tǒng)中，我們把接收靈敏度 Pr定義為： 在限定信噪比條件下，光接收機(jī)所需的最小信 號(hào)光功率Ps, min，并以dBm為單位。 假設(shè)系統(tǒng)除量子噪聲外，沒(méi)有其他噪聲存在，在這種情 況下，靈敏度由平均信號(hào)電流決定，這樣

16、確定的靈敏度稱為 (最高)極限靈敏度。 根據(jù)假設(shè)，式(6.10)分母后兩項(xiàng)為零，利用式(3.14)響應(yīng) 度=e/(hf)，m=1, g=1, 式(6.10)簡(jiǎn)化為 (6.12) hfB P N S 4 b P 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 在限定信噪比條件下，光接收機(jī)所需的最小信號(hào)光功率 把式(6.12)代入式(6.13)得到 式中, hf為光子能量，h=6.6281034 Js為普朗克常數(shù)， f=c/為光頻率，c=3108 m/s為光速，為光波長(zhǎng)(m), 為光 檢測(cè)器量子效率，B為噪聲帶寬。 (6.13) 1 2 b mins, m P P P mins, 22 N SB hfP (6.14) 第

17、6章模擬光纖通信系統(tǒng) 設(shè)光檢測(cè)器為PIN-PD, 光波長(zhǎng)=1.31 m, 量子效率=0.6， 噪聲帶寬B=8 MHz，系統(tǒng)要求SNR=50 dB。由式(6.14)得到 Ps,min=2.86107 mW, 或Pr=10 lg Ps,min=65.4 dBm。當(dāng)然， 實(shí)際系統(tǒng)必須考慮光檢測(cè)器的暗電流噪聲、光檢測(cè)器負(fù)載電 阻的熱噪聲和前置放大器的噪聲。因而，實(shí)際靈敏度比極限 靈敏度要低得多。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 2. 信號(hào)失真信號(hào)失真 為使模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)輸出光信號(hào)真實(shí)地反映 輸入電信號(hào)，要求系統(tǒng)輸出光功率與輸入電信號(hào)成比例地隨 時(shí)間變化，即不發(fā)生信號(hào)失真。一般說(shuō)，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的 光

18、源，由于在大信號(hào)條件下工作，線性較差，所以發(fā)射機(jī)光 源的輸出功率特性是D-IM系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的主要原因。 因而略去光纖傳輸和光檢測(cè)器在光/電轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的非 線性失真，只討論光源LED的非線性失真。參看圖6.2。 非線性失真一般可以用幅度失真參數(shù)微分增益(DG) 和相位失真參數(shù)微分相位(DP)表示。DG可以從LED輸 出功率特性曲線看出，其定義為 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) DP是LED發(fā)射光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I的相位延遲差，其定義 為 DP=j(I2)j(I1)(6.16) 式中, I1和I2為L(zhǎng)ED不同數(shù)值的驅(qū)動(dòng)電流，一般取I2I1。 (6.15)%100 | | DG max 2 12

19、I II dI dP dI dP dI dP 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 雖然LED的線性比LD好，但仍然不能滿足高質(zhì)量電視 傳輸?shù)囊?。例如，短波長(zhǎng)GaAlAs-LED的DG可能高達(dá)20%， DP高達(dá)8，而高質(zhì)量電視傳輸要求DG和DP分別小于1%和 1。影響LED非線性的因素很多，要大幅度改善動(dòng)態(tài)非線 性失真非常困難，因而需要從電路方面進(jìn)行非線性補(bǔ)償。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償有許 多方式，目前一般都采用預(yù)失真補(bǔ)償方式。預(yù)失真補(bǔ)償方式 是在系統(tǒng)中加入預(yù)先設(shè)計(jì)的、與LED非線性特性相反的非線 性電路。這種補(bǔ)償方式不僅能獲得對(duì)LED的補(bǔ)償，而且能同 時(shí)對(duì)系

20、統(tǒng)其他元件的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。由于這種方式是對(duì)系 統(tǒng)的非線性補(bǔ)償，把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光發(fā)射機(jī)，給實(shí) 時(shí)精細(xì)調(diào)整帶來(lái)一定困難，而把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收 機(jī)，則便于實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端輸入信號(hào)V1與接收端輸出信號(hào)V2之間相 移為j1，它包含了LED輸出光功率P與驅(qū)動(dòng)電流之間的相移， 以及系統(tǒng)中其他各級(jí)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的相移。由于 相移j 1隨輸入信號(hào)V1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相 位DP。微分相位補(bǔ)償是設(shè)計(jì)一種電路，使其相移特性j2與j 1的變化相反，如圖6.3(b)。兩個(gè)非線性電路相加，使系統(tǒng)總 相移j 不隨輸入信號(hào)大小而變化，如圖6.3(

21、c)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.3微分相位補(bǔ)償原理 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 在模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)中，最廣泛使用的電路是微分 相位四點(diǎn)補(bǔ)償電路，如圖6.4所示。這種電路的相位補(bǔ)償是 利用集電極和發(fā)射極輸出的信號(hào)相位差180的原理構(gòu)成的 全通相移網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 和微分相位補(bǔ)償原理相似，微分增益補(bǔ)償是對(duì)LED等非 線性器件產(chǎn)生的高頻動(dòng)態(tài)幅度失真的補(bǔ)償，目前最廣泛使用 的微分增益四點(diǎn)補(bǔ)償電路如圖6.5所示。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.4微分相位補(bǔ)償電路 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.5微分增益補(bǔ)償電路 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.2.2光端機(jī)光端機(jī) 光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。 1.

22、 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的功 能是，把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。對(duì)這種光發(fā)射機(jī)的基本 要求是： (1) 發(fā)射(入纖)光功率要大，以利于增加傳輸距離。在 光纖損耗和接收靈敏度一定的條件下，傳輸距離和發(fā)射光功 率成正比。發(fā)射光功率取決于光源，LD優(yōu)于LED。 (2) 非線性失真要小，以利于減小微分相位(DP)和微分 增益(DG)，或增大調(diào)制指數(shù)m(mTV)。LED線性優(yōu)于LD。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (3) 調(diào)制指數(shù)m(mTV)要適當(dāng)大。m大，有利于改善SNR； 但m太大，不利于減小DP和DG。 (4) 光功率溫度穩(wěn)定性要好。LED溫度穩(wěn)定性優(yōu)于LD，用 L

23、ED作光源一般可以不用自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)功率控制，因 而可以簡(jiǎn)化電路、降低成本。 模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)方框圖如圖6.6 所示，輸入TV信號(hào)經(jīng)同步分離和箝位電路后，輸入LED的驅(qū) 動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路的末級(jí)及其工作原理示于圖6.7，圖中R1C1 電路用于調(diào)節(jié)D-IM系統(tǒng)電視信號(hào)的幅頻特性，Re用于監(jiān)測(cè)通 過(guò)LED的電流，Rc用于控制通過(guò)LED的極限電流，V2用于保護(hù) LED防止反向擊穿，LED的工作點(diǎn)由箝位電路調(diào)節(jié)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.6光發(fā)射機(jī)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.7LED驅(qū)動(dòng)電路的末級(jí)及其工作原理 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 由于全電視信號(hào)隨亮場(chǎng)和暗

24、場(chǎng)的變化而變化，為保證動(dòng) 態(tài)DP和DG的規(guī)定值，必須保持DP和DG補(bǔ)償電路的工作點(diǎn) 不隨亮場(chǎng)和暗場(chǎng)而變化，所以應(yīng)有箝位電路來(lái)保證其工作點(diǎn) 恒定。在全電視信號(hào)中，圖像信號(hào)隨亮場(chǎng)和暗場(chǎng)而變化，其 同步脈沖信號(hào)在工作過(guò)程是不變的，因而利用同步脈沖和圖 像信號(hào)處于不同電平的特點(diǎn)，對(duì)全電視信號(hào)中的同步脈沖進(jìn) 行分離和箝位。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 2. 光接收機(jī)光接收機(jī) 光接收機(jī)的功能是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。對(duì)光接收機(jī) 的基本要求是： (1) 輸出信噪比(SNR)要高； (2) 幅頻特性要好； (3) 帶寬要足夠。 模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)光接收機(jī)方框圖如圖 6.8所示，光檢測(cè)器把輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換

25、為電信號(hào)，經(jīng)前置放 大器和主放大器放大后輸出，為保證輸出穩(wěn)定，通常要用自 動(dòng)增益控制(AGC)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.8光接收機(jī)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 光檢測(cè)器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需較低偏壓 (1020 V)就能正常工作，電路簡(jiǎn)單，但沒(méi)有內(nèi)增益，SNR 較低。APD需要較高偏壓(30200 V)才能正常工作，且內(nèi) 增益隨環(huán)境溫度變化較大，應(yīng)有偏壓控制電路。APD的優(yōu)點(diǎn) 是有20200倍的雪崩增益，可改善SNR。對(duì)于模擬基帶D- IM光纖電視傳輸系統(tǒng)，力求電路簡(jiǎn)單，光檢測(cè)器一般都采 用PIN-PD。 前置放大器的輸入信號(hào)電平是全系統(tǒng)最低的，因此前放 決定

26、著系統(tǒng)的SNR和接收靈敏度。目前這種系統(tǒng)都采用補(bǔ)償 式跨阻抗前放。如采用PINFET混合集成電路的前放，可 獲得較高SNR和較寬的工作頻帶。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 主放大器是一個(gè)高增益寬頻帶放大器，用于把前放輸出 的信號(hào)放大到系統(tǒng)需要的適當(dāng)電平。 由于光源老化使光功率下降，環(huán)境溫度影響光纖損耗變 化，以及傳輸距離長(zhǎng)短不一，使輸入光檢測(cè)器的光功率大小 不同，所以需要AGC來(lái)保證光接收機(jī)輸出恒定。 6.2.3系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖如圖 6.9所示。在發(fā)射端，模擬基帶電視信號(hào)和調(diào)頻(FM)伴音信 號(hào)分別輸入LED驅(qū)動(dòng)器，在接收端進(jìn)行分離。改進(jìn)DP和DG 的預(yù)失

27、真電路置于接收端。主要技術(shù)參數(shù)舉例如下。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.9模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 1. 系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù) (1) 視頻部分： 帶寬06 MHz SNR50 dB DG4% DP4 發(fā)射光功率-15 dBm(32 W) 接收靈敏度-30 dBm 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (2) 伴音部分： 帶寬0.0415 kHz 輸入輸出電平0 dBr SNR55 dB 畸變2% 伴音調(diào)頻副載頻8 MHz 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 2. 光纖損耗對(duì)傳輸距離的限制光纖損耗對(duì)傳輸距離的限制 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸距離大 多受光纖損耗的限

28、制。根據(jù)發(fā)射光功率、接收靈敏度和光纖 線路損耗可以計(jì)算傳輸距離L，其公式為 式中, Pt為發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm), M為系 統(tǒng)余量(dB)，a為光纖線路(包括光纖、連接器和接頭)每千 米平均損耗系數(shù)(dB/km)。 (6.17) a MPP L rt 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 對(duì)于波長(zhǎng)為0.85 m和1.31 m的多模光纖，損耗系數(shù)a 可以分別取3 dB/km和1 dB/km，M取3 dB。用上述舉例中的 數(shù)據(jù)，Pt=15 dBm，Pr=30 dBm，由式(6.17)計(jì)算得到中 繼距離分別為L(zhǎng)=4 km和L=12 km。 3. 系統(tǒng)對(duì)光纖帶寬的要求系統(tǒng)對(duì)光纖帶寬的要求

29、對(duì)于多模光纖而言，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖線路總帶寬B(MHz) 和單位長(zhǎng)度(1 km)光纖帶寬B1(MHzkm)的關(guān)系為 B1=BL(6.18) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中串接因子=0.51，為方便起見(jiàn)，取=1, 這是最保守的 取值，光纖線路總帶寬B=8 MHz，根據(jù)上面的計(jì)算，0.85 m和1.31 m中繼距離分別為L(zhǎng)=4 km和L=12 km。由式(6.18) 計(jì)算得到，所需單位長(zhǎng)度光纖帶寬分別為B1=32 MHzkm和 B1=96 MHzkm。 如果采用原CCITT G.651的標(biāo)準(zhǔn)多模GI光纖，其單位長(zhǎng) 度帶寬至少是200 MHzkm，因此完全可以滿足要求。如果 采用多模SI光纖，其帶寬只有

30、幾十MHzkm，這時(shí)，認(rèn)真計(jì) 算是必要的，因?yàn)樵诙滩ㄩL(zhǎng)光纖材料色散和LED光源譜寬的 影響是不可忽視的。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 在短波長(zhǎng)使用LED光源的情況下，光纖線路總帶寬應(yīng)為 式中, Bm和Bc分別為模式色散和材料色散引起的帶寬。 (6.19) ）取1( 11 m L B L B B r LC B )( 1044. 0 6 c 2/12 c 2 m )( BBB (6.20) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中,C()為光纖材料色散系數(shù)，為光源FWHM譜寬。 由式(6.19)和式(6.20)得到 例如，在0.85 m，多模光纖C()=120 ps/(nmkm)，設(shè)LED 譜寬=50 nm，如果

31、根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果B1=32 MHzkm, 由式(6.21)計(jì)算得到B11.2BL=38 MHzkm, 帶寬增加20%。 在實(shí)際工程中是否采用短波長(zhǎng)LED和多模SI光纖，要根據(jù)經(jīng) 濟(jì)效益(系統(tǒng)成本和維修費(fèi)用)來(lái)決定。 (6.21) 2 6 1 1 1044. 0 )( 1 BC BLB 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 6.3副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng) 圖6.10示出副載波復(fù)用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方 框圖。N個(gè)頻道的模擬基帶電視信號(hào)分別調(diào)制頻率為f1，f2， f3， fN的射頻(RF)信號(hào)，把N個(gè)承載電視信號(hào)的副載波f1s， f2s， f3s，fNs組合成寬帶信號(hào)，再用這個(gè)寬

32、帶信號(hào)對(duì)光源 (一般為L(zhǎng)D)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。光信號(hào)經(jīng)光纖 傳輸后，由光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，經(jīng)分離和解調(diào)，最后 輸出N個(gè)頻道的電視信號(hào)。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.0副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 模擬基帶電視信號(hào)對(duì)射頻的預(yù)調(diào)制，通常用殘留邊帶調(diào) 幅(VSB-AM)和調(diào)頻(FM)兩種方式，各有不同的適用場(chǎng)合和 優(yōu)缺點(diǎn)。我們主要討論殘留邊帶調(diào)幅副載波復(fù)用(VSB- AM/SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)。 6.3.1特性參數(shù)特性參數(shù) 對(duì)于副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，評(píng)價(jià)其傳輸質(zhì) 量的特性參數(shù)主要是載噪比(CNR)和信號(hào)失真。 1. 載噪比載噪比

33、載噪比CNR的定義是，把滿負(fù)載、無(wú)調(diào)制的等幅載波 置于傳輸系統(tǒng)，在規(guī)定的帶寬內(nèi)特定頻道的載波功率(C)和 噪聲功率(Np)的比值，并以dB為單位，用公式表示為 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (6.22)2 n 2 c p i i N C 2 n 2 c p lg 10lg 10CNR i i N C tmIIItI i N i i cos)()( 1 thbb 式中, i2c為均方載波電流，i2n為均方噪聲電流。 設(shè)在電/光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和光/電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，都不存在信 號(hào)失真。如圖6.11所示，輸入激光器的光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)電流為 或 (6.23) (6.24) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.11激光器

34、模擬調(diào)制原理 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 由于假設(shè)不存在信號(hào)失真，激光器輸出光功率為 式中, Ps=PbPth，Pb和Pth分別為偏置電流Ib和閾值電流Ith對(duì) 應(yīng)的光功率，N為頻道總數(shù)，mi和i分別為第i個(gè)頻道的調(diào)制 指數(shù)和副載波角頻率。 設(shè)每個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)都相同，即mi=mj=m(對(duì)于所有的 ij)，暫時(shí)略去光纖傳輸因子10aL/10, a和L分別為光纖線路 平均損耗系數(shù)和長(zhǎng)度，系統(tǒng)使用PIN-PD，從光檢測(cè)器輸出 的(載波)信號(hào)電流為 tmPPtP i N i i cos)( 1 sb (6.25) (6.26) )cos1 ( 1 0c tmIi i N i 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 均方

35、(載波)信號(hào)電流 式中, Im=mI0為信號(hào)電流幅度，I0為平均信號(hào)電流，m=m0/ 為每個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)，m0為總調(diào)制指數(shù)，N為頻道總數(shù)。 SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)中，產(chǎn)生噪聲的主要有激 光器、光檢測(cè)器和前置放大器。采用PIN-PD，略去暗電流， 系統(tǒng)的總均方噪聲電流可表示為 2 m2 c 2 I i L 0 2 0 2 T 2 q 2 RIN 2 n 4 2(RIN) R KTFB BeIBIiiii (6.27) (6.28) N 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中, i2RIN、i2q和i2T分別為激光器的相對(duì)強(qiáng)度 噪聲、光檢測(cè)器的量子噪聲和折合到輸入端的放大器噪聲 (含光檢測(cè)器負(fù)載電阻熱

36、噪聲)產(chǎn)生的均方噪聲電流。e為電 子電荷，B為噪聲帶寬，k=1.381023 J/K為波爾茲曼常數(shù)， T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器 噪聲系數(shù)。相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)是激光器諧振腔內(nèi)載流子和 光子密度隨機(jī)起伏產(chǎn)生的噪聲，一般不可忽略。 由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到 (6.29) /42(RIN)2 )( L0 2 0 2 0 p RKTFeIIB mI N C 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中平均信號(hào)電流I0=P0, P0=Pb10aL/10為光檢測(cè)器平均接 收光功率，為響應(yīng)度。由式(6.29)得到每個(gè)頻道的載噪比 由此可見(jiàn)，載噪比CNR隨著調(diào)制指數(shù)

37、m和平均接收光功 率P0的增加而增加，隨三項(xiàng)噪聲的增加而減小。下面觀察一 下三項(xiàng)噪聲的界限。 (6.30) /42)(RIN)(2 )( lg 10CNR L0 2 0 2 0 RKTFPePB Pm 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 在平均接收光功率P0較大的條件下，激光器的相對(duì)強(qiáng)度 噪聲(RIN)和前置放大器的噪聲(含負(fù)載電阻熱噪聲)可以忽 略，這樣系統(tǒng)只有量子噪聲起作用，由式(6.30)得到 這時(shí)CNR與m2和P0成正比。 如果平均接收光功率P0很大，激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN) 起決定作用，光檢測(cè)器的量子噪聲和前置放大器噪聲都可以 忽略，在這個(gè)條件下， eB Pm 4 lg 10(CNR) 0

38、2 q (6.31) B m (RIN)2 (CNR) 2 RIN (6.32) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 這時(shí)CNR與m2成正比，與(RIN)成反比。 當(dāng)平均接收光功率P0很小時(shí)，前置放大器噪聲(4kTF/RL) 起著決定性作用，其他兩項(xiàng)噪聲都可以忽略，這時(shí)由式 (6.30)得到 利用式(6.30)式(6.33)，設(shè)平均接收光功率P0=212 dBm,計(jì)算AM/SCM光纖傳輸系統(tǒng)CNR與P0的關(guān)系以及各 項(xiàng)噪聲起決定作用時(shí)CNR的界限，如圖6.12所示。計(jì)算中采 用的數(shù)據(jù)如下： (6.33) kTFB RPm 8 )( lg 10(CNR) L 2 0 T 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.12

39、CNR的特性和各種噪聲的界限 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 電子電荷：e=1.61019 C； 波爾茲曼常數(shù): k=1.381023 J/K； 調(diào)制指數(shù)：m=0.05； 相對(duì)強(qiáng)度噪聲： (RIN)=150 dB/Hz； 噪聲帶寬：B=4106 Hz； 響應(yīng)度： =0.8 A/W； 負(fù)載電阻: RL=1 k； 前放噪聲系數(shù)：F=3 dB； 熱噪聲溫度： T=290 K； 假設(shè)P0=0 dBm, 計(jì)算各項(xiàng)噪聲分別起決定作用時(shí)的CNR。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 由式(6.32)，相對(duì)強(qiáng)度噪聲起決定作用時(shí)，(CNR)RIN=54.9 dB。 由式(6.31)，量子噪聲起決定作用時(shí)，(CNR)q=58.9 d

40、B。 由式(6.33)，前置放大器噪聲起決定作用時(shí)，(CNR)T=68.0 dB。 提高CNR是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。由式(6.30)可以看出， 在P0很大的條件下，增大P0不一定能提高CNR。為了提高CNR， 增大m是可取的。但是增大m又會(huì)使激光器的線性劣化，要用預(yù) 失真技術(shù)來(lái)補(bǔ)償。如果選用質(zhì)量極好的DFB激光器來(lái)制造線性良 好、發(fā)射功率又大的光發(fā)射機(jī)，勢(shì)必降低器件成品率，增加成本。 綜合各種因素，最好采用適當(dāng)?shù)偷墓夤β屎瓦m當(dāng)大的調(diào)制指數(shù)， 而不是相反。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 不論采用什么預(yù)調(diào)制方式，計(jì)算CNR的公式都相同， 只是公式中具體參數(shù)不同而已。所以式(6.29)式(6.33)既適

41、 用于VSB-AM, 也適合于FM。但是為獲得相同SNR，不同預(yù) 調(diào)制方式所需的CNR都是不同的。為在接收機(jī)解調(diào)后獲得 相同SNR，兩種預(yù)調(diào)制方式所需的CNR比值為 式中, Fd為由電視信號(hào)產(chǎn)生的頻偏峰 - 峰值，Bb為基帶信號(hào) 帶寬，Bf為FM信號(hào)帶寬。 (6.34) 3 b f 2 d FMp AM.VSBp 2 3 )/( )/( B BF NC NC 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 設(shè)Fd=17 MHz, Bb=4 MHz, Bf=27 MHz, 代入式(6.34)計(jì)算 結(jié)果用dB表示，得到FM相對(duì)于VSB-AM, 其CNR改善了21.1 dB?？紤]到其他因素的影響，這個(gè)數(shù)值可以達(dá)到24 dB

42、。 兩種預(yù)調(diào)制方式的CNR比較如圖6.13所示。例如，用 VSB-AM方式，要求CNR=52 dB，圖中顯示，至少要求平均 接收光功率為2 dBm。如果用FM方式，只需要CNR=52 24=28 dB, 圖中顯示，平均接收光功率可以降低到15 dBm， 接收光功率改善了13 dB。設(shè)光纖線路平均損耗系數(shù)為0.5 dB/km, 則FM方式的傳輸距離可增加13/0.5=26 km。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.13VSB-AM和FM方式CNR的比較 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 2. 信號(hào)失真信號(hào)失真 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)失真的原因 很多，但主要原因是作為載波信號(hào)源的半導(dǎo)體激光器在

43、電/ 光轉(zhuǎn)換時(shí)的非線性效應(yīng)。由于到達(dá)光檢測(cè)器的信號(hào)非常微弱， 在光/電轉(zhuǎn)換時(shí)可能產(chǎn)生的信號(hào)失真可以忽略。只要光纖帶 寬足夠?qū)?，傳輸過(guò)程可能產(chǎn)生的信號(hào)失真也可以忽略。 下面討論激光器非線性效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)失真，參看圖 6.11。輸入激光器的調(diào)幅信號(hào)電流仍為式(6.24)所示，即 (6.35) N i ii tmIIItI 1 thbb cos)()( 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 由于實(shí)際激光器輸出光功率P(t)與驅(qū)動(dòng)電流I(t)的關(guān)系是非線 性的，因而輸出光信號(hào)產(chǎn)生失真。在調(diào)制頻率fi(i/2)不超 過(guò)1 GHz時(shí)，可以利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，把輸出光功率表示為 略去式(6.35)四階以上(m4)的非線性項(xiàng)

44、，把式(6.24)代入， 用一組簡(jiǎn)化的符號(hào)，得到 P(t)a0a1Isa2I2sa3I3s (6.36) 式中ai(i1,2,3)包含P(t)對(duì)I(t)的 i 階導(dǎo)數(shù)， (6.35) ! )( |)( b 1 b b m ItI dI Pd PtP m II N m m m 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (6.37) N i ii tII 1 s cos 2 1 2 2 s2 cos N i ii tIaIa N i N j jiji N i N j jiji tII a tII a 11 2 11 2 )cos( 2 )cos( 2 式中Ii=(IbIth)mi為第 i 個(gè)頻道的信號(hào)電流幅度。我們

45、所關(guān)心的 二階非線性項(xiàng)和三階非線性項(xiàng)分別為 (6.38) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 式中Ii=Ij=Ik=(IbIth)mi=(IbIth)m=I0m為每個(gè)頻道的信號(hào)電流 幅度。 (6.39) 3 1 2 s3 cos2 N i ii tIaIa N i N j N k kjikji III a 111 2 )cos( 4 N i N j N k kjikji III a 111 3 )cos( 4 N i N j N k kjikji III a 111 2 )cos( 4 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)失真用組合二 階互調(diào)(CSO)失真和組合三階差拍(CTB)失

46、真這兩個(gè)參數(shù)表 示。 兩個(gè)頻率的信號(hào)相互組合，產(chǎn)生和頻(i+j)和差頻(i j)信號(hào)，如果新頻率落在其它載波的視頻頻帶內(nèi)，視頻 信號(hào)就要產(chǎn)生失真。這種非線性效應(yīng)會(huì)發(fā)生在所有RF電路， 以及光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中。在給定的頻道上，所有可能的 雙頻組合的總和稱為組合二階(CSO)互調(diào)失真。通常用這個(gè) 總和與載波的比值表示，并以dB為單位，記為dBc。組合三 階差拍(CTB)失真是三個(gè)頻率(ijk)的非線性組合， 其定義和表示方法與CSO相似，單位相同。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 根據(jù)以上分析，第i個(gè)頻道的CSO和CTB分別表示為 式中C2i和C3i分別為組合二階互調(diào)和組合三階差拍的系數(shù)， 在頻道頻率配

47、置后具體計(jì)算。P、P和P分別為P對(duì)I的一 階、二階和三階導(dǎo)數(shù)，其數(shù)值由實(shí)驗(yàn)確定。P0m為每個(gè)頻道 輸出光信號(hào)幅度。 (6.40) 2 0 2 2 2 )( 2 lg 10CSOmP P P C i 4 0 2 2 3 )( 2 lg 10CTBmP P P C i (6.41) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) CSO和CTB將以噪聲形式對(duì)圖像產(chǎn)生干擾，為減小這種干 擾，可以采用如下方法。 (1) 采用合理的頻道頻率配置，以減小C2i和C3i，改善CSO和 CTB。 為改善CSO，系統(tǒng)頻道N的副載波頻率 fN 和頻道1的副載頻 f1應(yīng)滿足fN2f1, 即副載波最高頻率應(yīng)小于最低頻率的2倍。這樣， 如圖6

48、.14所示，二階互調(diào)(fi+fj)都大于fN，落在系統(tǒng)頻帶的高頻端 以外。二階互調(diào)(fifj)都小于f1, 落在低頻端以外。同理，為減少 落在系統(tǒng)頻帶內(nèi)的三階互調(diào)，應(yīng)適當(dāng)配置各頻道的副載波頻率， 使三階互調(diào)頻率(fjfjfk)即使落在系統(tǒng)的頻帶內(nèi)，也不落在工 作頻道的信號(hào)頻帶內(nèi)，如圖6.15所示。 這樣，雖然系統(tǒng)輸出端 存在互調(diào)干擾，但分離和濾波后各頻道單獨(dú)輸出時(shí)，其影響就 不明顯了。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.14fN2f1的SCM系統(tǒng)的頻譜分布 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.15SCM系統(tǒng)帶內(nèi)三階互調(diào)干擾的最佳頻譜分布 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (2) 限制調(diào)制指數(shù)m，以保證CSO和

49、CTB符合規(guī)定的指標(biāo)。 由式(6.40)和式(6.41)可以看到，CSO與m2成正比，CTB與 m4成正比，因此隨著m值的增大，CSO和CTB迅速劣化。因?yàn)?驅(qū)動(dòng)激光器的信號(hào)電流隨m值的增大而增加，可能偶然延伸到 LD的閾值以下或超過(guò)功率特性曲線的線性部分，引起削波(削 底和限頂)效應(yīng)，如圖6.16所示，因而產(chǎn)生信號(hào)失真。由于多路 RF信號(hào)疊加后的合成信號(hào)具有隨機(jī)性，當(dāng)N很大時(shí)，服從高斯 分布，產(chǎn)生過(guò)大信號(hào)的概率很小。分析計(jì)算表明，CSO和CTB 是參數(shù)=m和N十分復(fù)雜的函數(shù)，m為調(diào)制指數(shù)，N為頻道 總數(shù)。圖6.17(a)和(b)分別示出N=47和N=59時(shí)CSO、CTB與和 m的關(guān)系曲線。由

50、圖可見(jiàn)，為保證CSO65 dBc和CTB65 dBc，值不應(yīng)大于0.25，由此得到m0.35/。由圖6.18可以 看到，當(dāng)0.31 時(shí)，CSO、CTB與N幾乎無(wú)關(guān)。 N 2/N 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.16激光器的削波效應(yīng) 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.17CSO、CTB與光調(diào)制指數(shù)的關(guān)系 (a) N=47；(b) N=59 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖 6.18CSO和CTB與頻道數(shù)的關(guān)系 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (3) 采用外調(diào)制技術(shù)，把光載波的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)。這 樣，光源的光譜不會(huì)因調(diào)制而展寬，沒(méi)有附加的線性調(diào)頻 (啁啾，chirp)產(chǎn)生的信號(hào)失真，因而改變了CSO和CTB。 6.3

51、.2光端機(jī)光端機(jī) 1. 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 對(duì)殘留邊帶調(diào)幅光發(fā)射機(jī)的基本要求是： (1) 輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性(P-I)線性要 好； (2) 調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦； (3) 光源輸出的光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗窗口，光譜寬度 要窄； (4) 溫度穩(wěn)定性要好。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成示于圖6.19。輸入到光發(fā)射機(jī) 的電信號(hào)經(jīng)前饋放大器放大后，受到電平監(jiān)控，以電流的形 式驅(qū)動(dòng)激光器。LD輸出特性要求是線性的，但在實(shí)際電/光 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，微小的非線性效應(yīng)是不可避免的，而且要影響 系統(tǒng)的性能。所以優(yōu)質(zhì)的光發(fā)射機(jī)都要進(jìn)行預(yù)失真控制。方 法是加入預(yù)失真補(bǔ)償電路

52、(預(yù)失真線性器)。預(yù)失真補(bǔ)償電路 實(shí)際上是一個(gè)與激光器的非線性相反的非線性電路，用來(lái)補(bǔ) 償激光器的非線性效應(yīng)，以達(dá)到高度線性化的目的。為保證 輸出光的穩(wěn)定，通常采用制冷元件和熱敏電阻進(jìn)行溫度控制。 同時(shí)用激光器的后向輸出通過(guò)PIN-PD檢測(cè)的光電流實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)功率控制。為抑制光纖線路上不均勻點(diǎn)(如連接器)的反射， 在LD輸出端設(shè)置光隔離器。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 正確選擇光發(fā)射機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能和CATV網(wǎng)的造價(jià)都有重 大意義。目前可供選擇的光發(fā)射機(jī)有： (1) 直接調(diào)制1310 nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)， 如圖6.19和圖6.20所示。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.19VSB-AM光

53、發(fā)射機(jī)的構(gòu)成 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.20直接調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (2) 外調(diào)制1550 nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)，如 圖6.21所示。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.21外調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) (3) 外調(diào)制摻釹釔鋁石榴石(Nd: YAG)固體激光器光發(fā)射 機(jī)，如圖6.22所示。 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 圖6.22外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)方框圖 第6章模擬光纖通信系統(tǒng) 直接調(diào)制1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)是目前CATV光纖傳輸 網(wǎng)特別是分配網(wǎng)使用最廣泛的光發(fā)射機(jī)。原因是這種光發(fā)射 機(jī)發(fā)射光功率高達(dá)10 mW, 傳輸距離可達(dá)35 km, 而且性能良 好，價(jià)格比其他兩種光發(fā)射機(jī)便宜。這種良好