西安郵電大學(xué)授課教案-光纖通信第六章課件

1、1模擬光纖通信系統(tǒng)：光纖傳輸模擬信號模擬光纖通信系統(tǒng)：光纖傳輸模擬信號目前主要應(yīng)用是目前主要應(yīng)用是CATV對光源的功率特性的線性和系統(tǒng)的信噪比的要對光源的功率特性的線性和系統(tǒng)的信噪比的要求高求高因?yàn)榇嬖谠肼暦e累，所以傳輸距離短因?yàn)榇嬖谠肼暦e累，所以傳輸距離短采用采用FDM-SCM技術(shù)，一條光纖目前能傳輸上技術(shù)，一條光纖目前能傳輸上百路電視節(jié)目百路電視節(jié)目2346.1 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)5光調(diào)制？光調(diào)制？6模擬光纖傳輸方式主要有以下幾種方式： 7 ，。 20世紀(jì)70年代末期，光纖開始用于模擬電視傳輸時(shí)，采用一根多模光纖傳輸一路電視信號

2、的方式，就是這種基帶傳輸方式。 所謂，是對載波調(diào)制之前的視頻信號頻帶。 8 視頻信號帶寬(最高頻率)是6MHz，加上調(diào)頻的伴音信號，這種模擬基帶光纖傳輸系統(tǒng)每路電視信號的帶寬為8 MHz。 用這種模擬基帶信號對發(fā)射機(jī)光源(線性良好的LED)進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制，若光載波的波長為0.85m，傳輸距離不到4 km，若波長為1.3 m，傳輸距離也只有10 km左右。UCR2LEDC1R1UinV9 設(shè)備簡單 價(jià)格低廉 因而在短距離傳輸中得到廣泛應(yīng)用。10 電的預(yù)調(diào)制電的預(yù)調(diào)制，光強(qiáng)調(diào)制光強(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)制直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)。 1. 頻率調(diào)制頻率調(diào)制

3、(FM) 2. 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM) 3. 方波頻率調(diào)制方波頻率調(diào)制(SWFM)11 頻率調(diào)制方式頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅的頻率受等幅的頻率受調(diào)的正弦信號調(diào)的正弦信號，其頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)正弦調(diào)頻信號對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制， 形成FM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。12調(diào)調(diào) 頻頻 波波 的的 波波 形形13 脈沖頻率調(diào)制方式脈沖頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、等等幅、等寬的頻率受調(diào)的脈沖信號寬的頻率受調(diào)的脈沖信號，其脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)脈沖調(diào)頻信號對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

4、，形成PFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。14 方波頻率調(diào)制方式方波頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對方波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、不等寬等幅、不等寬的方波脈沖調(diào)頻信號的方波脈沖調(diào)頻信號，其方波脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號的幅度而變化。然后用這個(gè)方波脈沖調(diào)頻信號對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成SWFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。15 由于模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)的性光纖傳輸系統(tǒng)的性能受到光源非線性的限制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入纖功率很小，所以傳輸距離很短。入纖功率很小，所以傳輸距離很短。 在采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)光源的是脈沖

5、信號，它基本上，所以可以采用線性較差、入纖功率較大的LD器件作光源。 16 若波長為0.85 m，傳輸距離可達(dá)10 km (D-IM為4km)； 若波長為1.3 m，傳輸距離可達(dá)30 km (D-IM為10km) 。 若波長為1.3 m，傳輸距離可達(dá)50 km。17 在光纖上傳輸?shù)牡确?、不等寬的方波調(diào)頻(SWFM)脈沖 因而這種模擬光纖傳輸系統(tǒng)的 SWFM-IM系統(tǒng)的也比D-IM系統(tǒng)的得多因此， 18 目前現(xiàn)實(shí)的方法是先對電信號復(fù)用，再對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。對電信號的復(fù)用可以是頻分復(fù)用頻分復(fù)用(FDM)(FDM)，也可以是時(shí)分時(shí)分復(fù)用復(fù)用(TDM)(TDM)。 電路結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低以及模擬

6、和數(shù)字兼容等； FDM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多路傳輸方式受到廣泛的重視。19 用每路模擬電視基帶信號，分別對某個(gè)指定的射頻射頻(RF)電信號電信號進(jìn)行調(diào)幅調(diào)幅(AM)或調(diào)頻調(diào)頻(FM)，然后用組合器把多個(gè)預(yù)調(diào)RF信號組合成多路寬帶信號，再用這種多路寬帶信號對發(fā)射機(jī)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制光強(qiáng)調(diào)制。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)意義上的載波是光載波光載波，為區(qū)別起見，把受模擬基帶信號預(yù)調(diào)制的RF電載波稱為副載波副載波，這種復(fù)用方式也稱為副載波復(fù)用副載波復(fù)用(SCM)。 20 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)。 SCM系統(tǒng)靈敏

7、度較高，又無需復(fù)雜的定時(shí)技術(shù)，制造成本較低。 前后兼容。不僅可以滿足目前社會對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。21 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。22 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)由(光源通常為發(fā)光二極管)、和(光檢測器)組成， 這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。 圖圖 6.1 模擬信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖模擬信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖 調(diào)制器發(fā)光二極管發(fā)送機(jī)光檢測器接收機(jī)放大器恢復(fù)原信號m(t)基帶信號m(t)光纖23 評價(jià)模擬信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量的最重要的特性參

8、數(shù)是：信噪比信噪比(SNR)信號失真信號失真(信號畸變信號畸變) 24 正弦信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的主要受光接收機(jī)性能的影響，因?yàn)檩斎氲焦鈾z測器的信號非常微弱，所以對系統(tǒng)的SNR影響很大。25圖圖 6.2 發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理 輸 出 信 號輸 入 信 號PPbIbIImaxIminIom0262222sLspnLniRiSNiRi信號功率噪聲功率式中，i2s為均方信號電流均方信號電流; i2n為均方噪聲電流均方噪聲電流; RL為光檢測器負(fù)載電阻。光檢測器負(fù)載電阻。 這種系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號功率和噪聲功率這種系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號功率和噪聲功率(NP)的比值的比

9、值 ：信噪比一般用信噪比一般用dB作單位，即作單位，即22lg10nsiiSNR （6.1）27如圖6.2所示， 光源驅(qū)動(dòng)電流光源驅(qū)動(dòng)電流： I=IB(1+m cost) (6.2) 設(shè)光源具有嚴(yán)格線性特性，不存在信號畸變，則輸出光功輸出光功率率為 P=B(1+mcost) (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。 一般光纖線路有足夠的帶寬，可以假設(shè)信號在傳輸過程不存在失真，只受到exp(-L)的衰減，式中為光纖線路平均損耗系數(shù)，L為傳輸距離。28調(diào)制器發(fā)光二極管發(fā)送機(jī)光檢測器接收機(jī)放大器恢復(fù)原信號m(t)基帶信號m(t)光纖 is=I0

10、(1+m cost)29 由于到達(dá)光檢測器的信號很弱，光接收機(jī)引起的信號失真可以忽略。在這些條件下，光檢測器的輸出光電流： is=I0(1+m cost) (6.4)均方信號電流：222msIi（6.5） 式中, Im=mI0 為信號電流幅度，I0為平均信號電流，m為調(diào)制指數(shù)。30nminminminmiBomIIIIIIIIIIImmaxmaxmaxminmax2/2/平均信號電流信號電流幅度輸 出 信 號輸 入 信 號PPbIbIImaxIminIom031平均信號電流平均信號電流: I0=gIP=gPb (6.7)式中, Pb=KPB為輸入光檢測器的平均光功率，K代表光纖線路光纖線路的衰

11、減的衰減，為光檢測器的響應(yīng)度光檢測器的響應(yīng)度，IP為一次一次光生電流光生電流，g為APD的倍增因子的倍增因子。設(shè)使用PIN-PD，g=1。由式(6.5)式(6.7)得到均方信號電流：均方信號電流： i2s= (6.8)2)(2gPmb32 模擬信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的噪聲主要來源于光檢測器的量子噪聲量子噪聲、暗電流噪聲暗電流噪聲、負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL的熱噪聲的熱噪聲和前置放大器的噪聲，總均方噪聲電流總均方噪聲電流(參考3.2節(jié))可寫成 式中, i2q為量子噪聲量子噪聲、i2d為暗電流暗電流、i2T為熱噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流，e為電子電荷，B為噪聲帶寬，一般等于信號帶寬，Id為暗電流，k=1.38

12、1023J/K為波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器的噪聲系數(shù)。LdbTdqnRkTFBBeIBPeiiii4222222（6.9）33 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信號直接光強(qiáng)調(diào)制正弦信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比為：系統(tǒng)的信噪比為： 對于電視信號直接光強(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，則)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIPeBgPmSNR（6.10）)/422(44. 1lg20LdbbTVRkTFeIPeBPmSNR（6.11）式中， mTV為電視信號的調(diào)制指數(shù)，其他符號的意義和式(

13、6.10)相同，但g=1。34 和SNR關(guān)系密切的一個(gè)參數(shù)是接收靈敏度接收靈敏度。和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)相似，在模擬光纖通信系統(tǒng)中，我們把接收靈敏度接收靈敏度Pr定義為：定義為： 假設(shè)系統(tǒng)除量子噪聲外，沒有其他噪聲存在假設(shè)系統(tǒng)除量子噪聲外，沒有其他噪聲存在，在這種情況下，靈敏度由平均信號電流決定，這樣確定的靈敏度稱為(最高最高)極限靈敏度極限靈敏度。 35 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)簡化為)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIPeBgPmSNR（6.10）hfBPNSbP4（6.12）根據(jù)上式可得：Pb

14、NSBhfP436 式中： h f為光子能量 h=6.62810-34Js為普朗克常數(shù)； f=c/為光頻率； c=3108 m/s為光速； 為光波長(m)； 為光檢測器量子效率(%)； B為噪聲帶寬。 在限定信噪比條件下， 光接收機(jī)所需的最小信號光功率：最小信號光功率：PbSNSBhfPP222min,(6.14)37 設(shè)光檢測器為PIN-PD，光波長=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=2.8610-7 mW，Pr=10lgPs,min=-65.4 dBm。當(dāng)然，實(shí)際系統(tǒng)必須考慮光檢測器的暗電流和前置放大器的

15、噪聲。 因而，38 為使模擬信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)輸出光信號真實(shí)地反映輸入電信號，要求系統(tǒng)輸出光功率與輸入電信號成比例地隨時(shí)間變化， 即不發(fā)生信號失真。 一般說，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光源，由于在大信號條件下工作，線性較差，所以發(fā)射機(jī)光源的輸出功率特性發(fā)射機(jī)光源的輸出功率特性是是D-IM系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的主要原因系統(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器在光/電轉(zhuǎn)換過程中產(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。 39圖圖 6.2 發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理 輸 出 信 號輸 入 信 號PPbIbIImaxIminIom040 非線性失真一般可以

16、用幅度失真參數(shù)微分增益微分增益(DG)和相位失真參數(shù)微分相位微分相位(DP)表示。DG可以從LED輸出功率特性曲線看出，其定義為： 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：%100|max212IIIdIdpdIdpdIdpDG（6.15）式中, I1和I2為LED不同數(shù)值的驅(qū)動(dòng)電流，一般取I2I1。12IIDP（6.16）41 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蟆?例如：短波長GaAlAs-LED 的DG可能達(dá)到20，DP可高達(dá)8o，而高質(zhì)量的電視傳輸要求：DG1%，DP 1o 。 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，

17、因而需要從改進(jìn)電路設(shè)計(jì)方面對LED的非線性進(jìn)行補(bǔ)償非線性進(jìn)行補(bǔ)償。42 模擬信號直接光強(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失真電路。這種補(bǔ)償方式不僅能獲得對LED的補(bǔ)償，而且能同時(shí)對系統(tǒng)其他元件的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。 一般把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收機(jī)光接收機(jī)，便于實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。43圖圖 6.3 微分相位補(bǔ)償原理微分相位補(bǔ)償原理 （c）（b）（a）000V1V1V121發(fā)射端輸入信號V1與接收端輸出信號V2之間相移144 光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)

18、。 1. 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：把模擬電信號轉(zhuǎn)換為光信號。45對光發(fā)射機(jī)的基本要求是：對光發(fā)射機(jī)的基本要求是： 發(fā)射發(fā)射(入纖入纖)光功率要大，以利于增加傳輸距離。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，發(fā)射光功率取決于光源，LD優(yōu)于優(yōu)于LED。 非線性失真要小非線性失真要小，以利于減小微分相位微分相位(DP)和微分增益微分增益(DG)，或增大調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)m(mTV)。LED線性優(yōu)于線性優(yōu)于LD。 調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)m(mTV)要適當(dāng)大。要適當(dāng)大。m大，有利于改

19、善SNR；但m太大，不利于減小DP和DG。 光功率溫度穩(wěn)定性要好。光功率溫度穩(wěn)定性要好。LED溫度穩(wěn)定性優(yōu)于溫度穩(wěn)定性優(yōu)于LD，用LED作光源一般可以不用自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)功率控制，因而可以簡化電路、降低成本。 46 模擬基帶模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)方框圖光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)方框圖如下圖所示，輸入TV信號經(jīng)同步分離和箝位電路后，輸入LED的驅(qū)動(dòng)電路。 圖圖 6.6 光發(fā)射機(jī)方框圖光發(fā)射機(jī)方框圖 箝位電路同步分離驅(qū)動(dòng)電路LEDTV入47圖圖6.7 (b) LED驅(qū)動(dòng)電路工作原理驅(qū)動(dòng)電路工作原理 時(shí)間時(shí)間電流電流時(shí)間時(shí)間光光功功率率(b)482. 光接收機(jī)光接收機(jī) 光接收機(jī)的功能

20、是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 對光接收機(jī)的基本要求是：對光接收機(jī)的基本要求是： 信噪比(SNR)要高 幅頻特性要好 帶寬要寬49 模擬基帶模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)光接收機(jī)方框圖光纖電視傳輸系統(tǒng)光接收機(jī)方框圖如圖如圖6.8所示所示，光檢測器把輸入光信號轉(zhuǎn)換為電信號，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)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)。 光檢測器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需較低偏壓(1020 V)就能正常工作，電路簡單，但沒有內(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)有偏壓控偏壓控制電路制電路。

21、50圖圖 6.8 光接收機(jī)方框圖光接收機(jī)方框圖 前放主放AGC光檢測器51 APD的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：有20200倍的雪崩增益，可改善SNR。對于模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)，力求電路簡單，光檢測器一般都采用PIN-PD。 前置放大器的輸入信號電平是全系統(tǒng)最低的，因此前前放決定著系統(tǒng)的放決定著系統(tǒng)的SNR和接收靈敏度。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PIN-FET混合集成電路的前放，可獲得較高SNR和較寬的工作頻帶。 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，以及傳輸距離長短不一

22、，使輸入光檢測器的光功率大小不同，所以需要AGC來保證光接收機(jī)輸出恒定。 52驅(qū)動(dòng)箝位阻抗匹配同步分離FM阻抗匹配接收放大AGCTV伴音分離箝位同步分離DFMDGDP箝位視放同步分離音放TV入75 不平伴音 入600 平衡伴音 出600平衡TV出75不平LEDPIN光纖 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖如下所示。 在發(fā)射端，模擬基帶電視信號和調(diào)頻(FM)伴音信號分別輸入LED驅(qū)動(dòng)器，在接收端進(jìn)行分離。改進(jìn)DP和DG的預(yù)失真電路置于接收端接收端。 531. 系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù) (1) 視頻部分： 帶寬 06 MHz SNR 50 dB(未加校) DG

23、4% DP 4 發(fā)射光功率 -15 dBm(32 W) 接收靈敏度 -30 dBm (2) 伴音部分： 帶寬0.0415 kHz 輸入輸出電平0 dBr SNR 55 dB(加校) 畸變2% 伴音調(diào)頻副載頻8 MHz主要技術(shù)參數(shù)舉例如下： 542. 光纖損耗對傳輸距離的限制光纖損耗對傳輸距離的限制 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制。多受光纖損耗的限制。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)射光功率發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度接收靈敏度(dBm), M為系

24、統(tǒng)余量系統(tǒng)余量(dB)，為光纖線路光纖線路(包括光纖、連接器和接頭包括光纖、連接器和接頭)每每千米平均損耗系數(shù)千米平均損耗系數(shù)(dB/km)。trPPML（6.17）553. 系統(tǒng)對光纖帶寬的要求系統(tǒng)對光纖帶寬的要求 對于多模光纖而言，長度為L的光纖線路總帶寬B(MHz)和單位長度(1 km)光纖帶寬B1(MHzkm)的關(guān)系為： B1=BL (6.18) 式中串接因子=0.51，為方便起見，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=4 km和L=12 km。 由式(6.18)計(jì)算得到，所需單位長度光纖帶寬分別為B1=3

25、2 MHzkm和 B1=96 MHzkm。56如果采用原CCITT G.651的標(biāo)準(zhǔn)多模GI光纖，其單位長度帶寬至少是200 MHzkm, 因此完全可以滿足要求。如果采用多模SI光纖，其帶寬只有幾十MHzkm，這時(shí)，認(rèn)真計(jì)算是必要的，因?yàn)樵诙滩ㄩL光纖材料色散和在短波長光纖材料色散和LED光光源譜線寬度的影響是不可忽視的源譜線寬度的影響是不可忽視的。 在短波長使用LED光源的情況下，光纖線路總帶寬應(yīng)為：2122cmBBB(6.19) 式中, Bm和Bc分別為模式色散模式色散和材料色散材料色散引起的帶寬。 57 在實(shí)際工程中是否采用短波長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

26、決定。 ）取1(11LBLBBrm 式中, C()為光纖材料色散光纖材料色散，為光源光源FWHM譜線寬度譜線寬度。 由式(6.19)和式(6.20)得到：2126111044. 0)(1BCBLB（6.21）LCBC)(1044. 06（6.20）58 圖6.10示出副載波復(fù)用副載波復(fù)用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖。 圖圖 6.0 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖 放大M1BPFf1f1s放大M2BPFf2f2s放大MNBPF頻道1頻道2頻道N組合電路寬放驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)LD光纖探測電路寬放分離電路D1LPFf1sD2LPFD

27、NLPFf2sf3s頻道1頻道2頻道NMi為調(diào)制器Di為解調(diào)器BPF為帶通濾波器LPF為低通濾波器fNfNsPIN光接收機(jī)59 N 個(gè) 頻 道 的 模 擬 基 帶 電 視 信 號 分 別 調(diào) 制 頻 率 為f1,f2,f3,fN的射頻(RF)信號，把N個(gè)帶有電視信號的副載波f1s, f2s, f3s，, fNs組合成多路寬帶信號，再用這個(gè)寬帶信號對光源(一般為LD)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。 光信號經(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。 模擬基帶電視信號對射頻的預(yù)調(diào)制，通常用殘留邊帶調(diào)殘留邊帶調(diào)幅幅(VSB-AM)和調(diào)頻調(diào)頻(FM)兩種方式，各有

28、不同的適用場合和優(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)。60 6.3.1 特性參數(shù)特性參數(shù) 對于副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)， 評價(jià)其傳輸質(zhì)量的特性參數(shù)主要是載噪比載噪比(CNR)和信號失真信號失真。 1. 載噪比載噪比 載噪比載噪比CNR的定義是：的定義是：把滿負(fù)載、無調(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：22ncpiiNC（6.22）61 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)換過程中

29、，都不存在信號失真。如圖6.11所示，輸入激光器的調(diào)幅信號電流輸入激光器的調(diào)幅信號電流為： 或 CNR=10lg 22lg10ncpiiNC(6.23) twmIIItIiNiithbbcos1(6.24)62圖圖 6.11 激光器模擬調(diào)制原理激光器模擬調(diào)制原理 PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI輸出信號輸出信號輸入信號輸入信號63由于假設(shè)不存在信號失真，激光器輸出光功率為：激光器輸出光功率為： twmPPtPiNiisbcos1（6.25） 式中, Ps=Pb - Pth，Pb和Pth分別為偏置電流Ib和閾值電流Ith對應(yīng)的光功率，N為頻道總數(shù)，mi為第i個(gè)頻道的調(diào)制指

30、數(shù)，i為第i個(gè)頻道的副載波角頻率。64 設(shè)每個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)都相同，即mi=mj=mk=m，暫時(shí)略去光纖傳輸因子10-L/10, 為光纖線路平均損耗系數(shù)，L為光纖線路平均損耗長度，系統(tǒng)使用PIN-PD，從光檢測器輸出的(載波)信號電流為： ic=I0 (1+m （6.26）1cos)Niiwt均方(載波)信號電流：222mcIi（6.27） 式中, Im=mI0為信號電流幅度，I0為平均信號電流，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)。N65 SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，產(chǎn)生噪聲的主要有激光器激光器、光檢測器光檢測器和前置放大器前置放大器。采用PIN-PD，略去暗

31、電流，系統(tǒng)的總均方噪聲電流可表示為： 式中, i2RIN為激光器的相對強(qiáng)度噪聲，i2q為激光器的光檢測器的量子噪聲,i2T為激光器的折合到輸入端的放大器噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流。e為電子電荷，B為噪聲帶寬，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器噪聲系數(shù)。相對強(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。 LTqRINnRkTFBBeIBIRINiiii42)(0202222（6.28）66式中平均信號電流I0=P0, P0=Pb10-L/10為光檢測器平均接收光功率，為響應(yīng)度。由式(6.29)得到

32、每個(gè)信道的載噪比 由式(6.22)、 式(6.27)和式(6.28)得到/42)(2)(02020LpRkTFeIIRINBmINC(6.29) CNR=10lg (6.30)/42)(2)(02020LRkTFPePRINBPm67 由此可見，載噪比載噪比CNR隨著調(diào)制指數(shù)隨著調(diào)制指數(shù)m和平均接收光和平均接收光功率功率P0的增加而增加，隨三項(xiàng)噪聲的增加而減小。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。 在的條件下，激光器的相對強(qiáng)度噪聲(RIN)和前置放大器的噪聲可以忽略，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。eBPm402(C

33、NR)q=10 lg（6.31）68 如果，激光器相對強(qiáng)度噪聲(RIN)起決定作用，光檢測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，210lg2()mRIN B (CNR)RIN= (6.32)這時(shí)CNR與m2成正比，與(RIN)成反比。 當(dāng)，前置放大器噪聲起著決定性作用，其他兩項(xiàng)噪聲都可以忽略，這時(shí)由式(6.30)得到 （CNR)T=10lg kTFBRPmL8)(20(6.33)69圖圖 6.12 CNR的特性和各種噪聲的界限的特性和各種噪聲的界限 RIN噪聲的界限噪聲的界限量子噪聲界限量子噪聲界限前置放大器前置放大器噪聲界限噪聲界限平均接收光功率平均接收光功率/dBmCNR/

34、dB20-2-4-6-8-10-124448505254564670 但是增大增大m又會使激光器的線性劣化，要用預(yù)失真技又會使激光器的線性劣化，要用預(yù)失真技術(shù)來補(bǔ)償。術(shù)來補(bǔ)償。如果選用質(zhì)量極好的DFB激光器來制造線性良好、發(fā)射功率又大的光發(fā)射機(jī)，勢必降低器件成品率，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)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)大的調(diào)制指數(shù)，而不是相反。 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)既適用于VSB-AM，也適合于FM。 提高CNR是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問題。由式(6.30)可以看出，。為了

35、提高CNR，增大m是可取的。 71 式中, d為由圖像信號產(chǎn)生的頻偏峰頻偏峰-峰值峰值，Bb為基帶信號帶寬，Bf為FM信號帶寬。 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。 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，兩種預(yù)調(diào)制方式所需的需的CNR比值為：比值為：32.23)/()/(bfdFMPAMVSBPBBFNCNC（6.34）72圖圖

36、6.13 VSB-AM和和FM方式方式CNR的比較的比較 +2-8-6-40-2-14-12-10-16106050403020平均接收光功率平均接收光功率/dBmCNR/dB4MHZ帶寬（帶寬（VSB-AM）27MHZ帶寬（帶寬（FM）73 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-2dBm。如果用FM方式，只需要CNR=52-24=28dB，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 dBm。 設(shè)光纖線路平均損耗系數(shù)為0.5dBm/km，則FM方式的傳輸距離可增加13/0.5=26 km。 由此可見，就載噪比而言，預(yù)調(diào)

37、制方式就載噪比而言，預(yù)調(diào)制方式FM優(yōu)于優(yōu)于VSB-AM。但是和。但是和VSB-AM方式相比，方式相比，F(xiàn)M方式存在一個(gè)本質(zhì)方式存在一個(gè)本質(zhì)性問題，就是它占用的帶寬較寬，性問題，就是它占用的帶寬較寬，約為VSB-AM方式的6倍。所以要根據(jù)不同應(yīng)用場合，選擇不同預(yù)調(diào)制方式。 74 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生信號失真的原因很多，但主要原因是作為載波信號源的半導(dǎo)體激光主要原因是作為載波信號源的半導(dǎo)體激光器在電器在電/光轉(zhuǎn)換時(shí)的非線性效應(yīng)。光轉(zhuǎn)換時(shí)的非線性效應(yīng)。 由于到達(dá)光檢測器的信號非常微弱，在光/電轉(zhuǎn)換時(shí)可能產(chǎn)生的信號失真可以忽略。只要光纖帶寬足夠?qū)挘瑐鬏斶^程可能產(chǎn)生的信號失真也可以忽略。

38、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，因而輸出光信號產(chǎn)生失真。75 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的信號失真用組合二階互調(diào)組合二階互調(diào)(CSO)失真失真和組合三組合三階差拍階差拍(CTB)失真失真這兩個(gè)參數(shù)表示。 兩個(gè)頻率的信號相互組合，產(chǎn)生和頻(i+j)和差頻(i - j)信號，如果新頻率落在其他載波的視頻頻帶內(nèi)，視頻信號就要產(chǎn)生失真。 76 這種非線性效應(yīng)會發(fā)生在所有這種非線性效應(yīng)會發(fā)生在所有RF電路，包括光電路，包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。 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組合二階(CSO)互調(diào)失真互調(diào)失真。通常用這個(gè)總和與

39、載波的比值表示，并以dB為單位，記為dBc。 組 合 三 階 差 拍組 合 三 階 差 拍 ( C T B ) 失 真失 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。 77 CSO和和CTB將以噪聲形式對圖像產(chǎn)生干擾，為減小這種將以噪聲形式對圖像產(chǎn)生干擾，為減小這種干擾，可以采用如下方法。干擾，可以采用如下方法。 (1) 采用合理的頻道頻率配置，以減小采用合理的頻道頻率配置，以減小C2i和和C3i，改善，改善CSO和和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，

40、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)(fi - fj)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)頻率三階互調(diào)頻率(fjfjfk)即使落在系即使落在系統(tǒng)的頻帶內(nèi)，也不落在工作頻道的信號頻帶內(nèi)統(tǒng)的頻帶內(nèi)，也不落在工作頻道的信號頻帶內(nèi)。78圖圖 6.14 fN2f1的的SCM系統(tǒng)的頻譜分布系統(tǒng)的頻譜分布 fi fjf1f2f3fifi fjfN 1fN2f1系統(tǒng)頻寬f79圖圖 6.15 SCM系統(tǒng)帶內(nèi)三階互調(diào)干擾的最佳頻譜分布系統(tǒng)帶內(nèi)三階互調(diào)干擾的最佳頻譜分布 f1BifjfN系統(tǒng)頻寬三階互調(diào)譜f 如圖

41、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。80 (2) 限制調(diào)制指數(shù)限制調(diào)制指數(shù)m，以保證，以保證CSO和和CTB符合規(guī)定的指標(biāo)。符合規(guī)定的指標(biāo)。 由式(6.40)和式(6.41)可以看到，CSO與與m2成正比，成正比，CTB與與m4成正比，因此隨著成正比，因此隨著m值的增大，值的增大，CSO和和CTB迅迅速劣化。速劣化。 因?yàn)轵?qū)動(dòng)激光器的信號電流隨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)生信號失真。 由于多路RF信號的疊加具有隨機(jī)性，當(dāng)N很大時(shí)，服從

42、高斯分布，產(chǎn)生過大信號的概率很小。81圖圖6.16 激光器的削波效應(yīng)激光器的削波效應(yīng) 削波削波部分部分IbIthIP輸出功率輸出功率線性線性82 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)。2NN 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。由圖可見，為保證CSO-65 dBc和CTB-65 dBc，值不應(yīng)大于0.25，由此得到m0.35/ 。圖圖6.17 CSO、 CTB與光調(diào)制指數(shù)的關(guān)系與光調(diào)制指數(shù)的關(guān)系 COSCTBCOSCTBmm(a)(b)0.200.200.400.400.600.600.80

43、0.801.001.0010.010.030.030.050.050.070.070.090.090.00.0370.0740.1100.1470.1840.0410.0830.1240.1650.206CSO,CTB/-dBcCSO,CTB/-dBc83 由圖6.18可以看到，當(dāng)0.31 時(shí)， CSO、CTB與N幾乎無關(guān)。 (3) 采用外調(diào)制技術(shù)，把光載波的產(chǎn)生和調(diào)制分開。采用外調(diào)制技術(shù)，把光載波的產(chǎn)生和調(diào)制分開。這樣， 光源譜線不會因調(diào)制而展寬，沒有附加的線性調(diào)頻(啁啾，啁啾，chirp)產(chǎn)生的信號失真， 因而改變了CSO和CTB。圖圖 6.18 CSO和和CTB與頻道數(shù)的關(guān)系與頻道數(shù)的關(guān)

44、系 =0.22=0.25=0.31=0.28=0.22=0.25=0.31=0.281010303050507070909050.050.070.070.090.090.0110.0110.0頻道數(shù)頻道數(shù)頻道數(shù)頻道數(shù)（ a ）（ b）CSO/-dBcCTB/-dBc84 6.3.2 光端機(jī)光端機(jī) 1. 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 對殘留邊帶對殘留邊帶-調(diào)幅光發(fā)射機(jī)的基本要求是：調(diào)幅光發(fā)射機(jī)的基本要求是： 輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性(P-I)線性要好；線性要好； 調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦；調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦； 輸出光波長應(yīng)在光纖低損耗窗口，譜

45、線寬度要窄；輸出光波長應(yīng)在光纖低損耗窗口，譜線寬度要窄； 溫度穩(wěn)定性要好。溫度穩(wěn)定性要好。 85圖圖6.19 VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成 前饋放大器電控衰減器電平檢測寬帶驅(qū)動(dòng)與預(yù)失真補(bǔ)償自動(dòng)功率控制PINLD隔 離 器雙向溫控致冷 器熱 敏 電 阻偏 流指 示光 纖溫 度致 冷 電 流光 功 率 指 示激 光 器 組 件86 輸入到光發(fā)射機(jī)的電信號經(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，方法是加入光發(fā)射機(jī)都要進(jìn)行預(yù)

46、失真控制，方法是加入預(yù)失真補(bǔ)償電路預(yù)失真補(bǔ)償電路(預(yù)失真線性器預(yù)失真線性器)。87 預(yù)失真補(bǔ)償電路預(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相反的非線性電路，用來補(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PIN-PD檢測的光電流實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功率控制。為抑制光纖為抑制光纖線路上不均勻點(diǎn)線路上不均勻點(diǎn)(如連接器如連接器)的反射，的反射， 在在LD輸出端設(shè)置光隔離器。輸出端設(shè)置光隔離器。 88圖圖6.19 VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成 前饋放大器電控衰減器電平檢測寬帶驅(qū)動(dòng)與預(yù)失真補(bǔ)償自動(dòng)功率控制

47、PINLD隔離器雙向溫控致冷器熱敏電阻偏流指示光纖溫度致冷電流光功率指示激光器組件 正確選擇光發(fā)射機(jī)對系統(tǒng)性能和正確選擇光發(fā)射機(jī)對系統(tǒng)性能和CATV網(wǎng)的造價(jià)都有重大網(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：意義。目前可供選擇的光發(fā)射機(jī)有： (1) 直接調(diào)制1310 nm分布反饋分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)激光器光發(fā)射機(jī)， 如圖6.19和圖6.20所示；89圖圖6.20 直接調(diào)制直接調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方框圖光發(fā)射機(jī)方框圖 CSO熱敏電阻CTB預(yù)失真控制微型計(jì)算機(jī)/控制器光輸出1310DFB激光器dc電源與通信接口RF功率檢測器RF 監(jiān)視點(diǎn)RF輸入90 直接調(diào)制直接調(diào)制1310nm DFB光發(fā)射機(jī)是目前光發(fā)射機(jī)是目前CATV光纖傳輸網(wǎng)特別是分配網(wǎng)使用最廣泛的光纖傳輸網(wǎng)特別是分配網(wǎng)使用最廣泛的光發(fā)射機(jī)。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。這種良好性能來自DFB激光器這種單模激光器，其譜線寬度非常窄。 91圖圖6.22 外調(diào)制外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)方框圖光發(fā)射機(jī)方框圖 微型計(jì)算機(jī)/控制器光功率調(diào) 節(jié)Nd:YAG激光器監(jiān)視器接收機(jī)光纖1輸出光纖2輸出光監(jiān)視點(diǎn)光監(jiān)視點(diǎn)互調(diào)控制器預(yù)失真線性器RF驅(qū)動(dòng)偏