第6章模擬光纖通信系統(tǒng)1課件

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽本章主要內(nèi)容：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(SCM)光纖傳輸系統(tǒng)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.1調(diào)制方式模擬光纖傳輸方式主要有以下幾種方式：

?模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)

?

模擬間接光強(qiáng)調(diào)制方式

?頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式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(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)間變化的波形與輸入模擬基帶信號(hào)的波形成比例。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽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。

基帶：是指對(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6MHz，加上調(diào)頻的伴音信號(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8MHz。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0.85m，傳輸距離不到4km,若波長(zhǎng)為1.3m，傳輸距離也只有10km左右。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽D-IM光纖傳輸系統(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。6.1.2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)制主要有三種:頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和方波頻率調(diào)制2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽1.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)。f(t)

(t)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽2.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(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)。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的:

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入纖功率很小，所以，傳輸距離很短。tt2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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，PFMIM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0.85m，傳輸距離可達(dá)10km；若波長(zhǎng)為1.3m，傳輸距離可達(dá)30km。對(duì)于單模光纖，若波長(zhǎng)為1.3m，傳輸距離可達(dá)50km。SWFM-IM光纖傳輸系統(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)。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽?在光纖上傳輸?shù)牡确?、不等寬的方波調(diào)頻(SWFM)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)

?SWFM-IM系統(tǒng)的信噪比也比D-IM系統(tǒng)的信噪比高得多上述光纖的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信號(hào)。這種情況，既滿足不了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)大信息量的要求，也沒(méi)有充分發(fā)揮光纖帶寬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，開(kāi)發(fā)多路模擬傳輸系統(tǒng)，就成為技術(shù)發(fā)展的必然。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路信號(hào)有多種方法目前現(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)。

FDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

?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

?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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.1.3頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式

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。把信號(hào)調(diào)制在載波1上，出于某種原因，你決定對(duì)這個(gè)結(jié)果再進(jìn)行一次調(diào)制，于是你用這個(gè)結(jié)果去調(diào)制另外一個(gè)更高頻率的載波2。這里載波1就叫做副載波。副載波調(diào)制是無(wú)線數(shù)字通信及無(wú)線射頻防碰撞常用的手段光載波經(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?yàn)閭鹘y(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)。副載波復(fù)用技術(shù)副載波復(fù)用技術(shù)的基本原理是：先用數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)去調(diào)制一個(gè)微波頻率，再把若干個(gè)這樣調(diào)制過(guò)的微波頻率組合起來(lái)對(duì)一個(gè)激光器光源進(jìn)行調(diào)制，得出的光波送入一根光纖進(jìn)行傳輸。由于最后被調(diào)制的信號(hào)載波是“光載波”，它是“主載波”，而前面先被調(diào)制的那些微波就叫做“副載波”。因此這種技術(shù)的全稱是光微波副載波復(fù)用，簡(jiǎn)稱為“副載波復(fù)用”。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

?

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(lèi)型的業(yè)務(wù)。

?SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無(wú)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(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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽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(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。圖6.1模擬信號(hào)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(cè)器接收機(jī)放大器恢復(fù)原信號(hào)基帶信號(hào)m(t)光纖m(t)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.2.1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

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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.2發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽式中，〈〉為均方信號(hào)電流和〈〉為均方噪聲電流，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻。系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號(hào)功率和噪聲功率(Np)的比值：信噪比一般用dB作單位，即(6.1)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽如圖6.2所示，光源驅(qū)動(dòng)電流：(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(hào)在傳輸過(guò)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。(6.2)設(shè)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2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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：均方信號(hào)電流：(6.5)

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：(6.4)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽平均信號(hào)電流:

式中,Pb=KPB為輸入光檢測(cè)器的平均光功率，K代表光纖線路的衰減，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。設(shè)使用PIN-PD,則g=1。由式(6.5)~(6.7)得到均方信號(hào)電流：(6.8)(6.7)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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，總均方噪聲電流可寫(xiě)成

式中,〈〉為量子噪聲、〈〉為暗電流噪聲、〈〉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(hào)帶寬，Id

為暗電流，k=1.38×1023J/K為波耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器的噪聲系數(shù)。(6.9)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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：

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(6.10)(6.11)式中,mTV為電視信號(hào)的調(diào)制指數(shù)，g=1。式中，2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

與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，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)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

式中,hf為光子能量，h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)，f=c/為光頻率，c=3×108m/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。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：(6.13)把式(6.12)代入式(6.13)得到(6.14)[例]：設(shè)光檢測(cè)器為PIN-PD,光波長(zhǎng)=1.31m,量子效率=0.6，噪聲帶寬B=8MHz，系統(tǒng)要求SNR=50dB。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽當(dāng)然，實(shí)際系統(tǒng)必須考慮光檢測(cè)器的暗電流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。

2.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。由SNR=50dB，得到，代入得=5.72×107(mW)所以，2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

一般說(shuō)，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光源，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。

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：(6.15)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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：式中,I1和I2為L(zhǎng)ED不同數(shù)值的驅(qū)動(dòng)電流，一般取I2>I1。(6.16)

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?。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。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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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(duì)LED的補(bǔ)償，而且能同時(shí)對(duì)系統(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。

設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端輸入信號(hào)U1與接收端輸出信號(hào)U2之間相移為1，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1隨輸入信號(hào)U1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相位DP。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

微分相位補(bǔ)償是設(shè)計(jì)一種電路，使其相移特性1與2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

不隨輸入信號(hào)大小而變化，如圖6.3(c)。圖6.3微分相位補(bǔ)償原理

（c）（b）（a）000U1U1U12023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.2.2光端機(jī)光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。1.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)光發(fā)射機(jī)的基本要求是：

?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。?非線性失真要小，LED線性優(yōu)于LD。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽?光功率溫度穩(wěn)定性要好。LED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(jiǎn)化電路、降低成本。

模擬基帶DIM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(hào)經(jīng)同步分離和箝位電路后，輸入LED的驅(qū)動(dòng)電路。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.6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2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽2.光接收機(jī)?信噪比(SNR)要高?幅頻特性要好?帶寬要寬光接收機(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：模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)光接收機(jī)方框圖前放主放AGC光檢測(cè)器AGC控制使輸出穩(wěn)定2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

光檢測(cè)器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需較低偏壓(10~20V)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(30~200V)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)：有20~200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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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(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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.2.3系統(tǒng)性能

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)失真電路置于接收端。模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖：2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽2.光纖損耗對(duì)傳輸距離的限制

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)，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)

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。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：2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽[例]對(duì)于波長(zhǎng)為0.85m和1.31m的多模光纖，

Pt=

15dBm，Pr=30dBm，損耗系數(shù)分別取3dB/km和1dB/km，系統(tǒng)余量M取3dB。波長(zhǎng)為0.85m：波長(zhǎng)為1.31m：2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽3.系統(tǒng)對(duì)光纖帶寬的要求

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(1km)光纖帶寬B1(MHz·km)的關(guān)系為：

B1=BL(6.18)

式中串接因子

=0.5～1，為方便起見(jiàn)，取

=1,這是最保守的取值，光纖線路總帶寬B=8MHz，根據(jù)上面的計(jì)算，0.85m和1.31m中繼距離分別為L(zhǎng)=4km和L=12km。由式(6.18)計(jì)算得到，所需單位長(zhǎng)度光纖帶寬分別為B1=32MHz·km和B1=96MHz·km。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

如果采用原CCITTG.651的標(biāo)準(zhǔn)多模GI光纖，其單位長(zhǎng)度帶寬至少是200MHz·km,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MHz·km，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光源譜線寬度的影響是不可忽視的。在短波長(zhǎng)使用LED光源的情況下，光纖線路總帶寬應(yīng)為：(6.19)

式中,Bm和Bc

分別為模式色散和材料色散引起的帶寬。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

式中,C()為光纖材料色散，為光源FWHM譜線寬度。由式(6.19)和式(6.20)得到：(6.21)(6.20)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽[例]：在0.85m，多模光纖C()=120ps/(nm·km)，設(shè)LED譜寬

=50nm，則

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。

但是，如果根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果B1=32MHz·km,因此,帶寬增加了20%。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.3副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)圖6.10副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽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)帶有電視信號(hào)的副載波f1s,f2s,f3s,…,fNs組合成多路寬帶信號(hào)，再用這個(gè)寬帶信號(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)。

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)。下面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)。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽6.3.1特性參數(shù)(6.22)

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：2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

式中,〈〉為均方載波電流，〈〉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，輸入激光器的調(diào)幅信號(hào)電流為：或(6.23)(6.24)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.11激光器模擬調(diào)制原理

PmaxPminIomPomIminImaxIbPPbI輸出信號(hào)輸入信號(hào)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽由于假設(shè)不存在信號(hào)失真，激光器輸出光功率為：(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(duì)應(yīng)的光功率，N為頻道總數(shù)，mi為第i個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)，i為第i個(gè)頻道的副載波角頻率。

設(shè)每個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)都相同，即mi=mj=mk=m，暫時(shí)略去光纖傳輸因子10L/10,為光纖線路平均損耗系數(shù)，L為光纖線路平均損耗長(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：2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽(6.26)均方(載波)信號(hào)電流：(6.27)

式中,Im=mI0為信號(hào)電流幅度，I0為平均信號(hào)電流，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)。[例]：假設(shè)要頻分復(fù)用60路FM信號(hào)，如果其中30路信號(hào)的每一個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)mi=3%，而另外30路信號(hào)的每一個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)mi=4%

，求激光器的光調(diào)制指數(shù)。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

SCM為模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，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：[解]：因?yàn)榭傉{(diào)制指數(shù)，其中mc是每一路的調(diào)制指數(shù)，所以有激光器的光調(diào)制指數(shù)為2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

式中,為激光器的相對(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。為光檢測(cè)器的量子噪聲,為折合到輸入端的放大器噪聲(含光檢測(cè)器負(fù)載電阻熱噪聲)產(chǎn)生的均方噪聲電流。e為電子電荷，B為噪聲帶寬，k=1.38×10-23J/K為玻耳茲曼常數(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)。(6.28)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽式中平均信號(hào)電流I0=P0,P0=Pb10L/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)信道的載噪比：

由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到(6.29)(6.30)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽2.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2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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)1GHz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(M≥4)的非線性項(xiàng)，把式(6.24)代入，用一組簡(jiǎn)化的符號(hào)，得到式中ai(i=1,2,3)包含P(t)對(duì)I(t)的i階導(dǎo)數(shù)，(6.35)(6.37)(6.36)

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

Ii

=(Ib

Ith)mi為第i個(gè)頻道的信號(hào)電流幅度。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)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

式中Ii

=Ij

=Ik

=(Ib

Ith)mi=(IbIth)m=I0m為每個(gè)信道的信號(hào)電流幅度。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)，如果新頻率落在其他載波的視頻頻帶內(nèi)，視頻信號(hào)就要產(chǎn)生失真。(6.39)2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

這種非線性效應(yīng)會(huì)發(fā)生在所有RF電路，包括光發(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(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(i±j±k)的非線性組合，其定義和表示方法與CSO相似，單位相同。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽根據(jù)以上分析，第i個(gè)頻道的CSO和CTB分別表示為：(6.40)(6.41)

式中C2i為組合二階互調(diào)的系數(shù)，C3i為組合三階差拍的系數(shù)，在頻道頻率配置后具體計(jì)算。P′、P″和分別為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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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fN<2f1,即副載波最高頻率應(yīng)小于最低頻率的2倍。如圖6.14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)(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(fj±fj±fk)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)。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.14fN<2f1的SCM系統(tǒng)的頻譜分布

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.15SCM系統(tǒng)帶內(nèi)三階互調(diào)干擾的最佳頻譜分布

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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽(2)限制調(diào)制指數(shù)m，以保證CSO和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)轵?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。

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.16激光器的削波效應(yīng)

削波部分IbIthIP輸出功率線性2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

6.3.2光端機(jī)1.光發(fā)射機(jī)

對(duì)VSB—AM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(P-I)線性要好

?調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦；

?輸出光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗窗口，譜線寬度要窄；

?溫度穩(wěn)定性要好。

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。2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽圖6.19VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽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(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。

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽

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1310nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)；圖6.20直接調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方框圖

2023/6/7現(xiàn)代通信技術(shù)研究所殷洪璽(2)外調(diào)制1550nm分布反饋(D