模擬光纖通信系統(tǒng)

1、精品文檔第六章模擬光纖通信系統(tǒng)（4學(xué)時(shí)）一、教學(xué)目的及要求：使學(xué)生熟悉模擬光纖通信系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)要求他們掌握模擬光纖通信的系統(tǒng)調(diào)制方式、模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)和副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：調(diào)制方式、模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)、副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)。本章難點(diǎn)：調(diào)制方式三、教學(xué)手段：板書(shū)與多媒體課件演示相結(jié)合四、教學(xué)方法：課堂講解、提問(wèn)五、作業(yè)：課外作業(yè)：6-16-26-46-5六、參考資料:光纖通信劉增基第六章。光纖通信楊祥林第八章第九章七、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì):教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)備注【導(dǎo)入】（2分鐘）回顧上節(jié)課的主要內(nèi)容，借以引出這節(jié)課的

2、主要內(nèi)容。導(dǎo)入提問(wèn)提問(wèn)引出本章的教學(xué)內(nèi)容。2分鐘【講授新課】（96分鐘）第六章模擬光纖通信系統(tǒng)6.1 調(diào)制方式6.1.1 模擬基帶宜接光強(qiáng)調(diào)制模擬基帶宜接光強(qiáng)調(diào)制（DIM）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。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）。預(yù)調(diào)制又有多種方式，主要有以下三種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)，

3、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FMIM光纖傳輸系統(tǒng)。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PFMIMt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講解板書(shū)板書(shū)板書(shū)多媒體課件96分鐘號(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

4、強(qiáng)調(diào)制，形成SWFMIM光纖傳輸系統(tǒng)。采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的是提高傳輸質(zhì)量和增加傳輸跑離。實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路電視有多種方法，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）。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。把受模擬基帶信號(hào)預(yù)調(diào)制的RF電載波稱(chēng)為副載波，這種復(fù)用方式也稱(chēng)為副載波復(fù)用（SCM>SCM模擬電視光纖傳輸系

5、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(lèi)型的業(yè)務(wù)（2） SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無(wú)需復(fù)雜的定時(shí)（3）不僅可以滿(mǎn)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6.2模擬基帶宜接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)模擬基帶宜接光強(qiáng)調(diào)制（DIM）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。'1；|ij4,1.*iiA:.牝丁國(guó)聆.發(fā)送帆；椅代機(jī)模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖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川口信號(hào)失真(XM)1 .

6、信噪比系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號(hào)功率和噪聲功率(NP)的比值。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)裁電阻。信噪比一般用dB作單位。和SN雙系密切的一個(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)所需的最小仔號(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(chēng)為(最高)極限靈敏度。2 .信號(hào)失真一般說(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DIM系統(tǒng)產(chǎn)生非

7、線性失真的主要原因。非線性失真一般可以用幅度失真參數(shù)一一微分增益精品文檔(DG)和相位失真參數(shù)一一微分相位(DP)表示，其定義為dp I其乂hmkxlOO%雖然LED的線性比LD好，但仍然不能滿(mǎn)足高質(zhì)量電視傳輸?shù)囊?。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

8、細(xì)調(diào)整。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。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，微分相位補(bǔ)償電路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).1.3發(fā)行機(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。(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)(3)調(diào)制指數(shù)m(mTV要適當(dāng)大。(4)光功率溫度穩(wěn)定性要好。模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)方框

9、圖如圖光發(fā)射機(jī)方框圖2.外接收機(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)信噪比(SNR)要高；(2)(3) 辭矍望二光撿蒯器光接收機(jī)方框圖6.2.3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)失真電路置于接收端。模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)值光前點(diǎn)時(shí)傳輸系統(tǒng)方框圖主要技術(shù)參數(shù)舉例如下。1 .系統(tǒng)參數(shù)1 1)帶寬06MHzSNR>50dB(未加校)DG4%發(fā)射光功率15dBm(32W)接收靈敏度030dBm(2)伴音部分：W0.0415kHz輸入

10、輸出電平0dBrSNR55dB?？谛?畸變2%伴音調(diào)頻副載頻8MHz2 .光纖損耗對(duì)傳輸距離的限制模擬基帶宜接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸跑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。3 .系統(tǒng)對(duì)光纖帶寬的要求在短波長(zhǎng)使用LED光源的情況卜，光纖線路總帶寬應(yīng)為B=(B2m+B2c)1/2在實(shí)際工程中是有米用短波長(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6.3副載波復(fù)用光纖傳輸系統(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(VSBAM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)。副載波復(fù)用(SCM)®擬電視光

11、纖傳輸系統(tǒng)方框圖為：-1露1|_|13Hf*-Q-N_1111累101>UL3講解板書(shū)板書(shū)板書(shū)100分鐘副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖6.3.1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劑信號(hào)失真。1.載噪比載噪比CNR勺定義是，把滿(mǎn)負(fù)裁、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，用公式表示為川9一2成式中，ic為均方載波電流，（in）為均方噪聲電流。每個(gè)信道的載噪比多媒體課件_（叫yCNRTOlg冽望2（即十2叫p十4m旦由此可見(jiàn)，載噪比CNRS著調(diào)制指數(shù)m和平均接收

12、光功率P0的增加而增加，隨二項(xiàng)噪聲的增加而減小。不論采用什么預(yù)調(diào)制方式，計(jì)算CNR勺公式都相同，只是公式中具體參數(shù)/、同而已，既適用于VSBAM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CNRO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CNRt匕值為式中，F(xiàn)d為由圖像信號(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。就載噪比而言，預(yù)調(diào)制方式FMOt于VSBAM但是和VSBA0式相比，F(xiàn)M方式存在一個(gè)本質(zhì)性問(wèn)題，就是它占用的帶寬較寬，約為VSBAMf式的6倍。所以要根據(jù)/、同應(yīng)用場(chǎng)合，選擇/、同預(yù)調(diào)制方式。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

13、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)挘瑐鬏斶^(guò)程可能產(chǎn)生的信號(hào)失真也可以忽略口副載波復(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吹真和組合三階差拍（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（ij）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。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，所啟可能的雙頻組合的總和稱(chēng)為組合二階（CSO）互調(diào)失真。通常用這個(gè)總和與載波

14、的比值表示，并以dB為單位，記為dBc。組合三階差拍(CTB)失比是三個(gè)頻率(i土j土k)的非線性組合，其定義和表示方法與CSOf目似,單位相同。csonctb將以噪聲形式對(duì)圖像產(chǎn)生干擾，為減小這種干擾，可以采用如卜方法。(1)米用合理的頻道頻率配置，以減小C2i和C3i,改善CSOf口CTB(2)限制調(diào)制指數(shù)m,以保證CSOF口CTB符合規(guī)定的指標(biāo)。(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)。6.3.2光端機(jī)1 .光發(fā)射機(jī)對(duì)殘留邊帶一調(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(PCD*2I)線性要好；(2)調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦；(3)輸出光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖

15、低損耗窗口，譜線寬度要窄；(4)溫度穩(wěn)定性要好。VSBAMt發(fā)射機(jī)的構(gòu)成不葉卜圖。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/、可避免的，而且要影響系統(tǒng)的性能。所以?xún)?yōu)質(zhì)的光發(fā)射機(jī)都要進(jìn)行預(yù)失真控制。VSBAM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成外調(diào)制1550nmDFBt發(fā)射機(jī)結(jié)合了直接調(diào)制1310nmDFB光發(fā)射機(jī)和外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。這種光發(fā)射機(jī)采用DFBLD作光源，用電流直接驅(qū)動(dòng)，因而與1310nmDFB光發(fā)射機(jī)同樣具有小型、輕便等優(yōu)點(diǎn)。外調(diào)制1550nmDFB光發(fā)射機(jī)和EDFA吉合，在兩個(gè)重要場(chǎng)

16、合特別適用。主要應(yīng)用是取代微波和強(qiáng)化前端(Headend)所要求的超長(zhǎng)傳輸距離。但這時(shí)必須采用復(fù)雜的抑制受激布里淵散射(SBS)才能發(fā)揮作用。SBS是一種依賴(lài)光功率的非線性效應(yīng)，這種效應(yīng)隨光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而明顯增加，所以必須進(jìn)行補(bǔ)償。另一個(gè)重要應(yīng)用是在密集結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上，這種結(jié)構(gòu)需要高功率以分配給多個(gè)光分路。在這種場(chǎng)合就不存在SBS的限制了。2 .，.機(jī)對(duì)VSBAM.1：(1)在一定輸入功率條件下，有足夠大的RF輸出和盡可能小的噪聲，以獲得大CNR£SNR(2)要有足夠大的工作帶寬和頻帶平坦度，因而要采用高截止頻率的光檢測(cè)器和寬帶放大器。VSBAM光接收機(jī)的構(gòu)成6.3.3光鏈路性能由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)構(gòu)成的基本光纖通信系統(tǒng)，作為一個(gè)獨(dú)立的“光信道”，在工程上一般稱(chēng)為光鏈路。光鏈路性能通常用在規(guī)定CSOF口CTB的條件下，載噪比CNFRf光鏈路損耗aL的關(guān)系表示，aL=PtP0,a和L分別為光鏈路的平均損耗系數(shù)和傳輸長(zhǎng)度，Pt和P0分別為平均發(fā)射光功率和平均接收光功率。外調(diào)制YAG光鏈路性能光發(fā)射機(jī)RF輸入電平為1833dBmv,工作帶寬為45750MHz,發(fā)射光功率為13dBm調(diào)制指數(shù)為2.5%,光波長(zhǎng)為1310nm。當(dāng)光鏈路損耗為10dB（相當(dāng)于接收