光纖通信技術(shù)_06模擬光纖通信系統(tǒng)資料

1、6.1 調(diào)制(tiozh)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(un xin tn xn)系統(tǒng)返回主目錄共九十三頁第6章 模擬(mn)光纖通信系統(tǒng) 6.1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(DIM)是用承載信息的模擬基帶信號(hào)，直接對發(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(gngl)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。 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(hào)的方式，就是這種基帶傳輸方式。 所謂基帶，就是對載波調(diào)制之前的視頻信號(hào)頻帶。 共

2、九十三頁 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8 MHz。用這種模擬基帶信號(hào)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(bchng)為0.85 m， 傳輸距離不到4 km, 若波長(bchng)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)備簡單、 價(jià)格低廉，因而在短距離傳輸中得到廣泛應(yīng)用。共九十三頁 6.1.2模擬(mn)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)對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制(IM)。

3、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(FM) 頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對正弦載波進(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)對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制， 形成FMIM光纖傳輸系統(tǒng)。 共九十三頁 2. 脈沖頻率調(diào)制(PFM) 脈沖頻率調(diào)制方式(fngsh)是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對脈沖載波進(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)對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成PFMIM光纖傳輸系統(tǒng)。 3. 方波頻

4、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)對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成SWFMIM光纖傳輸系統(tǒng)。共九十三頁 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(DIM)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PFMIM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

5、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DIM系統(tǒng)的更長。對于多模光纖，若波長為0.85 m，傳輸距離可達(dá)10 km；若波長為1.3 m，傳輸距離可達(dá)30 km。對于單模光纖，若波長為1.3 m，傳輸距離可達(dá)50 km。SWFMIM光纖電視傳輸系統(tǒng)不僅具有(jyu)PFMIM系統(tǒng)的傳輸距離長的優(yōu)點(diǎn)，還具有(jyu)PFMIM系統(tǒng)所沒有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 共九十三頁 這種獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是：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)量與傳輸距離無關(guān)。此外，SWFMIM系統(tǒng)的信噪比也比DIM系統(tǒng)的信噪比高得多。 上述光纖電視傳輸系統(tǒng)

6、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)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜(biny)。 盡管如此， 這些傳輸方式都存在一個(gè)共同的問題：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)對電視頻道日益增多的要求，也沒有充分發(fā)揮光纖大帶寬的獨(dú)特優(yōu)勢。因此，開發(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。 共九十三頁 實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸(chun sh)多路電視有多種方法，目前現(xiàn)實(shí)的方法是先對電信號(hào)復(fù)用，再對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。對電信號(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)簡單、制造成本較低以及模擬和數(shù)字兼容等優(yōu)點(diǎn)。而且

7、，F(xiàn)DM系統(tǒng)的傳輸(chun sh)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(chun sh)方式受到廣泛的重視。共九十三頁 6.1.3頻分復(fù)用(f yn)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?yàn)閭鹘y(tǒng)意義上的載波是光載波，為區(qū)別起見，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)

8、用(SCM)。 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。共九十三頁 (2) SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無需復(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)中競爭能力強(qiáng)，發(fā)展速度快。 (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)對電視頻道日益(ry)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

9、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。共九十三頁6.2 模擬(mn)基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng) 模擬(mn)基帶直接光強(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)(光檢測器)組成， 這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。 共九十三頁圖 6.1 模擬信號(hào)直接(zhji)光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖 共九十三頁 6.2.1特性參數(shù) 評價(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

10、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，因而(yn r)輸入到光檢測器的信號(hào)非常微弱， 所以對系統(tǒng)的SNR影響很大。圖6.2示出對發(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)的信噪比定義為接收信號(hào)功率和噪聲功率(NP)的比值 共九十三頁圖 6.2 發(fā)光(f un)二極管模擬調(diào)制原理 共九十三頁式中，i2s和i2n分別為均方信號(hào)電流(dinli)和均方噪聲電流(dinli)， RL為光檢測器負(fù)載電阻。信噪比一般用dB作單位，即如圖6.2所示， 光源驅(qū)動(dòng)電流 I=IB(1+m cost) (6.2) 設(shè)光源具

11、有嚴(yán)格線性特性， 不存在信號(hào)畸變(jbin)， 則輸出光功率為共九十三頁 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(tiozh)指數(shù)， =2f, f為調(diào)制(tiozh)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。由于到達(dá)光檢測器的信號(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，光檢測器的輸出光電流 is=I0(1+m cost) (6.4)均方信號(hào)電流共九十三頁 式中, Im=mI0 為信號(hào)電流幅度，I0為平均(pngjn)信號(hào)電流，m為調(diào)

12、制指數(shù)，其定義為平均信號(hào)電流 I0=gIP=gPb (6.7)式中, Pb=KPB為輸入光檢測器的平均光功率，K代表光纖線路的衰減，為光檢測器的響應(yīng)(xingyng)度，IP為一次光生電流，g為APD的倍增因子。設(shè)使用PINPD, g=1。共九十三頁由式(6.5)式(6.7)得到均方信號(hào)電流 i2s= (6.8) 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制(tiozh)系統(tǒng)的噪聲主要來源于光檢測器的量子噪聲、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))可寫成 式中, i2q、i2d和i2T分別為量子噪聲、暗電流和熱噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流，e為電子電荷，B為噪聲帶寬(di kun

13、)，一般等于信號(hào)帶寬(di kun)，共九十三頁 Id為暗電流，k=1.381023J/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)為前置放大器的噪聲系數(shù)。 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信號(hào)(xnho)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比為 對于電視信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比有些不同(b tn)，假設(shè)傳輸?shù)氖请A梯形全電視信號(hào)，則共九十三頁 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。 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)

14、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(chn wi)(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)簡化為共九十三頁 在限定(xindng)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(d do) 式中, hf為光子能量，h=6.6281034Js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

15、噪聲帶寬。 共九十三頁 設(shè)光檢測器為PINPD, 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P s,min=2.86107 mW, 或Pr=10lgP s,min=65.4 dBm。當(dāng)然， 實(shí)際系統(tǒng)必須(bx)考慮光檢測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。一般說，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

16、率特性是DIM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。共九十三頁 非線性失真一般可以(ky)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(ky)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(xingwi)延遲差，其定義為 DP=(I2)(I1) 共九十三頁 式中, I1和I2為LED不同數(shù)值的驅(qū)動(dòng)電流，一般取I2I1。 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GaAlAsLED的DG可能高達(dá)20%

17、，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。 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(sh zhn)補(bǔ)償方式。預(yù)失真(sh zhn)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(sh zhn)電路。 共九十三頁 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。由于這種方式是對系統(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)整帶來一定困難，而把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收機(jī)，則便

18、于實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。 設(shè)系統(tǒng)發(fā)射(fsh)端輸入信號(hào)V1與接收端輸出信號(hào)V2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)V1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相位DP。 共九十三頁 微分相位補(bǔ)償是設(shè)計(jì)一種電路，使其相移特性2與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)總相移不隨輸入信號(hào)大小而變化，如圖6.3(c)。 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)來實(shí)現(xiàn)的。

19、和微分相位補(bǔ)償原理相似，微分增益補(bǔ)償是對LED等非線性器件產(chǎn)生(chnshng)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。 共九十三頁圖 6.3 微分相位(xingwi)補(bǔ)償原理 共九十三頁圖 6.4 微分相位(xingwi)補(bǔ)償電路 共九十三頁 圖6.5 微分增益(zngy)補(bǔ)償電路 共九十三頁 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(jl)。 在光纖損耗和接收靈敏度一定

20、的條件下，傳輸距離(jl)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。共九十三頁 (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。 模擬基帶DIM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)電路的末級及其工作

21、原理示于圖6.7，圖中R1C1電路用于調(diào)節(jié)(tioji)DIM系統(tǒng)電視信號(hào)的幅頻特性，Re用于監(jiān)測通過LED的電流，Rc用于控制通過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)。共九十三頁 圖 6.6 光發(fā)射機(jī)方框圖 共九十三頁圖6.7 LED驅(qū)動(dòng)電路(dinl)的末級及其工作原理 共九十三頁 由于全電視信號(hào)隨亮場和暗場的變化而變化，為保證動(dòng)態(tài)(dngti)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)不隨亮場和暗場而變化，所以應(yīng)有箝位電路來保證其工作點(diǎn)恒定。 在全電視信號(hào)中，圖像信號(hào)隨亮場和暗場而變化，其同步脈沖信號(hào)在工作過程是不變的，因而利用同步脈

22、沖和圖像信號(hào)處于不同電平的特點(diǎn)， 對全電視信號(hào)中的同步脈沖進(jìn)行分離和箝位。 2. 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)。 對光接收機(jī)的基本要求是： 共九十三頁 (1) 信噪比(SNR)要高； (2) 幅頻特性要好； (3) 帶寬要寬。 模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)光接收機(jī)方框圖如圖6.8所示，光檢測器把輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(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)。 光檢測器可以用PINPD或APD。PINPD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(cinng

23、)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。 共九十三頁圖 6.8 光接收機(jī)方框圖 共九十三頁 APD的優(yōu)點(diǎn)是有20200倍的雪崩增益，可改善SNR。 對于模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)，力求電路簡單，光檢測器一般都采用PINPD。 前置放大器的輸入信號(hào)(xnho)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PINFET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

24、長短不一，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。 共九十三頁 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(fnbi)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。主要技術(shù)參數(shù)舉例如下。 1. 系統(tǒng)參數(shù) (1) 視頻部分： 帶寬06 MHz SNR50 dB(未加校)共九十三頁6.9 模擬基帶直接 光強(qiáng)調(diào)值光前點(diǎn)時(shí)傳輸(chun sh)系統(tǒng)方框圖共九十三頁DG4%DP4發(fā)射光功率15 dBm(32 W)接收靈敏度30 dBm (2) 伴音部分：帶寬(

25、di kun)0.0415 kHz輸入輸出電平0 dBrSNR55 dB(加校)畸變2%伴音調(diào)頻副載頻8 MHz 共九十三頁 2. 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(ky)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)，為光纖線路(包括(boku)光纖、連接器和接頭)每千米平均損耗系數(shù)(dB/km)。共九十三頁 對于波長為0.85 m和1.31 m的多模光纖，損耗系數(shù)可以分別取3 dB/km和1 dB/km，M取3 dB。

26、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(jl)分別為L=4 km和L=12 km。 3. 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=BLJY(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。 共九十三頁 由式(6.18)計(jì)算(j sun)得到，所需單位長度光纖帶寬分別為B1=32 MHzkm和 B1=9

27、6 MHzkm。 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LED光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 B=(B2m+B2c)1/2 共九十三頁 式中, Bm和Bc分別(fnbi)為模式色散和材料色散引起的帶寬。 式中, C()為光纖材料色散(ssn)，為光源FWHM譜線寬度。 由式(6.19)和式(6.20)得到共九十三頁 例如，在0.85m，多模光纖C()=120 ps

28、/(nmkm)，設(shè)LED譜線寬度=50nm，如果根據(jù)(gnj)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)來決定。 共九十三頁6.3 副載波(zib)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(sh pn)(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)對光源(一般為LD

29、)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(VSBAM/SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)。共九十三頁圖 6. 副載波復(fù)用(f yn)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖 共九十三頁 6.3.1特性參數(shù) 對于副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸(chun sh)系統(tǒng)， 評價(jià)其傳輸(chun sh)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、

30、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，用公式表示為共九十三頁 或 CNR=10lg 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，都不存在(cnzi)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 I(t)=Ib+(IbIth) 由于假設(shè)不存在信號(hào)失真， 激光器輸出(shch)光功率為 P(t)=Pb+Ps 共九十三頁圖 6.11 激光器模擬(mn)調(diào)制原理 共九十三頁 式中, Ps=PbPth，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

31、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=mk=m，暫時(shí)略去光纖傳輸因子10L/10, 和L分別為光纖線路平均損耗系數(shù)和長度，系統(tǒng)(xtng)使用PIN-PD，從光檢測器輸出的(載波)信號(hào)電流為 ic=I0 (1+m 均方(載波(zib)信號(hào)電流共九十三頁 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(pndo)的調(diào)制指數(shù)，m0為總調(diào)制指數(shù)，N為頻道總數(shù)。 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 式中, i2

32、RIN、i2q和i2T分別為激光器的相對強(qiáng)度噪聲、光檢測器的量子噪聲和折合到輸入端的放大器噪聲產(chǎn)生(chnshng)的均方噪聲電流。 共九十三頁 e為電子電荷， B為噪聲帶寬，k=1.381023J/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(xingdu)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)得到式中平均信號(hào)電流I0=P0, P0=Pb10L/10為光檢測器平均接收光功率(gngl)，為響應(yīng)度。由式(6.29)得到每個(gè)信道的載噪比共九十三頁 CNR=

33、10lg 由此可見，載噪比CNR隨著調(diào)制指數(shù)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。 在平均接收光功率P0較大的條件(tiojin)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 (CNR)q=10 lg 這時(shí)CNR與m2和P0成正比。 共九十三頁 如果平均接收(jishu)光功率P0很大，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， (CNR)RIN= (6.32) 這時(shí)CNR與m2成正比，與(RIN)成反比。 當(dāng)平均接收光功

34、率P0很小時(shí)，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 共九十三頁 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(ciyng)的數(shù)據(jù)如下：電子電荷： e=1.610-19 C波爾茲曼常數(shù): k=1.3810-23 J/K調(diào)制指數(shù)： m=0.05相對強(qiáng)度噪聲： (RIN)=150 dB/Hz噪聲帶寬(di kun)： B=4106 Hz響應(yīng)度： =0.8 A/W共九十三頁圖 6.12 CNR的特性

35、和各種( zhn)噪聲的界限 共九十三頁 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。 由式(6.32)， 相對強(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=58.9 dB。 由式(6.33)，前置放大器噪聲起決定作用時(shí)，CNR=68.0 dB。 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， 增大(zn d)P0不一定能提高CNR。為了提高CNR，增大m是可取的。 共九十三頁 但是(dnsh)增大m又會(huì)使激光器的線性劣

36、化，要用預(yù)失真技術(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)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比值為共九十三頁 式中, 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。 設(shè)Fd=17 MHz, Bb=

37、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VSBAM, 其CNR改善了21.1 dB?？紤]到其他因素的影響(yngxing)，這個(gè)數(shù)值可以達(dá)到24 dB。共九十三頁 兩種預(yù)調(diào)制方式的CNR比較如圖6.13所示。例如，用VSBAM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=5224=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。 由此可見，就載噪比

38、而言，預(yù)調(diào)制方式FM優(yōu)于VSBAM。但是和VSBAM方式相比，F(xiàn)M方式存在一個(gè)本質(zhì)性問題， 就是它占用的帶寬(di kun)較寬， 約為VSBAM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。 共九十三頁圖 6.13 VSBAM和FM方式(fngsh)CNR的比較 共九十三頁 2. 信號(hào)失真 副載波復(fù)用模擬(mn)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 I(t)=Ib+(Ib-Ith) 共九十三頁 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(yn r)輸出光信號(hào)產(chǎn)生失真。在調(diào)制頻率f