西安郵電大學(xué)授課教案光纖通信第六

模擬光纖通信系統(tǒng)：光纖傳輸模擬信號(hào)目前主要應(yīng)用是CATV對(duì)光源的功率特性的線性和系統(tǒng)的信噪比的要求高因?yàn)榇嬖谠肼暦e累，所以傳輸距離短采用FDM-SCM技術(shù)，一條光纖目前能傳輸上百路電視節(jié)目第6章模擬光纖通信系統(tǒng)1236.1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)4光調(diào)制？5模擬光纖傳輸方式主要有以下幾種方式：

6.1調(diào)制方式?模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)

?模擬間接光強(qiáng)調(diào)制

?頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制6

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。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，是對(duì)載波調(diào)制之前的視頻信號(hào)頻帶。6.1.1模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)7

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0.85μm，傳輸距離不到4km，若波長(zhǎng)為1.3μm，傳輸距離也只有10km左右。8D-IM光纖傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)?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。96.1.2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)制主要有以下三種:

1.頻率調(diào)制(FM)2.脈沖頻率調(diào)制(PFM)

3.方波頻率調(diào)制(SWFM)10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)。11調(diào)頻波的波形12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)。13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)。14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。

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PFM-IM系統(tǒng)的傳輸距離比D-IM系統(tǒng)的更長(zhǎng)。

采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的15對(duì)于多模光纖而言：若波長(zhǎng)為0.85μm，傳輸距離可達(dá)10km

(D-IM為4km)；若波長(zhǎng)為1.3μm，傳輸距離可達(dá)30km

(D-IM為10km)

。對(duì)于單模光纖：若波長(zhǎng)為1.3μm，傳輸距離可達(dá)50km。16

?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)。因此，開發(fā)多路模擬傳輸系統(tǒng)，就成為技術(shù)發(fā)展的必然。

SWFM-IM還具有PFM-IM系統(tǒng)所沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)17

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。一根光纖傳輸多路信號(hào)的方法18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。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)用(SCM)。

6.1.3頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制19

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。

SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)20

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。副載波復(fù)用的實(shí)質(zhì)216.2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，這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。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)m(t)基帶信號(hào)m(t)光纖22

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) 信號(hào)失真(信號(hào)畸變)

6.2.1特性參數(shù)23

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?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。24圖6.2發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理

25式中，〈i2s〉為均方信號(hào)電流;〈i2n〉為均方噪聲電流;

RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻。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：信噪比一般用dB作單位，即（6.1）26如圖6.2所示，光源驅(qū)動(dòng)電流：I=IB(1+mcosωt)(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P=ＰB(1+mcosωt)(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)，ω=2πf，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(-αL)的衰減，式中α為光纖線路平均損耗系數(shù)，L為傳輸距離。27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)m(t)基帶信號(hào)m(t)光纖I=IB(1+mcosωt)P=ＰB(1+mcosωt)

is=I0(1+mcosωt)28

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+mcosωt)(6.4)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)。29調(diào)制指數(shù)m的定義30平均信號(hào)電流:I0=gIP=gρPb

(6.7)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，ρ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，g=1。由式(6.5)～式(6.7)得到均方信號(hào)電流：〈i2s〉=(6.8)31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))可寫成式中,〈i2q〉為量子噪聲、〈i2d〉為暗電流、〈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(hào)帶寬，Id為暗電流，k=1.38×1023J/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)為前置放大器的噪聲系數(shù)。（6.9）32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)，其他符號(hào)的意義和式(6.10)相同，但g=1。33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，這樣確定的靈敏度稱為(最高)極限靈敏度。34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ρ=ηe/hf，m=1,g=1,式(6.10)簡(jiǎn)化為（6.10）（6.12）根據(jù)上式可得：35

式中：hf為光子能量h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)；

f=c/λ為光頻率；c=3×108m/s為光速；λ為光波長(zhǎng)(μm)；

η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：(6.14)36

設(shè)光檢測(cè)器為PIN-PD，光波長(zhǎng)λ=1.31μm，量子效率η=0.6，噪聲帶寬B=8MHz，系統(tǒng)要求SNR=50dB。由式(6.14)得到Ps,min=2.86×10-7mW，Pr=10lgPs,min=-65.4dBm。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。37

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。

2.信號(hào)失真38圖6.2發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理

39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：

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：（6.15）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）40LED不能滿足高質(zhì)量電視信號(hào)的線性要求

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可能達(dá)到20％，DP可高達(dá)8o，而高質(zhì)量的電視傳輸要求：DG<1%，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，因而需要從改進(jìn)電路設(shè)計(jì)方面對(duì)LED的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。41

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。

一般把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收機(jī)，便于實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?2圖6.3微分相位補(bǔ)償原理

（c）（b）（a）000V1V1V1發(fā)射端輸入信號(hào)V1與接收端輸出信號(hào)V2之間相移43

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)。6.2.2光端機(jī)44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，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。?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。?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。45

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。

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46圖6.7(b)LED驅(qū)動(dòng)電路工作原理

時(shí)間電流時(shí)間光功率(b)472.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：?信噪比(SNR)要高?幅頻特性要好?帶寬要寬48

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(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。49圖6.8光接收機(jī)方框圖

前放主放AGC光檢測(cè)器50

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。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。

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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(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。

6.2.3系統(tǒng)性能521.系統(tǒng)參數(shù)(1)視頻部分：帶寬0～6MHzSNR≥50dB(未加校)DG4%DP4°發(fā)射光功率≥-15dBm(32μW)

接收靈敏度≤-30dBm(2)伴音部分：帶寬0.04～15kHz輸入輸出電平0dBrSNR55dB(加校)畸變2%伴音調(diào)頻副載頻8MHz主要技術(shù)參數(shù)舉例如下：

532.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)，α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）543.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=BLγ

(6.18)式中串接因子γ=0.5～1，為方便起見，取γ=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，0.85μm和1.31μm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。55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。56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。式中,C(λ)為光纖材料色散，Δλ為光源FWHM譜線寬度。由式(6.19)和式(6.20)得到：（6.21）（6.20）576.3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。圖6.１0副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖

58N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)。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)。59

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)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：（6.22）60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，輸入激光器的調(diào)幅信號(hào)電流為：或CNR=10lg(6.23)(6.24)61圖6.11激光器模擬調(diào)制原理PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI輸出信號(hào)輸入信號(hào)62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)，ωi為第i個(gè)頻道的副載波角頻率。63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-αL/10,α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：ic=I0(1+m（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，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)。64

SCM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：式中,〈i2RIN〉為激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，〈i2q〉為激光器的光檢測(cè)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=1.38×10-23J/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。

（6.28）65式中平均信號(hào)電流I0=ρP0,P0=Pb×10-αL/10為光檢測(cè)器平均接收光功率，ρ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)CNR=10lg(6.30)66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較大的條件下，激光器的相對(duì)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。(CNR)q=10lg（6.31）67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，(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(6.33)68圖6.12CNR的特性和各種噪聲的界限RIN噪聲的界限量子噪聲界限前置放大器噪聲界限平均接收光功率/dBmCNR/dB20-2-4-6-8-10-124448505254564669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。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(wèn)題。由式(6.30)可以看出，增大P0不一定能提高CNR。為了提高CNR，增大m是可取的。70式中,Ｆd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=17MHz，Bb=4MHz，Bf=27MHz，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21.1dB?？紤]到其他因素的影響，這個(gè)數(shù)值可以達(dá)到24dB。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：（6.34）71圖6.13VSB-AM和FM方式CNR的比較

+2-8-6-40-2-14-12-10-16106050403020平均接收光功率/dBmCNR/dB4MHZ帶寬（VSB-AM）27MHZ帶寬（FM）72例如，用VSB-AM方式，要求CNR=52dB，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15dBm，接收光功率改善了13dBm。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=26km。由此可見，就載噪比而言，預(yù)調(diào)制方式FM優(yōu)于VSB-AM。但是和VSB-AM方式相比，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VSB-AM方式的6倍。所以要根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，選擇不同預(yù)調(diào)制方式。73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。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。2.信號(hào)失真74

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(ωi+ωj)和差頻(ωi-

ωj)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。

75

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(ωi±ωj±ωk)的非線性組合，其定義和表示方法與CSO相似，單位相同。

76CSO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。

這樣，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)。77圖6.14fN<2f1的SCM系統(tǒng)的頻譜分布

78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。79

(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。由于多路RF信號(hào)的疊加具有隨機(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。80圖6.16激光器的削波效應(yīng)

削波部分IbIthIP輸出功率線性81分析計(jì)算表明，CSO和CTB是參數(shù)μ=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μ和m的關(guān)系曲線。由圖可見，為保證CSO≤-65dBc和CTB≤-65dBc，μ值不應(yīng)大于0.25，由此得到m≤0.35/。圖6.17CSO、CTB與光調(diào)制指數(shù)的關(guān)系

COSCTBCOSCTBmm(a)(b)0.200.200.400.400.600.600.800.801.001.0010.010.030.030.050.050.070.070.090.090.00.0370.0740.1100.1470.1840.0410.0830.1240.1650.206CSO,CTB/-dBcCSO,CTB/-dBc82由圖6.18可以看到，當(dāng)μ≥0.31時(shí)，CSO、CTB與N幾乎無(wú)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。這樣，光源譜線不會(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。圖6.18CSO和CTB與頻道數(shù)的關(guān)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)（a）（b）CSO/-dBcCTB/-dBc83

6.3.2光端機(jī)

1.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：?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。

84圖6.19VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成85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(預(yù)失真線性器)。86

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。

87圖6.19VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成正確選擇光發(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)，如圖6.19和圖6.20所示；88圖6