第六章模擬光纖通信系統(tǒng)

第六章模擬光纖通信系統(tǒng)第1頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三第6章模擬光纖通信系統(tǒng)

6.1調(diào)制方式

6.1.1模擬基帶直接光強調(diào)制模擬基帶直接光強調(diào)制(DIM)是用承載信息的模擬基帶信號，直接對發(fā)射機光源(LED或LD)進行光強調(diào)制，使光源輸出光功率隨時間變化的波形和輸入模擬基帶信號的波形成比例。20世紀70年代末期，光纖開始用于模擬電視傳輸時，采用一根多模光纖傳輸一路電視信號的方式，就是這種基帶傳輸方式。所謂基帶，就是對載波調(diào)制之前的視頻信號頻帶。第2頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三于廣播電視節(jié)目而言，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8MHz。用這種模擬基帶信號對發(fā)射機光源(線性良好的LED)進行直接光強調(diào)制，若光載波的波長為0.85μm，傳輸距離不到4km,若波長為1.3μm，傳輸距離也只有10km左右。這種DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)的特點是設備簡單、價格低廉，因而在短距離傳輸中得到廣泛應用。第3頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.1.2模擬間接光強調(diào)制模擬間接光強調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號進行電的預調(diào)制，然后用這個預調(diào)制的電信號對光源進行光強調(diào)制(IM)。這種系統(tǒng)又稱為預調(diào)制直接光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)。預調(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對正弦載波進行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅的頻率受調(diào)的正弦信號，其頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時值而變化。然后用這個正弦調(diào)頻信號對光源進行光強調(diào)制，形成FMIM光纖傳輸系統(tǒng)。第4頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

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對脈沖載波進行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、等寬的頻率受調(diào)的脈沖信號，其脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時值而變化。然后用這個脈沖調(diào)頻信號對光源進行光強調(diào)制，形成PFMIM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對方波進行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、不等寬的方波脈沖調(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。然后用這個方波脈沖調(diào)頻信號對光源進行光強調(diào)制，形成SWFMIM光纖傳輸系統(tǒng)。第5頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三采用模擬間接光強調(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調(diào)制時，例如采用PFMIM光纖電視傳輸系統(tǒng)，由于驅(qū)動光源的是脈沖信號，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DIM系統(tǒng)的更長。對于多模光纖，若波長為0.85μm，傳輸距離可達10km；若波長為1.3μm，傳輸距離可達30km。對于單模光纖，若波長為1.3μm，傳輸距離可達50km。SWFMIM光纖電視傳輸系統(tǒng)不僅具有PFMIM系統(tǒng)的傳輸距離長的優(yōu)點，還具有PFMIM系統(tǒng)所沒有的獨特優(yōu)點。第6頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三這種獨特優(yōu)點是：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)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量都達到了實際應用的水平，而且技術(shù)比較簡單，容易實現(xiàn)，價格也比較便宜。盡管如此，這些傳輸方式都存在一個共同的問題：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。第7頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三實現(xiàn)一根光纖傳輸多路電視有多種方法，目前現(xiàn)實的方法是先對電信號復用，再對光源進行光強調(diào)制。對電信號的復用可以是頻分復用(FDM)，也可以是時分復用(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。而且，F(xiàn)DM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，使FDM多路電視傳輸方式受到廣泛的重視。第8頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.1.3頻分復用光強調(diào)制頻分復用光強調(diào)制方式是用每路模擬電視基帶信號，分別對某個指定的射頻(RF)電信號進行調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)，然后用組合器把多個預調(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)射機光源進行光強調(diào)制。光載波經(jīng)光纖傳輸后，由遠端接收機進行光/電轉(zhuǎn)換和信號分離。因為傳統(tǒng)意義上的載波是光載波，為區(qū)別起見，把受模擬基帶信號預調(diào)制的RF電載波稱為副載波，這種復用方式也稱為副載波復用(SCM)。SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點：(1)一個光載波可以傳輸多個副載波，各個副載波可以承載不同類型的業(yè)務，有利于數(shù)字和模擬混合傳輸以及不同業(yè)務的綜合和分離。第9頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三(2)SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無需復雜的定時技術(shù)，F(xiàn)M/SCM可以傳輸60～120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，發(fā)展速度快。(3)在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)未能廣泛應用的今天，線性良好的大功率LD已能得到實際應用，因而發(fā)展SCM模擬電視傳輸系統(tǒng)是適時的選擇。這種系統(tǒng)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。副載波復用的實質(zhì)是利用光纖傳輸系統(tǒng)很寬的帶寬換取有限的信號功率，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。第10頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.2模擬基帶直接光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)

模擬基帶直接光強調(diào)制(DIM)光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(光源通常為發(fā)光二極管)、光纖線路和光接收機(光檢測器)組成，這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。第11頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.1模擬信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)方框圖第12頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.2.1特性參數(shù)評價模擬信號直接光強調(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)和信號失真(信號畸變)。

1.信噪比正弦信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)的信噪比主要受光接收機性能的影響，因而輸入到光檢測器的信號非常微弱，所以對系統(tǒng)的SNR影響很大。圖6.2示出對發(fā)光二極管進行正弦信號直接光強調(diào)制的原理。這種系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號功率和噪聲功率(NP)的比值第13頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.2發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理第14頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中，〈i2s〉和〈i2n〉分別為均方信號電流和均方噪聲電流，RL為光檢測器負載電阻。信噪比一般用dB作單位，即如圖6.2所示，光源驅(qū)動電流I=IB(1+mcosωt)(6.2)設光源具有嚴格線性特性，不存在信號畸變，則輸出光功率為第15頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三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為時間。一般光纖線路有足夠的帶寬，可以假設信號在傳輸過程不存在失真，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。由于到達光檢測器的信號很弱，光接收機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+mcosωt)(6.4)均方信號電流第16頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,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)，其定義為平均信號電流I0=gIP=gρPb(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，ρ為光檢測器的響應度，IP為一次光生電流，g為APD的倍增因子。設使用PINPD,g=1。第17頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三由式(6.5)～式(6.7)得到均方信號電流〈i2s〉=(6.8)模擬信號直接光強調(diào)制系統(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，一般等于信號帶寬，第18頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三Id為暗電流，k=1.38×1023J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，RL為光檢測器負載電阻，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，正弦信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)的信噪比為對于電視信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)的信噪比有些不同，假設傳輸?shù)氖请A梯形全電視信號，則第19頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,mTV為電視信號的調(diào)制指數(shù)，其他符號的意義和式(6.10)相同，但g=1。和SNR關(guān)系密切的一個參數(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，光接收機所需的最小信號光功率Ps,min，并以dBm為單位。假設系統(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)極限靈敏度。根據(jù)假設，式(6.10)分母后兩項為零，利用式(3.14)響應度ρ=ηe/hf，m=1,g=1,式(6.10)簡化為第20頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三在限定信噪比條件下，光接收機所需的最小信號光功率把式(6.12)代入式(6.13)得到式中,hf為光子能量，h=6.628×1034J·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(μm),η為光檢測器量子效率(%)，B為噪聲帶寬。第21頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三設光檢測器為PINPD,光波長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=2.86×107mW,或Pr=10lgPs,min=65.4dBm。當然，實際系統(tǒng)必須考慮光檢測器的暗電流和前置放大器的噪聲。因而，實際靈敏度比極限靈敏度要低得多。

2.信號失真為使模擬信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)輸出光信號真實地反映輸入電信號，要求系統(tǒng)輸出光功率與輸入電信號成比例地隨時間變化，即不發(fā)生信號失真。一般說，實現(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)射機光源的輸出功率特性是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。第22頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三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)動電流I的相位延遲差，其定義為DP=［φ(I2)φ(I1)］第23頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,I1和I2為LED不同數(shù)值的驅(qū)動電流，一般取I2>I1。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＠纾滩ㄩLGaAlAsLED的DG可能高達20%，DP高達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，要大幅度改善動態(tài)非線性失真非常困難，因而需要從電路方面進行非線性補償。模擬信號直接光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的非線性補償有許多方式，目前一般都采用預失真補償方式。預失真補償方式是在系統(tǒng)中加入預先設計的、與LED非線性特性相反的非線性失真電路。第24頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三這種補償方式不僅能獲得對LED的補償，而且能同時對系統(tǒng)其他元件的非線性進行補償。由于這種方式是對系統(tǒng)的非線性補償，把預失真補償電路置于光發(fā)射機，給實時精細調(diào)整帶來一定困難，而把預失真補償電路置于光接收機，則便于實時精細調(diào)整。設系統(tǒng)發(fā)射端輸入信號V1與接收端輸出信號V2之間相移為φ1，它包含了LED輸出光功率P與驅(qū)動電流之間的相移，以及系統(tǒng)中其他各級輸出信號和輸入信號之間的相移。由于相移φ1隨輸入信號V1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相位DP。第25頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三微分相位補償是設計一種電路，使其相移特性φ2與φ1的變化相反，如圖6.3(b)。兩個非線性電路相加，使系統(tǒng)總相移φ不隨輸入信號大小而變化，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補償電路，如圖6.4所示。這種電路的相位補償是利用集電極和發(fā)射極輸出的信號相位差180°的原理構(gòu)成的全通相移網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。和微分相位補償原理相似，微分增益補償是對LED等非線性器件產(chǎn)生的高頻動態(tài)幅度失真的補償，目前最廣泛使用的微分增益四點補償電路如圖6.5所示。第26頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.3微分相位補償原理

第27頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.4微分相位補償電路

第28頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

圖6.5微分增益補償電路

第29頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.2.2光端機光端機包括光發(fā)射機和光接收機。

1.光發(fā)射機模擬基帶直接光強調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機的功能是，把模擬電信號轉(zhuǎn)換為光信號。對這種光發(fā)射機的基本要求是：(1)發(fā)射(入纖)光功率要大，以利于增加傳輸距離。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。(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。第30頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三(3)調(diào)制指數(shù)m(mTV)要適當大。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溫度控制和自動功率控制，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)射機方框圖如圖6.6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)動電路。驅(qū)動電路的末級及其工作原理示于圖6.7，圖中R1C1電路用于調(diào)節(jié)DIM系統(tǒng)電視信號的幅頻特性，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LED防止反向擊穿，LED的工作點由箝位電路調(diào)節(jié)。第31頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

圖6.6光發(fā)射機方框圖第32頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.7LED驅(qū)動電路的末級及其工作原理

第33頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三由于全電視信號隨亮場和暗場的變化而變化，為保證動態(tài)DP和DG的規(guī)定值，必須保持DP和DG補償電路的工作點不隨亮場和暗場而變化，所以應有箝位電路來保證其工作點恒定。在全電視信號中，圖像信號隨亮場和暗場而變化，其同步脈沖信號在工作過程是不變的，因而利用同步脈沖和圖像信號處于不同電平的特點，對全電視信號中的同步脈沖進行分離和箝位。

2.光接收機光接收機的功能是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。對光接收機的基本要求是：第34頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三(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)光接收機方框圖如圖6.8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，通常要用自動增益控制(AGC)。光檢測器可以用PINPD或APD。PINPD只需較低偏壓(10～20V)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(30～200V)才能正常工作，且內(nèi)增益隨環(huán)境溫度變化較大，應有偏壓控制電路。第35頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.8光接收機方框圖第36頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三APD的優(yōu)點是有20～200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，使輸入光檢測器的光功率大小不同，所以需要AGC來保證光接收機輸出恒定。第37頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.2.3系統(tǒng)性能模擬基帶直接光強調(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，模擬基帶電視信號和調(diào)頻(FM)伴音信號分別輸入LED驅(qū)動器，在接收端進行分離。改進DP和DG的預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0～6MHzSNR≥50dB(未加校)第38頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三6.9模擬基帶直接光強調(diào)值光前點時傳輸系統(tǒng)方框圖第39頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三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第40頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

2.光纖損耗對傳輸距離的限制模擬基帶直接光強調(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)。第41頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三對于波長為0.85μm和1.31μm的多模光纖，損耗系數(shù)α可以分別取3dB/km和1dB/km，M取3dB。用上述舉例中的數(shù)據(jù)，Pt=15dBm，Pr=30dBm，由式(6.17)計算得到中繼距離分別為L=4km和L=12km。

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(1km)光纖帶寬B1(MHz·km)的關(guān)系為B1=BLγ[JY](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)上面的計算，0.85μm和1.31μm中繼距離分別為L=4km和L=12km。第42頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三由式(6.18)計算得到，所需單位長度光纖帶寬分別為B1=32MHz·km和B1=96MHz·km。如果采用原CCITTG.651的標準多模GI光纖，其單位長度帶寬至少是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，認真計算是必要的，因為在短波長光纖材料色散和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，光纖線路總帶寬應為B=(B2m+B2c)1/2

第43頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,Bm和Bc分別為模式色散和材料色散引起的帶寬。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)得到第44頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三例如，在0.85μm，多模光纖C(λ)=120ps/(nm·km)，設LED譜線寬度Δλ=50nm，如果根據(jù)上面的計算結(jié)果B1=32MHz·km,由式(6.21)計算得到B1≈1.2BL=38MHz·km,帶寬增加20%。在實際工程中是否采用短波長LED和多模SI光纖，要根據(jù)經(jīng)濟效益(系統(tǒng)成本和維修費用)來決定。第45頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三6.3副載波復用光纖傳輸系統(tǒng)

圖6.10示出副載波復用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖。N個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，再用這個寬帶信號對光源(一般為LD)進行光強調(diào)制，實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。光信號經(jīng)光纖傳輸后，由光接收機實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，經(jīng)分離和解調(diào)，最后輸出N個頻道的電視信號。模擬基帶電視信號對射頻的預調(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。我們主要討論殘留邊帶調(diào)幅副載波復用(VSBAM/SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)。第46頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.１０副載波復用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖第47頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.3.1特性參數(shù)對于副載波復用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，評價其傳輸質(zhì)量的特性參數(shù)主要是載噪比(CNR)和信號失真。

1.載噪比載噪比CNR的定義是，把滿負載、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，用公式表示為第48頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三或CNR=10lg式中,〈i2c〉為均方載波電流，〈i2n〉為均方噪聲電流。設在電/光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和光/電轉(zhuǎn)換過程中，都不存在信號失真。如圖6.11所示，輸入激光器的調(diào)幅信號電流為I(t)=Ib+(IbIth)由于假設不存在信號失真，激光器輸出光功率為P(t)=Pb+Ps

第49頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.11激光器模擬調(diào)制原理第50頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,Ps=PbPth，Pb和Pth分別為偏置電流Ib和閾值電流Ith對應的光功率，N為頻道總數(shù)，mi和ωi分別為第i個頻道的調(diào)制指數(shù)和副載波角頻率。設每個頻道的調(diào)制指數(shù)都相同，即mi=mj=mk=m，暫時略去光纖傳輸因子10αL/10,α和L分別為光纖線路平均損耗系數(shù)和長度，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均方(載波)信號電流第51頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,Im=mI0為信號電流幅度，I0為平均信號電流，m=m0/為每個頻道的調(diào)制指數(shù)，m0為總調(diào)制指數(shù)，N為頻道總數(shù)。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,〈i2RIN〉、〈i2q〉和〈i2T〉分別為激光器的相對強度噪聲、光檢測器的量子噪聲和折合到輸入端的放大器噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流。第52頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三e為電子電荷，B為噪聲帶寬，k=1.38×1023J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，RL為光檢測器負載電阻，F(xiàn)為前置放大器噪聲系數(shù)。相對強度噪聲(RIN)是激光器諧振腔內(nèi)載流子和光子密度隨機起伏產(chǎn)生的噪聲，一般不可忽略。由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到式中平均信號電流I0=ρP0,P0=Pb×10αL/10為光檢測器平均接收光功率，ρ為響應度。由式(6.29)得到每個信道的載噪比第53頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三CNR=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，隨三項噪聲的增加而減小。下面觀察一下三項噪聲的界限。在平均接收光功率P0較大的條件下，激光器的相對強度噪聲(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=10lg這時CNR與m2和P0成正比。第54頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三如果平均接收光功率P0很大，激光器相對強度噪聲(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，在這個條件下，(CNR)RIN=(6.32)這時CNR與m2成正比，與(RIN)成反比。當平均接收光功率P0很小時，前置放大器噪聲起著決定性作用，其他兩項噪聲都可以忽略，這時由式(6.30)得到（CNR)T=10lg第55頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三利用式(6.30)～式(6.33)，設平均接收光功率P0=2～12dBm,計算AM/SCM光纖傳輸系統(tǒng)CNR與P0的關(guān)系以及各項噪聲起決定作用時CNR的界限，如圖6.12所示。計算中采用的數(shù)據(jù)如下：電子電荷：e=1.6×10-19C波爾茲曼常數(shù):k=1.38×10-23J/K調(diào)制指數(shù)：m=0.05相對強度噪聲：(RIN)=150dB/Hz噪聲帶寬：B=4×106Hz響應度：ρ=0.8A/W第56頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.12CNR的特性和各種噪聲的界限第57頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三負載電阻:RL=1kΩ前放噪聲系數(shù)：F=3dB熱噪聲溫度：T=290K假設P0=0dBm,計算各項噪聲分別起決定作用時的CNR。由式(6.32)，相對強度噪聲起決定作用時，(CNR)RIN=54.9dB。由式(6.31)，量子噪聲起決定作用時，CNR=58.9dB。由式(6.33)，前置放大器噪聲起決定作用時，CNR=68.0dB。提高CNR是系統(tǒng)設計中的重要問題。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。第58頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三但是增大m又會使激光器的線性劣化，要用預失真技術(shù)來補償。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，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?shù)偷墓夤β屎瓦m當大的調(diào)制指數(shù)，而不是相反。不論采用什么預調(diào)制方式，計算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，不同預調(diào)制方式所需的CNR都是不同的。為在接收機解調(diào)后獲得相同SNR，兩種預調(diào)制方式所需的CNR比值為第59頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中,Ｆd為由圖像信號產(chǎn)生的頻偏峰-峰值，Bb為基帶信號帶寬，Bf為FM信號帶寬。設Fd=17MHz,Bb=4MHz,Bf=27MHz,代入式(6.34)計算結(jié)果用dB表示，得到FM相對于VSBAM,其CNR改善了21.1dB?？紤]到其他因素的影響，這個數(shù)值可以達到24dB。第60頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三兩種預調(diào)制方式的CNR比較如圖6.13所示。例如，用VSBAM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=5224=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13dB。設光纖線路平均損耗系數(shù)為0.5dB/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方式存在一個本質(zhì)性問題，就是它占用的帶寬較寬，約為VSBAM方式的6倍。所以要根據(jù)不同應用場合，選擇不同預調(diào)制方式。第61頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.13VSBAM和FM方式CNR的比較第62頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

2.信號失真副載波復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體激光器在電/光轉(zhuǎn)換時的非線性效應。由于到達光檢測器的信號非常微弱，在光/電轉(zhuǎn)換時可能產(chǎn)生的信號失真可以忽略。只要光纖帶寬足夠?qū)?，傳輸過程可能產(chǎn)生的信號失真也可以忽略。下面討論激光器非線性效應產(chǎn)生的信號失真，參看圖6.11。輸入激光器的調(diào)幅信號電流仍為式(6.24)所示，即I(t)=Ib+(Ib-Ith)第63頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三由于實際激光器輸出光功率P(t)與驅(qū)動電流I(t)的關(guān)系是非線性的，因而輸出光信號產(chǎn)生失真。在調(diào)制頻率fi(ωi/2π)不超過1GHz時，可以利用泰勒級數(shù)展開，把輸出光功率表示為P(t)=Pb+略去式(6.35)四階以上(m≥4)的非線性項，把式6.24)代入，用一組簡化的符號，得到P(t)=a0+a1Is+a2I2s+a3I3s(6.36)式中ai(i=1,2,3)包含P(t)對I(t)的i階導數(shù)，Is=第64頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三Ii=(IbIth)mi為第i個頻道的信號電流幅度。我們所關(guān)心的二階非線性項和三階非線性項分別為第65頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中Ii=Ij=Ik=(IbIth)mi=(Ib-Ith)m=I0m為每個信道的信號電流幅度。副載波復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)(CSO)失真和組合三階差拍(CTB)失真這兩個參數(shù)表示。兩個頻率的信號相互組合，產(chǎn)生和頻(ωi+ωj)和差頻(ωiωj)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。第66頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三這種非線性效應會發(fā)生在所有RF電路，包括光發(fā)射機和光接收機。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。根據(jù)以上分析，第i個頻道的CSO和CTB分別表示為CSO=10lgCTB=10lg第67頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三式中C2i和C3i分別為組合二階互調(diào)和組合三階差拍的系數(shù)，在頻道頻率配置后具體計算。P′、P″和P分別為P對I的一階、二階和三階導數(shù)，其數(shù)值由實驗確定。P0m為每個頻道輸出光信號幅度。CSO和CTB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。(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應滿足fN<2f1,即副載波最高頻率應小于最低頻率的2倍。第68頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三這樣，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)(fifj)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)，應適當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頻帶內(nèi)，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輸出時，其影響就不明顯了。(2)限制調(diào)制指數(shù)m，以保證CSO和CTB符合規(guī)定的指標。第69頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.14fN<2f1的SCM系統(tǒng)的頻譜分布第70頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.15SCM系統(tǒng)帶內(nèi)三階互調(diào)干擾的最佳頻譜分布第71頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三由式(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。因為驅(qū)動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，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性，當N很大時，服從高斯分布，產(chǎn)生過大信號的概率很小。分析計算表明，CSO和CTB是參數(shù)μ=m和N十分復雜的函數(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CSO#,CTB與μ和m的關(guān)系曲線。第72頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.16激光器的削波效應第73頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三分析計算表明，CSO和CTB是參數(shù)μ=和N十分復雜的函數(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值不應大于0.25，由此得到m≤0.35/。由圖6.18可以看到，當μ≥0.31時，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。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，chirp)產(chǎn)生的信號失真，因而改變了CSO和CTB。第74頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.17CSO、CTB與光調(diào)制指數(shù)的關(guān)系

第75頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.18CSO和CTB與頻道數(shù)的關(guān)系第76頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三

6.3.2光端機

1.光發(fā)射機對殘留邊帶—調(diào)幅光發(fā)射機的基本要求是：(1)輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性(P[CD*2]I)線性要好；(2)調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦；(3)輸出光波長應在光纖低損耗窗口，譜線寬度要窄；(4)溫度穩(wěn)定性要好。第77頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三VSBAM光發(fā)射機的構(gòu)成示于圖6.19。輸入到光發(fā)射機的電信號經(jīng)前饋放大器放大后，受到電平監(jiān)控，以電流的形式驅(qū)動激光器。LD輸出特性要求是線性的，但在實際電/光轉(zhuǎn)換過程中，微小的非線性效應是不可避免的，而且要影響系統(tǒng)的性能。所以優(yōu)質(zhì)的光發(fā)射機都要進行預失真控制。方法是加入預失真補償電路(預失真線性器)。預失真補償電路實際上是一個與激光器的非線性相反的非線性電路，用來補償激光器的非線性效應，以達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行溫度控制。同時用激光器的后向輸出通過PINPD檢測的光電流實現(xiàn)自動功率控制。為抑制光纖線路上不均勻點(如連接器)的反射，在LD輸出端設置光隔離器。第78頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三正確選擇光發(fā)射機對系統(tǒng)性能和CATV網(wǎng)的造價都有重大意義。目前可供選擇的光發(fā)射機有：(1)直接調(diào)制1310nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機，如圖6.19和圖6.20所示；(2)外調(diào)制1550nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機，如圖6.21所示；(3)外調(diào)制摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)固體激光器光發(fā)射機，如圖6.22所示。

第79頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.19VSBAM光發(fā)射機的構(gòu)成第80頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.20直接調(diào)制DFB光發(fā)射機方框圖第81頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.21外調(diào)制DFB光發(fā)射機方框圖第82頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖6.22外調(diào)制YAG光發(fā)射機方框圖第83頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三直接調(diào)制1310nmDFB光發(fā)射機是目前CATV光纖傳輸網(wǎng)特別是分配網(wǎng)使用最廣泛的光發(fā)射機。原因是這種光發(fā)射機發(fā)射光功率高達10mW,傳輸距離可達35km,而且性能良好，價格比其他兩種光發(fā)射機便宜。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。外調(diào)制YAG光發(fā)射機主要由YAG激光器、電光調(diào)制器、預失真線性器和互調(diào)控制器構(gòu)成。預