模擬光纖通信系統(tǒng)

1、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)用光纖傳輸系統(tǒng),第 6 章 模擬光纖通信系統(tǒng),返回主目錄,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

2、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，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(jì)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。,對于廣播電視節(jié)目而言，視頻信號帶寬(最高頻率)是6MHz， 加上調(diào)頻的

3、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8 MHz。 用這種模擬基帶信號對發(fā)射機(jī)光源(線性良好的LED)進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制，若光載波的波長為0.85 μm， 傳輸距離不到4 km, 若波長為1.3 μm，傳輸距離也只有10 km左右。 D-IM光纖傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)是： ? 設(shè)備簡單 ? 價格低廉 因而在短距離傳輸中得到廣泛應(yīng)用。,6.1.

4、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進(jìn)行電的預(yù)調(diào)制，然后用這個預(yù)調(diào)制的電信號對光源進(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) 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(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅的頻率受調(diào)的正弦信號，其頻

5、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(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制， 形成FM-IM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，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(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

6、) 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(jìn)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(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成SWFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。,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L

7、ED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，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PFM-IM系統(tǒng)的傳輸距離比D-IM系統(tǒng)的更長 對于多模光纖，若波長為0.85 μm，傳輸距離可達(dá)10 km；若波長為1.3 μm，傳輸距離可達(dá)30 km。對于單模光纖，若波長為1.3 μm，傳輸距離

8、可達(dá)50 km。,SWFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)不僅具有PFM-IM系統(tǒng)的傳輸距離長的優(yōu)點(diǎn)，還具有PFM-IM系統(tǒng)所沒有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn): ?在光纖上傳輸?shù)牡确⒉坏葘挼姆讲ㄕ{(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) ? 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共同的問題：一根光纖只能傳輸一路信號。

9、 這種情況，既滿足不了現(xiàn)代社會對大信息量的要求，也沒有充分發(fā)揮光纖帶寬的獨(dú)特優(yōu)勢。 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。,實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路信號有多種方法 目前現(xiàn)實(shí)的方法是先對電信號復(fù)用，再對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。對電信號的復(fù)用可以是頻分復(fù)用(FDM)，也可以是時分復(fù)用(TDM)。 FDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： ?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

10、 ?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。,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，分別對某個指定的射頻(RF)電信號進(jìn)行調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)，然后用組合器把多個預(yù)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(jī)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制

11、。 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)。,SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： ? 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(wù)。 ? SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無需復(fù)雜的定時技術(shù)， 制造成本較低。

12、 ? 前后兼容。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(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。,6.2

13、 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),,,,,,,,,,,,,,光檢測器,接收機(jī),放大器,,,恢復(fù)原信號,m,(,t,),,,基帶信號,m,(,t,),光纖,6.2.1

14、 特性參數(shù) 評價模擬信號直接光強(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)和信號失真(信號畸變)。 1. 信噪比 正弦信號直接光強(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 發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理,圖6.2示出對發(fā)光二極管進(jìn)行正弦信號直接光強(qiáng)調(diào)制的原理。,式中，〈i2s〉為均方信號電流和〈i2n

15、〉為均方噪聲電流， RL為光檢測器負(fù)載電阻。,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 ：,信噪比一般用dB作單位，即,（6.1）,如圖6.2所示， 光源驅(qū)動電流： I=IB(1+m cosωt) (6.2) 設(shè)光源具有嚴(yán)格線性特性， 不存在信號畸變， 則輸出光功率為,P=ＰB(1+mcosωt)

16、 (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(shè)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(dá)光檢測器的信號很弱，光接收機(jī)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=I

17、0(1+m cosωt) (6.4),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(yīng)度，IP為一次光生電流，g為APD的

18、倍增因子。設(shè)使用PIN-PD, g=1。,模擬信號直接光強(qiáng)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(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為光檢測器負(fù)載電阻，F(xiàn)

19、為前置放大器的噪聲系數(shù)。,（6.9）, 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信號直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比為：,對于電視信號直接光強(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，則,（6.10）,（6.11）,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

20、：在限定信噪比條件下，光接收機(jī)所需的最小信號光功率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)分母后兩項為零，利用式(3.14)響應(yīng)度ρ=ηe/hf，m=1, g=1, 式(6.10)簡化為,（6.12）,式中, hf為光子能量，h=6.628×10-

21、34J·s為普朗克常數(shù)， f=c/λ為光頻率，c=3×108 m/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。,設(shè)光檢測器為PIN-PD, 光波長λ=1.31 μm, 量子效率η=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=2.86×10-7 mW, Pr=10lgPs,min=-65.4 dBm。當(dāng)然

22、， 實(shí)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(shí)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(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)輸出光信號真實(shí)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(shí)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(jī)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

23、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。,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：,（6.15）, 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Ｓ绊慙ED非線性的因素很多，要大幅度改善動態(tài)非線

24、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LED的補(bǔ)償，而且能同時對系統(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)時精細(xì)調(diào)整帶來一定困

25、難，而把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收機(jī)，則便于實(shí)時精細(xì)調(diào)整。,設(shè)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 ，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隨輸入信號V1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相位DP。,微分相位補(bǔ)償是設(shè)計一種電路，使其相移特性 與 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 不隨輸入信號大小而變

26、化，如圖6.3(c)。,圖 6.4 微分相位補(bǔ)償電路,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。,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)生的高頻動態(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。,圖6.5 微分增益補(bǔ)償電路,6.2.2

27、 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，把模擬電信號轉(zhuǎn)換為光信號。,對光發(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

28、，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(jī)方框圖如下圖所示，輸入TV信號

29、經(jīng)同步分離和箝位電路后，輸入LED的驅(qū)動電路。,圖 6.6 光發(fā)射機(jī)方框圖,,,,箝位,電路,,同步,分離,,,驅(qū)動,電路,,LED,TV,入,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(hù)LED防止反向擊穿，LED的工作點(diǎn)由箝位電路調(diào)節(jié)。,圖6.7 (b) LED驅(qū)動電路工作原理,,,,電流,,,光,

30、功,率,(b),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(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(diǎn)，對全電視信號中的同步脈沖進(jìn)行分離和箝位。,2. 光接收機(jī) 光接收機(jī)的功能是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

31、 對光接收機(jī)的基本要求是：,? 信噪比(SNR)要高 ? 幅頻特性要好 ? 帶寬要寬,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PIN-PD或APD。PIN-PD只需較低偏壓(10～20 V)就能正常工

32、作，電路簡單，但沒有內(nèi)增益，SNR較低。 APD需要較高偏壓(30～200 V)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。,圖 6.8 光接收機(jī)方框圖,,,,前放,,主放,,AGC,,,光檢測器,APD的優(yōu)點(diǎn)：有20～200倍的雪崩增益，可改善SNR。 對于模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)，力求電路簡單，光檢測器一般都采用PIN-PD。 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)

33、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(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。,6.2.3 系統(tǒng)性能

34、 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖如下圖所示。,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(jìn)行分離。改進(jìn)DP和DG的預(yù)失真電路置于接收端。,1. 系統(tǒng)參數(shù) (1) 視頻部分： 帶寬 0～6 MHz SNR ≥50 dB(未加校) DG 4% DP 4°

35、 發(fā)射光功率 ≥-15 dBm(32 μW) 接收靈敏度 ≤-30 dBm ,(2) 伴音部分： 帶寬0.04～15 kHz 輸入輸出電平0 dBr SNR

36、55 dB(加校) 畸變2%  伴音調(diào)頻副載頻8 MHz,主要技術(shù)參數(shù)舉例如下。,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

37、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）,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(MHz·km)的關(guān)系為： B1=BLγ (6

38、.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=8 MHz，根據(jù)上面的計算，0.85 μm和1.31 μm中繼距離分別為L=4 km和L=12 km。 由式(6.18)計算得到，所需單位長度光纖帶寬分別為B1=32 MHz·km和 B1=96 MHz·km。,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

39、少是200 MHz·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(rèn)真計算是必要的，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：,(6.19),式中, Bm和Bc分別為模式色散和材料色散引起的帶寬。,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

40、)來決定。,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）,6.3 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。 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

41、個寬帶信號對光源(一般為LD)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。 光信號經(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個頻道的電視信號。,圖 6.１0 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖,模擬基帶電視信號對射頻的預(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(VSB-AM/SCM)模擬電視光纖傳輸

42、系統(tǒng)。,6.3.1 特性參數(shù) 對于副載波復(fù)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(fù)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：,（6.22）,式中, 〈i2c〉為均方載波電流，〈i2n〉為均方噪聲電流。

43、 設(shè)在電/光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和光/電轉(zhuǎn)換過程中，都不存在信號失真。如圖6.11所示，輸入激光器的調(diào)幅信號電流為：,(6.24),由于假設(shè)不存在信號失真， 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對應(yīng)的光功率，N為頻道總數(shù)，mi為第i個頻道的調(diào)制指數(shù)，ωi為第i個頻道的副載波角頻率。,設(shè)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10-α

44、L/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 （6.26）,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

45、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〉為激光器的相對強(qiáng)度噪聲、〈i2q〉為激光器的光檢測器的量子噪聲,〈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為光檢測器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器噪聲系數(shù)。相對強(qiáng)度噪聲(RIN)是激光器諧振腔內(nèi)載流子

46、和光子密度隨機(jī)起伏產(chǎn)生的噪聲， 一般不可忽略。,（6.28）,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(yīng)度。由式(6.29)得到每個信道的載噪比,CNR=10lg (6.30),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

47、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(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 ,如果平均接收光功率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，在這個條件下，,(CNR)RIN=

48、 (6.32),這時CNR與m2成正比，與(RIN)成反比。 當(dāng)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,利用式(6.30)～式(6.33)，設(shè)平均接收光功率P0=2～—12 dBm,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=

49、1.6×10-19 C波爾茲曼常數(shù)： k=1.38×10-23 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：  B=4×106 Hz響應(yīng)度：  ρ=0.8 A/W,負(fù)載電阻: RL=1 kΩ 前放噪聲系數(shù)：F=3 dB 熱噪聲溫度：T=290 K,假設(shè)P0=

50、0 dBm, 計算各項噪聲分別起決定作用時的CNR。由式(6.32)，相對強(qiáng)度噪聲起決定作用時， (CNR)RIN=54.9 dB。由式(6.31)，量子噪聲起決定作用時，CNR=58.9 dB。由式(6.33)，前置放大器噪聲起決定作用時，CNR=68.0 dB。 提高CNR是系統(tǒng)設(shè)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。,但是增大m又會使激光器的線性劣化

51、，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。,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

52、號帶寬。 設(shè)Fd=17 MHz, Bb=4 MHz, Bf=27 MHz, 代入式(6.34)計算結(jié)果用dB表示，得到FM相對于VSB-AM, 其CNR改善了21.1 dB?？紤]到其他因素的影響，這個數(shù)值可以達(dá)到24 dB。,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）,兩種預(yù)調(diào)制方式的CNR比較如圖6.13所示。

53、 例如，用VSB-AM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，就載噪比而言，預(yù)調(diào)制方式FM優(yōu)于VSB-AM。但是和

54、VSB-AM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(yīng)用場合，選擇不同預(yù)調(diào)制方式。,2. 信號失真 副載波復(fù)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(dǎo)體激光器在電/光轉(zhuǎn)換時的非線性效應(yīng)。 由于到達(dá)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

55、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,由于實(shí)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1 GHz時，可以利用泰勒級數(shù)展開，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， 把式(6.24)代入，用一組簡化的符號，得到

56、 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(dǎo)數(shù)， ,(6.35),（6.37）,Ii=(Ib - Ith)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：,(6.38),式中Ii=Ij=Ik=(Ib-Ith)mi=(Ib-Ith)m=I0m為每個信道的信號電流幅

57、度。 副載波復(fù)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(ωi - ωj)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。,（6.39）,這種非線性效應(yīng)會發(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(

58、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：,(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算。,P′、P″和 分別為P對I的

59、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(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，如圖6.14所示，

60、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頻帶內(nèi)。,圖 6.14 fN<2f1的SCM系統(tǒng)的頻譜分布,圖 6.15 SCM系統(tǒng)帶內(nèi)三階互調(diào)干擾的最佳頻譜分布,如圖6.15

61、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，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(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(yīng)

62、，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(jī)性， 當(dāng)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(fù)雜的函數(shù)， m為調(diào)制指數(shù)，N為頻道總數(shù)。,分析計算表明，CSO和CTB是參數(shù)μ= 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CSO, CTB與μ和m的關(guān)系曲線。由圖可見， 為

63、保證CSO≤-65 dBc和CTB≤-65 dBc，μ值不應(yīng)大于0.25，由此得到m≤0.35/ 。,由圖6.18可以看到，當(dāng)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。,,6.3.2 光端機(jī) 1. 光發(fā)射機(jī)

64、 對殘留邊帶—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

65、。 LD輸出特性要求是線性的，但在實(shí)際電/光轉(zhuǎn)換過程中，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)際上是一個與激光器的非線性相反的非線性電路，用來補(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。 同時用激光器的后向輸出通過PIN-PD檢測的光

66、電流實(shí)現(xiàn)自動功率控制。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。,圖6.19 VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成,正確選擇光發(fā)射機(jī)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(jī)有： (1) 直接調(diào)制1310 nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)， 如圖6.19和圖6.20所示；,圖6.20 直接調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方框圖,圖6.21 外調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方框圖,

67、(2) 外調(diào)制1550 nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)， 如圖6.21所示；,圖6.22 外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)方框圖,,(3) 外調(diào)制摻釹釔鋁石榴石(Nd: YAG)固體激光器光發(fā)射機(jī)， 如圖6.22所示。,直接調(diào)制1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)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(jī)。 原因是這種光發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率高達(dá)10 mW, 傳輸距離可達(dá)35 km, 而且性能良好， 價格比其他兩種光發(fā)

68、射機(jī)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(jī)主要由YAG激光器、 電光調(diào)制器、 預(yù)失真線性器和互調(diào)控制器構(gòu)成。,缺點(diǎn)是: ? 設(shè)備較大 ? 技術(shù)較復(fù)雜 ? 這種光發(fā)射機(jī)主要用于CATV干線網(wǎng)，也可以用于分配網(wǎng)。,預(yù)失真線性器作為調(diào)制器的驅(qū)動電路，互調(diào)控制器實(shí)際上是一個自動預(yù)失真控制器。波長為1310 nm外調(diào)制

69、YAG光發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率高達(dá)40 mW以上， 相對強(qiáng)度噪聲(RIN)低到165 dB/Hz，信號失真性能極好。, 外調(diào)制1550 nm DFB光發(fā)射機(jī)結(jié)合了直接調(diào)制1310 nm DFB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DFB-LD作光源， 用電流直接驅(qū)動，因而與1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)同樣具有小型、 輕便等優(yōu)點(diǎn)。 采用外調(diào)制技術(shù)， 又與外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)同樣具有極好