1、第6章模擬光纖通信系統 第6章模擬光纖通信系統 6.1調制方式6.2模擬基帶直接光強調制光纖傳輸系統6.3副載波復用光纖傳輸系統第6章模擬光纖通信系統 6.1調制方式調制方式模擬光纖傳輸系統目前使用的主要調制方式有模擬基帶直接光強調制、模擬間接光強調制和頻分復用光強調制三種。6.1.1模擬基帶直接光強調制模擬基帶直接光強調制模擬基帶直接光強調制(D-IM)是用承載信息的模擬基帶信號，直接對發射機光源(LED或LD)進行光強調制，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。 第6章模擬光纖通信系統 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

2、信號的方式，就是這種基帶傳輸方式。所謂基帶，就是對載波調制之前的視頻信號頻帶。對于廣播電視節目而言，視頻信號帶寬(最高頻率)是6 MHz，加上伴音信號，這種模擬基帶光纖傳輸系統每路電視信號的帶寬為8 MHz。用這種模擬基帶信號對發射機光源(線性良好的LED)進行直接光強調制，若光載波的波長為0.85 m，傳輸距離不到4 km, 若波長為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6章模擬光纖通信系統 6.1.2模擬間接光強調制模擬間接光強調制模擬間接光強調制方式是先用承載信息的模擬基帶信號進行電的預調制，然

3、后用這個預調制的電信號對光源進行光強調制(IM)。這種系統又稱為預調制直接光強調制光纖傳輸系統。預調制又有多種方式，主要有以下三種。1. 頻率調制頻率調制(FM)頻率調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頻，產生等幅的頻率受調的正弦信號，其頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時值而變化。然后用這個正弦調頻信號對光源進行光強調制，形成FM-IM光纖傳輸系統。 第6章模擬光纖通信系統 2. 脈沖頻率調制脈沖頻率調制(PFM)脈沖頻率調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頻，產生等幅、等寬的頻率受調的脈沖信號，其脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時值而變化。然后用這個脈沖調頻信號對

4、光源進行光強調制，形成PFM-IM光纖傳輸系統。3. 方波頻率調制方波頻率調制(SWFM)方波頻率調制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對方波進行調頻，產生等幅、不等寬的方波脈沖調頻信號，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頻信號對光源進行光強調制，形成SWFM-IM光纖傳輸系統。 第6章模擬光纖通信系統 采用模擬間接光強調制的目的是提高傳輸質量和增加傳輸距離。由于模擬基帶直接光強調制(D-IM)光纖電視傳輸系統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制時，例如采用PFM-IM光纖電

5、視傳輸系統，由于驅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系統的傳輸距離比D-IM系統的更長。對于多模光纖，若波長為0.85 m，傳輸距離可達10 km；若波長為1.3 m，傳輸距離可達30 km。對于單模光纖，若波長為1.3 m，傳輸距離可達50 km。 第6章模擬光纖通信系統 SWFM-IM光纖電視傳輸系統不僅具有PFM-IM系統的傳輸距離長的優點，還具有PFM-IM系統所沒有的獨特優點。 這種獨特優點是： 在光纖上傳輸的等幅、不等寬的方波調頻(SWF-M)脈沖不含基帶成分，因而這種模擬光纖傳輸系統的信號質量與傳

6、輸距離無關。此外，SWFM-IM系統的信噪比也比D-IM系統的信噪比高得多。 第6章模擬光纖通信系統 上述光纖電視傳輸系統的傳輸距離和傳輸質量都達到了實際應用的水平，而且技術比較簡單，容易實現，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，既滿足不了現代社會對電視頻道日益增多的要求，也沒有充分發揮光纖大帶寬的獨特優勢。因此，開發多路模擬電視光纖傳輸系統，就成為技術發展的必然。第6章模擬光纖通信系統 實現一根光纖傳輸多路電視有多種方法，目前現實的方法是先對電信號復用，再對光源進行光強調制。對電信號的復用可以是頻分復用(FDM)，也可以是時分復用(

7、TDM)。和TDM系統相比，FDM系統具有電路結構簡單、制造成本較低以及模擬和數字兼容等優點。而且，FDM系統的傳輸容量只受光器件調制帶寬的限制，與所用電子器件的關系不大。這些明顯的優點，使FDM多路電視傳輸方式受到廣泛的重視。第6章模擬光纖通信系統 6.1.3頻分復用光強調制頻分復用光強調制頻分復用光強調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)電信號進行調幅(AM)或調頻(FM)， 然后用組合器把多個預調RF信號組合成多路寬帶信號，再用這種多路寬帶信號對發射機光源進行光強調制。光載波經光纖傳輸后，由遠端接收機進行光/電轉換和信號分離。因為傳統意義上的載波是光載波，為區別起

8、見，把受模擬基帶信號預調制的RF電載波稱為副載波，這種復用方式也稱為副載波復用(SCM)。 第6章模擬光纖通信系統 SCM模擬電視光纖傳輸系統的優點：(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務，有利于數字和模擬混合傳輸以及不同業務的綜合和分離。(2) SCM系統靈敏度較高，又無需復雜的定時技術，FM/SCM可以傳輸60120路模擬電視節目，制造成本較低。因而在電視傳輸網中競爭能力強，發展速度快。 第6章模擬光纖通信系統 (3) 在數字電視傳輸系統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，因而發展SCM模擬電視傳輸系統是適時的選擇。這種系統不僅可以滿足

9、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(HFC)中采用。副載波復用的實質是利用光纖傳輸系統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。在副載波系統中，預調制是采用調頻還是調幅，取決于所要求的信道載噪比和所占用的帶寬。 第6章模擬光纖通信系統 6.2模擬基帶直接光強調制光纖傳輸系統模擬基帶直接光強調制光纖傳輸系統模擬基帶直接光強調制(D-IM)光纖傳輸系統由光發射機(光源通常為發光二極管)、光纖線路和光接收機(光檢測器)組成，這種系統的方框圖如圖6.1所示。 第6章模擬光纖通信系統

10、圖 6.1模擬信號直接光強調制系統方框圖第6章模擬光纖通信系統 6.2.1特性參數特性參數評價模擬信號直接光強調制系統的傳輸質量的最重要的特性參數是信噪比(SNR)和信號失真(信號畸變)。1. 信噪比信噪比正弦信號直接光強調制系統的信噪比主要受光接收機性能的影響，因為輸入到光檢測器的信號非常微弱，所以對系統的SNR影響很大。圖6.2示出對發光二極管進行正弦信號直接光強調制的原理。這種系統的信噪比定義為接收信號功率和噪聲功率(Np)的比值 2n2sL2nL2sPiiRiRiNS噪聲功率信號功率第6章模擬光纖通信系統 圖 6.2發光二極管模擬調制原理第6章模擬光纖通信系統 式中，i2s和i2n分別

11、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，設光源驅動電流I=IB(1+m cost)(6.2)光源具有嚴格線性特性，不存在信號畸變，則輸出光功率為P=PB(1+m cost) (6.3)式中，PB為偏置電流IB產生的光功率，m為調制指數，=2f , f 為調制頻率，t為時間。 2n2slg 10SNRii(6.1)第6章模擬光纖通信系統 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(aL)的衰減，其中a為光纖線路平均損耗系數，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，

12、光檢測器的輸出光電流is=I0(1+m cost)(6.4)均方信號電流 2m2s2Ii(6.5)第6章模擬光纖通信系統 式中, Im=mI0 為信號電流幅度，I0為平均信號電流，m為調制指數，其定義為 平均信號電流I0=gIP=gPb(6.7)式中, Pb=KPB為輸入光檢測器的平均光傳輸系數，K代表光纖線路的傳輸系數，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。若使用PIN-PD, 則g=1。 (6.6)minmaxminmaxminmaxminminmaxbom2/2/IIIIIIIIIIIm平均信號電流信號電流幅度第6章模擬光纖通信系統 由式(6.5)式(6.7)得到

13、均方信號電流模擬信號直接光強調制系統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)可寫成 (6.8)2)(2b2sgPmiL2d2b2T2d2q2n422RkTFBBgeoIBgPeiiiixx(6.9)第6章模擬光纖通信系統 式中, i2q、i2d和i2T分別為量子噪聲、暗電流噪聲和熱噪聲產生的均方噪聲電流，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=1.381023 J/K為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度，RL為光檢測器負載電阻，F為前置放大器的噪聲系數。由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到

14、，正弦信號直接光強調制系統的信噪比為(6.10)/422(2/)(lg 10SNRL2db2bRkTFgeIPeBgPmx第6章模擬光纖通信系統 式中=e / (hf)。對于電視信號直接光強調制系統的信噪比有些不同，假設傳輸的是階梯形全電視信號，則式中, mTV為電視信號的調制指數，其他符號的意義和式(6.10)相同，但g=1。(6.11)/422(44. 1lg 20SNRLdbbTVRkTFeIPeBPm第6章模擬光纖通信系統 和SNR關系密切的一個參數是接收靈敏度。和數字光纖通信系統相似，在模擬光纖通信系統中，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

15、Ps, min，并以dBm為單位。假設系統除量子噪聲外，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。根據假設，式(6.10)分母后兩項為零，利用式(3.14)響應度=e/(hf)，m=1, g=1, 式(6.10)簡化為(6.12)hfBPNS4bP第6章模擬光纖通信系統 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=6.6281034 Js為普朗克常數，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為噪聲帶寬。(6.13)12bmi

16、ns,mPPPmins,22NSBhfP(6.14)第6章模擬光纖通信系統 設光檢測器為PIN-PD, 光波長=1.31 m, 量子效率=0.6，噪聲帶寬B=8 MHz，系統要求SNR=50 dB。由式(6.14)得到Ps,min=2.86107 mW, 或Pr=10 lg Ps,min=65.4 dBm。當然，實際系統必須考慮光檢測器的暗電流噪聲、光檢測器負載電阻的熱噪聲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。 第6章模擬光纖通信系統 2. 信號失真信號失真為使模擬信號直接光強調制系統輸出光信號真實地反映輸入電信號，要求系統輸出光功率與輸入電信號成比例地隨時間變化，即不發生

17、信號失真。一般說，實現電/光轉換的光源，由于在大信號條件下工作，線性較差，所以發射機光源的輸出功率特性是D-IM系統產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/電轉換過程中產生的非線性失真，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微分增益(DG)和相位失真參數微分相位(DP)表示。DG可以從LED輸出功率特性曲線看出，其定義為 第6章模擬光纖通信系統 DP是LED發射光功率P和驅動電流I的相位延遲差，其定義為DP=j(I2)j(I1)(6.16)式中, I1和I2為LED不同數值的驅動電流，一般取I2I1。 (6.15)%100|DGmax21

18、2IIIdIdPdIdPdIdP第6章模擬光纖通信系統 雖然LED的線性比LD好，但仍然不能滿足高質量電視傳輸的要求。例如，短波長GaAlAs-LED的DG可能高達20%，DP高達8，而高質量電視傳輸要求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。 第6章模擬光纖通信系統 模擬信號直接光強調制光纖傳輸系統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中加入預先設計的、與LED非線性特性相反的非線性電路。這種補償方式不僅能獲得對LED的補償，而且能同時對系統其他元件的非線性進行補償。由

19、于這種方式是對系統的非線性補償，把預失真補償電路置于光發射機，給實時精細調整帶來一定困難，而把預失真補償電路置于光接收機，則便于實時精細調整。第6章模擬光纖通信系統 設系統發射端輸入信號V1與接收端輸出信號V2之間相移為j1，它包含了LED輸出光功率P與驅動電流之間的相移，以及系統中其他各級輸出信號和輸入信號之間的相移。由于相移j 1隨輸入信號V1而變化，如圖6.3(a)，因而產生微分相位DP。微分相位補償是設計一種電路，使其相移特性j2與j 1的變化相反，如圖6.3(b)。兩個非線性電路相加，使系統總相移j 不隨輸入信號大小而變化，如圖6.3(c)。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.3微分相

20、位補償原理第6章模擬光纖通信系統 在模擬電視光纖傳輸系統中，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射極輸出的信號相位差180的原理構成的全通相移網絡來實現的。和微分相位補償原理相似，微分增益補償是對LED等非線性器件產生的高頻動態幅度失真的補償，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6章模擬光纖通信系統 圖 6.4微分相位補償電路第6章模擬光纖通信系統 圖6.5微分增益補償電路第6章模擬光纖通信系統 6.2.2光端機光端機光端機包括光發射機和光接收機。1. 光發射機光發射機模擬基帶直接光強調制光纖電視傳輸系統光發射機的功能是

21、，把模擬電信號轉換為光信號。對這種光發射機的基本要求是：(1) 發射(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，傳輸距離和發射光功率成正比。發射光功率取決于光源，LD優于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)，或增大調制指數m(mTV)。LED線性優于LD。 第6章模擬光纖通信系統 (3) 調制指數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) 光功率溫度穩定性要好。LED溫度穩定性優于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D-I

22、M光纖電視傳輸系統光發射機方框圖如圖6.6所示，輸入TV信號經同步分離和箝位電路后，輸入LED的驅動電路。驅動電路的末級及其工作原理示于圖6.7，圖中R1C1電路用于調節D-IM系統電視信號的幅頻特性，Re用于監測通過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節。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.6光發射機方框圖第6章模擬光纖通信系統 圖6.7LED驅動電路的末級及其工作原理第6章模擬光纖通信系統 由于全電視信號隨亮場和暗場的變化而變化，為保證動態DP和DG的規定值，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

23、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。 第6章模擬光纖通信系統 2. 光接收機光接收機光接收機的功能是把光信號轉換為電信號。對光接收機的基本要求是： (1) 輸出信噪比(SNR)要高；(2) 幅頻特性要好；(3) 帶寬要足夠。 模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統光接收機方框圖如圖6.8所示，光檢測器把輸入光信號轉換為電信號，經前置放大器和主放大器放大后輸出，為保證輸出穩定，通常要用自動增益控制(AGC)。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.8光接

24、收機方框圖第6章模擬光纖通信系統 光檢測器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需較低偏壓(1020 V)就能正常工作，電路簡單，但沒有內增益，SNR較低。APD需要較高偏壓(30200 V)才能正常工作，且內增益隨環境溫度變化較大，應有偏壓控制電路。APD的優點是有20200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，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最低的，因此前放決定著系統的SNR和接收靈敏度。目前這種系統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。第6章模擬光纖通信

25、系統 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需要的適當電平。由于光源老化使光功率下降，環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。6.2.3系統性能系統性能模擬基帶直接光強調制光纖電視傳輸系統方框圖如圖6.9所示。在發射端，模擬基帶電視信號和調頻(FM)伴音信號分別輸入LED驅動器，在接收端進行分離。改進DP和DG的預失真電路置于接收端。主要技術參數舉例如下。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.9模擬基帶直接光強調制光纖電視傳輸系統方框圖第6章模擬光纖通信系統 1. 系統參數系統參數(1) 視頻部

26、分： 帶寬06 MHz SNR50 dB DG4% DP4 發射光功率-15 dBm(32 W) 接收靈敏度-30 dBm第6章模擬光纖通信系統 (2) 伴音部分： 帶寬0.0415 kHz 輸入輸出電平0 dBr SNR55 dB 畸變2% 伴音調頻副載頻8 MHz第6章模擬光纖通信系統 2. 光纖損耗對傳輸距離的限制光纖損耗對傳輸距離的限制模擬基帶直接光強調制光纖電視傳輸系統的傳輸距離大多受光纖損耗的限制。根據發射光功率、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為發射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm), M為系統余量(dB)，a為光纖線路(包括光纖、連接器

27、和接頭)每千米平均損耗系數(dB/km)。(6.17)aMPPLrt第6章模擬光纖通信系統 對于波長為0.85 m和1.31 m的多模光纖，損耗系數a可以分別取3 dB/km和1 dB/km，M取3 dB。用上述舉例中的數據，Pt=15 dBm，Pr=30 dBm，由式(6.17)計算得到中繼距離分別為L=4 km和L=12 km。3. 系統對光纖帶寬的要求系統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)的關系為B1=BL(6.18)第6章模擬光纖通信系統 式中串接因子=0.51，為方便起見，取=1, 這是最保守的取值，

28、光纖線路總帶寬B=8 MHz，根據上面的計算，0.85 m和1.31 m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 MHzkm和B1=96 MHzkm。如果采用原CCITT G.651的標準多模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，認真計算是必要的，因為在短波長光纖材料色散和LED光源譜寬的影響是不可忽視的。 第6章模擬光纖通信系統 在短波長使用LED光源的情況下，光纖線路總帶寬應為式中, Bm和Bc分別為模式色散和材料色散引起的帶寬。(6.1

29、9)）取1(11mLBLBBrLCB)(1044. 06c2/12c2m)(BBB(6.20)第6章模擬光纖通信系統 式中,C()為光纖材料色散系數，為光源FWHM譜寬。由式(6.19)和式(6.20)得到 例如，在0.85 m，多模光纖C()=120 ps/(nmkm)，設LED譜寬=50 nm，如果根據上面的計算結果B1=32 MHzkm, 由式(6.21)計算得到B11.2BL=38 MHzkm, 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，要根據經濟效益(系統成本和維修費用)來決定。 (6.21)26111044. 0)(1BCBLB第6章模擬光纖通信系統 6.3副

30、載波復用光纖傳輸系統副載波復用光纖傳輸系統圖6.10示出副載波復用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統方框圖。N個頻道的模擬基帶電視信號分別調制頻率為f1，f2，f3， fN的射頻(RF)信號，把N個承載電視信號的副載波f1s，f2s， f3s，fNs組合成寬帶信號，再用這個寬帶信號對光源(一般為LD)進行光強調制，實現電/光轉換。光信號經光纖傳輸后，由光接收機實現光/電轉換，經分離和解調，最后輸出N個頻道的電視信號。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.0副載波復用模擬電視光纖傳輸系統方框圖第6章模擬光纖通信系統 模擬基帶電視信號對射頻的預調制，通常用殘留邊帶調幅(VSB-AM)和調頻(FM)兩種方式

31、，各有不同的適用場合和優缺點。我們主要討論殘留邊帶調幅副載波復用(VSB-AM/SCM)模擬電視光纖傳輸系統。6.3.1特性參數特性參數對于副載波復用模擬電視光纖傳輸系統，評價其傳輸質量的特性參數主要是載噪比(CNR)和信號失真。1. 載噪比載噪比載噪比CNR的定義是，把滿負載、無調制的等幅載波置于傳輸系統，在規定的帶寬內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6章模擬光纖通信系統 (6.22)2n2cpiiNC2n2cplg 10lg 10CNRiiNCtmIIItIiNiicos)()(1thbb式中, i2c為均方載波電流，i2n為均方噪聲電流。

32、 設在電/光轉換、光纖傳輸和光/電轉換過程中，都不存在信號失真。如圖6.11所示，輸入激光器的光強調制信號電流為或(6.23)(6.24)第6章模擬光纖通信系統 圖 6.11激光器模擬調制原理第6章模擬光纖通信系統 由于假設不存在信號失真，激光器輸出光功率為 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，mi和i分別為第i個頻道的調制指數和副載波角頻率。設每個頻道的調制指數都相同，即mi=mj=m(對于所有的ij)，暫時略去光纖傳輸因子10aL/10, a和L分別為光纖線路平均損耗系數和長度，系統使用PIN-PD，從光檢測器輸出的(載波)信

33、號電流為tmPPtPiNiicos)(1sb(6.25)(6.26)cos1 (10ctmIiiNi第6章模擬光纖通信系統 均方(載波)信號電流式中, Im=mI0為信號電流幅度，I0為平均信號電流，m=m0/為每個頻道的調制指數，m0為總調制指數，N為頻道總數。SCM模擬電視光纖傳輸系統中，產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，系統的總均方噪聲電流可表示為2m2c2IiL0202T2q2RIN2n42(RIN)RKTFBBeIBIiiii(6.27)(6.28)N第6章模擬光纖通信系統 式中, i2RIN、i2q和i2T分別為激光器的相對強度噪聲、光檢測

34、器的量子噪聲和折合到輸入端的放大器噪聲(含光檢測器負載電阻熱噪聲)產生的均方噪聲電流。e為電子電荷，B為噪聲帶寬，k=1.381023 J/K為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度，RL為光檢測器負載電阻，F為前置放大器噪聲系數。相對強度噪聲(RIN)是激光器諧振腔內載流子和光子密度隨機起伏產生的噪聲，一般不可忽略。由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到 (6.29)/42(RIN)2)(L02020pRKTFeIIBmINC第6章模擬光纖通信系統 式中平均信號電流I0=P0, P0=Pb10aL/10為光檢測器平均接收光功率，為響應度。由式(6.29)得到每個頻道的載噪比由此可見，載噪

35、比CNR隨著調制指數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。 (6.30)/42)(RIN)(2)(lg 10CNRL02020RKTFPePBPm第6章模擬光纖通信系統 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(含負載電阻熱噪聲)可以忽略，這樣系統只有量子噪聲起作用，由式(6.30)得到這時CNR與m2和P0成正比。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， eBPm4lg 10(CNR)02q(6.31)Bm(RIN

36、)2(CNR)2RIN(6.32)第6章模擬光纖通信系統 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(4kTF/RL)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)，設平均接收光功率P0=212 dBm,計算AM/SCM光纖傳輸系統CNR與P0的關系以及各項噪聲起決定作用時CNR的界限，如圖6.12所示。計算中采用的數據如下： (6.33)kTFBRPm8)(lg 10(CNR)L20T第6章模擬光纖通信系統 圖 6.12CNR的特性和各種噪聲的界限第6章模擬光纖通信系統 電子電荷：e=1.61019

37、 C；波爾茲曼常數: k=1.381023 J/K；調制指數：m=0.05；相對強度噪聲： (RIN)=150 dB/Hz；噪聲帶寬：B=4106 Hz；響應度： =0.8 A/W；負載電阻: RL=1 k；前放噪聲系數：F=3 dB；熱噪聲溫度： T=290 K；假設P0=0 dBm, 計算各項噪聲分別起決定作用時的CNR。第6章模擬光纖通信系統 由式(6.32)，相對強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)q=58.9 dB。由式(6.33)，前置放大器噪聲起決定作用時，(CNR)T=68.0 dB。提高CNR是系統設計中的

38、重要問題。由式(6.30)可以看出，在P0很大的條件下，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，要用預失真技術來補償。如果選用質量極好的DFB激光器來制造線性良好、發射功率又大的光發射機，勢必降低器件成品率，增加成本。綜合各種因素，最好采用適當低的光功率和適當大的調制指數，而不是相反。 第6章模擬光纖通信系統 不論采用什么預調制方式，計算CNR的公式都相同，只是公式中具體參數不同而已。所以式(6.29)式(6.33)既適用于VSB-AM, 也適合于FM。但是為獲得相同SNR，不同預調制方式所需的CNR都是不同的。為在接收機解調后獲得相同SN

39、R，兩種預調制方式所需的CNR比值為式中, Fd為由電視信號產生的頻偏峰 - 峰值，Bb為基帶信號帶寬，Bf為FM信號帶寬。 (6.34)3bf2dFMpAM.VSBp23)/()/(BBFNCNC第6章模擬光纖通信系統 設Fd=17 MHz, Bb=4 MHz, Bf=27 MHz, 代入式(6.34)計算結果用dB表示，得到FM相對于VSB-AM, 其CNR改善了21.1 dB。考慮到其他因素的影響，這個數值可以達到24 dB。兩種預調制方式的CNR比較如圖6.13所示。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C

40、NR=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。設光纖線路平均損耗系數為0.5 dB/km, 則FM方式的傳輸距離可增加13/0.5=26 km。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.13VSB-AM和FM方式CNR的比較第6章模擬光纖通信系統 2. 信號失真信號失真副載波復用模擬電視光纖傳輸系統產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/電轉換時可能產生的信號失真可以忽略。只要光纖帶寬足夠寬，傳輸過程可能產生的信號失真也可以忽略。下面討論激光器非線性效應

41、產生的信號失真，參看圖6.11。輸入激光器的調幅信號電流仍為式(6.24)所示，即(6.35)NiiitmIIItI1thbbcos)()(第6章模擬光纖通信系統 由于實際激光器輸出光功率P(t)與驅動電流I(t)的關系是非線性的，因而輸出光信號產生失真。在調制頻率fi(i/2)不超過1 GHz時，可以利用泰勒級數展開，把輸出光功率表示為略去式(6.35)四階以上(m4)的非線性項，把式(6.24)代入，用一組簡化的符號，得到P(t)a0a1Isa2I2sa3I3s (6.36) 式中ai(i1,2,3)包含P(t)對I(t)的 i 階導數， (6.35)!)(|)(b1bbmItIdIPdP

42、tPmIINmmm第6章模擬光纖通信系統 (6.37)NiiitII1scos2122s2cosNiiitIaIaNiNjjijiNiNjjijitIIatIIa112112)cos(2)cos(2式中Ii=(IbIth)mi為第 i 個頻道的信號電流幅度。我們所關心的二階非線性項和三階非線性項分別為(6.38)第6章模擬光纖通信系統 式中Ii=Ij=Ik=(IbIth)mi=(IbIth)m=I0m為每個頻道的信號電流幅度。 (6.39)312s3cos2NiiitIaIaNiNjNkkjikjiIIIa1112)cos(4NiNjNkkjikjiIIIa1113)cos(4NiNjNkkj

43、ikjiIIIa1112)cos(4第6章模擬光纖通信系統 副載波復用模擬電視光纖傳輸系統的信號失真用組合二階互調(CSO)失真和組合三階差拍(CTB)失真這兩個參數表示。兩個頻率的信號相互組合，產生和頻(i+j)和差頻(ij)信號，如果新頻率落在其它載波的視頻頻帶內，視頻信號就要產生失真。這種非線性效應會發生在所有RF電路，以及光發射機和光接收機中。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(ijk)的非線性組合，其定義和表示方法與CSO相似，單位相同。 第6章模擬光

44、纖通信系統 根據以上分析，第i個頻道的CSO和CTB分別表示為式中C2i和C3i分別為組合二階互調和組合三階差拍的系數，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，其數值由實驗確定。P0m為每個頻道輸出光信號幅度。(6.40) 20222)(2lg 10CSOmPPPCi 40223)(2lg 10CTBmPPPCi(6.41)第6章模擬光纖通信系統 CSO和CTB將以噪聲形式對圖像產生干擾，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，系統頻道N的副載波頻率 fN 和頻道1的副載頻f1應滿

45、足fN2f1, 即副載波最高頻率應小于最低頻率的2倍。這樣，如圖6.14所示，二階互調(fi+fj)都大于fN，落在系統頻帶的高頻端以外。二階互調(fifj)都小于f1, 落在低頻端以外。同理，為減少落在系統頻帶內的三階互調，應適當配置各頻道的副載波頻率，使三階互調頻率(fjfjfk)即使落在系統的頻帶內，也不落在工作頻道的信號頻帶內，如圖6.15所示。 這樣，雖然系統輸出端存在互調干擾，但分離和濾波后各頻道單獨輸出時，其影響就不明顯了。 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.14fN2f1的SCM系統的頻譜分布第6章模擬光纖通信系統 圖 6.15SCM系統帶內三階互調干擾的最佳頻譜分布第6章模擬光

46、纖通信系統 (2) 限制調制指數m，以保證CSO和CTB符合規定的指標。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，因而產生信號失真。由于多路RF信號疊加后的合成信號具有隨機性，當N很大時，服從高斯分布，產生過大信號的概率很小。分析計算表明，CSO和CTB是參數=m和N十分復雜的函數，m為調制指數，N為頻道總數。圖6.17(a)和(b)分別示出N=47和N=59時CS

47、O、CTB與和m的關系曲線。由圖可見，為保證CSO65 dBc和CTB65 dBc，值不應大于0.25，由此得到m0.35/。由圖6.18可以看到，當0.31 時，CSO、CTB與N幾乎無關。N2/N第6章模擬光纖通信系統 圖6.16激光器的削波效應第6章模擬光纖通信系統 圖6.17CSO、CTB與光調制指數的關系 (a) N=47；(b) N=59 第6章模擬光纖通信系統 圖 6.18CSO和CTB與頻道數的關系第6章模擬光纖通信系統 (3) 采用外調制技術，把光載波的產生和調制分開。這樣，光源的光譜不會因調制而展寬，沒有附加的線性調頻(啁啾，chirp)產生的信號失真，因而改變了CSO和C

48、TB。6.3.2光端機光端機1. 光發射機光發射機對殘留邊帶調幅光發射機的基本要求是：(1) 輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性(P-I)線性要好；(2) 調制頻率要足夠高，調制特性要平坦；(3) 光源輸出的光波長應在光纖低損耗窗口，光譜寬度要窄；(4) 溫度穩定性要好。第6章模擬光纖通信系統 VSB-AM光發射機的構成示于圖6.19。輸入到光發射機的電信號經前饋放大器放大后，受到電平監控，以電流的形式驅動激光器。LD輸出特性要求是線性的，但在實際電/光轉換過程中，微小的非線性效應是不可避免的，而且要影響系統的性能。所以優質的光發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)

49、。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PIN-PD檢測的光電流實現自動功率控制。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6章模擬光纖通信系統 正確選擇光發射機對系統性能和CATV網的造價都有重大意義。目前可供選擇的光發射機有：(1) 直接調制1310 nm分布反饋(DFB)激光器光發射機，如圖6.19和圖6.20所示。 第6章模擬光纖通信系統 圖6.19VSB-AM光發射機的構成第6章模擬光纖通信系統

50、 圖6.20直接調制DFB光發射機方框圖第6章模擬光纖通信系統 (2) 外調制1550 nm分布反饋(DFB)激光器光發射機，如圖6.21所示。第6章模擬光纖通信系統 圖6.21外調制DFB光發射機方框圖第6章模擬光纖通信系統 (3) 外調制摻釹釔鋁石榴石(Nd: YAG)固體激光器光發射機，如圖6.22所示。第6章模擬光纖通信系統 圖6.22外調制YAG光發射機方框圖第6章模擬光纖通信系統 直接調制1310 nm DFB光發射機是目前CATV光纖傳輸網特別是分配網使用最廣泛的光發射機。原因是這種光發射機發射光功率高達10 mW, 傳輸距離可達35 km, 而且性能良好，價格比其他兩種光發射機便宜。這種良好性能來自DFB激光器這種單模激光器，其光譜寬度非常窄。第6章模擬光纖通信系統 外調