模拟光纤通信系统教学课件

6.1 调制方式调制方式 模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制(D-IM)(D-IM)模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式 频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式6.1.1 模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制 模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制(D-IM)(D-IM)是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或LD)进行光强调制光强调制光强调制光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。20世纪70年代末期，光纤开始用于模拟电视传输时，采用一根多模光纤传输一路电视信号的方式，就是这种基带传输方式。所谓基带基带基带基带，就是对载波调制之前的视频信号频带。对于广播电视节目而言，视频信号带宽(最高频率)是6MHz，加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系统每路电视信号的带宽为8 MHz。用这种模拟基带信号对发射机光源(线性良好的LED)进行直接光强调制，若光载波的波长为0.85 m，传输距离不到4 km,若波长为1.3 m，传输距离也只有10 km左右。D-IM光纤传输系统的特点是：光纤传输系统的特点是：设备简单 价格低廉 因而在短距离传输中得到广泛应用。6.1.2 模拟间接光强调制模拟间接光强调制 模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式 是先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制光强调制(IM)。这种系统又称为预调制直接光强调制光纤传输系统预调制直接光强调制光纤传输系统。预调制主要有以下三种:1.频率调制频率调制(FM)频频率率调调制制方方式式是先用承载信息的模拟基带信号对正弦载波进行调频，产生等幅的频率受调的正弦信号，其频率随输入的模拟基带信号的瞬时值而变化。然后用这个正弦调频信号对光源进行光强调制，形成FM-IM光纤传输系统。2.脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)脉脉冲冲频频率率调调制制方方式式是先用承载信息的模拟基带信号对脉冲载波进行调频，产生等幅、等宽的频率受调的脉冲信号，其脉冲频率随输入的模拟基带信号的瞬时值而变化。然后用这个脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成PFM-IM光纤传输系统。3.方波频率调制方波频率调制(SWFM)方方波波频频率率调调制制方方式式是先用承载信息的模拟基带信号对方波进行调频，产生等幅、不等宽的方波脉冲调频信号，其方波脉冲频率随输入的模拟基带信号的幅度而变化。然后用这个方波脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成SWFM-IM光纤传输系统。采用模拟间接光强调制的目的采用模拟间接光强调制的目的采用模拟间接光强调制的目的采用模拟间接光强调制的目的:提高传输质量和增加传输距离提高传输质量和增加传输距离 由于模拟基带直接光强调制(D-IM)光纤传输系统的性能受到光源非线性的限制，一般只能使用线性良好的LED作光源。LED入纤功率很小，所以传输距离很短。入纤功率很小，所以传输距离很短。在采用模拟间接光强调制时，由于驱动光源的是脉冲信号，它基本上不受光源非线性的影响，所以可以采用线性较差、入纤功率较大的LD器件作光源。因而因而因而因而PFM-IMPFM-IM系统的传输距离比系统的传输距离比系统的传输距离比系统的传输距离比D-IMD-IM系统的更长系统的更长系统的更长系统的更长 对于多模光纤，若波长为0.85 m，传输距离可达10 km；若波长为1.3 m，传输距离可达30 km。对于单模光纤，若波长为1.3 m，传输距离可达50 km。SWFM-IM光纤传输系统不仅具有PFM-IM系统的传输距离长的优点，还具有PFM-IM系统所没有的独特优点独特优点:在光纤上传输的等幅、不等宽的方波调频(SWFM)脉冲不含不含基带成分基带成分 因而这种模拟光纤传输系统的信号质量与传输距离无关信号质量与传输距离无关信号质量与传输距离无关信号质量与传输距离无关 SWFM-IM系统的信噪比信噪比信噪比信噪比也比D-IM系统的信噪比信噪比信噪比信噪比高高高高得多上述光纤的传输方式都存在一个共同的问题：一根光纤只能传输一路信号。这种情况，既满足不了现代社会对大信息量的要求，也没有充分发挥光纤带宽的独特优势。因此，开发多路模拟传输系统，就成为技术发展的必然。开发多路模拟传输系统，就成为技术发展的必然。实现一根光纤传输多路信号有多种方法实现一根光纤传输多路信号有多种方法 目前现实的方法是先对电信号复用，再对光源进行光强调制。对电信号的复用可以是频频分分复复用用(FDM)，也可以是时时分分复复用用(TDM)。FDM FDM系统的优点：系统的优点：系统的优点：系统的优点：电路结构简单、制造成本较低以及模拟和数字兼容等 FDM系统的传输容量只受光器件调制带宽的限制，与所用电子器件的关系不大 这些明显的优点，使FDM多路传输方式受到广泛的重视。6.1.3 频分复用光强调制频分复用光强调制 频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式 用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射射频频(RF)电电信信号号进行调调幅幅(AM)或调调频频(FM)，然后用组合器把多个预调RF信号组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分离。因为传统意义上的载波是光光载载波波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副副载载波波，这种复用方式也称为副副载载波复用波复用(SCM)。SCM模拟电视光纤传输系统的优点：模拟电视光纤传输系统的优点：一个光载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载不同类型的业务。SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，制造成本较低。前后兼容。不仅可以满足目前社会对电视频道日益增多的要求，而且便于在光纤与同轴电缆混合的有有线线电电视视系系统统(HFC)中采用。副载波复用的实质是副载波复用的实质是:利用光纤传输系统很宽的带宽换取有限的信号功率，也就是增加信道带宽，降低对信道载噪比(载波功率/噪声功率)的要求，而又保持输出信噪比不变。在副载波系统中，预调制是采用调频还是调幅，取决于所要求的信道载噪比和所占用的带宽。6.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统模拟基带直接光强调制光纤传输系统 模拟基带直接光强调制(D-IM)光纤传输系统由光光光光发发发发射射射射机机机机(光源通常为发光二极管)、光光光光纤纤纤纤线线线线路路路路和光光光光接接接接收收收收机机机机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图6.1所示。图图 6.1 模拟信号直接光强调制系统方框图模拟信号直接光强调制系统方框图 调制器发光二极管发送机光检测器接收机放大器恢复原信号m(t)基带信号m(t)光纤 6.2.1 特性参数特性参数 评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪比信噪比(SNR)和信号失真信号失真(信号畸变信号畸变)。1.信噪比信噪比 正弦信号直接光强调制系统的信信信信噪噪噪噪比比比比主要受光接收机性能的影响，因而输入到光检测器的信号非常微弱，所以对系统的SNR影响很大。图图 6.2 发光二极管模拟调制原理发光二极管模拟调制原理 图6.2示出对发光二极管进行正弦信号直接光强调制的原理。式中，i2s为均均方方信信号号电电流流和i2n为均均方方噪噪声声电电流流，RL为光检测器负载电阻光检测器负载电阻。这这种种系系统统的的信信噪噪比比定定义义为为接接收收信信号号功功率率和和噪噪声声功功率率(NP)的比值的比值：信噪比一般用dB作单位，即（6.1）如图6.2所示，光源驱动电流光源驱动电流：I=IB(1+m cost)(6.2)设光源具有严格线性特性，不存在信号畸变，则输输出出光光功功率为率为 P=B(1+mcost)(6.3)式中，PB为偏置电流IB产生的光功率，m为调制指数，=2f，f为调制频率，t为时间。一般光纤线路有足够的带宽，可以假设信号在传输过程不存在失真，只受到exp(-L)的衰减，式中为光纤线路平均损耗系数，L为传输距离。由于到达光检测器的信号很弱，光接收机引起的信号失真可以忽略。在这些条件下，光检测器的输出光电流：光检测器的输出光电流：is=I0(1+m cost)(6.4)均方信号电流：均方信号电流：（6.5）式中,Im=mI0 为信信号号电电流流幅幅度度，I0为平平均均信信号号电电流流，m为调制指数调制指数，其定义为：平均信号电流平均信号电流:I0=gIP=gPb (6.7)式中,Pb=KPB为输入光检测器的平均光功率，K代表光光纤纤线线路路的的衰衰减减，为光光检检测测器器的的响响应应度度，IP为一一次次光光生生电电流流，g为APD的倍增因子的倍增因子。设使用PIN-PD,g=1。由式(6.5)式(6.7)得到均方信号电流：均方信号电流：i2s=(6.8)模拟信号直接光强调制系统的噪声主要来源于光检测器的量子噪声、暗电流噪声、负载电阻RL的热噪声和前置放大器的噪声，总均方噪声电流总均方噪声电流(参考3.2节)可写成 式中,i2q为量量子子噪噪声声、i2d为暗暗电电流流、i2T为热噪声产生的均方噪声电流，e为电子电荷，B为噪声带宽，一般等于信号带宽，Id为暗电流，k=1.381023J/K为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T为热力学温度，RL为光检测器负载电阻，F为前置放大器的噪声系数。（6.9）由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正正弦弦信信号号直直接接光光强强调调制制系统的信噪比为：系统的信噪比为：对于电视信号直接光强调制系统的信噪比有些不同，假设传输的是阶梯形全电视信号，则（6.10）（6.11）式中,mTV为电视信号的调制指数，其他符号的意义和式(6.10)相同，但g=1。和SNR关系密切的一个参数是接接收收灵灵敏敏度度。和数字光纤通信系统相似，在模拟光纤通信系统中，我们把接接收收灵灵敏敏度度Pr定定义义为为：在限定信噪比条件下，光接收机所需的最小信号光功率Ps,min，并以dBm为单位。假设系统除量子噪声外，没有其他噪声存在，在这种情况下，灵敏度由平均信号电流决定，这样确定的灵敏度称为(最最高高)极限灵敏度极限灵敏度。根据假设，式(6.10)分母后两项为零，利用式(3.14)响应度=e/hf，m=1,g=1,式(6.10)简化为（6.12）式中,hf为光子能量，h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/为光频率，c=3108 m/s为光速，为光波长(m),为光检测器量子效率(%)，B为噪声带宽。在限定信噪比条件下，光接收机所需的最小信号光功率：最小信号光功率：(6.13)把式(6.12)代入式(6.13)得到(6.14)设光检测器为PIN-PD,光波长=1.31 m,量子效率=0.6，噪声带宽B=8 MHz，系统要求SNR=50 dB。由式(6.14)得到P s,min=2.8610-7 mW,Pr=10lgPs,min=-65.4 dBm。当然，实际系统必须考虑光检测器的暗电流和前置放大器的噪声。因而，实际灵敏度比极限灵敏度要低得多。实际灵敏度比极限灵敏度要低得多。2.信号失真信号失真 为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实地反映输入电信号，要求系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间变化，即不发生信号失真。一般说，实现电/光转换的光源，由于在大信号条件下工作，线性较差，所以发发射射机机光光源源的的输输出出功功率率特特性性是是DIM系系统统产产生非线性失真的主要原因。生非线性失真的主要原因。因而略去光纤传输和光检测器在光/电转换过程中产生的非线性失真，只讨论光源LED的非线性失真。参看图6.2。非线性失真一般可以用幅度失真参数微微分分增增益益(DG)和相位失真参数微微分分相相位位(DP)表示。DG可以从LED输出功率特性曲线看出，其定义为：DP是LED发射光功率P和驱动电流I的相位延迟差，其定义为：（6.15）式中,I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2I1。（6.16）虽然LED的线性比LD好，但仍然不能满足高质量电视传输的要求。影响LED非线性的因素很多，要大幅度改善动态非线性失真非常困难，因而需要从电路方面进行非线性补偿非线性补偿。模拟信号直接光强调制光纤传输系统的非线性补偿有许多方式，目前一般都采用预失真补偿方式。预预失失真真补补偿偿方方式式是在系统中加入预先设计的、与LED非线性特性相反的非线性失真电路。这种补偿方式不仅能获得对LED的补偿，而且能同时对系统其他元件的非线性进行补偿。由于这种方式是对系统的非非线线性性补补偿偿，把预失真补偿电路置于光发射机，给实时精细调整带来一定困难，而把预失真补偿电路置于光接收机，则便于实时精细调整。设系统发射端输入信号V1与接收端输出信号V2之间相移为 ，它包含了LED输出光功率P与驱动电流之间的相移，以及系统中其他各级输出信号和输入信号之间的相移。由于相移随输入信号V1而变化，如图6.3(a)，因而产生微分相位DP。微分相位补偿是设计一种电路，使其相移特性 与 的变化相反，如图6.3(b)。两个非线性电路相加，使系统总相移 不随输入信号大小而变化，如图6.3(c)。图图 6.3 微分相位补偿原理微分相位补偿原理（c）（b）（a）000V1V1V1图图 6.4 微分相位补偿电路微分相位补偿电路 在在模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统中中，最最广广泛泛使使用用的的电电路路是是微微分分相相位位四四点点补补偿偿电电路路，如如图图6.4所所示示。这种电路的相位补偿是利用集电极和发射极输出的信号相位差180的原理构成的全通相移网络来实现的。和微分相位补偿原理相似，微分增益补偿是对LED等非线性器件产生的高频动态幅度失真的补偿，目前最广泛使用的微微分增益四点补偿电路分增益四点补偿电路如图6.5所示。图图6.5 微分增益补偿电路微分增益补偿电路 6.2.2 光端机光端机 光端机包括光发射机和光接收机。光端机包括光发射机和光接收机。1.光发射机光发射机 模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是，把模拟电信号转换为光信号。对光发射机的基本要求是：对光发射机的基本要求是：发发射射(入入纤纤)光光功功率率要要大大，以以利利于于增增加加传传输输距距离离。在光纤损耗和接收灵敏度一定的条件下，传输距离和发射光功率成正比。发射光功率取决于光源，发射光功率取决于光源，LD优于优于LED。非线性失真要小，以利于减小微微分分相相位位(DP)和微微分分增增益益(DG)，或增大调制指数调制指数m(mTV)。LED线性优于线性优于LD。调调制制指指数数m(mTV)要要适适当当大大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。光光功功率率温温度度稳稳定定性性要要好好。LED温度稳定性优于LD，用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控制，因而可以简化电路、降低成本。模模拟拟基基带带DIM光光纤纤电电视视传传输输系系统统光光发发射射机机方方框框图图如下图所示，输入TV信号经同步分离和箝位电路后，输入LED的驱动电路。图图 6.6 光发射机方框图光发射机方框图 箝位电路同步分离驱动电路LEDTV入 驱驱动动电电路路的的末末级级及及其其工工作作原原理理示示于于图图6.7，图中R1C1电路用于调节DIM系统电视信号的幅频特性，Re用于监测通过LED的电流，Rc用于控制通过LED的极限电流，V2用于保护LED防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路调节。图图6.7(a)LED驱动电路的末级驱动电路的末级C1R1EcRc(a)V2ReV1LED图图6.7(b)LED驱动电路工作原理驱动电路工作原理 时间时间电流电流时间时间光光功功率率(b)由于全电视信号随亮场和暗场的变化而变化，为保证动态DP和DG的规定值，必须保持DP和DG补偿电路的工作点不随亮场和暗场而变化，所以应有箝位电路来保证其工作点恒定。应有箝位电路来保证其工作点恒定。在全电视信号中，图像信号随亮场和暗场而变化，其同步脉冲信号在工作过程是不变的，因而利用同步脉冲和图像信号处于不同电平的特点，对全电视信号中的同步脉冲进行分分离离和箝位箝位。2.光接收机光接收机 光接收机的功能是把光信号转换为电信号。对光接收机的基本要求是：对光接收机的基本要求是：信噪比(SNR)要高 幅频特性要好 带宽要宽 模模拟拟基基带带D-IM光光纤纤电电视视传传输输系系统统光光接接收收机机方方框框图图如如图图6.8所所示示，光检测器把输入光信号转换为电信号，经前置放大器和主放大器放大后输出，为保证输出稳定，通常要用自自动动增增益益控控制制(AGC)。光检测器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需较低偏压(1020 V)就能正常工作，电路简单，但没有内增益，SNR较低。APD需要较高偏压(30200 V)才能正常工作，且内增益随环境温度变化较大，应有偏压控制电路。图图 6.8 光接收机方框图光接收机方框图 前放主放AGC光检测器 APD的的优优点点：有20200倍的雪崩增益，可改善SNR。对于模拟基带D-IM光纤电视传输系统，力求电路简单，光检测器一般都采用PIN-PD。前置放大器的输入信号电平是全系统最低的，因此前前放放决决定定着着系系统统的的SNR和和接接收收灵灵敏敏度度。目前这种系统都采用补偿式跨阻抗前放。如采用PIN-FET混合集成电路的前放，可获得较高SNR和较宽的工作频带。主放大器是一个高增益宽频带放大器，用于把前放输出的信号放大到系统需要的适当电平。由于光源老化使光功率下降，环境温度影响光纤损耗变化，以及传输距离长短不一，使输入光检测器的光功率大小不同，所以需要AGC来保证光接收机输出恒定。6.2.3 系统性能系统性能 模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统方框图如下图所示。在发射端，模拟基带电视信号和调频(FM)伴音信号分别输入LED驱动器，在接收端进行分离。改进DP和DG的预失真电路置于接收端。1.系统参数系统参数 (1)视频部分：带宽 06 MHz SNR 50 dB(未加校)DG 4%DP 4 发射光功率 -15 dBm(32 W)接收灵敏度 -30 dBm (2)伴音部分：带宽0.0415 kHz 输入输出电平0 dBr SNR 55 dB(加校)畸变2%伴音调频副载频8 MHz主要技术参数举例如下。2.光纤损耗对传输距离的限制光纤损耗对传输距离的限制 模模拟拟基基带带直直接接光光强强调调制制光光纤纤电电视视传传输输系系统统的的传传输输距距离离大大多多受受光光纤纤损损耗耗的的限限制制。根据发射光功率、接收灵敏度和光纤线路损耗可以计算传输距离L，其公式为：式中,Pt为发发射射光光功功率率(dBm)，Pr为接接收收灵灵敏敏度度(dBm),M 为系系统统余余量量(dB)，为光光纤纤线线路路(包包括括光光纤纤、连连接接器器和和接接头头)每每千千米平均损耗系数米平均损耗系数(dB/km)。（6.17）3.系统对光纤带宽的要求系统对光纤带宽的要求 对于多模光纤而言，长度为L的光纤线路总带宽B(MHz)和单位长度(1 km)光纤带宽B1(MHzkm)的关系为：B1=BL (6.18)式中串接因子=0.51，为方便起见，取=1,这是最保守的取值，光纤线路总带宽B=8 MHz，根据上面的计算，0.85 m和1.31 m中继距离分别为L=4 km和L=12 km。由式(6.18)计算得到，所需单位长度光纤带宽分别为B1=32 MHzkm和 B1=96 MHzkm。如果采用原CCITT G.651的标准多模GI光纤，其单位长度带宽至少是200 MHzkm,因此完全可以满足要求。如果采用多模SI光纤，其带宽只有几十MHzkm，这时，认真计算是必要的，因为在在短短波波长长光光纤纤材材料料色色散散和和LED光光源源谱谱线线宽宽度度的的影影响响是是不不可可忽忽视的。视的。在短波长使用LED光源的情况下，光纤线路总带宽应为：(6.19)式中,Bm和Bc分别为模式色散模式色散和材料色散材料色散引起的带宽。在实际工程中是否采用短波长LED和多模SI光纤，要根据经济效益(系统成本和维修费用)来决定。式中,C()为光光纤纤材材料料色色散散，为光光源源FWHM谱谱线线宽宽度度。由式(6.19)和式(6.20)得到：（6.21）（6.20）6.3 副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统 图6.10示出副副载载波波复复用用(SCM)模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统方框图。N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1,f2,f3,fN的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s，,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换。光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。图图 6.0 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残残留留边边带带调调幅幅(VSBAM)和调频调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残残留留边边带带调调幅幅副副载载波波复复用用(VSB-AM/SCM)模拟电视光纤传输系统。6.3.1 特性参数特性参数 对于副载波复用模拟电视光纤传输系统，评价其传输质量的特性参数主要是载噪比载噪比(CNR)和信号失真信号失真。1.载噪比载噪比 载载噪噪比比CNR的的定定义义是是：把满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率(C)和噪声功率(NP)的比值，并以dB为单位，用公式表示为：（6.22）式中,i2c为均方载波电流，i2n为均方噪声电流。设在电/光转换、光纤传输和光/电转换过程中，都不存在信号失真。如图6.11所示，输入激光器的调幅信号电流为：输入激光器的调幅信号电流为：或 CNR=10lg(6.23)(6.24)图图 6.11 激光器模拟调制原理激光器模拟调制原理 PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI输出信号输出信号输入信号输入信号 由于假设不存在信号失真，激光器输出光功率为：激光器输出光功率为：（6.25）式中,Ps=Pb-Pth，Pb和Pth分别为偏置电流Ib和阈值电流Ith对应的光功率，N为频道总数，mi为第i个频道的调制指数，i为第i个频道的副载波角频率。设每个频道的调制指数都相同，即mi=mj=mk=m，暂时略去光纤传输因子10-L/10,为光纤线路平均损耗系数，L为光纤线路平均损耗长度，系统使用PIN-PD，从光检测器输出的(载波)信号电流为：ic=I0(1+m （6.26）均方(载波)信号电流：（6.27）式中,Im=mI0为信号电流幅度，I0为平均信号电流，m=m0/为每个频道的调制指数，m0为总调制指数，N为频道总数。SCM为为模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统，产产生生噪噪声声的的主主要要有有激激光光器器、光光检检测测器器和和前前置置放放大大器器。采用PIN-PD，略去暗电流，系统的总均方噪声电流可表示为：式中,i2RIN为激光器的相对强度噪声、i2q为激光器的光检测器的量子噪声,i2T为激光器的折合到输入端的放大器噪声产生的均方噪声电流。e为电子电荷，B为噪声带宽，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，RL为光检测器负载电阻，F为前置放大器噪声系数。相对强度噪声(RIN)是激光器谐振腔内载流子和光子密度随机起伏产生的噪声，一般不可忽略。（6.28）式中平均信号电流I0=P0,P0=Pb10L/10为光检测器平均接收光功率，为响应度。由式(6.29)得到每个信道的载噪比 由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到(6.29)CNR=10lg (6.30)由此可见，载载噪噪比比CNR随随着着调调制制指指数数m和和平平均均接接收收光光功功率率P0的的增增加加而而增增加加，随随三三项项噪噪声声的的增增加加而而减减小小。下面观察一下三项噪声的界限。在平均接收光功率P0较大的条件下，激光器的相对强度噪声(RIN)和前置放大器的噪声可以忽略，这样系统只有量子噪声起作用，由式(6.30)得到 这时CNR与m2和P0成正比。(CNR)q=10 lg（6.31）如果平均接收光功率P0很大，激光器相对强度噪声(RIN)起决定作用，光检测器的量子噪声和前置放大器噪声都可以忽略，在这个条件下，(CNR)RIN=(6.32)这时CNR与m2成正比，与(RIN)成反比。当平均接收光功率P0很小时，前置放大器噪声起着决定性作用，其他两项噪声都可以忽略，这时由式(6.30)得到 （CNR)T=10lg(6.33)利用式(6.30)式(6.33)，设平均接收光功率P0=212 dBm,计算AM/SCM光纤传输系统CNR与P0的关系以及各项噪声起决定作用时CNR的界限，如图6.12所示。计算中采用的数据如下：电子电荷：e=1.610-19 C波尔兹曼常数：k=1.3810-23 J/K调制指数：m=0.05相对强度噪声：(RIN)=150 dB/Hz噪声带宽：B=4106 Hz响应度：=0.8 A/W图图 6.12 CNR的特性和各种噪声的界限的特性和各种噪声的界限 RIN噪声的界限噪声的界限量子噪声界限量子噪声界限前置放大器前置放大器噪声界限噪声界限平均接收光功率平均接收光功率/dBmCNR/dB20-2-4-6-8-10-1244485052545646 负载电阻:RL=1 k 前放噪声系数：F=3 dB 热噪声温度：T=290 K 假设P0=0 dBm,计算各项噪声分别起决定作用时的CNR。由式(6.32)，相对强度噪声起决定作用时，(CNR)RIN=54.9 dB。由式(6.31)，量子噪声起决定作用时，CNR=58.9 dB。由式(6.33)，前置放大器噪声起决定作用时，CNR=68.0 dB。提高CNR是系统设计中的重要问题。由式(6.30)可以看出，增大P0不一定能提高CNR。为了提高CNR，增大m是可取的。但是增增大大m又又会会使使激激光光器器的的线线性性劣劣化化，要要用用预预失失真真技技术术来来补补偿偿。如果选用质量极好的DFB激光器来制造线性良好、发射功率又大的光发射机，势必降低器件成品率，增加成本。综合各种因素，最最好好采采用用适适当当低低的的光光功功率率和和适适当当大大的的调调制制指指数数，而不是相反。不论采用什么预调制方式，计算CNR的公式都相同，只是公式中具体参数不同而已。所以式(6.29)式(6.33)既适用于VSBAM,也适合于FM。式中,d为由图像信号产生的频频偏偏峰峰-峰峰值值，Bb为基带信号带宽，Bf为FM信号带宽。设Fd=17 MHz,Bb=4 MHz,Bf=27 MHz,代入式(6.34)计算结果用dB表示，得到FM相对于VSB-AM,其CNR改善了21.1 dB。考虑到其他因素的影响，这个数值可以达到24 dB。但是为获得相同SNR，不同预调制方式所需的CNR都是不同的。为为在在接接收收机机解解调调后后获获得得相相同同SNR，两两种种预预调调制制方方式式所所需的需的CNR比值为：比值为：（6.34）两种预调制方式的CNR比较如图6.13所示。例如，用VSB-AM方式，要求CNR=52 dB，图中显示，至少要求平均接收光功率为2 dBm。如果用FM方式，只需要CNR=5224=28 dB,图中显示，平均接收光功率可以降低到15 dBm，接收光功率改善了13 dB。设光纤线路平均损耗系数为0.5 dB/km,则FM方式的传输距离可增加13/0.5=26 km。由此可见，就就载载噪噪比比而而言言，预预调调制制方方式式FM优优于于VSB-AM。但但是是和和VSB-AM方方式式相相比比，FM方方式式存存在在一一个个本本质质性性问问题题，就就是是它它占占用用的的带带宽宽较较宽宽，约为VSBAM方式的6倍。所以要根据不同应用场合，选择不同预调制方式。图图 6.13 VSB-AM和和FM方式方式CNR的比较的比较+2-8-6-40-2-14-12-10-16106050403020平均接收光功率平均接收光功率/dBmCNR/dB4MHZ带宽（带宽（VSB-AM）27MHZ带宽（带宽（FM）2.信号失真信号失真 副载波复用模拟电视光纤传输系统产生信号失真的原因很多，但主主要要原原因因是是作作为为载载波波信信号号源源的的半半导导体体激激光光器器在在电电/光光转换时的非线性效应。转换时的非线性效应。由于到达光检测器的信号非常微弱，在光/电转换时可能产生的信号失真可以忽略。只要光纤带宽足够宽，传输过程可能产生的信号失真也可以忽略。下面讨论激光器非线性效应产生的信号失真，参看图6.11。输入激光器的调幅信号电流输入激光器的调幅信号电流仍为式(6.24)所示，即 由于实际激光器输出光功率P(t)与驱动电流I(t)的关系是非线性的，因而输出光信号产生失真。在调制频率fi(i/2)不超过1 GHz时，可以利用泰勒级数展开，把输出光功率表示为 略去式(6.35)四阶以上(m4)的非线性项，把式(6.24)代入，用一组简化的符号，得到 P(t)=a0+a1Is+a2I2s+a3I3s (6.36)式中ai(i=1,2,3)包含P(t)对I(t)的i阶导数，(6.35)（6.37）Ii=(Ib-Ith)mi为第i个频道的信号电流幅度。我们所关心的二阶非线性项和三阶非线性项分别为：(6.38)式中Ii=Ij=Ik=(Ib-Ith)mi=(Ib-Ith)m=I0m为每个信道的信号电流幅度。副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组组合合二二阶互调阶互调(CSO)失真失真和组合三阶差拍组合三阶差拍(CTB)失真失真这两个参数表示。两个频率的信号相互组合，产生和频(i+j)和差频(i-j)信号，如果新频率落在其他载波的视频频带内，视频信号就要产生失真。（6.39）这这种种非非线线性性效效应应会会发发生生在在所所有有RF电电路路，包包括括光光发发射射机机和和光接收机。光接收机。在给定的频道上，所有可能的双频组合的总和称为组组合合二二阶阶(CSO)互互调调失失真真。通常用这个总和与载波的比值表示，并以dB为单位，记为dBc。组组合合三三阶阶差差拍拍(CTB)失失真真是三个频率(ijk)的非线性组合，其定义和表示方法与CSO相似，单位相同。根据以上分析，第i个频道的CSO和CTB分别表示为：(6.40)(6.41)式中C2i为组合二阶互调的系数，C3i为组合三阶差拍的系数，在频道频率配置后具体计算。P、P和 分别为P对I的一阶、二阶和三阶导数，其数值由实验确定。P0m为每个频道输出光信号幅度。CSO和和CTB将将以以噪噪声声形形式式对对图图像像产产生生干干扰扰，为为减减小小这这种干扰，可以采用如下方法。种干扰，可以采用如下方法。(1)采用合理的频道频率配置，以减小C2i和C3i，改善CSO和CTB。为改善CSO，系统频道N的副载波频率fN和频道1的副载频f1应满足fN2f1,即副载波最高频率应小于最低频率的2倍。这样，如图6.14所示，二阶互调(fi+fj)都大于fN，落在系统频带的高频端以外。二阶互调(fi-fj)都小于f1,落在低频端以外。同理，为减少落在系统频带内的三阶互调，应适当配置各频道的副载波频率，使三阶互调频率(fjfjfk)即使落在系统的频带内，也不落在工作频道的信号频带内。图图 6.14 fN2f1的的SCM系统的频谱分布系统的频谱分布 图图 6.15 SCM系统带内三阶互调干扰的最佳频谱分布系统带内三阶互调干扰的最佳频谱分布 如图6.15所示。这样，虽然系统输出端存在互调干扰，但分离和滤波后各频道单独输出时，其影响就不明显了。(2)限制调制指数m，以保证CSO和CTB符合规定的指标。由式(6.40)和式(6.41)可以看到，CSO与与m2成成正正比比，CTB与与m4成正比，因此随着成正比，因此随着m值的增大，值的增大，CSO和和CTB迅速劣化。迅速劣化。因为驱动激光器的信号电流随m值的增大而增加，可能偶然延伸到LD的阈值以下或超过功率特性曲线的线性部分，引起削波(削底和限顶)效应，如图6.16所示，因而产生信号失真。由于多路RF信号的叠加具有随机性，当N很大时，服从高斯分布，产生过大信号的概率很小。分析计算表明，CSO和CTB是参数=m 和N十分复杂的函数，m为调制指数，N为频道总数。图图6.16 激光器的削波效应激光器的削波效应 削波削波部分部分IbIthIP输出功率输出功率线性线性 分析计算表明，CSO和CTB是参数=和N十分复杂的函数，m为调制指数，N为频道总数。图6.17(a)和(b)分别示出N=47和N=59时CSO,CTB与和m的关系曲线。由图可见，为保证CSO-65 dBc和CTB-65 dBc，值不应大于0.25，由此得到m0.35/。图图6.17 CSO、CTB与光调制指数的关系与光调制指数的关系 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/-dBc 由图6.18可以看到，当0.31 时，CSO,CTB与N几乎无关。(3)采用外调制技术，把光载波的产生和调制分开。这样，光源谱线不会因调制而展宽，没有附加的线性调频(啁啾，啁啾，chirp)产生的信号失真，因而改变了CSO和CTB。图图 6.18 CSO和和CTB与频道数的关系与频道数的关系=0.22=0.25=0.31=0.28=0.22=0.25=0.31=0.281010303050507070909050.050.070.070.090.090.0110.0110.0频道数频道数频道数频道数（a）（b）CSO/-dBcCTB/-dBc 6.3.2 光端机光端机 1.光发射机光发射机 对残留边带对残留边带调幅光发射机的基本要求是：调幅光发射机的基本要求是：输出光功率要足够大，输出光功率特性(P-I)线性要好 调制频率要足够高，调制特性要平坦；输出光波长应在光纤低损耗窗口，谱线宽度要窄；温度稳定性要好。VSB-AM光光发发射射机机的构成示于图6.19。输入到光发射机的电信号经前馈放大器放大后，受到电平监控，以电流的形式驱动激光器。LD输出特性要求是线性的，但在实际电/光转换过程中，微小的非线性效应是不可避免的，而且要影响系统的性能。所以优优质质的的光光发发射射机机都都要要进进行行预预失失真真控控制制。方方法法是是加加入入预预失失真真补补偿偿电电路路(预失真线性器预失真线性器)。预预失失真真补补偿偿电电路路实际上是一个与激光器的非线性相反的非线性电路，用来补偿激光器的非线性效应，以达到高度线性化的目的。为保证输出光的稳定，通常采用制冷元件和热敏电阻进行温度控制。同时用激光器的后向输出通过PIN-PD检测的光电流实现自动功率控制。为为抑抑制制光光纤纤线线路路上上不不均均匀匀点点(如如连连接接器器)的的反反射射，在在LD输出端设置光隔离器。输出端设置光隔离器。图图6.19 VSB-AM光发射机的构成光发射机的构成 正正确确选选择择光光发发射射机机对对系系统统性性能能和和CATV网网的的造造价价都都有有重重大大意义。目前可供选择的光发射机有：意义。目前可供选择的光发射机有：(1)直接调制1310 nm分分布布反反馈馈(DFB)激激光光器器光光发发射射机机，如图6.19和图6.20所示；图图6.20 直接调制直接调制DFB光发射机方框图光发射机方框图 图图6.21 外调制外调制DFB光发射机方框图光发射机方框图 (2)外调制1550 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机，如图6.21所示；图图6.22 外调制外调制YAG光发射机方框图光发射机方框图 (3)外调制掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)固体激光器光发射机，如图6.22所示。直直接接调调制制1310 nm DFB光光发发射射机机是是目目前前CATV光光纤纤传传输输网网特别是分配网使用最广泛的光发射机。特别是分配网使用最广泛的光发射机。原因是这种光发射机发射光功率高达10 mW,传输距离可达35 km,而且性能良好，价格比其他两种光发射机便宜。这种良好性能来自DFB激光器这种单模激光器，其谱线宽度非常窄。外外调调制制YAG光光发发射射机机主要由YAG激激光光器器、电电光光调调制制器器、预失真线性器预失真线性器和互调控制器构成。互调控制器构成。缺点是缺点是:设备较大 技术较复杂 这种光发射机主要用于CATV干线网，也可以用于分配网。预预失失真真线线性性器器作作为为调调制制器器的的驱驱动动电电路路，互互调调控控制制器器实实际际上上是是一一个个自自动动预预失失真真控控制制器器。波长为1310 nm外调制YAG光发射机发射光功率高达40 mW以上，相相对对强强度度噪噪声声(RIN)低到165 dB/Hz，信号失真性能极好信号失真性能极好。外调制1550 nm DFB光发射机结合了直接调制1310 nm DFB光发射机和外调制YAG光发射机的优点。这种光发射机采用DFB-LD作光源，用电流直接驱动，因而与1310 nm DFB光发射机同样具有小型、具有小型、轻便等优点。轻便等优点。采用外调制技术，又与外调制YAG光发射机同样具有极好的信号失真性能。虽然外调制1550 nm DFB光发射机的发发射射光功率只有光功率只有24 mW，但是这种缺点是可以克服和弥补的。，但是这种缺点是可以克服和弥补的。目前1550 nm掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)已经投入实用，使用EDFA可以把弱小的光信号放大到50 mW以上。另一方面，1550 nm的光纤损耗比1310 nm的低。外调制1550 nm DFB光发射机和EDFA组合提供了一个具有长距离传输潜力的光发射源，但由于EDFA要产生噪声，所以这这种种组组合合的的载载噪噪比比(CNR)不不能能和和直直接接调调制制1310 nm DFB光光发发射射机机或或外外调调制制YAG光发射机的性能相匹敌。光发射机的性能相匹敌。外调制1550 nm DFB光发射机和EDFA结合，在两个重要场合特别适用。主主要要应应用用是是取取代代微微波波和和强强化化前前端端(Headend)所所要要求求的的超超长长传传输输距距离离。但这时必须采用复杂的抑制受激布里渊散射(SBS)才能发挥作用。SBS是一种依赖光功率的非线性效应，这种效应随光纤长度的增长而明显增加，所以必须进行补偿。另另一一个个重重要要应应用用是是在在密密集集结结构构的的结结点点上上，这种结构需要高功率以分配给多个光分路。在这种场合就不存在SBS的限制了。2.光接收机光接收机 对对VSB-AM光接收机的基本要求是：光接收机的基本要求是：在一定输入功率条件下，有足够大的RF输出和尽可能小的噪声，以获得大CNR或SNR；要有足够大的工作带宽和频带平坦度，因而要采用高截止频率的光检测器和宽带放大器。图图6.23 VSB-AM光接收机的构成光接收机的构成 VSB-AM光光接接收收机机的的构构成成如图6.23所示。PIN-PD把光信号转换为电流，前置放大器大多采用能把信号电流变换为电压的跨阻抗型放大器，主放大器设有自动增益控制(AGC)。用用PIN-PD的的光光接接收收机机输输出出信信号号电电压压U(V)和和输输入入平平均均光光功功率率P0(W)的关系为：的关系为：式中,为光检测器响应度(A/W)，m为调制指数，G1为前置放大器的变换增益(V/A)，G2为主放大器的电压增益。（6.42）6.3.3 光链路性能光链路性能 由光发射机、光纤线路和光接收机构成的基本光纤通信系统，作为一个独立的“光信道”，在工程上一般称为光链路。光链路。光链路性能通常用在规定CSO和CTB的条件下，载噪比CNR与光链路损耗L的关系表示，L=Pt-P0,和L分别为光链路的平均损耗系数和传输长度，Pt和P0分别为平均发射光功率和平均接收光功率。作为例子,图 6.24 示出出外外调调制制YAG光光发发射射机机和和PIN-PD光光接接收收机机构构成成的的光光链链路路的的CNR与与光光链链路路损损耗耗的的关关系系，传输80个频道(NTSC-M)NTSC：美国国家电视系统委员会的正交平衡调幅制。光发射机RF输入电平为1833 dBmv,工作带宽为45750 MHz,发射光功率为13 dBm，调制指数为2.5%，光波长为1310 nm。由图6.23可见，当光链路损耗为10 dB(相当于接收光功率3 dBm)时，CNR=53 dB，并随光链路损耗的增加而减小。如果增加调制指数，使CNR改善2 dB,CTB将从-65 dBc劣化为-60.3 dBc。图图6.24 外调制外调制YAG光链路性能光链路性能 10121416184644485052545640 60 110 频道频道+4 +2 -3.5 dBCTB=-65光链路损耗光链路损耗/dBCNR/dBCTB=-60 更多精品资请访问更多精品资请访问 更多品资源请访问更多品资源请访问