1、6.1 调制方式调制方式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6.3 副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统第第 6 章模拟光纤通信系统章模拟光纤通信系统返回主目录Chapter 5 典型光纤传输系统6模拟光纤通信系统是一种通过光纤信道 传输模拟信号的通信系统，目前主要用于模拟电视传输。和数字光纤通信系统不同，模拟光纤通信系统采用 参数大小连续变化的信号来代表信息。要求在光/电转换过程中信号和信息存在 线性对应关系。因此，对于光源功率特性的线性要求，对系统信噪比的要求，都比较高。由于噪声的累积，和数字光纤通信系统相比，模拟光纤通信系统的 传输距离较短。但
2、是目前采用频分复用（FDM）技术，实现了一根光纤传输 100多路电视节目，在有线电视（CATV）网络中，有巨大的竞争能力。模拟光纤传输系统调制方式（1）模拟基带直接光强调制（2）模拟间接光强调制（3）频分复用光强调制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(D-IM)是用承载信息的模拟基带信号（未经过调制前的视频信号），直接对发射机光源(LED或LD)进行光强调制，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。特点：设备简单、价格低廉，适用于短距离传输。Chapter 5 典型光纤传输系统12 模拟基带直接光调制以LD 为例，当驱动电流大于阈值
3、电流时，激光器的输出光功率与注入电流成线性关系。输出光功率的变化反映了电流的变化。从而光载波就承载了所要传输的信息。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(IM)。这种系统又称为预调制直接光强调制光纤传输系统。预调制又有多种方式，主要有以下三种。1.频率调制频率调制(FM)频率调制方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FMIM光纤传输系统。2.脉冲频率调
4、制脉冲频率调制(PFM)脉冲频率调制方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PFMIM光纤传输系统。3.方波频率调制方波频率调制(SWFM)方波频率调制方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SWFMIM光纤传输系统。模拟基带直接光调制和模拟间接光强调制的比较：模拟间接光调制优点：提高传输质量、增加传输距离。原因：模
5、拟直接光调制（D-IM）光纤电视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。而模拟间接光强调制基本不受到光源的非线性影响，所以可以采用线性较差、入纤光功率较大的LD作为光源，故传输距离长。上述传输方式缺点：一根光纤只传送一路信号，没有充分利用到光纤带宽大的优点。故必须经过复用方式。实现一根光纤传输多路信号的方法是：先对电信号进行复用（一般采用频分复用FDM），再对光源进行光强调制。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是用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信号进行调幅(AM)或调频(F
6、M)，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载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载波复用(SCM)。SCM模拟电视光纤传输系统的优点：(1)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，有利于数字和模拟混合传输以及不同业务的综合和分离。(2)SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，FM/SCM可以传输60120路模拟电视节目，制造成本较低。因而在电视传输网中竞争能力强，发展速度快。(3)
7、在数字电视传输系统未能广泛应用的今天，线性良好的大功率LD已能得到实际应用，因而发展SCM模拟电视传输系统是适时的选择。这种系统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线电视系统(HFC)中采用。副载波复用的实质：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)光纤传输系统由光发射机(
8、光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图6.1所示。图 6.1 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(SNR)和信号失真(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噪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。这种系统的信噪比定义为接收信号功率和噪声功率(NP)的比值
9、图 6.2 发光二极管模拟调制原理 输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0正弦信号直接光强调制系统的信噪比为其中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=1.3810-23J/k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，m为调制指数，为光检测器的响应度，Pb为输入光检测器的平均光功率，g为APD的倍增因子。若使用PIN-PD,g=1。F为前置放大器的噪声系数。RL为光检测器负载电阻。)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIpeBpmSNR 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)/422(44.1lg20LdbbTV
10、RkTFeIpeBPmSNR 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。接收机的灵敏度Pr光接收机的最小信号光功率 把=e/hf代入上式，则，则，接收机的灵敏度Pr=10lg PSNSBhfP22min,SNRe22min,BPS)(10mins3dBmP，例1 某光接收机中的光检测器的负载电阻为1M，放大器的带宽B=10MHZ，噪声系数为6dB，若采用PIN检测器，已知PIN的暗电流Id=0.6nA，响应度=0.4A/W,若常温下温度T=300K，正弦信号直接光强调制的调制指数m=1，信号的工作波长为0.85um,传输至光检测器出的光信号功率P=-46d
11、Bm。求接收机输出信噪比SNR，此时的光接收机的极限灵敏度应为多少？2.信号失真信号失真 定义：模拟信号经直接光强调制系统输出光信号不能真实地反映输入电信号，即系统输出光功率与输入电信号不能成比例地随时间变化。信号失真的原因：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，所以发射机光源的输出功率特性是D-IM系统产生非线性失真的主要原因。故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分增益(DG)和相位失真参数微分相位(DP)表示。DG可以从LED输出功率特性曲线看出，其定义为%100
12、|max212IIIdIdpdIdpdIdpDG 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 DP=(I2)-(I1)式中,I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2I1。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。例如，短波长GaAlAsLED的DG可能高达20%，DP高达8，而高质量电视传输要求DG和DP分别小于1%和1。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。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。预失真补偿方式是在系统中加入预先设计的、与LED
13、非线性特性相反的非线性失真电路。图 6.3 微分相位补偿原理 图 6.4 微分相位补偿电路 V5R3E3V4R2E2E1V3R1R0C0R4R5 Ec Ec30J9GU130G6DV1RcC1ReV2 图6.5 微分增益补偿电路 V1 EcU130G6DE1Re1Re0V2E2Re2V3E3Re3U0RcV 6.2.2光端机光端机 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。对这种光发射机的基本要求是：(1)发射(入纤)光功率要大，以利于增加传输距离。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
14、成正比。发射光功率取决于光源，LD优于LED。(2)非线性失真要小，以利于减小微分相位(DP)和微分增益(DG)，或增大调制指数m(mTV)。LED线性优于LD。(3)调制指数m(mTV)要适当大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。(4)光功率温度稳定性要好。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。模拟基带D-IM光纤电视传输系统光发射机方框图如图6.6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。驱动电路的末级及其工作原理示于图6.7，图中R1C1电路用于调节DIM系统电视信号的幅频特
15、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 6.6 光发射机方框图 箝位电路同步分离驱动电路LEDTV入图6.7 LED驱动电路的末级及其工作原理 C1R1 EcRc时间电流时间光功率(a)(b)V2ReV1LED 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：(1)信噪比(SNR)要高；(2)幅频特性要好；(3)带宽要宽模拟基带DIM光纤电视传输系统光接收机方框图如图6.8所示。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
16、要用自动增益控制(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 6.8 光接收机方框图 前放主放AGC光检测器 APD的优点是有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，因此前放决定着系统的SNR和接收灵敏度。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
17、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方框图如图6.9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。主要技术参数举例如下。1.系统参数系统参数 (1)视频部分：带宽06 MHz SNR50 dB(未加校)驱动箝位阻抗匹配同步分离FM阻
18、抗匹配接收放大AGCTV伴音分离箝位同步分离DFMDGDP箝位视放同步分离音放TV入75 不平伴 音 入600 平衡伴 音 出600平衡TV出75不平LEDPIN光纤6.9 模拟基带直接光强调值光前点时传输系统方框图DG4%DP4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 dBrSNR55 dB(加校)畸变2%伴音调频副载频8 MHz 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 模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统的传输距离大多受光纤损耗的限制。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aM
19、pPLrt 式中,Pt为发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm),M 为系统余量(dB)，为光纤线路(包括光纤、连接器和接头)每千米平均损耗系数(dB/km)。对于波长为0.85 m和1.31 m的多模光纤，损耗系数可以分别取3 dB/km和1 dB/km，M取3 dB。用上述举例中的数据，Pt=15 dBm，Pr=30 dBm，由式(6.17)计算得到中继距离分别为L=4 km和L=12 km。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示出副载波复用(SCM)模拟电视光纤传输系统方框图。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)
20、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。模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残留边带调幅(VSBAM)和调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残留边带调幅副载波复用(VSBAM/SCM)模拟电视光纤传输系统。图 6.副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 放大M1BPFf1f1s放大M2BPFf2f2s放大MNBPF频道1频道2频道N组合电路宽放驱动电路光发射机LD光纤探测电
21、路宽放分离电路D1LPFf1sD2LPFDNLPFf2sf3s频道1频道2频道NMi为调制器Di为解调器BPF为带通滤波器LPF为低通滤波器fNfNsPIN光接收机 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(CNR)和信号失真。1.载噪比载噪比 载噪比CNR的定义是，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pNC e为电子电荷，B为噪声带宽，k=1.381023J/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
22、。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，m为调制指数。/42)(2)(02020LpRKTFeIIRINBmINC式中平均信号电流I0=P0,P0=Pb10-L/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 CNR=10lg/42)(2)P(02020LRKTFePPRINBm 由此可见，载噪比CNR随着调制指数m和平均接收光功率P0的增加而增加，随三项噪声的增加而减小。复习:总调制指数m的计算设每一路调制指数为mc，N为调制信号路数，则总调制指数m=mcN0.5。例：假设我们想要频分复用100路FM信号，如果其中50路信号的
23、每一个信道的调制指数mi=10%，而另外50路信号的每个信道的调制指数mi=5%，试求激光机的总调制指数。例：假设一个有32个信道的FDM系统，每个信道的调制指数为5%，若RIN=-135dB/HZ,假设PIN光接收机的响应度为0.6A/W，B=0.5GHZ，RL=50，F=3dB。（1）若平均接收光功率为-10dBm，试求这个链路的载噪比（2）若每个信道的调制指数增加到10%，平均接收光功率减小到-13dBm，试求这个链路的载噪比 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主要原因：是作为载波信号源的半导体激光器LD在电/光转换时的非线性效应。副载波复用模拟电视光纤传
24、输系统产生信号失真的衡量参数：1，组合二阶互调（CSO）：两个频率的信号相互组合，产生和频(i+j)和差频(ij)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。2，组合三阶差拍（CTB）：三个频率(ijk)的非线性组合，造成的失真。CSO和CTB将以噪声形式对图像产生干扰，为减小这种干扰，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。(2)限制调制指数m，以保证CSO和CTB符合规定的指标。(3)采用外调制技术，把光载波的产生和调制分开。6.3.2光端机光端机 1.光发射机光发射机 对残留边带调幅光发射机的基本要求是：(1)输出光功
25、率要足够大，输出光功率特性(P-I)线性要好；(2)调制频率要足够高，调制特性要平坦；(3)输出光波长应在光纤低损耗窗口，谱线宽度要窄；(4)温度稳定性要好。正确选择光发射机对系统性能和CATV网的造价都有重大意义。目前可供选择的光发射机有：(1)直接调制1310 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机，如图6.19和图6.20所示；(2)外调制1550 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机，如图6.21所示；(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。图6.19 VSBAM光发射机的构成 前馈放大器电控衰减器电平检测宽带驱动与预失真补偿自动功率控制PINLD
26、隔离器双向温控致冷器热敏电阻偏流指示光纤温度致冷电流光功率指示激光器组件图6.20 直接调制DFB光发射机方框图 CSO热敏电阻CTB预失真控制微型计算机/控制器光输出1310DFB激光器dc电源与通信接口RF功率检测器RF 监视点RF输入图6.21 外调制DFB光发射机方框图 1550DFB激光器LiNbO3调制器SBS预失真线性器微型计算机/控制器光纤2输出RF监视点RF输入RF功率检测器光纤1输出图6.22 外调制YAG光发射机方框图 微型计算机/控制器光功率调 节Nd:YAG激光器监视器接收机光纤1输出光纤2输出光监视点光监视点互调控制器预失真线性器RF驱动偏置驱动LiNbO3调制器光
27、分路器RS-485通信RF输入 直接调制1310 nm DFB光发射机是目前CATV光纤传输网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。外调制YAG光发射机主要由YAG激光器、电光调制器、预失真线性器和互调控制器构成。预失真线性器作为调制器的驱动电路，互调控制器实际上是一个自动预失真控制器。波长为1310 nm外调制YAG光发射机发射光功率高达40 mW以上，相对强度噪声(RIN)低到165 dB/Hz，信号失真性能极好。缺点是设备
28、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。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、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光发射机的发射光功率只有24 mW，但是这种缺点是可以克服和弥补的。目前1550 nm掺铒光纤放大器(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。外调制1550 nm DF
29、B光发射机和EDFA结合，在两个重要场合特别适用。主要应用是取代微波和强化前端(Headend)所要求的超长传输距离。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。另一个重要应用是在密集结构的结点上，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VSB-AM光接收机的基本要求是：(1)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；(2)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。6.3.3光链路性能光链路性能 光链路：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”。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=PtP0 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。
