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 章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统返回主目录 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：6.1.1 模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制 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，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，就是对载波调制之前的视频信号
2、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 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
3、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)频率调制方式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FM-IM光纤传输系统。2.脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)脉冲频率调制方式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PFM-IM光纤传输系统。3.方波频率调制方波频率
4、调制(SWFM)方波频率调制方式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SWFM-IM光纤传输系统。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。在采用脉冲频率调制时，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
5、大的LD器件作光源。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。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分复用频分复用(FDM)，也可以
6、是时分复用时分复用(TDM)。6.1.3 频分复用光强调制频分复用光强调制 用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频射频(RF)电信电信号号进行调幅调幅(AM)或调频调频(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载波光载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波副载波，这种复用方式也称为副载副载波复用波复用(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
7、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线电视系统有线电视系统(HFC)中采用。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(光源通常为发光二极管)、和(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
8、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 输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0 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。2222nsLnLsiiRiRiNps噪声功率信号功率式中，i2s为均方信号电流均方信号电流和i2n为均方噪声电流均方噪声电流，RL为光检测器负载电阻光检测器负载电阻。这种系统的信噪比定义为接
9、收信号功率和噪声功率这种系统的信噪比定义为接收信号功率和噪声功率(NP)的比值的比值：信噪比一般用dB作单位，即22lgnsiiSNR（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，则输出光功输出光功率为率为 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。
10、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：222msIi（6.5）式中,Im=mI0 为信号电流幅度信号电流幅度，I0为平均信号电流平均信号电流，m为调制指数调制指数，其定义为：nminminminmiBomIIIIIIIIIIImmaxmaxmaxminmax2/2/平均信号电流信号电流幅度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代表光纤线路光纤线路的衰减的衰减，为光检测器的响应度光检测器的响应度，IP为一次光生电流一次光生电流，g为APD的倍
11、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)2)(2gPmb 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为量子噪声量子噪声、i2d为暗电流暗电流、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为波尔兹曼常数波尔兹曼常数，T为热力学温度，RL为光检测器负载电阻，F为前置放大器的噪声系数。LdbTdqnRkTFBBe
12、IBPeiiii4222222（6.9）由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信号直接光强调制正弦信号直接光强调制系统的信噪比为：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)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIPeBgPmSNR（6.10）)/422(44.1lg20LdbbTVRkTFeIPeBPmSNR（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。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
13、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，所以发射机光源的输出功率特性是发射机光源的输出功率特性是DIM系统产系统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。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 输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0 非线性失真一般可以用幅度失真参数微分增益微分增益(DG)和相位失真参数微分相位微分相位(DP)表示。DG可以从LED输出功率特性曲线看出，其定义为：DP是LED发射光
14、功率P和驱动电流I的相位延迟差，其定义为：%100|max212IIIdIdpdIdpdIdpDG（6.15）式中,I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2I1。12IIDP（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
15、他元件的非线性进行补偿。由于这种方式是对系统的非线性补偿非线性补偿，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。1112 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
16、位补偿原理（c）（b）（a）000V1V1V121驱动箝位阻抗匹配同步分离FM阻抗匹配接收放大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 6.2.3 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
17、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示出副载波复用副载波复用(SCM)模拟电视光纤传输系统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)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
18、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 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 模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残留边带调幅残留边带调幅(VSBAM)和调频调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。6.3.1 特性参数特性参
19、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 载噪比载噪比CNR的定义是：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：22ncpiiNC（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 22lg10ncpiiNC(6.23)twmIIItIiNi
20、ithbbcos1(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：twmPPtPiNiisbcos1（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
21、，从光检测器输出的(载波)信号电流为：ic=I0(1+m （6.26）1cos)Niiwt均方(载波)信号电流：222mcIi（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。N SCM为模拟电视光纤传输系统，产生噪声的主要有激光为模拟电视光纤传输系统，产生噪声的主要有激光器、光检测器和前置放大器。器、光检测器和前置放大器。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
22、。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。LTqRINnRkTFBBeIBIRINiiii42)(0202222（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/42)(2)(02020LpRkTFeIIRINBmINC(6.29)CNR=10lg (6.30)/42)(2)
23、(02020LRkTFPePRINBPm 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，但主要原因是作为载波信号源的半导体激光器在电主要原因是作为载波信号源的半导体激光器在电/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。副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组合二组合二阶互调阶互调(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。图图6.19 VSB-AM光发射机的构成光发射机的构成 前馈放大器电控衰减
24、器电平检测宽带驱动与预失真补偿自动功率控制PINLD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 正确选择光发射机对系统性能和正确选择光发射机对系统性能和CATV网的造价都有重大网的造价都有重大意义。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分布反馈分布反馈(DFB)激光器光发射机激光器光发射机，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 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
25、图6.21 外调制外调制DFB光发射机方框图光发射机方框图 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 (2)外调制1550 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机，如图6.21所示；受激布里渊散射图图6.22 外调制外调制YAG光发射机方框图光发射机方框图 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调制器光分路器RS-485通信RF输入 (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。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 阻抗匹配PIN前置放大电控衰减AGC主放大器光纤 VSB-AM光接收机的构成光接收机的构成如图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)。
