1、1模拟光纤通信系统：光纤传输模拟信号模拟光纤通信系统：光纤传输模拟信号目前主要应用是目前主要应用是CATV对光源的功率特性的线性和系统的信噪比的要对光源的功率特性的线性和系统的信噪比的要求高求高因为存在噪声积累，所以传输距离短因为存在噪声积累，所以传输距离短采用采用FDM-SCM技术，一条光纤目前能传输上技术，一条光纤目前能传输上百路电视节目百路电视节目2346.1 调制方式6.2 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5光调制？光调制？6模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：7 ，。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
2、式，就是这种基带传输方式。所谓，是对载波调制之前的视频信号频带。8 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0.85m，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。UCR2LEDC1R1UinV9 设备简单 价格低廉 因而在短距离传输中得到广泛应用。10 电的预调制电的预调制，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。1.频率调制频率调制(FM)2.脉冲
3、频率调制脉冲频率调制(PFM)3.方波频率调制方波频率调制(SWFM)11 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进行调频，产生等幅的频率受等幅的频率受调的正弦信号调的正弦信号，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。12调调 频频 波波 的的 波波 形形13 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进行调频，产生等幅、等等幅、等宽宽的频率受调的脉冲信号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
4、系统。14 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、不等宽等幅、不等宽的方波脉冲调频信号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。15 由于模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制(D-IM)光纤传输系统的性光纤传输系统的性能受到光源非线性的限制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，所以可以采用
5、线性较差、入纤功率较大的LD器件作光源。16 若波长为0.85 m，传输距离可达10 km(D-IM为4km)；若波长为1.3 m，传输距离可达30 km(D-IM为10km)。若波长为1.3 m，传输距离可达50 km。17 在光纤上传输的等幅、不等宽的方波调频(SWFM)脉冲 因而这种模拟光纤传输系统的 SWFM-IM系统的也比D-IM系统的得多因此，18 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)(FDM)，也可以是时分时分复用复用(TDM)(TDM)。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
6、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。19 用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频射频(RF)电信号电信号进行调幅调幅(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强调制。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波复用副载波复用(SCM)。20 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。
7、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。21 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。22 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23 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)信号失真信号失真(信号畸变信号畸
8、变)24 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，因为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。25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PPbIbIImaxIminIom0262222sLspnLniRiSNiRi信号功率噪声功率式中，i2s为均方信号电流均方信号电流;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：信噪比一般用信噪比一般用dB作单位，即作单位，即22lg10ns
9、iiSNR（6.1）27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。28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 is=I0(1+m cost)29 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：is=I0(1+m cost)(6.4)均方信号电流：222msIi（6.5）式中,Im=mI0 为信号电流幅度，I0为平均信号电流，m为调制指数。30nminminminmiBomIIIIIIIIIIImmaxmaxmaxminmax2/2/平均信号电流信号电流幅度输 出 信 号输 入 信 号PPbIbIImaxIminIom031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为一次一次光生电流光生电流，g为APD的倍增因子
11、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)(2gPmb32 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量子噪声、暗电流噪声暗电流噪声、负载电阻负载电阻RL的热噪声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
12、数。LdbTdqnRkTFBBeIBPeiiii4222222（6.9）33 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。34 和SNR关系密切的一个参数是接收灵敏度接收灵敏度。和数字光纤通信系统相似，在模
13、拟光纤通信系统中，我们把接收灵敏度接收灵敏度Pr定义为：定义为：假设系统除量子噪声外，没有其他噪声存在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(最高最高)极限灵敏度极限灵敏度。35 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)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIPeBgPmSNR（6.10）hfBPNSbP4（6.12）根据上式可得：PbNSBhfP436 式中：h f为光子能量 h=6.62810-34Js为普朗克常数；f=c/为光频率；c=3108
14、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：PbSNSBhfPP222min,(6.14)37 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Ps,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，38 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
15、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发射机光源的输出功率特性是是D-IM系统产生非线性失真的主要原因系统产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。39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PPbIbIImaxIminIom040 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
16、光功率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）41 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GaAlAs-LED 的DG可能达到20，DP可高达8o，而高质量的电视传输要求：DG1%，DP 1o。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，因而需要从改进电路设计方面对LED的非线性进行补偿非线性进行补偿。42 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
17、。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他元件的非线性进行补偿。一般把预失真补偿电路置于光接收机光接收机，便于实时精细调整。43图图 6.3 微分相位补偿原理微分相位补偿原理（c）（b）（a）000V1V1V121发射端输入信号V1与接收端输出信号V2之间相移144 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。45对光发射机的基本要求是：对光发射机的基本要求是：发射发
18、射(入纤入纤)光功率要大，以利于增加传输距离。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。非线性失真要小非线性失真要小，以利于减小微分相位微分相位(DP)和微分增益微分增益(DG)，或增大调制指数调制指数m(mTV)。LED线性优于线性优于LD。调制指数调制指数m(mTV)要适当大。要适当大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。光功率温度稳定性要好。光功率温度稳定性要好。LED温度稳定性优于温度稳定性优于LD，用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控
19、制，因而可以简化电路、降低成本。46 模拟基带模拟基带DIM光纤电视传输系统光发射机方框图光纤电视传输系统光发射机方框图如下图所示，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47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)482.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49 模拟基带模拟基带D-IM光纤电视传输系统光接收机方框图光纤电视传输
20、系统光接收机方框图如图如图6.8所示所示，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，通常要用自动增益控制自动增益控制(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，应有偏压控偏压控制电路制电路。50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51 APD的优点：的优点：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
21、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，因此前前放决定着系统的放决定着系统的SNR和接收灵敏度。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。52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
22、音 入600 平衡伴音 出600平衡TV出75不平LEDPIN光纤 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接收端。531.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
23、举例如下：542.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。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：式中,Pt为发射光功率发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度接收灵敏度(dBm),M为系统余量系统余量(dB)，为光纤线路光纤线路(包括光纤、连接器和接头包括光纤、连接器和接头)每每千米平均损耗系数千米平均损耗系数(dB/km)。trPPML（6.17）553.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
24、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。56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，因为在短波长光纤
25、材料色散和在短波长光纤材料色散和LED光源谱线宽度的影响是不可忽视的光源谱线宽度的影响是不可忽视的。在短波长使用LED光源的情况下，光纤线路总带宽应为：2122cmBBB(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。57 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。）取1(11LBLBBrm 式中,C()为光纤材料色散光纤材料色散，为光源光源FWHM谱线宽度谱线宽度。由式(6.19)和式(6.20)得到：2126111044.0)(1BCBLB（6.21）LCBC)(1044.06（6.20）58 图6.10示出
26、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。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59 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
27、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，通常用残留边带调残留边带调幅幅(VSB-AM)和调频调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残留边带调幅副载波复用残留边带调幅副载波复用(VSB-AM/SCM)模拟电视光纤传输系统。60 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
28、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）61 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输入激光器的调幅信号电流为：或 CNR=10lg 22lg10ncpiiNC(6.23)twmIIItIiNiithbbcos1(6.24)62图图 6.11 激光器模拟调制原理激光器模拟调制原理 PmaxPminIomPomIm
29、inImaxIbpPbI输出信号输出信号输入信号输入信号63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。64 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）1cos)Niiwt均方(载波)信号电
30、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。N65 SCM模拟电视光纤传输系统，产生噪声的主要有激光器激光器、光检测器光检测器和前置放大器前置放大器。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。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
31、(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）66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 由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到/42)(2)(02020LpRkTFeIIRINBmINC(6.29)CNR=10lg (6.30)/42)(2)(02020LRkTFPePRINBPm67 由此可见，载噪比载噪比CNR随着调制指数随着调制指数m和平均接收光和平均接收光功率功率P0的增加而
32、增加，随三项噪声的增加而减小。的增加而增加，随三项噪声的增加而减小。下面观察一下三项噪声的界限。在的条件下，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。eBPm402(CNR)q=10 lg（6.31）68 如果，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，210lg2()mRIN B(CNR)RIN=(6.32)这时CNR与m2成正比，与(RIN)成反比。当，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 （CN
33、R)T=10lg kTFBRPmL8)(20(6.33)69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/dB20-2-4-6-8-10-124448505254564670 但是增大增大m又会使激光器的线性劣化，要用预失真技又会使激光器的线性劣化，要用预失真技术来补偿。术来补偿。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，最好采用适当低的光功率和适当最好采用适当低的光功率和
34、适当大的调制指数大的调制指数，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VSB-AM，也适合于FM。提高CNR是系统设计中的重要问题。由式(6.30)可以看出，。为了提高CNR，增大m是可取的。71 式中,d为由图像信号产生的频偏峰频偏峰-峰值峰值，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SN
35、R，不同预调制方式所需的CNR都是不同的。为在接收机解调后获得相同为在接收机解调后获得相同SNR，两种预调制方式所，两种预调制方式所需的需的CNR比值为：比值为：32.23)/()/(bfdFMPAMVSBPBBFNCNC（6.34）72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）73 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-2dBm。如果用FM方式，只
36、需要CNR=52-24=28dB，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 dBm。设光纤线路平均损耗系数为0.5dBm/km，则FM方式的传输距离可增加13/0.5=26 km。由此可见，就载噪比而言，预调制方式就载噪比而言，预调制方式FM优于优于VSB-AM。但是和。但是和VSB-AM方式相比，方式相比，FM方式存在一个本质方式存在一个本质性问题，就是它占用的带宽较宽，性问题，就是它占用的带宽较宽，约为VSB-AM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。74 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
37、激光主要原因是作为载波信号源的半导体激光器在电器在电/光转换时的非线性效应。光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。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。75 副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组合二阶互调组合二阶互调(CSO)失真失真和组合三组合三阶差拍阶差拍(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。76
38、这种非线性效应会发生在所有这种非线性效应会发生在所有RF电路，包括光电路，包括光发射机和光接收机。发射机和光接收机。在给定的频道上，所有可能的双频组合的总和称为组合二阶组合二阶(CSO)互调失真互调失真。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 合 三 阶 差 拍组 合 三 阶 差 拍(C T B)失 真失 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。77 CSO和和CTB将以噪声形式对图像产生干扰，为减小这种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。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
39、采用合理的频道频率配置，以减小C2i和和C3i，改善，改善CSO和和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，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，使三阶互调频率三阶互调频率(fjfjfk)即使落在系即使落在系统的频带内，也不落在工作频道的信号频带内统的频带内，也不落在工作频道的信号频带内。78图图 6.14 fN2f1的的SCM系统的频谱分布系统的频谱分布 fi fj
40、f1f2f3fifi fjfN 1fN2f1系统频宽f79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 f1BifjfN系统频宽三阶互调谱f 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。80 (2)限制调制指数限制调制指数m，以保证，以保证CSO和和CTB符合规定的指标。符合规定的指标。由式(6.40)和式(6.41)可以看到，CSO与与m2成正比，成正比，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迅迅速劣化。速劣化。因为驱动激光器的信号电流随m值的
41、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。81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82 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。2NN 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m
42、0.35/。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/-dBc83 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。采用外调制技术，把光载波的产生和调制分开。这样，光源谱
43、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/-dBc84 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，输出光功率特性输出光功率要足够
44、大，输出光功率特性(P-I)线性要好；线性要好；调制频率要足够高，调制特性要平坦；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；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。温度稳定性要好。85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86 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
45、免的，而且要影响系统的性能。所以优质的优质的光发射机都要进行预失真控制，方法是加入光发射机都要进行预失真控制，方法是加入预失真补偿电路预失真补偿电路(预失真线性器预失真线性器)。87 预失真补偿电路预失真补偿电路实际上是一个与激光器的非线性相反相反的非线性电路，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。为抑制光纤为抑制光纤线路上不均匀点线路上不均匀点(如连接器如连接器)的反射，的反射，在在LD输出端设置光隔离器。输出端设置光隔离器。88图图6.19 VSB-
46、AM光发射机的构成光发射机的构成 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；89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
47、电源与通信接口RF功率检测器RF 监视点RF输入90 直接调制直接调制1310nm DFB光发射机是目前光发射机是目前CATV光纤传输网特别是分配网使用最广泛的光纤传输网特别是分配网使用最广泛的光发射机。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。91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
48、制器光分路器RS-485通信RF输入 (2)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。92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。外调制外调制YAG光发射机光发射机主要由YAG激光器、电光调制器、激光器、电光调制器、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。预失真线性器作为调制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的驱动电路，互调控制器实际上是一个自动预失真控制器。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，相对强度噪声相对强度噪声(
49、RIN)低到165 dB/Hz，信号失真性信号失真性能极好能极好。93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 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 (3)外调制1550 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机，如图6.21所示；94 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、轻便等优轻便等优点点。采用外调制技
50、术，又与外调制YAG光发射机同样具具有极好的信号失真性能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发射光功率只有24 mW，但是这种缺点是可以克，但是这种缺点是可以克服和弥补的服和弥补的。目前1550 nm掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(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。95 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，所以这种组合的载噪这种组合的载噪比比(CNR)不能和直接调制不能和直接调制
