第6章模拟光纤通信系统课件.ppt

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1、12022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺n本章主要内容：本章主要内容：n 6.1 调制方式调制方式n6.2 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n6.3 副载波复用副载波复用(SCM)光纤传输系统光纤传输系统22022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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)进行光强调制光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形与输入模拟基带信号的波形成比例。32022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 2

2、0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。 ：是指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。42022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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

3、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。预调制主要有三种: 频率调制、脉冲频率调制和方波频率调制52022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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。 f(

4、t) (t)62022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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-

5、IM光纤传输系统。72022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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。tt82022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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。对于多模光纤，若波长为0.85 m，传输距离可达10

6、 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。92022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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 SWFM-IM系统的也比D-IM系统的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

7、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。102022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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)，也可以是时分复时分复用用(TDM)。 电路结构简单、制造成本较低以及模拟和数字兼容 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。112022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺6.1.3 频分复用光强调制频分复用光强调制 用每路

8、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调幅幅(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。把信号调制在载波1上，出于某种原因，你决定对这个结果再进行一次调制，于是你用这个结果去调制另外一个更高频率的载波2。 这里载波1就叫做副载波。副载波调制是无线数字通信及无线射频防碰撞常用的手段 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(S

9、CM)。122022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺132022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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线电视系统有线电视系统(HFC)中采用。142022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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

10、通常为发光二极管)、和(光检测器)组成。 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基带信号m(t)光纤m(t)152022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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主要受光接收机性能的影响 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。162022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺图 6.2 发光二极管模拟调制原理 输 出 信 号输 入

11、信 号PPbIbIImaxIminIom0172022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺2222sLspnLniRiSNiRi信号功率噪声功率式中， 为均方信号电流均方信号电流和 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。系统的信噪比定义为接收信号功率和噪声功率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2210lgsniSNRi(6.1)2si2ni182022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺如图6.2所示， 光源驱动电流光源驱动电流：(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

12、 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。(1cos)BPPmt(1cos)BIImt(6.2)设光源具有严格线性特性，不存在信号畸变，则输出光功率为输出光功率为192022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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：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

13、指数，其定义为：maxomaxminmaxmax/2/2minmminBminminIIIIImIIIIII信号电流幅度平均信号电流(6.4)0(1cos)siImt202022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺平均信号电流平均信号电流: 式中, Pb = KPB为输入光检测器的平均光功率，K 代表光纤线光纤线路的衰减路的衰减， 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的倍增因子的倍增因子。设使用PIN-PD, 则 g=1。由式(6.5) (6.7)得到均方信号电流：均方信号电流：(6.8)22()2bsm P gi(6.7)0pbIgIg P21202

14、2-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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可写成 式中, 为量子噪声量子噪声、 为暗电流噪声暗电流噪声、 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为波耳兹曼常数波耳兹曼常数，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。222222422xxnqdTbdLkTFBiiiie P BgeI BgR(6.9)2qi2di2Ti222022-4-17现代通信技术研

15、究所 殷洪玺 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信号直接光强调制系正弦信号直接光强调制系统的信噪比为：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222() /210lg(224/)bxxbdLm P gSNRBe P geI gkTF R(6.10)/422(44. 1lg20LdbbTVRkTFeIPeBPmSNR(6.11)式中, mTV为电视信号的调制指数， g=1。式中，/e hf232022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 与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，在模拟光纤通信

16、系统中，把接收灵敏度接收灵敏度Pr 定义为：定义为：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(最高最高)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4bpPSNhfB(6.12)242022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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(

17、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：,min2bsPP(6.13)把式(6.12)代入式(6.13)得到,min2 2spB SPhfN(6.14)例例：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。 252022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺当然， 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

18、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。,min2 2spB SPhfN由SNR=50 dB，得到 ，代入得 5/=10pS N=5.72107 (mW),min10lg62.4 (dBm)rsPP 所以， 262022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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D-IM系统产生非系统产生非线性失真的主要原因。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。

19、 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：212max100%IIIdPdPdIdIDGdPdI(6.15)272022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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：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

20、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。282022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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。 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U1与接收端输出信号U2之间相移为1，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

21、间的相移。由于相移1随输入信号U1而变化，如图6.3(a)，因而产生微分相位DP。 292022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 微分相位补偿是设计一种电路，使其相移特性1 与2 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 6.3 微分相位补偿原理 （c）（b）（a）00021U1U1U1302022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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

22、光发射机的基本要求是：对光发射机的基本要求是： 发射发射(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，LED线性优于线性优于LD。312022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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

23、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。 322022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺图 6.6 光发射机方框图 箝位电路同步分离驱动电路LEDTV入332022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺C1R1EcRcDReTLED时间时间电流电流时间时间光光功功率率(a) LED驱动电路的末级 (b) LED驱动电路工作原理 驱动电路的末级及其工作原理图如下。驱动电路的末级及其工作原理图如下。R1、C1电路用于调节D-IM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，D用于保护LED防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路

24、调节。342022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺2. 光接收机光接收机 信噪比(SNR)要高 幅频特性要好 带宽要宽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：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系统光接收机方框图前放主放AGC光检测器AGC控制控制使输出稳定使输出稳定352022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 光检测器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需较低偏压(10 20 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(30 200 V)才能正常工作，且内增益随环境温度

25、变化较大，应有偏压控制电路。 APD的优点：的优点：有20 200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。362022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 前置放大器的输入信号电平是全系统最低的， 因此前放决前放决定着系统的定着系统的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

26、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。 372022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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 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。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：382022-4-17现代通信技术研究所

27、 殷洪玺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 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)每千米每千米平均损耗系数平均损耗系数(dB/km)。trPPML(6.17) 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。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：392022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺例例 对于波长为

28、0.85 m和1.31 m的多模光纤， Pt= 15dBm，Pr= 30 dBm，损耗系数 分别取3 dB/km和1 dB/km，系统余量M 取3 dB。15( 30)3=4 (km)3trPPML 15( 30)3=12 (km)1trPPML 波长为0.85 m：波长为1.31m：402022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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

29、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。412022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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，

30、 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。 422022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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：2116( )10.44 10CBBB L(6.21)60.44 10( )CBCL(6.20)11 (1)mBBBLL取432022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺例例：在0.85 m，多模光纤C()=120 ps/(nmkm)，设LED谱宽 =50 nm，则 在实际工程中是否采用短波长LED和多

31、模SI光纤，要根据经济效益(系统成本和维修费用)来决定。 2116( )11.2=38 (MHz km)0.44 10CBBBLBL 但是，如果根据上面的计算结果B1=32 MHzkm, 因此, 带宽增加了20%。442022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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 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

32、通滤波器LPF为低通滤波器fNfNsPIN光接收机452022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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。 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(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。 下面主要讨论残留边带调幅副

33、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。462022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺6.3.1 特性参数特性参数22cpniCNi(6.22) 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：472022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 式中, 为均方载波电流， 为均方噪声电流。 设在电/光转换、光纤

34、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22CNR10lg10lgcpniCNi(6.23) 1cosNbbthiiiI tIIImt(6.24)2ci2ni482022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺图 6.11 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492022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺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： 1cosNbsiiiP tPPmt(6.25) 式中, Ps=Pb Pth，P

35、b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10L/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：502022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺(6.26)01(1cos)NciiiImt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， 为每个频道的调制指数，m0为总调制指数，N为频道总数。0/

36、mmN例例：假设要频分复用假设要频分复用60路路FM信号，如果其中信号，如果其中30路信号的每路信号的每一个信道的调制指数一个信道的调制指数mi=3%，而另外，而另外30路信号的每一个信道的路信号的每一个信道的调制指数调制指数mi=4% ，求激光器的光调制指数。，求激光器的光调制指数。512022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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：解：因为总调制指数 ，其中mc是每一路的调制指数，所以有0

37、.5cmm N0.510.03 300.16m 0.520.04 300.22m 1/221/222210.160.220.272iimm激光器的光调制指数为522022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 式中, 为激光器的相对强度噪声(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。 为光检测器的量子噪声, 为折合到输入端的放大器噪声(含光检测器负载电阻热噪声)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为玻耳兹曼常数，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。LTqRINnRkTFBBeIBIRIN

38、iiii42)(0202222(6.28)2RINi2Ti2qi532022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺式中平均信号电流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20200()2 (RIN)24/pLmICNBIeIkTF R(6.29)(6.30)20200()CNR=10lg2 (RIN)()24/Lm PBPe PkTF R542022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 由此可见，载噪比载噪比CNR随着调制指数随着调制指数m和平均接收光功率和平均接收光功率

39、P0的增加而增加，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。20q(CNR) =10lg4mPeB(6.31)552022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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，则2RIN(CNR)10lg2(RIN)Bm(6.32)这时CNR与m2成正比，与RIN成反比。 当平均

40、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，则由式(6.30)得到20T()(CNR)10lg8Lm PRkTFB(6.33)562022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 利用式(6.30) 式(6.33)，设平均接收光功率P0=2 12 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。RIN噪声的界限量子噪声界限前置放大器噪声界限平均接收光功率P0/dBmCNR/dB202468101244485052545646P0很大很大P0较大较大P0很小很小572022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺电子电荷：e =

41、1.6 1019 C玻耳兹曼常数： k=1.38 1023 J/K调制指数： m =0.05相对强度噪声： (RIN)= 150 dB/Hz噪声带宽： B=4 106 Hz响应度： =0.8 A/W负载电阻: RL=1 k前放噪声系数：F=3 dB热噪声温度：T=290 K计算中采用的数据如下：582022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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，C

42、NR=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，增大增大m又会使激光器的线性劣化，要用预失真技术来又会使激光器的线性劣化，要用预失真技术来补偿。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大的调制指数最好采用适当低的光功率和适当大的调制指数，而不是相反。592022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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

43、(6.29) 式(6.33)既适用于VSB-AM, 也适合于FM。 602022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺2. 信号失真信号失真 1cosNbbthiiiI tIIImt 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/光转换光转换时的非线性效应。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

44、幅信号电流仍为式(6.24)所示，即612022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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 式中ai (i =1, 2, 3)包含P(t)对I(t)的i 阶导数， 1( ( )!bmmMbbmmIII tId PP tPdIm(6.35)1cosNsiiiIIt(6.37)(6.36) 230123sssP taa Ia Ia

45、I622022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 Ii =(Ib Ith)mi 为第i个频道的信号电流幅度。所关心的二阶非线性项和三阶非线性项分别为： 333331111coscos()4NNNNsiiijkijkiijkaa IaItI I It3111cos()4NNNijkijkijkaI I It22221cosNsiiia IaIt221111cos()cos()22NNNNijijijijijijaaI ItI It(6.38)632022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 式中Ii =Ij =Ik = (Ib Ith)mi= (IbIth)m=I0m为每个信道的信号电流幅度。

46、 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组合二阶互调调(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。 3111cos()4NNNijkijkijkaI I It(6.39)642022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 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，包括光发射机和光接电路，包括光发射机和光接收机。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。

47、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(CTB)失真失真是三个频率(i j k)的非线性组合，其定义和表示方法与CSO相似，单位相同。 652022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺根据以上分析， 第i 个频道的CSO和CTB分别表示为：22202CSO10lg()2iPCPmP(6.40)24302CTB10lg()2iPCPmP(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、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。66202

48、2-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 CSO和和CTB将以噪声形式对图像产生干扰，将以噪声形式对图像产生干扰， 为减小这种干为减小这种干扰，可以采用如下方法。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。 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(fj

49、fjfk)即使落在系统的频带内，也不落在工作频道的信号频带内。672022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺图 6.14 fN2f1 的SCM系统的频谱分布 fi fjf1f2f3fifi fjfN 1fN2f1系统频宽f682022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺图 6.15 SCM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。692022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺(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(

50、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。 702022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺图图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712022-4-17现代通信技术研究所 殷洪玺 6.3.2 光端机光端机1. 光发射机光发射机 对对VSBAM光发射机的基本