西安邮电大学授课教案-光纤通信第六章要点优秀PPT.ppt

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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，所以传输距离短接受接受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第第6 6章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统1236.1 调制方式6.2 模拟基带干脆光强调制光纤 传输系统6.3 副载波复用光纤传输系统第第6 6章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统4光调制？光调制？5模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：

2、6.1 6.1 调制方式调制方式 模模拟拟基基带带干脆光干脆光强强调调制制(D-IM)模模拟间拟间接光接光强强调调制制 频频分复用光分复用光强强调调制制6 是用承载信息的模拟基带信号，干脆对放射机光源(LED或LD)进行光强调制，使光源输出光功率随时间变更的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。20世纪70年头末期，光纤起先用于模拟电视传输时，接受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，是对载波调制之前的视频信号频带。6.1.1 6.1.1 模拟基带干脆光强调制模拟基带干脆光强调制(D-IM)(D-IM)7 视频信号带宽(最高频率)是6MHz，加上调频的伴音信号，这种

3、模拟基带光纤传输系统每路电视信号的带宽为8 MHz。用用这这种种模模拟拟基基带带信信号号对对放放射射机机光光源源(线线性性良良好好的的LED)进进行行干干脆脆光光强强调调制制，若若光光载载波波的的波波长长为为0.85m，传传输输距距离离不不到到4 km，若若波波长长为为1.3 m，传传输输距距离离也也只只有有10 km左右。左右。8D-IMD-IM光纤传输系统的特点光纤传输系统的特点 设备简洁设备简洁 价格低廉价格低廉 因而在短距离因而在短距离传输传输中得到广泛中得到广泛应应用。用。9 6.1.2 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 是是先先

4、用用承承载载信信息息的的模模拟拟基基带带信信号号进进行行电电的的预预调调制制，然然后后用用这这个个预预调调制制的的电电信信号号对对光光源源进行光强调制进行光强调制(IM)(IM)。这这种种系系统统又又称称为为预预调调制制干干脆脆光光强强调调制制光光纤纤传输系统。传输系统。预调制主要有以下三种预调制主要有以下三种:1.1.频率调制频率调制(FM)(FM)2.2.脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)(PFM)3.3.方波频率调制方波频率调制(SWFM)(SWFM)10频率调制频率调制(FM)(FM)频率调制方式是先用承载信息的模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，产生拟基带信

5、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更。输入的模拟基带信号的瞬时值而变更。然后用这个正弦调频信号对光源进行光然后用这个正弦调频信号对光源进行光强调制，强调制，形成形成FM-IM光纤传输系统。光纤传输系统。11调调 频频 波波 的的 波波 形形12脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)(PFM)脉冲频率调制方式是先用承载信息的模拟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，其脉冲频率随输入宽的频率受调的脉冲信号，其脉冲

6、频率随输入的模拟基带信号的瞬时值而变更。然后用这个的模拟基带信号的瞬时值而变更。然后用这个脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成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。光纤传输系统。13方波频率调制方波频率调制(SWFM)(SWFM)方波频率调制方式是先用承载信息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方波脉冲频率随输入的模拟基带信号的幅度而变更。然后用这个方波脉冲调频幅度而变更。然后用这个方波脉冲调频信号对光源进行

7、光强调制，形成信号对光源进行光强调制，形成SWFM-IM光纤传输系统。光纤传输系统。14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 由由由由于于于于模模模模拟拟拟拟基基基基带带带带干干干干脆脆脆脆光光光光强强强强调调调调制制制制(D-IM)(D-IM)光光光光纤纤纤纤传传传传输输输输系系系系统统统统的的的的性性性性能能能能受受受受到到到到光光光光源源源源非非非非线线线线性性性性的的的的限限限限制制制制，一一一一般般般般只只只只能能能能运运运运用用用用线线线线性性性性良良良良好好好好的的的的LEDLED作光源。作光源。作光源。作光源。

8、LEDLED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。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。在在在在接接接接受受受受模模模模拟拟拟拟间间间间接接接接光光光光强强强强调调调调制制制制时时时时，由由由由于于于于驱驱驱驱动动动动光光光光源源源源的的的的是是是是脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号，它它它它基基基基本本本本上上上上不不不不受受受受光光光光源源源源非非非非线线线线性性性性的的的的影影影影响响响响，所所所所以以以以可可可可以以以以接接接接受受受受线线线线性性性性较较较较差差差差、入入入入纤纤纤纤功功功功率率率率较较较较大大大大的的的的LDLD器器

9、器器件件件件作作作作光光光光源源源源。因因因因而而而而PFM-IMPFM-IM系系系系统的传输距离比统的传输距离比统的传输距离比统的传输距离比D-IMD-IM系统的更长。系统的更长。系统的更长。系统的更长。接受模拟间接光强调制的目的接受模拟间接光强调制的目的15对于多模光纤而言：对于多模光纤而言：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)。对于单模光纤：对于单模光纤：若波长为1.3 m，传输距离可达50 km。16 在光纤上传输的等幅、不等宽的方波调频在光纤上传输的等幅、不等宽的方波调频(SWFM)脉冲不含

10、脉冲不含基带成分，基带成分，因而这种模拟光纤传输系统的信号质量与传输因而这种模拟光纤传输系统的信号质量与传输距离无关距离无关 SWFM-IM系统的信噪比也比系统的信噪比也比D-IM系统的信噪比高得多系统的信噪比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。能传输一路信号。因此，开发多路模拟传输系统，就成为技术发展的必定。因此，开发多路模拟传输系统，就成为技术发展的必定。SWFM-IMSWFM-IM还具有还具有PFM-IMPFM-IM系统所没有的独特优点系统所没有的独特优点17 目前现实的方法是先对电信号复用，再对光源进

11、行光强调制。对电信号的复用可以是频分复用(FDM)，也可以是时分复用(TDM)。FDM系统的优点：电路结构简洁、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。一根光纤传输多路信号的方法一根光纤传输多路信号的方法18 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 用用用用每每每每路路路路模模模模拟拟拟拟电电电电视视视视基基基基带带带带信信信信号号号号，分分分分别别别别对对对对某某某某个个个个指指指指定定定定的的的的射射射射频频频频(RF)(RF)电电

12、电电信信信信号号号号进进进进行行行行调调调调幅幅幅幅(AM)(AM)或或或或调调调调频频频频(FM)(FM)，然然然然后后后后用用用用组组组组合合合合器器器器把把把把多多多多个个个个预预预预调调调调RFRF信信信信号号号号组组组组合合合合成成成成多多多多路路路路宽宽宽宽带带带带信信信信号号号号，再再再再用用用用这这这这种种种种多多多多路路路路宽带信号对放射机光源进行光强调制。宽带信号对放射机光源进行光强调制。宽带信号对放射机光源进行光强调制。宽带信号对放射机光源进行光强调制。因因因因为为为为传传传传统统统统意意意意义义义义上上上上的的的的载载载载波波波波是是是是光光光光载载载载波波波波，为为为

13、为区区区区分分分分起起起起见见见见，把把把把受受受受模模模模拟拟拟拟基基基基带带带带信信信信号号号号预预预预调调调调制制制制的的的的RFRF电电电电载载载载波波波波称称称称为为为为副副副副载载载载波波波波，这这这这种种种种复用方式也称为副载波复用复用方式也称为副载波复用复用方式也称为副载波复用复用方式也称为副载波复用(SCM)(SCM)。6.1.3 6.1.3 频分复用光强调制频分复用光强调制19 一一个个光光载载波波可可以以传传输输多多个个副副载载波波，各各个个副副载载波可以承波可以承载载不同不同类类型的型的业务业务。SCM系系统统灵灵敏敏度度较较高高，又又无无需需困困难难的的定定时时技技术

14、术，制造成本，制造成本较较低。低。前前后后兼兼容容。不不仅仅可可以以满满足足目目前前社社会会对对电电视视频频道道日日益益增增多多的的要要求求，而而且且便便于于在在光光纤纤与与同同轴轴电电缆缆混合的有混合的有线电视线电视系系统统(HFC)中接受。中接受。SCMSCM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20 利利用用光光纤纤传传输输系系统统很很宽宽的的带带宽宽换换取取有有限限的的信信号号功功率率，也也就就是是增增加加信信道道带带宽宽，降降低低对对信信道道载载噪噪比比(载载波波功功率率/噪噪声声功功率率)的的要要求求，而而又保持输出信噪比不变。又保持输出信噪比不变。在在副副载载波波系

15、系统统中中，预预调调制制是是接接受受调调频频还还是是调调幅幅，取取决决于于所所要要求求的的信信道道载载噪噪比比和和所所占占用的带宽。用的带宽。副载波复用的实质副载波复用的实质216.2 6.2 模拟基带干脆光强调制光纤传输系统模拟基带干脆光强调制光纤传输系统 模拟基带干脆光强调制(D-IM)光纤传输系统由光放射机(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。图图 6.1 模拟信号干脆光强调制系统方框图模拟信号干脆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22 评评价价模模拟拟信信号号干干脆

16、脆光光强强调调制制系系统统的的传输质量的最重要的特性参数是：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(信号畸变信号畸变)6.2.1 6.2.1 特性参数特性参数23 1.1.信噪比信噪比 正弦信号干脆光强调制系统的信噪比主要受光接收机性能的影响，因为输入到光检测器的信号特别微弱，所以对系统的SNR影响很大。24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 25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

17、功功率率(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（6.1）26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。27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I=II=IB B(1+m c

18、ost)(1+m cost)P=P=B B(1+mcost)(1+mcost)is=I0(1+m cost)28 由由于于到到达达光光检检测测器器的的信信号号很很弱弱，光光接接收收机机引引起起的的信信号号失真可以忽视。在这些条件下，光检测器的输出光电流：失真可以忽视。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：（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。29调制指数调制指数 m m 的定义的定义30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

19、路的衰减，为光检测器的响应度，IP为一次光生电流，g为APD的倍增因子。设运用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)31 模拟信号干脆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(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。

20、（6.9）32 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信号干脆光强调制系统的信噪比为：对于电视信号干脆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。33 和SNR关系亲密的一个参数是接收灵敏度。和数字光纤通信系统相像，在模拟光纤通信系统中，我们把接收灵敏度Pr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，在这种状况下，灵敏度由平均信号电流确定，这样确定的灵敏度称为(最高)极限灵敏度

21、。34 依据假设，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（6.10）（6.12）依据上式可得：35 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 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：(6.14)36 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=1

22、0lgPs,min=-65.4 dBm。当然，实际系统必需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。37 为使模拟信号干脆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更，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，所以放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缘由。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，只探讨光源LED的非线性失真。参看图6.2。2.2.信号失真信号失真38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 39

23、 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放射光功率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）40LEDLED不能满足高质量电视信号的线性要求不能满足高质量电视信号的线性要求 虽然LED的线性比LD好，但仍旧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

24、线性失真特别困难，因而须要从改进电路设计方面对LED的非线性进行补偿。41 模拟信号干脆光强调制光纤传输系统的非线性补偿有很多方式，目前一般都接受预失真补偿方式。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，便于实时精细调整。对非线性进行补偿的方法对非线性进行补偿的方法42图图 6.3 微分相位补偿原理微分相位补偿原理（c）（b）（a）000V1V1V1发射端输入信号V1与接收端输出信号V2之间相移43 光端机包括光放射机和光接收机。1.光放射机

25、模拟基带干脆光强调制光纤电视传输系统光放射机的功能是：把模拟电信号转换为光信号。6.2.2 6.2.2 光端机光端机44对光放射机的基本要求是：对光放射机的基本要求是：放放射射(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。在在光光纤纤损损耗耗和和接接收收灵灵敏敏度度确确定定的的条条件件下下，传传输输距距离离和和放放射射光光功功率率成正比。成正比。放射光功率取决于光源，放射光功率取决于光源，LD优于优于LED。非非线线性性失失真真要要小小，以以利利于于减减小小微微分分相相位位(DP)和和微微分分增增益益(DG)，或增大调制指数，或增大调制指数m(mTV)。LED线性优于

26、线性优于LD。调调制制指指数数m(mTV)要要适适当当大大。m大大，有有利利于于改改善善SNR；但但m太大，不利于减小太大，不利于减小DP和和DG。光光功功率率温温度度稳稳定定性性要要好好。LED温温度度稳稳定定性性优优于于LD，用用LED作作光光源源一一般般可可以以不不用用自自动动温温度度限限制制和和自自动动功功率率限限制制，因因而可以简化电路、降低成本。而可以简化电路、降低成本。45 模拟基带DIM光纤电视传输系统光放射机方框图如下图所示，输入TV信号经同步分别和箝位电路后，输入LED的驱动电路。图图 6.6 光放射机方框图光放射机方框图 箝位电路同步分别驱动电路LEDTV入46图图6.7

27、(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)472.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48 模拟基带D-IM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，通常要用自动增益限制(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，电路简洁，但没有内增益，SNR较低。APD须要较高偏压(30200 V)才能正常工

28、作，且内增益随环境温度变更较大，应有偏压限制电路。49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50 APD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，力求电路简洁，光检测器一般都接受PIN-PD。前置放大器的输入信号电平是全系统最低的，因此前放确定着系统的SNR和接收灵敏度。目前这种系统都接受补偿式跨阻抗前放。如接受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须要的适当电平。由于光源老化使光功率下降，环境温度影响光纤损耗变更，以及传输距离长

29、短不一，使输入光检测器的光功率大小不同，所以须要AGC来保证光接收机输出恒定。51 模拟基带干脆光强调制光纤电视传输系统方框图如下所示。在放射端，模拟基带电视信号和调频(FM)伴音信号分别输入LED驱动器，在接收端进行分别。改进DP和DG的预失真电路置于接收端。6.2.3 6.2.3 系统性能系统性能521.系统参数系统参数 (1)视频部分：视频部分：带宽带宽 06 MHz SNR 50 dB(未加校未加校)DG 4%DP 4 放射光功率放射光功率 -15 dBm(32 W)接收灵敏度接收灵敏度 -30 dBm (2)伴音部分：带宽0.0415 kHz 输入输出电平0 dBr SNR 55 d

30、B(加校)畸变2%伴音调频副载频8 MHz主要技术参数举例如下：532.光纤损耗对传输距离的限制光纤损耗对传输距离的限制 模模拟拟基基带带干干脆脆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。依依据据放放射射光光功功率率、接接收收灵灵敏敏度度和和光光纤纤线路损耗可以计算传输距离线路损耗可以计算传输距离L，其公式为：，其公式为：式中,Pt为放射光功率(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)。（6.17）543.系统对光纤带宽的要求系统对光纤带宽

31、的要求 对对于于多多模模光光纤纤而而言言，长长度度为为L的的光光纤纤线线路路总总带带宽宽B(MHz)和和单单位位长长度度(1 km)光光纤纤带带宽宽B1(MHzkm)的关系为：的关系为：B1=BL (6.18)式式中中串串接接因因子子=0.51，为为便便利利起起见见，取取=1,这这是是最最保保守守的的取取值值，光光纤纤线线路路总总带带宽宽B=8 MHz，依依据据上上面面的的计计算算，0.85 m和和1.31 m中中继继距距离离分分别别为为L=4 km和和L=12 km。由由式式(6.18)计计算算得得到到，所所需需单单位位长长度度光光纤纤带带宽宽分别为分别为B1=32 MHzkm和和 B1=9

32、6 MHzkm。55假如接受原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。假如接受多模SI光纤，其带宽只有几十MHzkm，这时，细致计算是必要的，因为在短波长光纤材料色散和LED光源谱线宽度的影响是不行忽视的。在短波长运用LED光源的状况下，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。56 在实际工程中是否接受短波长LED和多模SI光纤，要依据经济效益(系统成本和修理费用)来确定。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

33、.20)得到：（6.21）（6.20）576.3 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。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 58 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

34、分别和解调，最终输出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(VSB-AM)和调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要探讨残留边带调幅副载波复用(VSB-AM/SCM)模拟电视光纤传输系统。59 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）60 式中,i2c

35、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(6.23)(6.24)61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62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。6

36、3 设每个频道的调制指数都相同，即mi=mj=mk=m，短暂略去光纤传输因子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，系统运用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。64 SCM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。接受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

37、,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，一般不行忽视。（6.28）65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(6.29)CNR=10lg (6.30)66 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

38、三项噪声的增加而减小。下面视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视，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）67 假如平均接收光功率P0很大，激光器相对强度噪声(RIN)起确定作用，光检测器的量子噪声和前置放大器噪声都可以忽视，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确定性作用，其他两项噪声都可以忽视，这时由式(6.30)得到 （CNR)T=10lg(6

39、.33)68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/dB20-2-4-6-8-10-124448505254564669 但是增大m又会使激光器的线性劣化，要用预失真技术来补偿。假如选用质量极好的DFB激光器来制造线性良好、放射功率又大的光放射机，势必降低器件成品率，增加成本。综合各种因素，最好接受适当低的光功率和适当大的调制指数，而不是相反。不论接受什么预调制方式，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

40、(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，增大P0不确定能提高CNR。为了提高CNR，增大m是可取的。70 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

41、调制制方方式式所所需的需的CNR比值为：比值为：（6.34）71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）72 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。假如用FM方式，只须要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

42、离可增加13/0.5=26 km。由此可见，就载噪比而言，预调制方式FM优于VSB-AM。但是和VSB-AM方式相比，FM方式存在一个本质性问题，就是它占用的带宽较宽，约为VSB-AM方式的6倍。所以要依据不同应用场合，选择不同预调制方式。73 副载波复用模拟电视光纤传输系统产生信号失真的缘由很多，但主要缘由是作为载波信号源的半导体激光器在电/光转换时的非线性效应。由于到达光检测器的信号特别微弱，在光/电转换时可能产生的信号失真可以忽视。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视。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。2.2.

43、信号失真信号失真74 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(CSO)失真和组合三阶差拍(CTB)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，假如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。75 这种非线性效应会发生在全部RF电路，包括光放射机和光接收机。在给定的频道上，全部可能的双频组合的总和称为组合二阶(CSO)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(CTB)失真是三个频率(ijk)的非线性组合，其定义和表示方法与CSO相像，单位相同。76 CSO和CTB将以噪声形式对图像产生干扰

44、，为减小这种干扰，可以接受如下方法。(1)接受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，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，为削减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。77图图 6.14 fN2f1的的SCM系统的频谱分布系统的频谱分布 78图图 6.15 SCM系统带内三阶互

45、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，但分别和滤波后各频道单独输出时，其影响就不明显了。79 (2)限限制制调调制制指指数数m，以以保保证证CSO和和CTB符符合合规规定定的的指指标标。由式(6.40)和式(6.41)可以看到，CSO与m2成正比，CTB与m4成正比，因此随着m值的增大，CSO和CTB快速劣化。因为驱动激光器的信号电流随m值的增大而增加，可能偶然延长到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，听从高

46、斯分布，产生过大信号的概率很小。80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81 分析计算表明，CSO和CTB是参数=m 和N特别困难的函数，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.

47、0010.010.030.030.050.050.070.070.090.090.00.0370.0740.1100.1470.1840.0410.0830.1240.1650.206CSO,CTB/-dBcCSO,CTB/-dBc82 由图6.18可以看到，当0.31 时，CSO、CTB与N几乎无关。(3)接受外调制技术，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，chirp)产生的信号失真，因而变更了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.

48、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/-dBc83 6.3.2 光端机光端机 1.光放射机光放射机 对残留边带对残留边带-调幅光放射机的基本要求是：调幅光放射机的基本要求是：输输出出光光功功率率要要足足够够大大，输输出出光光功功率率特特性性(P-I)线线性要好；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；输输出出光光波波长长应应在在光光纤纤低低损损耗耗窗窗口口，谱谱线线宽宽度度要要窄；窄；温度稳定性要好。温度稳定性要好。84图图6

49、.19 VSB-AM光发射机的构成光发射机的构成 85 输入到光放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行避开的，而且要影响系统的性能。所以优质的光放射机都要进行预失真限制，方法是加入预失真补偿电路(预失真线性器)。86 预失真补偿电路事实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，通常接受制冷元件和热敏电阻进行温度限制。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限制。为抑制光纤线路上不匀整点(如连接器

50、)的反射，在LD输出端设置光隔离器。87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放放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。目前可供选择的光放射机有：意义。目前可供选择的光放射机有：(1)干干脆脆调调制制1310 nm分分布布反反馈馈(DFB)激激光光器器光光放放射射机机，如如图图6.19和图和图6.20所示；所示；88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 89 干脆调制1310nm DFB光放射机是目前CATV光纤传输网特殊是安排网运用最广泛的光放射机。缘由是这种光放射机放射光功率高达10