光网络设备制造论文-CATV光接收机原理及应用.docx

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1、 物理与电子工程学院光网络设备制造论文 题 目 CATV光接收机原理及应用 专 业 光电信息科学与工程 班 级 光电131 姓 名 何庆丰 学 号 052513104 指导教师 李方强 时间 2016.12.23 2摘 要在光纤通信系统中，光接收机（Optical receiver）的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。光发射机发射的光信号经传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了，光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。而CATV光接收机中对光探测器有如下要求：A、

2、在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的，在使用光探测器时必须合理选择所用的器件，才能满足系统要求。B、有足够的响应度，输出电流与输入光功率是线性关系，以保证信号不失真。C、噪声低，频带宽。光探测器在光电变换中引入的噪声应尽量小，因为光探测器的入射光信号一般相当微弱，又是光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大。D、可靠性高、寿命长、性能稳定，能适应一定的温度等环境条件变化，另外还要求光探测器体积小、价格低、偏置简单等。关键词：光接收机 CATV光接收机目 录一、光接收机的核心功能组件1二、

3、光接收机的结构及原理22.1光接收组件22.2光功率指示3 2.3 光接收机的功率放大5 2.4 CATV光工作站点62.5 CATV性能特点92.6原理框图9三、总结10参考文献11一、光接收机的核心功能组件根据用途的不同，有两类主要的光接收机数字接收机、模拟接收机。数字接收机用来接收数字基带光信号，模拟接收机用来接收RF或微波信号。数字接收机的性能要求与模拟接收机显著不同，数字接收机要求在频率很高很低时的响应平坦，如它的频率响应在低到300HZ时还要保持平坦。相反，模拟接收机只需要在有用的频率范围内保证响应平坦就可以了，除了平坦度的要求，所有模拟接收机的设计都必须有好的线性特性，以满足系统

4、要求的CSO、CTB失真的指标。无论数字接收机还是模拟光接收机影响其主要性能的部件都是前端接收部分，该部分一般都包括PIN光探测器、低噪声前置放大器及他们之间的一些接口电路组成。无论是复杂的光工作站还是简易的光接收机都包含这一部分器件，因而此处把这三部分作为光接收机的功能组件介绍。前面已经详细介绍了光探测器的原理及性能指标，光探测器的主要功能是实现光信号对电信号的转换，其不仅是该组件的核心，也是光接收机的核心。应用在CATV系统中的光探测器的波长一般要求为11001600nm，大多采用InGaAs化合物，作为一个性能优良的光探测器，要求其具有：量子效率高、噪声低、光电转换线性好、温度特性稳定、

5、具有足够的带宽、可靠性高、体积小等一系列优点。在调制系数、光探测器的平均接收光功率、温度相同的情况下，暗电流、结电容、量子效率对光探测器的载噪比影响较大。光探测器的阻抗很高，须经一宽带阻抗匹配电路与前置放大器级联，才能获得好的噪声性能，除了实现阻抗匹配，该匹配电路还能降低杂散电容和前置放大器输入电容的影响。低噪声前置放大器的功能是把光电流转变为电压，并且要求噪声低、非线性失真小，没有合适的前端放大器的设计，光电流的放大会加重很多传输的模拟信号的非线性失真。PIN光探测器的低噪声前置放大器及接口电路的设计是光接收机的重要技术，该组件将决定一台光接收机（站）的性能指标及档次。二、光接收机的结构及原

6、理2.1 光接收组件在光接收的应用中也只有分离组件与集成一体组件的区别，下面为集成一体组件与分离组件的差异。集成一体化组件具有明显的优势，是有线电视技术发展的趋势，除了一般性指标外，集成一体化组件兼有温度控制功能。单从这一功能来说，在分立组件中由于PIN管距离前置放大相对较远，其受前置放大温度的影响相对较轻，温度对PIN管的影响的矛盾并不十分突出。如果集成一体组件中没有温控电路，由于PIN管与前置放大紧密结合，虽然有模块的底座散热条散热，PIN管的温升仍然比较明显，尤其是组件中配置大电流、高增益的前置放大，温升就越大，目前绝大部分国产组件都没有温控电路，而且有些生产厂家为了寻找卖点，采用大增益

7、的前置放大器，导致组件的工作电流较大，从而使组件的温升变大，影响PIN管的性能。进口的名牌组件目前已有大部分产品采用温控功能电路，保证组件的温升对PIN管的影响最小。带温度补偿电路的光接收模块具有明显的优点：组件性能随温度变化小，噪声系数指标得到较好的改善，相对于指标的优化，成本就非常低。目前在高档光接收机中都采用具有温度补偿功能的集成组件，以提高整机的环境适应性。2.2 光功率指示光功率指示是光接收机的附属功能电路，虽然有无该电路并不影响光接收机的性能指标，但光功率指示却有助于光接收机的使用者方便的操作与故障判断。显示准确的光功率指示功能电路起到了光功率计的作用，对于系统维护具有重要的意义，

8、尤其是对于没有光功率计的用户，有光功率指示意义非同一般。目前光功率指示电路有三种不同的档次：（1）用一只发光二极管指示光功率的有无。其显示原理是：光功率指示单元功能电路（一般为集成运放构成的比较器）自动跟踪检测光探测器的工作电流，并将它转换成电压，该电压与基准电压进行比较，一旦检测电压高于基准电压，就说明有光功率指示，即驱动发光二极管点亮，指示有光功率。基准电压的设置各厂家并不一致，有的设置为-5dB，也有的可能设置的更低。针对于-5dB的情况作一说明，由于输入光功率大，PIN管的工作电流变大，将电流的变化转换成电压的变化，如果光接收机的输入光功率在-5dB时对应的检测电压为0.5V，则基准电

9、压就设置为略低于0.5V的值（如设置为0.48V，设置值低是考虑比较器的精度），一旦检测电压大于基准电压0.48V，比较器就驱动发光二极管发光，表明有光功率输入，如果输入光功率太低（小于-5Db），指示电路将指示无光功率输入。这种光功率指示比较粗糙，如果设置基准光功率为-5dB，只要输入光功率大于-5dB，指示发光二极管就一直点亮，无法判断光功率的真实值，后期维护中光功率是否变化浮动也无从知道。在低档光接收机中都采用这一种光功率指示。 （2）用多只发光二极管粗略的指示光功率的变化。其显示原理是，采用多只比较器跟踪检测电路检测到的工作电压，驱动各档的发光二极管点亮，以指示光功率的变化，这种功率指

10、示采用的发光二极管越多，指示精度相对就越高。有的产品采用4只发光二极管分别指示-5dB、-2dB、0dB、2dB，也有的产品用8只发光二极管，分别对应指示光功率的值为-5 dB、-4 dB、-3 dB、-2 dB、-1 dB、0 dB、+1 dB、+2 dB，即便是采用多只发光二极管指示光功率也有两种档次。第一种指示是采用简单的比较器构成指示电路，如指示-5 dB、-2 dB、0 dB、2 dB，当光功率大于-5dBm、小于-2dBm时，只有-5dBm指示亮，如果光功率大于-2dBm，则-5、-2指示二极管全点亮，如果此时光功率在0dBm左右，则-5、-2、0三只发光管全点亮。第二种指示是采用

11、相对复杂的窗口比较器，设定一定的电压范围作为比较的指示范围，针对于8只发光二极管的指示，其设定依据通常是：在光功率值在-4.55.5范围时，-5指示二极管点亮，表示此时的光功率在-5dBm左右，在光功率值在-3.5-2.5范围时，-2指示二极管点亮，表示此时的光功率在-2dBm左右，依次类推；实际使用时，在任意时刻只有一只发光二极点亮，粗略的指示光功率的范围。而前一种指示通常是多只二极管点亮。给人的感觉好像是显示不准确。其实这两种显示虽然原理差不多，但应用于光接收机整机，效果却大不一样。 （3）用数码管或液晶显示屏精确显示光功率。该种显示的原理是：检测单元电路检测到PIN管的准确工作电流值并把

12、其转换成电压，此电压经过模、数转换集成电路，变成可供数码管或液晶屏显示的数字量（a、bg七个分量），然后进入驱动电路最后到达数码管或液晶屏精确显示即时的光功率值，该种显示精度相当高，一般显示精度在0.01，显示单位因厂家产品不同而不同，有的以MW为单位，有的以dBm为单位。该种功率显示电路相对于前面用发光二极管指示的两种电路，既有技术含量又有方便实用性。该种显示电路的成本相对较高，一般都应用于高档光接收机中，有些厂家为了吸引用户眼球，在中低档光接收机中也有应用。如果光接收机中采用这种功率指示电路，无论对施工调试还是后期的系统维护都有帮助，相当于预置了一台光功率计在光接收机中。从实用性的角度出发

13、，用户在选择光接收机时，也应对光功率指示有所注重，尤其是对那些无光功率计的用户，数码管指示光功率确有重要意义。2.3 光接收机的功率放大 在光接收机中，功率放大都采用集成一体化模块，依据信号的放大流程，前面一级放大通常都采用低噪声、推挽放大模块，后面一级都采用功率倍增模块。在光接收机中，放大模块的质量好坏对光接收机的影响较大，放大模块的选择也决定了光接收机的档次与价位，光接收机的输出电平的设定是由放大模块的增益决定的。由于后级功率倍增模块的增益可选的范围比较小，一般增益为18dB或20dB。因而光接收机的RF增益主要由前级推挽放大模块决定，其模块增益从18dB到30dB不等。在光接收机模块的选

14、择上有多种方式：可采用硅放大模块、GaAs放大模块、进口模块、国产模块等诸多配置。当光接收机在低电平输出时，放大模块的指标对光接收机的整机指标影响不大，如果光接收机实现高电平输出则放大模块的影响将是主要因素。前面已对各种不同种类的放大模块作了介绍。在选用光接收机时一定对模块的种类与档次有所选择，才能买到即符合系统需要又货真价实的产品。 2.4 CATV光工作站点传统的CATV广播分配网，随HFC网络的改造，向通信式的双向交互网发展，光纤网络和无源电缆分配网将是HFC网络架构的主导模式。HFC网络的目标就是成为一个能为本地区（城市）提供多种信息业务服务的宽带多媒本通信平台；从目前的HFC网络发展

15、态势看起具有明显的特点：光纤向用户逐步延伸，光接点的服务半径越来越小，双向用户逐渐增多，RF放大器的应用越来越少，光接点以后的网络可靠性得到大幅度提高。随着用户对服务质量要求的提高，光接点最终将是无源分配网络，即不采用RF放大器，只由光接收设备提供高电平信号，覆盖结点周围用户。普通的光接收机将无法再胜任作为光接点接收设备的高要求，为适应这一发展，解决双向用户共享带宽的制约，提高网络服务质量，可升级的通信型光站应运而生，其将是宽带HFC用户接入网的主导设备。各个生产厂家推出的光工作站的具体结构及功能并不一致，作为光工作站其与光接收机有明显的区别。（1）按功能结构区分。光工作站一般具有多于4个独立

16、的高电平输出端口，每端输出电平一般要求大于110dB，以适应直接用于用户分配，增加覆盖的要求。而光接收机的输出电平一般不高，既使是高电平输出光接收机，其最大输出也一般低于108dB；光工作站具有完备的功能模块（或预留插口），而光接收机由于采用小外壳，功能模块单元相对很小，主要功能仅是实现光电转换，即使有回传发射模块，也相当简单，无法适应未来双向光接点的较高要求。（2）按可靠性区分。光工作站一般都采用高冗余度，通常都对关键的功能模块实现备份，常见的功能备份有如下几种：a、电源备份，通常光工作站可插入两个高效开关电源，在一个电源出现故障时，内部控制单元可自动切换到另一个电源。b、光备份，光备份有光

17、接收备份、光发射备份。光接收备份：光工作站可插入2个以上的光接收功能模块，分别接收不同路由的光信号，当一路出现故障时，控制单元将及时切换到另一路；光发射备份：光工作站可插入2个以上的回传发射模块，组成回传模块热备份。光接收机一般结构简单，不采用模块插接结构，更谈不上功能备份，其可靠性相对较低，（3）按网络应用区分。a、普通光接收机主要用于光接点的主干线传输，作为光接点的前端使用，用户覆盖主要由RF放大器延伸的电缆网完成，故系统指标分配一般为：前端（0.1）：光缆（0.4）：电缆（0.5），光缆部分的指标一般为：C/N49 dB，CTB65dB，OSO50dB。因而在工程应用中光接收机一般采用低

18、光功率输入，通常为2dBm或更低。这样既能保证C/N指标，又能降低工程成本，由于光接收机输出电平相对较低，失真指标得到较好的改善，其后续干线传输可以级联更多的放大器，增加光接点覆盖范围。b.光工作站主要用于直接覆盖用户，因而电缆部分不需要分配指标。故系统指标分配一般为前端（0.1）：光缆（0.7）：用户端接收设备（0.2），光缆部分的指标为：C/N=45.6dB、CTB=56dB、CSO=56dB。也就是说光工作站可以通过提高输出电平来增加覆盖。因而在工程应用中，光工作站都实行高光功率输入，一般为01dBm之间，与一般的光接收机相比，其RF输出电平可增加78dBuv，一个端口的输出电平理论上相

19、当于3台一般光接收机的覆盖能力（此处的一般光接收机是指输出电平较低，100dBuv直接覆盖用户的情况）。从上面的比较可以看出，光工作站一般采用超大铸铝外壳，功能完备，采用模块化插接结构，提供高可靠的冗余备份，成本较高，价格不菲 2.5 CATV性能特点 线路优化设计，SMT工艺生产，优化整机信号通道，光电信号传输更流畅。 专业的射频衰减芯片，射频衰减和均衡线性好，精度高。 砷化镓放大器件，功率倍增输出，增益高、失真低。 单片机控制整机工作，数码显示各项参数，操作方便直观，性能稳定。 优良的AGC特性，输入光功率92dBm时，输出电平保持不变，CTB、CSO基本不变。 预留数据通讯接口，方便与网

20、管应答器连接，接入网管系统。2.6原理框图三、总结 光接收机在当今时代发展是必不可少的成分，在光检测器里也同样起着巨大的作用，不断出现各种新型的接收机也是对当代科学技术的一种有力的展现，通过本文在光接收机上的研究，我学习到了很多相关光接收机的知识，更有利于今后使用此类器材，学到了光接收机的原理，应用，发展等，总的来说受益匪浅。参考文献1纪越峰等.现代通信技术.北京：北京邮电大学出版社,2001.2孙学康,张金菊等.光纤通信技术。北京：北京邮电大学出版社，20053傅海阳,杨龙向,李文龙.现代电信传输.北京：人民邮电出版社，2000. 4孙学军,张述军等.DWDM传输系统原理与测试.北京：人民邮电出版社,1997.11