《光纤通信》第六章讲课提纲40.docx

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《光纤通信》第六章讲课提纲40

《光纤通信》第六章模拟光纤通信系统讲课提纲

浙江传媒学院陈柏年

一、三种调制方式

（一）模拟基带直接光强调制（DIM）：

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。

设备简单、价格低廉，广泛应用于短距离传输。

（二）模拟间接光强调制方式：

先用模拟基带信号进行电的预调制，然后用预调制的电信号对光源进行光强度调制。

采用模拟间接光强调制的目的是提高传输质量和增加传输距离。

按照预调制又可分为三种方式：

1、FM－IM：

预调制时，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。

主调制仍然是光强度调制。

2、PFM－IM：

预调制时，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。

主调制仍然是光强度调制。

3、SWFM－IM：

预调制时，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。

主调制仍然是光强度调制。

独特优点：

①SWFM脉冲不含基带成分；②信号质量与传输距离无关；③信噪比高。

（三）频分复用光强调制方式：

用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频（RF）电信号进行调幅（AM）或调频（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。

受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载波复用（SCM）。

现代有线电视光纤同轴混合网HFC就是采用这种传输方式。

1、数字CATV的SCM传输

首先进行信源编码产生单节目的MPEG－2的TS流，然后经多路复用成多节目的TS流（时分复用），多节目TS流统一进行信道编码，再经QAM调制形成8MHz频道内的RF信号（64QAM调通常含有4～8套节目），每个频道RF信号经混合器组成多频道复合RF信号；多频道复合RF信号再对光载波强度调制。

2、SCM光纤传输系统的优点

（1）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。

（2）SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，成本较低。

（3）前后兼容，便于在HFC网中采用。

3、SCM的实质：

利用光纤传输系统很宽的带宽换取有限的信号功率，增加信道带宽，降低对信道载噪比的要求，而又保持输出信噪比不变。

二、模拟基带直接光强调制光纤传输系统

（一）组成：

光发射机（光源通常为发光二极管）、光纤线路和光接收机（光检测器）。

（二）特性参数

1、信噪比SNR

（1）定义：

接收信号功率S和噪声功率（NP）的比值。

分贝表示式：

SNR（dB）＝10lg（S/NP）＝20lg（信号均方电流/噪声均方电流）

按照定义可推导出正弦信号直接光强调制系统的信噪比。

（2）意义：

衡量图像质量的最主要参数之一。

SNR高则图像清晰，轮廓鲜明。

SNR（dB）与图像等级（Q）的关系式：

SNR（dB）=23-Q+1.1Q2，当Q=4级时，SNR（dB）=36.6dB。

（3）调制指数：

m＝信号电流幅度Im/平均信号电流I0。

（4）接收灵敏度Ps,min（dBm）：

在限定信噪比条件下，光接收机所需的最小信号光功率。

2、信号失真

（1）信号失真分类：

线性失真和非线性失真两类。

★线性失真：

输出信号没有产生输入所没有的新的频率成分；但输出信号与输入信号相比，各频率成分之间的大小比例或相对时间关系产生失调，从而造成信号波形上的畸变。

线性失真可以用的幅频特性失真和相频特性失真描述。

★非线性失真：

输出信号出现输入所没有的新的频率成分；由非线性器件（电路）、有源设备所产生。

发射机光源的输出功率特性是DIM系统产生非线性失真的主要原因。

图像信号的非线性失真有很多项，DIM系统重点考虑微分增益（DG）和微分相位（DP）。

（2）微分增益（DG）：

当电视信号亮度不同时，所叠加的色度信号的固定幅度相对于色同步幅度发生变化的百分数。

DG描述色度信号的幅度变化随有关亮度信号幅度变化的函数关系，影响彩色图像的饱和度。

在DIM系统中，DG可定义为系统的P－I曲线斜率（增益特性）随输入电流而变化的的百分数。

微分增益补偿是对LED等非线性器件产生的高频动态幅度失真的补偿，最广泛使用的微分增益四点补偿电路。

（3）微分相位（DP）：

当电视信号亮度不同时，所叠加的色度信号的固定相位相对于色同步信号相位变化的度数。

DP描述色度信号的相位变化随有关亮度信号幅度变化的函数关系，影响彩色图像的色调。

在DIM系统中，DP定义为LED发射光功率P和不同驱动电流I之间相位延迟差的度数。

DP=［φ（I2）-φ（I1）］

微分相位补偿是设计一种电路，使其相移特性φ2与φ1的变化相反，两个非线性电路相加，使系统总相移φ不随输入信号大小而变化，最广泛使用的是微分相位四点补偿电路。

（三）光端机

1、光发射机

（1）要求：

入纤功率大，非线性失真小，调制指数适当，温度稳定性好。

（2）框图：

★箝位电路：

将全电视信号的同步脉冲顶电平保持固定，克服因直流分量的变化引起的电平波动，也称直流恢复器，可决定后级驱动电路合适的静态工作点。

★同步分离：

将全电视信号中同步头信号与图像信号分离，以便形成箝位脉冲送箝位电路。

★驱动电路：

将直流恢复后的全电视信号对LED直接光强度调制。

2、光接收机

（1）要求：

信噪比高；幅频特性好；带宽宽。

（2）框图：

★前置放大器：

放大光检测器输出微弱的电信号，决定系统的SNR和接收灵敏度。

通常采用补偿式跨阻抗前放（如PIN－FET混合集成电路前放）。

★主放大器：

高增益宽频带放大器，将前放输出的信号放大到系统需要的适当电平。

★自动增益控制电路（AGC）：

控制主放大器增益，保证在输入光检测器的光功率不同时光接收机输出电信号电平恒定。

（四）传输系统

1、组成：

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。

2、系统参数

（1）视频部分：

带宽0～6MHz，SNR≥50dB（未加权），DG≤4%，DP≤4°，发射光功率≥-15dBm（32μW），接收灵敏度≤-30dBm。

（2）伴音部分：

带宽0.04～15kHz，输入输出电平0dBr，SNR≥55dB，畸变≤2%，伴音调频副载频＝8MHz。

3、光纤损耗对传输距离的限制

设发射光功率＝Pt（dBm），接收灵敏度＝Pr（dBm），系统余量＝M（dB），包括光纤、连接器和接头的损耗系数＝α（dB/km），传输距离＝L（km），则

（1）光链路损耗＝Pt－Pr＝αL+M

（2）传输距离L＝（Pt－Pr－M）/α[km]

4、系统对光纤带宽的要求

多模光纤，长度L的光纤线路，总带宽B（MHz）和单位长度（1km）光纤带宽B1（MHz×km）的关系为B1=B×Lγ（串接因子γ=0.5～1，为方便起见，可取γ=1）

短波长使用LED光源的情况下，光纤线路总带宽为

B=（B2m+B2c）1/2（Bm为模式色散带宽，Bc为材料色散带宽）

1km光纤带宽为

C（λ）为光纤材料色散，Δλ为光源半峰全宽（FWHM）谱线宽度。

二、副载波复用光纤传输系统

（一）副载波复用SCM系统概况

1、SCM过程：

N个频道的将若干个模拟基带电视信号分别调制到不同频率的射频（RF）载波上，然后用混合器合并成一个宽带信号（多频道的射频复合信号），再将这个宽带信号对光源进行光强调制，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，经分离和解调后恢复出各路模拟基带电视信号输出。

2、SCM传输框图：

（二）SCM系统特性参数

1、主要质量指标

（1）信号的噪声含量：

系统输出信号中所含噪声的多少。

描述指标有载噪比CNR，信噪比SNR，噪声系数F等。

（2）信号的失真程度：

衡量输出信号波形偏离输入信号波形的程度。

线性失真描述指标有幅频特性，色／亮度时延差；非线性失真描述指标有互调IM，组合三次差拍CTB，交调CM，微分增益DG，微分相位DP，交流声HM等。

线性失真和非线性失真主要区别：

线性失真不会产生输入端所没有的新的频率分量；非线性失真肯定产生输入端所没有的新的频率分量。

2、载噪比CNR

（1）载噪比定义

CNR（dB）＝10lg（载波功率C/噪声功率NP）=20lg（载波电压/噪声电压）[dB]

（2）调制指数的关系

若光的总调制度为M，每个频道调制度为m，频道数为N，则

（3）每频道载噪比公式

式中：

e为电子电荷，B为噪声带宽，k=1.38×10-23J/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，ρ为响应度，F为前置放大器噪声系数，（RIN）为相对强度噪声（激光器谐振腔内载流子和光子密度随机起伏产生的噪声）。

光纤链路总的载噪比可以分成三项：

激光器相对强度噪声决定的载噪比CNRRIN、光检测器散粒噪声决定的载噪比CNRq和接收前放热噪声决定的载噪比CNRT。

真值表达式是

1/CNR＝1/CNRRIN+1/CNRq+1/CNRT

分贝表达式可按照功率叠加方法合成：

（4）激光器相对强度噪声决定的载噪比CNRRIN：

与m2成正比，与RIN成反比，m提高1dB，CNRRIN改善2dB，（RIN）改善1dB，CNRRIN改善1dB。

CNRRIN=20lgm-10lg2B-RIN=20lgm-70.6-RIN（dB）

（5）光检测器散粒噪声决定的载噪比CNRq：

与m2和P成正比，m提高1dB，CNRq改善2dB；接收光功率提高1dB，CNRq改善1dB。

CNRq=20lgm+10lgρ+P（dBm）-10lg4-10lge-10lgB=20lgm+10lgρ+P（dBm）+84.34（dB）

（6）接收前放热噪声决定的载噪比CNRT：

与m2和P2成正比。

m提高1dB，改善2dB；接收光功率P（dBm）提高1dB，CNRT改善2dB。

CNRT=20lgm+20lgρ+2P（dBm）+10lgR-10lg8-10lge-10lgKTBF=161.94+20lgm+20lgρ+2P（dBm）-lg2B=91.34+20lgm+20lgρ+2P（dBm）（dB）

（7）CNR的特性和各种噪声的界限

★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。

在CATV光链路中，通常λ＝1310nm，平均接收光功率P＝－2～+1（dBm），λ＝1550nm，平均接收光功率P＝0（dBm）。

★就载噪比而言，预调制方式FM优于VSB-AM。

但FM方式占用的带宽较宽，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。

3、信号失真的分析

（1）方法：

将实际激光器的P～I特性用泰勒级数展开，输入有直流偏置的多频率调幅电流，输出功率的表达式中略去4次以上非线性项，可以得到的成分包括：

直流分量、基波分量（线性放大）、二次谐波分量、二次互调分量、三次谐波分量、三次互调分量、交扰调制分量（引起输入信号电平的相对变化）。

（2）术语：

★互调：

由于系统的非线性，在多个输入信号的线性组合频率点上产生寄生输出信号（互调产物）的过程。

产生频谱失真。

★交调：

由于系统的非线性所造成的其他信号的调制成份对有用信号载波的转移调制。

产生幅度失真。

★“组合差拍”：

互调产物在某个频率点的集聚。

★“组合三次差拍”（CTB）：

在多频道的非线性传输系统中，由于设备的非线性传输特性中的三阶项所引起的互调产物；即所有三个频率（ωi±ωj±ωk）的非线性组合的总和。

具体包括：

三次谐波型、三阶互调型和三次差拍型互调产物。

★“组合二次差拍”（CSO）：

在多频道传输系统中，由设备非线性传输特性中的二阶项（二次谐波，二阶互调和二次差拍）所造成在输出端的产物，即所有可能的双频组合的总和。

（3）载波组合三次差拍比C/CTB（简记为CTB）

★定义：

图像载波电平和聚集在图像载波频率附近形成簇的组合三次差拍峰值电平之比的分贝值，即CTB（dB）=20lg（图像载波电压/聚集在图像载波频率附近形成簇的组合三次差拍复合电压）[dB]

★国家标准规定：

CTBS（dB）≥54[dB]

★超差现象：

在图像中会出现垂直、倾斜或水平网纹。

（4）载波二次差拍比C/CSO（简记为CSO）

★定义：

在系统指定点，图像载波电平和围绕在图像载波中心附近形成群集的组合二次差拍产物复合电平之比的分贝值（多簇时应取叠加功率），即CSO（dB）=20lg（图像载波电压/聚集在图像载波频率附近形成簇的组合二次差拍复合电压）[dB]。

★国家标准规定：

CSOS（dB）≥54[dB]

★超差现象：

在图像中会出现垂直、倾斜或水平网纹。

（5）减小CSO和CTB的方法

★采用合理的频道频率配置，以减小差拍系数，改善CSO和CTB。

★限制调制指数m，以保证CSO和CTB符合规定的指标。

★采用外调制技术，把光载波的产生和调制分开。

（三）SCM系统光发射机

1、VSB－AM光发射机的基本要求：

（1）输出光功率要足够大，线性要好；

（2）调制频率要足够高，调制特性要平坦；（3）输出光波长应在光纤低损耗窗口，谱线宽度要窄；（4）温度稳定性要好。

2、1310nm直接调制DFB激光器光发射机

组成：

（1）激光二极管组件（激光器、光电二极管、热敏电阻、热电致冷器），

（2）光学部件（光隔离器、内部透镜和尾纤），（3）重要操作电路：

①热电致冷器控制电路，②过温保护控制电路，③输出平均光功率监测电路，④功率控制电路，⑤激光器偏置慢启动电路。

（4）射频驱动电路。

（5）射频过驱动保护电路。

3、1550nm外调制DFB光发射机

4、外调制掺钕钇铝石榴石（Nd:

YAG）固体激光器光发射机

（四）SCM系统光接收机

1、VSB－AM光接收机的基本要求：

（1）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；

（2）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。

2、组成

（1）光电二极管组件。

（2）前置放大器。

（3）输出放大器：

将前置放大器送来的信号加以放大。

（4）补偿网络。

（5）可变衰减器。

（6）自动增益控制AGC电路。

（7）供电电源。

（8）数据采集电路。

（五）SCM系统光链路性能

1、表示方法：

通常用在规定CSO和CTB的条件下，载噪比CNR与光链路损耗αL的关系曲线表示。

2、工程计算：

光路损耗A（dB）=Pt（dBm）-Pr（dBm）=αD+10lg（100/K）+ΔLi+2Lc+Lm

式中，α为光纤计入熔接头损耗的损耗系数[dB/km]；D是光纤长度[km]；K％是光分路器的分光比；ΔLi为光分路器的插入损耗[dB]，数值取决于所采用的具体分光器；Lc为活动光连接器损耗，通常取0.5dB/个；Lm为光链路预留余量[dB]，可根据工作波长不同，取0.3～0.5dB。