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1、第6章 模拟光纤通信系统第1页，本讲稿共91页模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：6.1 6.1 调制方式调制方式 模拟基带直接光强调制(D-IM)模拟间接光强调制 频分复用光强调制2第2页，本讲稿共91页 是用承载信息的模拟基带信号模拟基带信号模拟基带信号模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或LD)进行光强调制光强调制光强调制光强调制，使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。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式，就是这种基带传输方式。所谓基带基带基带基带，是对载波调制之前的视频信号频带。6.1.1 6.1.1 模拟
2、基带直接光强调制模拟基带直接光强调制(D-IM)3第3页，本讲稿共91页 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。4第4页，本讲稿共91页D-IMD-IM光纤传输系统的特点光纤传输系统的特点 设备简单 价格低廉 因而在短距离传输中得到广泛应用。5第5页，本讲稿共91页 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
3、调制方式 是先用承载信息的模拟基带信号进行电电的的预预调调制制，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。预调制主要有以下三种预调制主要有以下三种:1.频率调制频率调制(FM)2.脉冲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)6第6页，本讲稿共91页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 由于模模拟拟基基带带直直接接光光强强调调制制(D-IM)光光纤纤传传输输系系统统的的性性能能受受到到光光源源非非线线性性的
4、的限限制制，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，它基本上不不受受光光源源非非线线性性的的影影响响，所以可以采用线性较差、入纤功率较大的LD器件作光源。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。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7第7页，本讲稿共91页对于多模光纤而言：对于多模光纤而言：若波长为0.85 m，传输距离可达10 km(D
5、-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。8第8页，本讲稿共91页 在光纤上传输的等幅、不等宽的方波调频(SWFM)脉冲不含不含不含不含基带成分基带成分基带成分基带成分，因而这种模拟光纤传输系统的信号质量与传输信号质量与传输信号质量与传输信号质量与传输距离无关距离无关距离无关距离无关 SWFM-IM系统的信噪比信噪比信噪比信噪比也比D-IM系统的信噪比信噪比信噪比信噪比高高高高得多上上述述光光纤纤的的传传输输方方式式都都存存在在一一个个共共同同的的问问题题：一一根根光光纤纤只只能传
6、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然开发多路模拟传输系统，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开发多路模拟传输系统，就成为技术发展的必然。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9第9页，本讲稿共91页 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频分分复复用用(FDM)(FDM)，也可以是时时分分复用复用(TDM)(TDM)。FDM FDM FDM FDM系统的优点：系统的优点：系统的优点：系统的优点：电路结构简单、制造成本较低以及
7、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10第10页，本讲稿共91页 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 用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射射频频(RF)电电信信号号进行调调幅幅(AM)或调调频频(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光载载波波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波
8、称为副副载载波波，这种复用方式也称为副载波复用副载波复用(SCM)。6.1.3 6.1.3 频分复用光强调制频分复用光强调制11第11页，本讲稿共91页 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(HFC)中采用。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12第12页，本讲稿共91页 利用光纤传输系统很宽的带宽换取有限的信号功率，也就是增加信道带宽，降低对信道载噪比(载波功率/噪声功率)的要求，而
9、又保持输出信噪比不变。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。副载波复用的实质副载波复用的实质13第13页，本讲稿共91页6.2 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)光纤传输系统由光光发发射射机机(光源通常为发光二极管)、光光纤纤线线路路和光光接接收收机机(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14第14页，本讲稿共91
10、页 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(信号畸变信号畸变)6.2.1 6.2.1 特性参数特性参数15第15页，本讲稿共91页 1.1.信噪比信噪比 正弦信号直接光强调制系统的信信噪噪比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非常微弱，所以对系统的SNR影响很大。16第16页，本讲稿共91页图 6.2 发光二极管模拟调制原理 17第17页，本讲稿共91页式中，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(NP)
11、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）18第18页，本讲稿共91页如图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。19第19页，本讲稿共91页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=
12、II=IB B(1+m cost)(1+m cost)P=P=B B(1+mcost)(1+mcost)is=I0(1+m cost)20第20页，本讲稿共91页 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：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。21第21页，本讲稿共91页调制指数调制指数 m m 的定义的定义22第22页，本讲稿共91页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
13、光纤纤线线路路的的衰衰减减，为光光检检测测器器的的响响应应度度，IP为一一次次光光生生电电流流，g为APD的倍增因子的倍增因子。设使用PIN-PD，g=1。由式(6.5)式(6.7)得到均方信号电流：i2s=(6.8)23第23页，本讲稿共91页 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(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，
14、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。（6.9）24第24页，本讲稿共91页 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信号直接光强调制系统的信噪比为：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（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。25第25页，本讲稿共91页 和SNR关系密切的一个参数是接接收收灵灵敏敏度度。和数字光纤通信系统相似，在模拟光纤通信系统中，我们把接接收收灵灵敏敏度度Pr定定义义为为：在限定信噪比条件下，光接收机所需的最小信号光功率Ps,mi
15、n，并以dBm为单位。假假设设系系统统除除量量子子噪噪声声外外，没没有有其其他他噪噪声声存存在在，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。26第26页，本讲稿共91页 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（6.10）（6.12）根据上式可得：27第27页，本讲稿共91页 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
16、需的最小信号光功率：(6.14)28第28页，本讲稿共91页 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，实际灵实际灵敏度比极限灵敏度要低得多敏度比极限灵敏度要低得多。29第29页，本讲稿共91页 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，即不发生信号失真。一般说，实现电/光转换的光源，
17、由于在大信号条件下工作，线性较差，所以发发射射机机光光源源的的输输出出功功率率特特性性是是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。2.2.信号失真信号失真30第30页，本讲稿共91页 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发射光功率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
18、.16）31第31页，本讲稿共91页LEDLED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。32第32页，本讲稿共91页 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。预预失失真真补补偿偿方方式式是在系统中加入预先设计的、与LED
19、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光接接收收机机，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33第33页，本讲稿共91页图 6.3 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34第34页，本讲稿共91页 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。6.2.2 6.2.2 光端机光端机35第35页，本讲
20、稿共91页对光发射机的基本要求是：对光发射机的基本要求是：发发射射(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。非非线线性性失失真真要要小小，以利于减小微微分分相相位位(DP)和微微分分增增益益(DG)，或增大调制指数调制指数m(mTV)。LED线性优于线性优于LD。调调制制指指数数m(mTV)要要适适当当大大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP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
21、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。36第36页，本讲稿共91页 模拟基带DIM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 6.6 光发射机方框图 箝位电路同步分离驱动电路LEDTV入37第37页，本讲稿共91页图6.7(b)LED驱动电路工作原理 时间电流时间光功率(b)38第38页，本讲稿共91页2.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39第39页，本讲稿共91页 模模
22、拟拟基基带带D-IM光光纤纤电电视视传传输输系系统统光光接接收收机机方方框框图图如如图图6.8所所示示，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，应有偏偏压压控制电路控制电路。40第40页，本讲稿共91页图 6.8 光接收机方框图 前放主放AGC光检测器41第41页，本讲稿共91页 APD的的优优点点：有20
23、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。前置放大器的输入信号电平是全系统最低的，因此前前放放决决定定着着系系统统的的SNR和和接接收收灵灵敏敏度度。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。42第42页，本讲稿共91页 模拟基带直
24、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。6.2.3 6.2.3 系统性能系统性能43第43页，本讲稿共91页1.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主要技术参数举例如下：44
25、第44页，本讲稿共91页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 模模拟拟基基带带直直接接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。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为发发射射光光功功率率(dBm)，Pr为接接收收灵灵敏敏度度(dBm),M为系系统统余余量量(dB)，为光光纤纤线线路路(包包括括光光纤纤、连连接接器器和和接接头头)每千米平均损耗系数每千米平均损耗系数(dB/km)。（6.17）45第45页，本讲稿共91页3.系统对光纤带宽的要求系统对光纤带宽的要求 对于
26、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。46第46页，本讲稿共91页如果采用原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
27、，这时，认真计算是必要的，因为在在短短波波长长光光纤纤材材料料色色散散和和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：(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。47第47页，本讲稿共91页 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。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(6.20)得到：（6.21）（6.20）48第48页，本讲稿共91页6.3 6.3 副载波复用光纤传输系统
28、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 6.0 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 49第49页，本讲稿共91页 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，通常用残残留留边边带带
29、调调幅幅(VSB-AM)和调调频频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残残留留边边带带调调幅幅副副载载波波复复用用(VSB-AM/SCM)模拟电视光纤传输系统。50第50页，本讲稿共91页 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）51第51页，本讲稿共91页 式中,i2c为均方载
30、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)52第52页，本讲稿共91页图 6.11 激光器模拟调制原理 PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI输出信号输入信号53第53页，本讲稿共91页由于假设不存在信号失真，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。54第54页，本讲
31、稿共91页 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）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。55第55页，本讲稿共91页 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。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，i
32、2q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(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。（6.28）56第56页，本讲稿共91页式中平均信号电流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)57第57页，本讲稿共
33、91页 由此可见，载载噪噪比比CNR随随着着调调制制指指数数m和和平平均均接接收收光光功功率率P0的的增增加加而而增增加加，随随三三项项噪噪声声的的增增加加而而减减小小。下面观察一下三项噪声的界限。在平平均均接接收收光光功功率率P P0 0较较大大的条件下，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。(CNR)q=10 lg（6.31）58第58页，本讲稿共91页 如果平平均均接接收收光光功功率率P P0 0很很大大，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
34、，在这个条件下，(CNR)RIN=(6.32)这时CNR与m2成正比，与(RIN)成反比。当平平均均接接收收光光功功率率P P0 0很很小小时时，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，这时由式(6.30)得到 （CNR)T=10lg(6.33)59第59页，本讲稿共91页图 6.12 CNR的特性和各种噪声的界限 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/dBmCNR/dB20-2-4-6-8-10-124448505254564660第60页，本讲稿共91页 但是增增大大m又又会会使使激激光光器器的的线线性性劣劣化化，要要用用预预失失真真技技术术来来补补偿
35、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，最最好好采采用用适适当当低低的的光光功功率率和和适适当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，增增大大P P0 0不不一一定定能能提提高高CNRCNR。为了提高CNR，增大m是可取的。61第61页，本讲稿共91页 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
36、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。为在接收机解调后获得相同SNR，两种预调制方式所需的CNR比值为：（6.34）62第62页，本讲稿共91页图 6.13 VSB-AM和FM方式CNR的比较+2-8-6-40-2-14-12-10-16106050403020平均接收光功率/dBmCNR/dB4MHZ带宽（VSB-AM）27MHZ带宽（FM）
37、63第63页，本讲稿共91页 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 dB。设光纤线路平均损耗系数为0.5dB/km，则FM方式的传输距离可增加13/0.5=26 km。由此可见，就就载载噪噪比比而而言言，预预调调制制方方式式FM优优于于VSB-AM。但但是是和和VSB-AM方方式式相相比比，FM方方式式存存在在一一个个本本质质性性问问题题，就就是是它它占占用用的的带带宽宽较较宽宽，约为VSB-AM方式的6倍。所以要根据
38、不同应用场合，选择不同预调制方式。64第64页，本讲稿共91页 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，但主主要要原原因因是是作作为为载载波波信信号号源源的的半半导导体体激激光光器在电器在电/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。2.2.信号失真信号失真65第65页，本讲稿共91页 副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组组合合二二阶阶互互调调(CS
39、O)失失真真和组组合合三三阶阶差差拍拍(CTB)失失真真这两个参数表示。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。66第66页，本讲稿共91页 这这种种非非线线性性效效应应会会发发生生在在所所有有RF电电路路，包包括括光光发发射射机机和光接收机。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组合合二二阶阶(CSO)互互调调失失真真。通常用这个总和与载波的比值表示，并以dB为单位，记为dBc。组组合合三三阶阶差差拍拍(CTB)失失真真是三个频率(ijk)的非线性组合，其定义和表示方法与CSO相似，单位相同
40、。67第67页，本讲稿共91页 CSO和和CTB将将以以噪噪声声形形式式对对图图像像产产生生干干扰扰，为为减减小小这这种种干扰，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，使三三阶阶互互调调频频率率(fjfjfk)即即使使落落在在
41、系系统的频带内，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。68第68页，本讲稿共91页图 6.14 fN2f1的SCM系统的频谱分布 69第69页，本讲稿共91页图 6.15 SCM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，但分离和滤波后各频道单独输出时，其影响就不明显了。70第70页，本讲稿共91页 (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(6.41)可以看到，CSO与与m2成成正正比比，CTB与与m4成成正正比比，因因此此随随着着m值值的的增增大大，CSO和和CTB迅迅速劣化。速
42、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。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。71第71页，本讲稿共91页图6.16 激光器的削波效应 削波部分IbIthIP输出功率线性72第72页，本讲稿共91页 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。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
43、 dBc，值不应大于0.25，由此得到m0.35/。图6.17 CSO、CTB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/-dBc73第73页，本讲稿共91页 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。这样，光源
44、谱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 6.18 CSO和CTB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（a）（b）CSO/-dBcCTB/-dBc74第74页，本讲稿共91页 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(P-I)线性要好；
45、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；温度稳定性要好。75第75页，本讲稿共91页图6.19 VSB-AM光发射机的构成 76第76页，本讲稿共91页 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免的，而且要影响系统的性能。所以优优质质的的光光发发射射机机都都要要进进行行预预失失真真控制，方法是加入预失真补偿电路控制，方法是加入预失真补偿电路(预失真线性器预失真线性器)。77第77页，本讲稿共91页 预预失失真真补补偿偿电电路路实际上是一个与激
46、光器的非线性相相反反的非线性电路，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。为为抑抑制制光光纤纤线线路路上上不不均均匀匀点点(如如连连接接器器)的的反反射射，在在LD输输出出端端设置光隔离器。设置光隔离器。78第78页，本讲稿共91页图6.19 VSB-AM光发射机的构成 正正确确选选择择光光发发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
47、分分布布反反馈馈(DFB)激激光光器器光光发发射射机机，如图6.19和图6.20所示；79第79页，本讲稿共91页图6.20 直接调制DFB光发射机方框图 80第80页，本讲稿共91页 直直接接调调制制1310nm DFB光光发发射射机机是是目目前前CATV光纤传输网特别是分配网使用最广泛的光发射机。光纤传输网特别是分配网使用最广泛的光发射机。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。81第81页，本讲稿共91页图6.22 外调制YAG光发射机方框图 (2)外调制掺
48、钕钇铝石榴石(Nd:YAG)固体激光器光发射机，如图6.22所示。82第82页，本讲稿共91页缺点是缺点是: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YAG光发射机主要由YAG激光器、电光调制器、预失真线性器和互调控制器构成。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。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(RIN)低到165 dB/Hz，信号失真性能极好。83第83页，本讲稿共91页图6.21 外调制DFB光发射机方框图 (3)外调制1550 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机
49、，如图6.21所示；84第84页，本讲稿共91页 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光发射机同样具具有有小小型型、轻轻便便等等优优点点。采用外调制技术，又与外调制YAG光发射机同样具具有有极极好好的的信信号号失失真真性性能能。虽然外调制1550 nm DFB光发射机的发发射射光光功功率率只只有有24 mW，但但是是这这种种缺缺点点是是可可以以克克服和弥补的服和弥补的。目前1550 nm掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)已经投入实用，使
50、用EDFA可以把弱小的光信号放大到50 mW以上。85第85页，本讲稿共91页 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比(CNR)不能和直接调制1310 nm DFB光发射机或外调制YAG光发射机的性能相匹敌。86第86页，本讲稿共91页 2.光接收机光接收机 对对VSB-AM光接收机的基本要求是：光接收机的基本要求是：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；要有足够大的工作带宽和频带平坦度，因而要采用