光通信复习及课件.ppt

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1、6.1 调制方式6.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统6.3 副载波复用光纤传输系统,第 6 章 模拟光纤通信系统,返回主目录,6.1 调制方式 模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：模拟基带直接光强调制(D-IM)模拟间接光强调制方式 频分复用光强调制方式,6.1.1 模拟基带直接光强调制 模拟基带直接光强调制(D-IM)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，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，就是对载波调制

2、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。D-IM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 模拟间接光强调制方式 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(IM)p147。这种系统又称为预调制直接光强调制光

3、纤传输系统。预调制主要有以下三种:1.频率调制(FM)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。,2.脉冲频率调制(PFM)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(SWFM)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、

4、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-IM光纤传输系统。,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 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。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。因而PFM-IM系统的传输距离比D-IM系统的更长 对于多模光纤，若波长为0.85 m，传输距离可达10

5、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。,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统，就成为技术发展的必然。,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(FDM)，也可以是时分复用(TDM)。FDM系统的优点：电路结构简单、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

6、大 这些明显的优点，使FDM多路传输方式受到广泛的重视。,6.1.3 频分复用光强调制 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。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，为区别起见，把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)。,SCM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

7、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。,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(D-IM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图6.1所示。,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,m,(,t,),基带信号,m,(,t,),光纤,6.2.1 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

8、(SNR)和信号失真(信号畸变)。1.信噪比 正弦信号直接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非常微弱，所以对系统的SNR影响很大。,图 6.2 发光二极管模拟调制原理,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。,式中，i2s为均方信号电流和i2n为均方噪声电流，RL为光检测器负载电阻。,这种系统的信噪比定义为接收信号功率和噪声功率(NP)的比值：,信噪比一般用dB作单位，即,（6.1）,2.信号失真 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

9、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DIM（直接强度调制）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。,非线性失真一般可以用幅度失真参数微分增益(DG)和相位失真参数微分相位(DP)表示。DG可以从LED输出功率特性曲线看出，其定义为：,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）,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

10、补偿。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，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V1与接收端输出信号V2之间相移为，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间的相移。由于相移随输入信号V1而变化，如图6.3(a)，因

11、而产生微分相位DP。,微分相位补偿是设计一种电路，使其相移特性 与 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 6.4 微分相位补偿电路,在模拟电视光纤传输系统中，最广泛使用的电路是微分相位四点补偿电路，如图6.4所示p150。这种电路的相位补偿是利用集电极和发射极输出的信号相位差180的原理构成的全通相移网络来实现的。,二极管D1D2D3偏置于不同的电压V1V2V3,使它们依次导通，使总电阻（R1/R2/R3）不断变化，因而电路总增益也变化，补偿相移非线性失真。,6.1 概述,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路

12、。,CE,CC,CB,和微分相位补偿原理相似，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，目前最广泛使用的微分增益四点补偿电路如图6.5所示。,图6.5 微分增益补偿电路,二极管D1D2D3偏置于不同的电压V1V2V3,使它们依次导通，使总电阻（R1/R2/R3）不断变化，因而电路总增益也变化，补偿LED的P-I特性的非线性。,6.2.2 光端机 光端机包括光发射机和光接收机。1.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。,对光发射机的基本要求是：发射(入纤)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，

13、传输距离和发射光功率成正比。发射光功率取决于光源，LD优于LED。非线性失真要小，以利于减小微分相位(DP)和微分增益(DG)，或增大调制指数m(mTV)。LED线性优于LD。调制指数m(mTV)要适当大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。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,LED,TV,入,驱动电路

14、的末级及其工作原理示于图6.7，图中R1C1电路用于调节DIM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，V2用于保护LED防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路调节。,图6.7(a)LED驱动电路的末级,图6.7(b)LED驱动电路工作原理,电流,光,功,率,(b),由于全电视信号随亮场和暗场的变化而变化，为保证动态DP和DG的规定值，必须保持DP和DG补偿电路的工作点不随亮场和暗场而变化，所以应有箝位电路来保证其工作点恒定。在全电视信号中，图像信号随亮场和暗场而变化，其同步脉冲信号在工作过程是不变的，因而利用同步脉冲和图像信号处于不同电平的特点，

15、对全电视信号中的同步脉冲进行分离和箝位。,2.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：,信噪比(SNR)要高 幅频特性要好 带宽要宽,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，通常要用自动增益控制(AGC)。,前放,主放,AGC,图 6.8 光接收机方框图,光检测器可以用PIN或APD。PIN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，应有偏压控制电

16、路。,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，力求电路简单，光检测器一般都采用PIN。前置放大器的输入信号电平是全系统最低的，因此前放决定着系统的SNR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。,6.2.3 系统性能 接收端要有足够的接收功率

17、，即满足一定信噪比 各接收元件要有足够大的带宽来确保包含在光信号中的最高调制频率顺利通过,1.系统指标(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 dB 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。,2.光纤损耗对传输距离的限制 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。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）,