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1、第第 6 章模拟光纤通信系统章模拟光纤通信系统第第6章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统 6.1调制方式调制方式 6.1.1模拟基带直接光强调制模拟基带直接光强调制 模拟基带直接光强调制(DIM)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，就是对载波调制之前的视频信号频带。 于广播电视节目而言，视频信号带宽(最高频率)是6 MHz， 加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系
2、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。这种DIM光纤电视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 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)。这种系统又称为预调制直接光强调制光纤传输系统。 预调制又有多种方式，主要有以下三种。 1. 频率调制频率调制(FM) 频率调制方式是先用承载信
3、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FMIM光纤传输系统。 2. 脉冲频率调制脉冲频率调制(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PFMIM光纤传输系统。 3. 方波频率调制方波频率调制(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、不等宽的方波脉冲调频信号，其方波脉冲频率随输入
4、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SWFMIM光纤传输系统。 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。由于模拟基带直接光强调制(DIM)光纤电视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，例如采用PFMIM光纤电视传输系统，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PFMIM系统的传输距离比DIM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 km；若波
5、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。SWFMIM光纤电视传输系统不仅具有PFMIM系统的传输距离长的优点，还具有PFMIM系统所没有的独特优点。 这种独特优点是：在光纤上传输的等幅、不等宽的方波调频(SWFM)脉冲不含基带成分，因而这种模拟光纤传输系统的信号质量与传输距离无关。此外，SWFMIM系统的信噪比也比DIM系统的信噪比高得多。 上述光纤电视传输系统的传输距离和传输质量都达到了实际应用的水平，而且技术比较简单，容易实现，价格也比较便宜。 尽管如此， 这些传输方式都存在一个共同的问题：一根光纤只能传输一路电视。这种情况，既满足
6、不了现代社会对电视频道日益增多的要求，也没有充分发挥光纤大带宽的独特优势。因此，开发多路模拟电视光纤传输系统，就成为技术发展的必然。 实现一根光纤传输多路电视有多种方法，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)。和TDM系统相比，FDM系统具有电路结构简单、制造成本较低以及模拟和数字兼容等优点。而且，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多路电视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 频分复用光强调制方式是用每路模拟电视基带信号
7、，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： (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，有利于数字和模拟混合传输以及不同业务的综合和分离。 (2) SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术， FM/SCM可以传输60120路
8、模拟电视节目，制造成本较低。 因而在电视传输网中竞争能力强，发展速度快。 (3) 在数字电视传输系统未能广泛应用的今天，线性良好的大功率LD已能得到实际应用，因而发展SCM模拟电视传输系统是适时的选择。这种系统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。 副载波复用的实质是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。6.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统模拟
9、基带直接光强调制光纤传输系统 模拟基带直接光强调制(DIM)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 6.2.2光端机光端机 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。对这种光发射机的基本要求是： (1) 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，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。 (2) 非线性失真要小，以
10、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。 (3) 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。 (4) 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图6.6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。驱动电路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
11、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 6.6 光发射机方框图 图6.7 LED驱动电路的末级及其工作原理 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， 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 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： (1) 信噪比(SNR)要高；
12、 (2) 幅频特性要好； (3) 带宽要宽。 模拟基带DIM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)。 光检测器可以用PINPD或APD。PINPD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，应有偏压控制电路。 图 6.8 光接收机方框图 APD的优点是有20200倍的雪崩增益，可改善SNR。 对于模拟基带DIM光纤电视传输系统，力求电路简单，光检测器一般都采用P
13、INPD。 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PINFET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系统性能系统性能 模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统方框图如图6.9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
14、行分离。改进DP和DG的预失真电路置于接收端。主要技术参数举例如下。 1. 系统参数系统参数 (1) 视频部分： 带宽06 MHz SNR50 dB(未加校)6.9 模拟基带直接 光强调值光前点时传输系统方框图DG4%DP4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 dBrSNR55 dB(加校)畸变2%伴音调频副载频8 MHz 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
15、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)。 对于波长为0.85 m和1.31 m的多模光纤，损耗系数可以分别取3 dB/km和1 dB/km，M取3 dB。用上述举例中的数据，Pt=15 dBm，Pr=30 dBm，由式(6.17)计算得到中继距离分别为L=4 km和L=12 km。 3. 系统对光纤带宽的要求系统对光纤带宽的要求 对于多模光纤而言，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=BLJY(6.18) 式中串接因
16、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。 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，这时，认真计算是必要的，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 B=(B2m+
17、B2c)1/2 式中, Bm和Bc分别为模式色散和材料色散引起的带宽。 式中, C()为光纤材料色散，为光源FWHM谱线宽度。 由式(6.19)和式(6.20)得到 例如，在0.85m，多模光纤C()=120 ps/(nmkm)，设LED谱线宽度=50nm，如果根据上面的计算结果B1=32 MHzkm, 由式(6.21)计算得到B11.2BL=38 MHzkm, 带宽增加20%。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。 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示出副载波复用(SCM)模拟电视光纤传输系统方框图。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，通常用残留边带调幅(VSBAM)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 讨 论 残 留 边 带 调 幅 副 载 波 复 用(VSBAM/SCM)模拟电视光纤传输系统。图 6. 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图
