光纖通信課件劉增基_西安電子科技大學(xué)出版社6資料

1、6.1 調(diào)制(tiozh)方式6.2 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)6.3 副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)第 6 章 模擬光纖通信(un xin tn xn)系統(tǒng)返回主目錄共四十四頁(yè) 6.1 調(diào)制方式(fngsh) 模擬光纖傳輸方式主要有以下幾種方式： 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM) 模擬間接光強(qiáng)調(diào)制方式 頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式共四十四頁(yè)6.1.1 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM) 是用承載信息的模擬基帶信號(hào)，直接對(duì)發(fā)射機(jī)光源(LED或LD)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，使光源輸出光功率隨時(shí)間變化的波形和輸入(shr)模擬基帶信號(hào)的波形成比例。 20世紀(jì)70年代末期，光纖開(kāi)始用于模擬電視傳輸時(shí)

2、，采用一根多模光纖傳輸一路電視信號(hào)的方式，就是這種基帶傳輸方式。 所謂基帶，就是對(duì)載波調(diào)制之前的視頻信號(hào)頻帶。 共四十四頁(yè) 對(duì)于廣播電視節(jié)目而言，視頻信號(hào)帶寬(最高頻率)是6MHz， 加上調(diào)頻的伴音信號(hào)，這種模擬基帶光纖傳輸系統(tǒng)每路電視信號(hào)的帶寬為8 MHz。 用這種模擬基帶信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)光源(線性良好(lingho)的LED)進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制，若光載波的波長(zhǎng)為0.85 m， 傳輸距離不到4 km, 若波長(zhǎng)為1.3 m，傳輸距離也只有10 km左右。 D-IM光纖傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 設(shè)備簡(jiǎn)單 價(jià)格低廉 因而在短距離傳輸中得到廣泛應(yīng)用。共四十四頁(yè) 6.1.2 模擬間接光強(qiáng)調(diào)制 模擬間接光強(qiáng)調(diào)制方式

3、 是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)進(jìn)行電的預(yù)調(diào)制，然后用這個(gè)(zh ge)預(yù)調(diào)制的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制(IM)。 這種系統(tǒng)又稱為預(yù)調(diào)制直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)。 預(yù)調(diào)制主要有以下三種: 1. 頻率調(diào)制(FM) 頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)正弦載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅的頻率受調(diào)的正弦信號(hào)，其頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)正弦調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制， 形成FM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。 共四十四頁(yè) 2. 脈沖頻率(pnl)調(diào)制(PFM) 脈沖頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)脈沖載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、等寬的頻率受調(diào)的脈沖信號(hào)，其脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的

4、瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)脈沖調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成PFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。 3. 方波頻率調(diào)制(SWFM) 方波頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)方波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、不等寬的方波脈沖調(diào)頻信號(hào)，其方波脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的幅度而變化。然后用這個(gè)方波脈沖調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成SWFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。共四十四頁(yè) 采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的: 提高傳輸質(zhì)量和增加傳輸距離 由于模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)的性能(xngnng)受到光源非線性的限制，一般只能使用線性良好的LED作光源。LED入纖功率很小，所以傳輸距離很短。 在采用脈沖頻率調(diào)制時(shí)

5、，由于驅(qū)動(dòng)光源的是脈沖信號(hào)，它基本上不受光源非線性的影響，所以可以采用線性較差、入纖功率較大的LD器件作光源。 因而PFM-IM系統(tǒng)的傳輸距離比D-IM系統(tǒng)的更長(zhǎng) 對(duì)于多模光纖，若波長(zhǎng)為0.85 m，傳輸距離可達(dá)10 km；若波長(zhǎng)為1.3 m，傳輸距離可達(dá)30 km。對(duì)于單模光纖，若波長(zhǎng)為1.3 m，傳輸距離可達(dá)50 km。共四十四頁(yè) 上述光纖的傳輸方式都存在一個(gè)共同的問(wèn)題：一根光纖只能傳輸一路信號(hào)。 這種情況，既滿足不了現(xiàn)代(xindi)社會(huì)對(duì)大信息量的要求，也沒(méi)有充分發(fā)揮光纖帶寬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 因此，開(kāi)發(fā)多路模擬傳輸系統(tǒng)，就成為技術(shù)發(fā)展的必然。 實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路信號(hào)有多種方法(fngf)

6、 目前現(xiàn)實(shí)的方法是先對(duì)電信號(hào)復(fù)用，再對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。對(duì)電信號(hào)的復(fù)用可以是頻分復(fù)用(FDM)，也可以是時(shí)分復(fù)用(TDM)。 共四十四頁(yè) 6.1.3 頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制 頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式 用每路模擬電視基帶信號(hào)，分別對(duì)某個(gè)指定的射頻(RF)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)，然后用組合(zh)器把多個(gè)預(yù)調(diào)RF信號(hào)組合(zh)成多路寬帶信號(hào)，再用這種多路寬帶信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。 光載波經(jīng)光纖傳輸后，由遠(yuǎn)端接收機(jī)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換和信號(hào)分離。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)意義上的載波是光載波，為區(qū)別起見(jiàn)，把受模擬基帶信號(hào)預(yù)調(diào)制的RF電載波稱為副載波，這種復(fù)用方式也稱為副載波復(fù)用(SCM)。共四十四頁(yè) SCM

7、模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 一個(gè)光載波可以傳輸多個(gè)副載波，各個(gè)副載波可以承載不同類型的業(yè)務(wù)。 SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無(wú)需復(fù)雜的定時(shí)技術(shù)， 制造(zhzo)成本較低。 前后兼容。不僅可以滿足目前社會(huì)對(duì)電視頻道日益增多的要求，而且便于在光纖與同軸電纜混合的有線電視系統(tǒng)(HFC)中采用。共四十四頁(yè)6.2 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(tiozh)光纖傳輸系統(tǒng) 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)(光源通常為發(fā)光二極管)、光纖線路(xinl)和光接收機(jī)(光檢測(cè)器)組成， 這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。 圖 6.1 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖 調(diào)制器發(fā)光二極管發(fā)送機(jī)光檢測(cè)器接收機(jī)放大

8、器恢復(fù)原信號(hào)m(t)基帶信號(hào)m(t)光纖共四十四頁(yè) 6.2.1 特性參數(shù) 評(píng)價(jià)模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量的最重要的特性參數(shù)是信噪比(SNR)和信號(hào)(xnho)失真(信號(hào)(xnho)畸變)。 1. 信噪比 正弦信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比主要受光接收機(jī)性能的影響，因而輸入到光檢測(cè)器的信號(hào)非常微弱，所以對(duì)系統(tǒng)的SNR影響很大。共四十四頁(yè)圖 6.2 發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理 圖6.2示出對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行正弦信號(hào)(xnho)直接光強(qiáng)調(diào)制的原理。共四十四頁(yè)式中，i2s為均方信號(hào)(xnho)電流和i2n為均方噪聲電流， RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻。 這種系統(tǒng)的信噪比定義為接收(jishu)信號(hào)功率和噪聲

9、功率(NP)的比值 ：信噪比一般用dB作單位，即（6.1）共四十四頁(yè)如圖6.2所示， 光源驅(qū)動(dòng)電流： I=IB(1+m cost) (6.2) 設(shè)光源具有嚴(yán)格(yng)線性特性， 不存在信號(hào)畸變， 則輸出光功率為 P=B(1+mcost) (6.3)式中，PB為偏置電流IB產(chǎn)生的光功率，m為調(diào)制指數(shù)， =2f，f為調(diào)制頻率，t為時(shí)間。 一般光纖線路有足夠的帶寬，可以假設(shè)信號(hào)在傳輸過(guò)程(guchng)不存在失真，只受到exp(-L)的衰減，式中為光纖線路平均損耗系數(shù)， L為傳輸距離。共四十四頁(yè) 由于到達(dá)(dod)光檢測(cè)器的信號(hào)很弱，光接收機(jī)引起的信號(hào)失真可以忽略。在這些條件下，光檢測(cè)器的輸出光電

10、流： is=I0(1+m cost) (6.4)均方信號(hào)電流：（6.5） 式中, Im=mI0 為信號(hào)電流(dinli)幅度，I0為平均信號(hào)電流，m為調(diào)制指數(shù)，其定義為：共四十四頁(yè)平均信號(hào)(xnho)電流: I0=gIP=gPb (6.7)式中, Pb=KPB為輸入光檢測(cè)器的平均光功率，K代表光纖線路的衰減，為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，IP為一次光生電流，g為APD的倍增(bi zn)因子。設(shè)使用PIN-PD, g=1。由式(6.5)式(6.7)得到均方信號(hào)電流： i2s= (6.8)共四十四頁(yè) 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制(tiozh)系統(tǒng)的噪聲主要來(lái)源于光檢測(cè)器的量子噪聲、暗電流噪聲、負(fù)載電阻RL的熱噪聲

11、和前置放大器的噪聲，總均方噪聲電流(參考3.2節(jié))可寫成 式中, i2q為量子噪聲、i2d為暗電流、i2T為熱噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流，e為電子電荷，B為噪聲帶寬，一般等于信號(hào)帶寬， Id為暗電流，k=1.381023J/K為波爾茲曼常數(shù)(chngsh)，T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器的噪聲系數(shù)。（6.9）共四十四頁(yè) 由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信號(hào)(xnho)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的信噪比為： 對(duì)于電視信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)(xtng)的信噪比有些不同，假設(shè)傳輸?shù)氖请A梯形全電視信號(hào)，則（6.10）（6.11）式中, mTV為電視信號(hào)的調(diào)制指數(shù)， 其他符號(hào)

12、的意義和式(6.10)相同，但g=1。共四十四頁(yè)2.信號(hào)失真 為使模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)輸出光信號(hào)真實(shí)地反映輸入電信號(hào)，要求系統(tǒng)輸出光功率與輸入電信號(hào)成比例地隨時(shí)間變化， 即不發(fā)生信號(hào)失真。 一般說(shuō)，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光源， 由于在大信號(hào)條件下工作(gngzu)，線性較差，所以發(fā)射機(jī)光源的輸出功率特性是DIM系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的主要原因。 因而略去光纖傳輸和光檢測(cè)器在光/電轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的非線性失真， 只討論光源LED的非線性失真。參看圖6.2。共四十四頁(yè)圖 6.2 發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理 共四十四頁(yè) 非線性失真一般可以用幅度失真參數(shù)微分增益(DG)和相位(xingwi)失真參數(shù)微分相位(DP

13、)表示。DG可以從LED輸出功率特性曲線看出，其定義為： DP是LED發(fā)射(fsh)光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I的相位延遲差，其定義為：（6.15）式中, I1和I2為L(zhǎng)ED不同數(shù)值的驅(qū)動(dòng)電流，一般取I2I1。（6.16）共四十四頁(yè) 雖然LED的線性比LD好，但仍然不能滿足高質(zhì)量電視傳輸?shù)囊蟆Ｓ绊慙ED非線性的因素很多，要大幅度改善動(dòng)態(tài)非線性失真非常困難，因而需要從電路方面進(jìn)行非線性補(bǔ)償。 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償有許多方式(fngsh)，目前一般都采用預(yù)失真補(bǔ)償方式(fngsh)。 預(yù)失真補(bǔ)償方式是在系統(tǒng)中加入預(yù)先設(shè)計(jì)的、與LED非線性特性相反的非線性失真電路。這種補(bǔ)償方式不僅

14、能獲得對(duì)LED的補(bǔ)償，而且能同時(shí)對(duì)系統(tǒng)其他元件的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。 由于這種方式是對(duì)系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償，把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光發(fā)射機(jī)，給實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整帶來(lái)一定困難，而把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收機(jī)，則便于實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。共四十四頁(yè) 設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端輸入信號(hào)V1與接收端輸出信號(hào)V2之間相移為 ，它包含了LED輸出光功率P與驅(qū)動(dòng)電流之間的相移，以及系統(tǒng)中其他各級(jí)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的相移。由于相移隨輸入信號(hào)V1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相位DP。 微分相位補(bǔ)償是設(shè)計(jì)一種電路，使其相移特性 與 的變化相反，如圖6.3(b)。兩個(gè)非線性電路相加， 使系統(tǒng)總相移 不隨輸入信號(hào)大小而變化，如圖6.3(c)

15、。共四十四頁(yè)圖 6.3 微分相位補(bǔ)償原理 （c）（b）（a）000V1V1V1共四十四頁(yè) 6.2.3 系統(tǒng)性能 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視(dinsh)傳輸系統(tǒng)方框圖如下圖所示。 在發(fā)射端，模擬基帶電視信號(hào)和調(diào)頻(dio pn)(FM)伴音信號(hào)分別輸入LED驅(qū)動(dòng)器，在接收端進(jìn)行分離。改進(jìn)DP和DG的預(yù)失真電路置于接收端。共四十四頁(yè)1. 系統(tǒng)參數(shù)(cnsh) (1) 視頻部分： 帶寬 06 MHz SNR 50 dB(未加校) DG 4% DP 4 發(fā)射光功率 -15 dBm(32 W) 接收靈敏度 -30 dBm (2) 伴音(bnyn)部分： 帶寬0.0415 kHz 輸入輸出電平0 dB

16、r SNR 55 dB(加校) 畸變2% 伴音調(diào)頻副載頻8 MHz主要技術(shù)參數(shù)舉例如下共四十四頁(yè)6.3 副載波復(fù)用(f yn)光纖傳輸系統(tǒng) 圖6.10示出副載波復(fù)用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖。 N個(gè)頻道的模擬基帶電視信號(hào)分別調(diào)制頻率為f1,f2,f3,fN的射頻(RF)信號(hào)，把N個(gè)帶有電視信號(hào)的副載波f1s, f2s, f3s，, fNs組合成多路寬帶信號(hào)，再用這個(gè)寬帶信號(hào)對(duì)光源(一般為L(zhǎng)D)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換(zhunhun)。 光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后，由光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換， 經(jīng)分離和解調(diào)，最后輸出N個(gè)頻道的電視信號(hào)。共四十四頁(yè)圖 6.0 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方

17、框圖 模擬基帶電視信號(hào)對(duì)射頻的預(yù)調(diào)制，通常用殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)和調(diào)頻(FM)兩種方式(fngsh)，各有不同的適用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)。 共四十四頁(yè) 6.3.1 特性參數(shù) 對(duì)于(duy)副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)， 評(píng)價(jià)其傳輸質(zhì)量的特性參數(shù)主要是載噪比(CNR)和信號(hào)失真。 1. 載噪比 載噪比CNR的定義是：把滿負(fù)載、無(wú)調(diào)制的等幅載波置于傳輸系統(tǒng)，在規(guī)定的帶寬內(nèi)特定頻道的載波功率(C)和噪聲功率(NP)的比值，并以dB為單位，用公式表示為：（6.22）共四十四頁(yè) 式中, i2c為均方載波電流，i2n為均方噪聲電流。 設(shè)在電/光轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和光/電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，都不存在信號(hào)失真。如圖6.1

18、1所示，輸入(shr)激光器的調(diào)幅信號(hào)電流為： 或 CNR=10lg (6.23)(6.24)共四十四頁(yè)圖 6.11 激光器模擬調(diào)制原理 PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI輸出信號(hào)輸入信號(hào)共四十四頁(yè) 由于假設(shè)不存在信號(hào)(xnho)失真， 激光器輸出光功率為：（6.25） 式中, Ps=Pb - Pth，Pb和Pth分別為偏置電流Ib和閾值電流Ith對(duì)應(yīng)的光功率，N為頻道總數(shù)(zngsh)，mi為第i個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)，i為第i個(gè)頻道的副載波角頻率。共四十四頁(yè) 設(shè)每個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)都相同，即mi=mj=mk=m，暫時(shí)略去光纖傳輸因子10-L/10, 為光纖線路平均損耗系數(shù)，L

19、為光纖線路平均損耗長(zhǎng)度(chngd)，系統(tǒng)使用PIN-PD，從光檢測(cè)器輸出的(載波)信號(hào)電流為： ic=I0 (1+m （6.26）均方(載波)信號(hào)電流：（6.27） 式中, Im=mI0為信號(hào)電流幅度，I0為平均信號(hào)電流，m=m0/ 為每個(gè)頻道的調(diào)制指數(shù)，m0為總調(diào)制指數(shù)，N為頻道總數(shù)。共四十四頁(yè) SCM為模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，產(chǎn)生噪聲的主要有激光器、光檢測(cè)器和前置(qin zh)放大器。采用PIN-PD，略去暗電流，系統(tǒng)的總均方噪聲電流可表示為： 式中, i2RIN為激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲、i2q為激光器的光檢測(cè)器的量子噪聲,i2T為激光器的折合到輸入端的放大器噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流。 e為

20、電子電荷， B為噪聲帶寬，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻，F(xiàn)為前置放大器噪聲系數(shù)。相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)是激光器諧振腔內(nèi)載流子和光子密度(md)隨機(jī)起伏產(chǎn)生的噪聲， 一般不可忽略。 （6.28）共四十四頁(yè)式中平均信號(hào)電流(dinli)I0=P0, P0=Pb10L/10為光檢測(cè)器平均接收光功率，為響應(yīng)度。由式(6.29)得到每個(gè)信道的載噪比 由式(6.22)、 式(6.27)和式(6.28)得到(6.29) CNR=10lg (6.30)共四十四頁(yè) 2. 信號(hào)失真 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)失真的原因很多，但主要(zhyo)原因是作為載波信號(hào)源的半導(dǎo)體激光器在電/光轉(zhuǎn)換時(shí)的非線性效應(yīng)。 由于到達(dá)光檢測(cè)器的信號(hào)非常微弱，在光/電轉(zhuǎn)換時(shí)可能產(chǎn)生的信號(hào)失真可以忽略。只要光纖帶寬足夠?qū)挘瑐鬏斶^(guò)程可能產(chǎn)生的信號(hào)失真也可以忽略。 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)失真用組合二階互調(diào)(CSO)失真和組合三階差拍(CTB)失真這兩個(gè)參數(shù)表示。共四十四頁(yè)圖6.19 VSB-AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成 正確選擇光發(fā)射機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能和CATV網(wǎng)的造價(jià)都有重大意義。目前(mqin)可供選擇的光發(fā)射機(jī)有： (1) 直接調(diào)制1310 nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機(jī)， 如圖6.19和圖6.20所示；共四十四頁(yè)圖6.20 直接調(diào)制DFB光發(fā)射機(jī)方