模擬光纖通信系統(tǒng)

1、第六章模擬光纖通信系統(tǒng)（4學(xué)時(shí)）一、 教學(xué)目的及要求：使學(xué)生熟悉模擬光纖通信系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)要求他們掌握模擬光纖 通信的系統(tǒng)調(diào)制方式、模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)和副載波復(fù)用光纖傳輸系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：調(diào)制方式、模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)、副載波復(fù)用光纖 傳輸系統(tǒng)。本章難點(diǎn)：調(diào)制方式三、教學(xué)手段：板書與多媒體課件演示相結(jié)合四、教學(xué)方法：課堂講解、提問五、作業(yè)：課外作業(yè)：6-1 6-2 6-4 6-5六、參考資料：光纖通信劉增基第六章。光纖通信楊祥林第八章第九章七、 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)：教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)備注【導(dǎo)入】（2分鐘）導(dǎo)入2分鐘回顧上節(jié)課的主要內(nèi)容

2、，借以引出這節(jié)課的主提問提問引出本要內(nèi)容。章的教學(xué)內(nèi)容。講解板書板書板書多媒體課件96分鐘【講授新課】(96分鐘)第六章模擬光纖通信系統(tǒng)6. 1調(diào)制方式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(DIM)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模 擬基帶信號(hào)的波形成比例。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)預(yù)調(diào)制的電信號(hào) 對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制QM) o預(yù)調(diào)制又有多種方式，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

3、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 FMIM光纖傳輸系統(tǒng)。2 .脈沖頻率調(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)仃調(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PFMIM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

4、。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)。采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的是提高傳輸質(zhì)量和 增加傳輸距離。實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路電視有多種方 法，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) o6. 1.3頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式是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),然后用組合器把多個(gè)預(yù)調(diào)RF信號(hào)組合成 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。把受模擬基帶信號(hào)預(yù)調(diào)制的RF電載波稱為副載 波

5、，這種復(fù)用方式也稱為副載波復(fù)用(SCM)。SCM模擬 電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：(1) 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)(2) SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無(wú)需復(fù)雜的定時(shí)技 術(shù)(3)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6. 2模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(DIM)光纖傳輸系統(tǒng)由光 發(fā)射機(jī)(光源通常為發(fā)光一極官)、光纖線路和光接收 機(jī)(光檢測(cè)器)組成。i34r1r”模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖621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

6、（SNR）和信號(hào)失真 （信號(hào)畸變）。1 .信噪比系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號(hào)功率和噪聲功率 （NP）的比值。式中，i2s和i2n分別為均方信號(hào)電流和 均方噪聲電流，RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻。信噪比一般 用dB作單位。和SNF關(guān)系密切的一個(gè)參數(shù)是接收靈敏度。和數(shù) 字光纖通信系統(tǒng)相似，在模擬光纖通信系統(tǒng)中，我們 把接收靈敏度Pr定義為：在限定信噪比條件下，光 接收機(jī)所需的最小信號(hào)光功率Ps, min,并以dBm為單位。假設(shè)系統(tǒng)除量子噪聲外，沒有其他噪聲存在，在 這種情況下，靈敏度由平均信號(hào)電流決定，這樣確定 的靈敏度稱為（最高）極限靈敏度。2 .信號(hào)失真一般說，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光源， 由于在大信 號(hào)條

7、件下工作，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。非線 性失真一般可以用幅度失真參數(shù)一一微分增益(DG)和相位失真參數(shù)一一微分相位(DP)表示，其定義DG =血&血石L彭JxlOO%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?。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，目前一般都采用預(yù)失真補(bǔ)償方式。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)

8、射機(jī)，給實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整帶來一定困難，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。在模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)中，最廣泛使用的電路 是微分相位四點(diǎn)補(bǔ)償電路。這種電路的相位補(bǔ)償是利 用集電極和發(fā)射極輸出的信號(hào)相位差 180的 原理構(gòu)成的全通相移網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。微分相位補(bǔ)償電路622光端機(jī)光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。1 .光發(fā)射機(jī)模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射 機(jī)的功能是，把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。對(duì)這種光 發(fā)射機(jī)的基本要求是：(1)發(fā)射(入纖)光功率要大，以利于增加傳輸 距離。(2)非線性失真要小，以利于減小微分相位(DP)和微分增益(DG),或增大調(diào)制指數(shù)m(niTV)(3)調(diào)制指

9、數(shù)m(mTV要適當(dāng)大。(4)光功率溫度穩(wěn)定性要好。模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)方框圖 如圖光發(fā)射機(jī)方框圖2 .光接收機(jī)光接收機(jī)的功能是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。對(duì)光接收機(jī)的基本要求是:信噪比(SNR)要高;(2) 幅頻特性要好；(3) 帶寬要寬。軸觸戶窟做I 一二IZGC光接收機(jī)方框圖623系統(tǒng)性能模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖如圖6. 9所示。在發(fā)射端，模 擬基帶電視信號(hào)和調(diào)頻(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。模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)值光前點(diǎn)時(shí)傳輸系統(tǒng)方框圖主要技術(shù)參數(shù)舉例如下。1 .系統(tǒng)參數(shù)(1) 視頻部分：帶寬0

10、-6 MHzSNR 50 dB (未加校)DG4%發(fā)射光功率15 dBm(32 P W)接收靈敏度w 30 dBm(2)伴音部分：帶寬0.0415 kHz輸入輸出電平0 dBrSNR55 dB 加校)畸變2%伴音調(diào)頻副載頻8 MHz2 .光纖損耗對(duì)傳輸距離的限制模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸 距離大多受光纖損耗的限制，根據(jù)發(fā)射光功率、接收 靈敏度和光纖線路損耗可以計(jì)算傳輸距離Lo3 .系統(tǒng)對(duì)光纖帶寬的要求在短波長(zhǎng)使用LED光源的情況下，光纖線路總帶 寬應(yīng)為B= (B2m+B2c)1/2在實(shí)際工程中是否米用短波長(zhǎng)LED和多模SI光 纖，要根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益(系統(tǒng)成本和維修費(fèi)用)來決八定。留

11、尢適卜為:6. 3副載波雋模擬基帶電刃帶調(diào)幅(VSBAM 目場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn),副載波復(fù)用(：8.J丈Mu 心V/:SC用光纖傳輸系統(tǒng)言號(hào)對(duì)射頻的預(yù)調(diào)制，通常用殘 口調(diào)頻(FM)兩種方式，各有不同的制模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖D xr工廿廿,?mlilL JU M講解板書板書板書多媒體課件100分鐘副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖631特性參數(shù)對(duì)于副載波復(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CNF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

12、式表 示為f 口 N、殆血翻式中，i十為均方載波電流，i2n為均方 噪聲電流。每個(gè)信道的載噪比CNR=01g 2鞏(叭(卯+2曲萬(wàn)+/?.由此可見，載噪比CNRS著調(diào)制指數(shù)m和平均接收光功率P0的增加而增加，隨三項(xiàng)噪聲的增加而 減小。不論采用什么預(yù)調(diào)制方式,計(jì)算CNR勺公式都相同,只是公式中具體參數(shù)不同而已，既適用于VSBAM也適合于FM但是為獲得相同SNR不同預(yù) 調(diào)制方式所需的CNF 都是不同的。為在接收機(jī)解調(diào)后獲得相同SNR兩種預(yù)調(diào)制方式所需的CNR比值 為式中，F(xiàn)d為由圖像信號(hào)產(chǎn)生的頻偏峰-峰 值，Bb 為基帶信號(hào)帶寬，Bf為FM信號(hào)帶寬。就載噪比而言，預(yù)調(diào)制方式FM優(yōu)于VSB AM但是

13、 和VSBAM?式相比，F(xiàn)M方式存在一個(gè)本質(zhì)性問 題，就是 它占用的帶寬較寬，約為VSBAM?式的6倍。所以要根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，選擇不同預(yù)調(diào)制 方 式。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)?，傳輸過程可能產(chǎn) 生的信號(hào)失真也 J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。兩個(gè)頻率的信號(hào)相互組合，產(chǎn) 生和 頻（3 i+ 3 j

14、）和差頻（3 i CD j）信號(hào)，如果新頻 率落在具他載波的視頻頻帶內(nèi)，視頻信號(hào)就要產(chǎn)生失 真。這種非線性效應(yīng)會(huì)發(fā)生在所有RF電路，包括光 發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。在給定的頻道上，所有可能的雙 頻組合的總和稱為組合二階（CSO）互調(diào)失真。通常用 這個(gè)總和與載波的比值表示，并以dB為單位，記為 dBco組合三階差拍（CTB）失真是三個(gè)頻率（3i 3 j 3 k)的非線性組合，其定義和表示方法與CSO相似,單位相同。CSC和CTB將以噪聲形式對(duì)圖像產(chǎn)生干擾，為減 小這種干擾，可以采用如下方法。(1)米用合理的頻道頻率配置，以減小C2i和 C3i,改善 CSC 和 CTB(2)限制調(diào)制指數(shù) m ,以保證C

15、SC和CTB 符合規(guī)定的指標(biāo)。(3)米用外調(diào)制技術(shù)，把光載波的產(chǎn)生和調(diào)制分 開。6. 3. 2光端機(jī)1 .光發(fā)射機(jī)對(duì)殘留邊帶一調(diào)幅光發(fā)射機(jī)的基本要求是：(1)輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性(PCD*2I)線性要好；(2)調(diào)制頻率要足夠高，調(diào)制特性要平坦；(3)輸出光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗窗口，譜線寬度要窄；(4)溫度穩(wěn)定性要好。VSBAMt發(fā)射機(jī)的構(gòu)成示于下圖。輸入到光發(fā) 射 機(jī)的電信號(hào)經(jīng)前饋放大器放大后，受到電平監(jiān)控，以 電流的形式驅(qū)動(dòng)激光器。LD輸出特性要求是線 性的， 但在實(shí)際電/光轉(zhuǎn)換過程中，微小的非線性效應(yīng)是不可 避免的，而且要影響系統(tǒng)的性能。所以優(yōu)質(zhì)的光發(fā)射 機(jī)都要進(jìn)行預(yù)失真控制。

16、VSB AM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成外調(diào)制1550 nm DFB光發(fā)射機(jī)結(jié)合了直接調(diào)制 1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)和外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)的優(yōu) 點(diǎn)。這種光發(fā)射機(jī)采用DFB LD作光源，用電流 直接 驅(qū)動(dòng)，因而與1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)同樣具有小型、 輕便等優(yōu)點(diǎn)。外調(diào)制1550 nm DFB光發(fā)射機(jī)和EDFA結(jié)合，在 兩個(gè)重要場(chǎng)合特別適用。主要應(yīng)用是取代微波和強(qiáng)化 前端(Headend)所要求的超長(zhǎng)傳輸距離。但這時(shí) 必須 采用復(fù)雜的抑制受激布里淵散射(SBS)才能發(fā)揮作 用。SBS是一種依賴光功率的非線性效應(yīng)，這種效應(yīng)隨光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而明顯增加，所以必須進(jìn) 行 補(bǔ)償。另一個(gè)重要應(yīng)用是在密集結(jié)構(gòu)的結(jié)

17、點(diǎn)上，這種 結(jié)構(gòu)需要高功率以分配給多個(gè)光分路。在這種場(chǎng)合就 不存在SBS的限制了。2 .光接收機(jī)對(duì)VSB AM光接收機(jī)的基本要求是：(1)在一定輸入功率條件下，有足夠大的RF輸出和盡可能小的噪聲，以獲得大CNF或SNR(2)要有足夠大的工作帶寬和頻帶平坦度，因而 要采用高截止頻率的光檢測(cè)器和寬帶放大器。VSB AM光接收機(jī)的構(gòu)成633光鏈路性能由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)構(gòu)成的基 本 光纖通信系統(tǒng)，作為一個(gè)獨(dú)立的“光信道”，在工 程 上一般稱為光鏈路。光鏈路性能通常用在規(guī)定CSO和CTB的條件下，載噪比CNF與光鏈路損耗a L 的關(guān)系表示，a L=PtPO, a和L分別為光鏈路的平均 損耗系數(shù)和傳輸長(zhǎng)度，Pt和P0分別為平均發(fā)射光功 率和平均接收光功率。外調(diào)制YAG光鏈路性能光發(fā)射機(jī)RF輸入電平為18s33 dBmv,工作帶 寬為45s750 MHz,發(fā)射光功率為13 dBm調(diào)制指數(shù) 為2.5%,光波長(zhǎng)為1310 nmo當(dāng)光鏈路損耗為10 dB （相當(dāng)于接收光功率3 dBm時(shí)，CNR=5B,并隨光鏈路損耗的增加而減小。如 果增加調(diào)制指數(shù)，