第6章模擬光纖通信系統(tǒng)課件

2023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽本章主要內容：6.1調制方式6.2模擬基帶直接光強調制光纖傳輸系統(tǒng)6.3副載波復用(SCM)光纖傳輸系統(tǒng)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽本章主要內容：612023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.1調制方式模擬光纖傳輸方式主要有以下幾種方式：

?模擬基帶直接光強調制(D-IM)

?

模擬間接光強調制方式

?頻分復用光強調制方式6.1.1模擬基帶直接光強調制模擬基帶直接光強調制(D-IM)

是用承載信息的模擬基帶信號，直接對發(fā)射機光源(LED或LD)進行光強調制，使光源輸出光功率隨時間變化的波形與輸入模擬基帶信號的波形成比例。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.1調制22023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽20世紀70年代末期，光纖開始用于模擬電視傳輸時，采用一根多模光纖傳輸一路電視信號的方式，就是這種基帶傳輸方式。

基帶：是指對載波調制之前的視頻信號頻帶。

對于廣播電視節(jié)目而言，視頻信號帶寬(最高頻率)是6MHz，加上調頻的伴音信號，這種模擬基帶光纖傳輸系統(tǒng)每路電視信號的帶寬為8MHz。用這種模擬基帶信號對發(fā)射機光源(線性良好的LED)進行直接光強調制，若光載波的波長為0.85

m，傳輸距離不到4km,若波長為1.3

m，傳輸距離也只有10km左右。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽20世32023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽D-IM光纖傳輸系統(tǒng)的特點是：

?設備簡單

?價格低廉因而在短距離傳輸中得到廣泛應用。6.1.2模擬間接光強調制模擬間接光強調制方式

是先用承載信息的模擬基帶信號進行電的預調制，然后用這個預調制的電信號對光源進行光強調制(IM)。這種系統(tǒng)又稱為預調制直接光強調制光纖傳輸系統(tǒng)。預調制主要有三種:頻率調制、脈沖頻率調制和方波頻率調制2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽D-IM光纖傳輸42023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽1.頻率調制(FM)

頻率調制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對正弦載波進行調頻，產(chǎn)生等幅的頻率受調的正弦信號，其頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時值而變化。然后，用這個正弦調頻信號對光源進行光強調制，形成FM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。f(t)

(t)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽1.頻率調制(52023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.脈沖頻率調制(PFM)

脈沖頻率調制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對脈沖載波進行調頻，產(chǎn)生等幅、等寬的頻率受調的脈沖信號，其脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號的瞬時值而變化。然后用這個脈沖調頻信號對光源進行光強調制，形成PFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。3.方波頻率調制(SWFM)

方波頻率調制方式是先用承載信息的模擬基帶信號對方波進行調頻，產(chǎn)生等幅、不等寬的方波脈沖調頻信號，其方波脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號的幅度而變化。然后用這個方波脈沖調頻信號對光源進行光強調制，形成SWFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.脈沖頻率調62023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽采用模擬間接光強調制的目的:

提高傳輸質量和增加傳輸距離

由于模擬基帶直接光強調制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)的性能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。tt2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽采用模擬間接光強72023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

在采用模擬間接光強調制時，由于驅動光源的是脈沖信號，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

對于多模光纖，若波長為0.85

m，傳輸距離可達10km；若波長為1.3

m，傳輸距離可達30km。對于單模光纖，若波長為1.3

m，傳輸距離可達50km。SWFM-IM光纖傳輸系統(tǒng)不僅具有PFM-IM系統(tǒng)的傳輸距離長的優(yōu)點，還具有PFM-IM系統(tǒng)所沒有的獨特優(yōu)點。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽82023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽?在光纖上傳輸?shù)牡确?、不等寬的方波調頻(SWFM)脈沖不含基帶成分，因而這種模擬光纖傳輸系統(tǒng)的信號質量與傳輸距離無關

?SWFM-IM系統(tǒng)的信噪比也比D-IM系統(tǒng)的信噪比高得多上述光纖的傳輸方式都存在一個共同的問題：一根光纖只能傳輸一路信號。這種情況，既滿足不了現(xiàn)代社會對大信息量的要求，也沒有充分發(fā)揮光纖帶寬的獨特優(yōu)勢。因此，開發(fā)多路模擬傳輸系統(tǒng)，就成為技術發(fā)展的必然。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽?在92023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

實現(xiàn)一根光纖傳輸多路信號有多種方法目前現(xiàn)實的方法是先對電信號復用，再對光源進行光強調制。對電信號的復用可以是頻分復用(FDM)，也可以是時分復用(TDM)。

FDM系統(tǒng)的優(yōu)點：

?電路結構簡單、制造成本較低以及模擬和數(shù)字兼容

?FDM系統(tǒng)的傳輸容量只受光器件調制帶寬的限制，與所用電子器件的關系不大這些明顯的優(yōu)點，使FDM多路傳輸方式受到廣泛的重視。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽實現(xiàn)一根光102023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.1.3頻分復用光強調制頻分復用光強調制方式

用每路模擬電視基帶信號，分別對某個指定的射頻(RF)電信號進行調幅(AM)或調頻(FM)，然后用組合器把多個預調RF信號組合成多路寬帶信號，再用這種多路寬帶信號對發(fā)射機光源進行光強調制。把信號調制在載波1上，出于某種原因，你決定對這個結果再進行一次調制，于是你用這個結果去調制另外一個更高頻率的載波2。這里載波1就叫做副載波。副載波調制是無線數(shù)字通信及無線射頻防碰撞常用的手段光載波經(jīng)光纖傳輸后，由遠端接收機進行光/電轉換和信號分離。因為傳統(tǒng)意義上的載波是光載波，為區(qū)別起見，把受模擬基帶信號預調制的RF電載波稱為副載波，這種復用方式也稱為副載波復用(SCM)。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.1.3頻11副載波復用技術副載波復用技術的基本原理是：先用數(shù)字信號或模擬信號去調制一個微波頻率，再把若干個這樣調制過的微波頻率組合起來對一個激光器光源進行調制，得出的光波送入一根光纖進行傳輸。由于最后被調制的信號載波是“光載波”，它是“主載波”，而前面先被調制的那些微波就叫做“副載波”。因此這種技術的全稱是光微波副載波復用，簡稱為“副載波復用”。2023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽副載波復用技術副載波復用技術的基本原理是：先用數(shù)字信號或模擬122023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點：

?

一個光載波可以傳輸多個副載波，各個副載波可以承載不同類型的業(yè)務。

?SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無需復雜的定時技術，制造成本較低。

?前后兼容。不僅可以滿足目前社會對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。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽SCM模擬電132023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2模擬基帶直接光強調制光纖傳輸系統(tǒng)

模擬基帶直接光強調制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(光源通常為發(fā)光二極管)、光纖線路和光接收機(光檢測器)組成。圖6.1模擬信號直接光強調制系統(tǒng)方框圖

調制器發(fā)光二極管發(fā)送機光檢測器接收機放大器恢復原信號基帶信號m(t)光纖m(t)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2模擬142023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2.1特性參數(shù)

評價模擬信號直接光強調制系統(tǒng)的傳輸質量的最重要的特性參數(shù)是信噪比(SNR)和信號失真(信號畸變)。1.信噪比正弦信號直接光強調制系統(tǒng)的信噪比主要受光接收機性能的影響

圖6.2示出對發(fā)光二極管進行正弦信號直接光強調制的原理。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2.1特152023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.2發(fā)光二極管模擬調制原理2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.2162023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中，〈〉為均方信號電流和〈〉為均方噪聲電流，RL為光檢測器負載電阻。系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號功率和噪聲功率(Np)的比值：信噪比一般用dB作單位，即(6.1)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中，〈〉為172023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽如圖6.2所示，光源驅動電流：(6.3)式中，PB為偏置電流IB產(chǎn)生的光功率，m為調制指數(shù)，

=2

f，f為調制頻率，t為時間。一般光纖線路有足夠的帶寬，可以假設信號在傳輸過程不存在失真，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。(6.2)設光源具有嚴格線性特性，不存在信號畸變，則輸出光功率為2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽如圖6.2所示，182023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

由于到達光檢測器的信號很弱，光接收機引起的信號失真可以忽略。在這些條件下，光檢測器的輸出光電流：均方信號電流：(6.5)

式中,Im=mI0

為信號電流幅度，I0為平均信號電流，m為調制指數(shù)，其定義為：(6.4)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽192023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽平均信號電流:

式中,Pb=KPB為輸入光檢測器的平均光功率，K代表光纖線路的衰減，

為光檢測器的響應度，IP為一次光生電流，g為APD的倍增因子。設使用PIN-PD,則g=1。由式(6.5)~(6.7)得到均方信號電流：(6.8)(6.7)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽平均信號電流:202023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

模擬信號直接光強調制系統(tǒng)的噪聲主要來源于光檢測器的量子噪聲、暗電流噪聲、負載電阻RL的熱噪聲和前置放大器的噪聲，總均方噪聲電流可寫成

式中,〈〉為量子噪聲、〈〉為暗電流噪聲、〈〉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，一般等于信號帶寬，Id

為暗電流，k=1.38×10

23J/K為波耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，RL為光檢測器負載電阻，F(xiàn)為前置放大器的噪聲系數(shù)。(6.9)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽212023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信號直接光強調制系統(tǒng)的信噪比為：

對于電視信號直接光強調制系統(tǒng)的信噪比有些不同，假設傳輸?shù)氖请A梯形全電視信號，則(6.10)(6.11)式中,mTV為電視信號的調制指數(shù)，g=1。式中，2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽由式(6.222023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

與SNR關系密切的一個參數(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，把接收靈敏度Pr定義為：在限定信噪比條件下，光接收機所需的最小信號光功率Ps,min，并以dBm為單位。假設系統(tǒng)除量子噪聲外，沒有其他噪聲存在，在這種情況下，靈敏度由平均信號電流決定，這樣確定的靈敏度稱為(最高)極限靈敏度。根據(jù)假設，式(6.10)分母后兩項為零，利用式(3.14)響應度

=

e

/hf，m=1,g=1,式(6.10)簡化為(6.12)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽與S232023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

式中,hf為光子能量，h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)，f=c/

為光頻率，c=3×108m/s為光速，

為光波長(

m),

為光檢測器量子效率(%)，B為噪聲帶寬。在限定信噪比條件下，光接收機所需的最小信號光功率：(6.13)把式(6.12)代入式(6.13)得到(6.14)[例]：設光檢測器為PIN-PD,光波長

=1.31

m,量子效率

=0.6，噪聲帶寬B=8MHz，系統(tǒng)要求SNR=50dB。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中242023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽當然，實際系統(tǒng)必須考慮光檢測器的暗電流和前置放大器的噪聲。因而，實際靈敏度比極限靈敏度要低得多。

2.信號失真

為使模擬信號直接光強調制系統(tǒng)輸出光信號真實地反映輸入電信號，要求系統(tǒng)輸出光功率與輸入電信號成比例地隨時間變化，即不發(fā)生信號失真。由SNR=50dB，得到，代入得=5.72×10

7(mW)所以，2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽當然，實際系統(tǒng)252023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

一般說，實現(xiàn)電/光轉換的光源，由于在大信號條件下工作，線性較差，所以發(fā)射機光源的輸出功率特性是D-IM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器在光/電轉換過程中產(chǎn)生的非線性失真，只討論光源LED的非線性失真。

非線性失真一般可以用幅度失真參數(shù)——微分增益(DG)和相位失真參數(shù)——微分相位(DP)表示。DG可以從LED輸出功率特性曲線看出，其定義為：(6.15)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽一般說262023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

DP是LED發(fā)射光功率P和驅動電流I的相位延遲差，其定義為：式中,I1和I2為LED不同數(shù)值的驅動電流，一般取I2>I1。(6.16)

雖然LED的線性比LD好，但仍然不能滿足高質量電視傳輸?shù)囊?。影響LED非線性的因素很多，要大幅度改善動態(tài)非線性失真非常困難，因而需要從電路方面進行非線性補償。模擬信號直接光強調制光纖傳輸系統(tǒng)的非線性補償有許多方式，目前一般都采用預失真補償方式。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽D272023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

預失真補償方式是在系統(tǒng)中加入預先設計的、與LED非線性特性相反的非線性失真電路。這種補償方式不僅能獲得對LED的補償，而且能同時對系統(tǒng)其他元件的非線性進行補償。由于這種方式是對系統(tǒng)的非線性補償，把預失真補償電路置于光發(fā)射機，給實時精細調整帶來一定困難，而把預失真補償電路置于光接收機，則便于實時精細調整。

設系統(tǒng)發(fā)射端輸入信號U1與接收端輸出信號U2之間相移為

1，它包含了LED輸出光功率P與驅動電流之間的相移，以及系統(tǒng)中其他各級輸出信號和輸入信號之間的相移。由于相移

1隨輸入信號U1而變化，如圖6.3(a)，因而產(chǎn)生微分相位DP。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽預失282023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

微分相位補償是設計一種電路，使其相移特性

1與

2的變化相反，如圖6.3(b)。兩個非線性電路相加，使系統(tǒng)總相移

不隨輸入信號大小而變化，如圖6.3(c)。圖6.3微分相位補償原理

（c）（b）（a）000U1U1U12023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽292023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2.2光端機光端機包括光發(fā)射機和光接收機。1.光發(fā)射機

模擬基帶直接光強調制光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機的功能是，把模擬電信號轉換為光信號。對光發(fā)射機的基本要求是：

?發(fā)射(入纖)光功率要大，以利于增加傳輸距離。在光纖損耗和接收靈敏度一定的條件下，傳輸距離和發(fā)射光功率成正比。發(fā)射光功率取決于光源，LD優(yōu)于LED。?非線性失真要小，LED線性優(yōu)于LD。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2.2302023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽?光功率溫度穩(wěn)定性要好。LED溫度穩(wěn)定性優(yōu)于LD，用LED作光源一般可以不用自動溫度控制和自動功率控制，因而可以簡化電路、降低成本。

模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機方框圖如下圖所示，輸入TV信號經(jīng)同步分離和箝位電路后，輸入LED的驅動電路。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽?光功率溫度穩(wěn)312023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.6光發(fā)射機方框圖

箝位電路同步分離驅動電路LEDTV入2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.6322023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽C1R1＋EcRcDReTLED時間電流時間光功率(a)LED驅動電路的末級(b)LED驅動電路工作原理

驅動電路的末級及其工作原理圖如下。R1、C1電路用于調節(jié)D-IM系統(tǒng)電視信號的幅頻特性，Re用于監(jiān)測通過LED的電流，Rc用于控制通過LED的極限電流，D用于保護LED防止反向擊穿，LED的工作點由箝位電路調節(jié)。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽C1R1＋EcR332023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.光接收機?信噪比(SNR)要高?幅頻特性要好?帶寬要寬光接收機的功能是把光信號轉換為電信號。對光接收機的基本要求是：模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)光接收機方框圖前放主放AGC光檢測器AGC控制使輸出穩(wěn)定2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.光接收機?342023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

光檢測器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需較低偏壓(10~20V)就能正常工作，電路簡單，但沒有內增益，SNR較低。APD需要較高偏壓(30~200V)才能正常工作，且內增益隨環(huán)境溫度變化較大，應有偏壓控制電路。

APD的優(yōu)點：有20~200倍的雪崩增益，可改善SNR。對于模擬基帶D-IM光纖電視傳輸系統(tǒng)，力求電路簡單，光檢測器一般都采用PIN-PD。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽光352023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

前置放大器的輸入信號電平是全系統(tǒng)最低的，因此前放決定著系統(tǒng)的SNR和接收靈敏度。目前這種系統(tǒng)都采用補償式跨阻抗前放。如采用PIN-FET混合集成電路的前放，可獲得較高SNR和較寬的工作頻帶。主放大器是一個高增益寬頻帶放大器，用于把前放輸出的信號放大到系統(tǒng)需要的適當電平。由于光源老化使光功率下降，環(huán)境溫度影響光纖損耗變化，以及傳輸距離長短不一，使輸入光檢測器的光功率大小不同，所以需要AGC來保證光接收機輸出恒定。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽前362023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2.3系統(tǒng)性能

在發(fā)射端，模擬基帶電視信號和調頻(FM)伴音信號分別輸入LED驅動器，在接收端進行分離。改進DP和DG的預失真電路置于接收端。模擬基帶直接光強調制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖：2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.2.3372023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.光纖損耗對傳輸距離的限制

式中,Pt為發(fā)射光功率(dBm)，Pr為接收靈敏度(dBm),

M

為系統(tǒng)余量(dB)，

為光纖線路(包括光纖、連接器和接頭)每千米平均損耗系數(shù)(dB/km)。(6.17)

模擬基帶直接光強調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算傳輸距離L，其公式為：2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.光纖損耗對382023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽[例]對于波長為0.85

m和1.31

m的多模光纖，

Pt=

15dBm，Pr=

30dBm，損耗系數(shù)

分別取3dB/km和1dB/km，系統(tǒng)余量M取3dB。波長為0.85

m：波長為1.31

m：2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽[例]對于波長392023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽3.系統(tǒng)對光纖帶寬的要求

對于多模光纖而言，長度為L的光纖線路總帶寬B(MHz)和單位長度(1km)光纖帶寬B1(MHz·km)的關系為：

B1=BL

(6.18)

式中串接因子

=0.5～1，為方便起見，取

=1,這是最保守的取值，光纖線路總帶寬B=8MHz，根據(jù)上面的計算，0.85

m和1.31

m中繼距離分別為L=4km和L=12km。由式(6.18)計算得到，所需單位長度光纖帶寬分別為B1=32MHz·km和B1=96MHz·km。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽3.系統(tǒng)對光纖402023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

如果采用原CCITTG.651的標準多模GI光纖，其單位長度帶寬至少是200MHz·km,因此完全可以滿足要求。如果采用多模SI光纖，其帶寬只有幾十MHz·km，這時，認真計算是必要的，因為在短波長光纖材料色散和LED光源譜線寬度的影響是不可忽視的。在短波長使用LED光源的情況下，光纖線路總帶寬應為：(6.19)

式中,Bm和Bc

分別為模式色散和材料色散引起的帶寬。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽如果412023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

式中,C(

)為光纖材料色散，

為光源FWHM譜線寬度。由式(6.19)和式(6.20)得到：(6.21)(6.20)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中422023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽[例]：在0.85

m，多模光纖C(

)=120ps/(nm·km)，設LED譜寬

=50nm，則

在實際工程中是否采用短波長LED和多模SI光纖，要根據(jù)經(jīng)濟效益(系統(tǒng)成本和維修費用)來決定。

但是，如果根據(jù)上面的計算結果B1=32MHz·km,因此,帶寬增加了20%。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽[例]：在0.8432023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.3副載波復用光纖傳輸系統(tǒng)圖6.10副載波復用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.3副442023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽N個頻道的模擬基帶電視信號分別調制頻率為f1,f2,f3,…,fN的射頻(RF)信號，把N個帶有電視信號的副載波f1s,f2s,f3s,…,fNs組合成多路寬帶信號，再用這個寬帶信號對光源(一般為LD)進行光強調制，實現(xiàn)電/光轉換。光信號經(jīng)光纖傳輸后，由光接收機實現(xiàn)光/電轉換，經(jīng)分離和解調，最后，輸出N個頻道的電視信號。

模擬基帶電視信號對射頻的預調制，通常用殘留邊帶調幅(VSB-AM)和調頻(FM)兩種方式，各有不同的適用場合和優(yōu)缺點。下面主要討論殘留邊帶調幅副載波復用(VSB-AM/SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽N個452023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.3.1特性參數(shù)(6.22)

對于副載波復用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)，評價其傳輸質量的特性參數(shù)主要是載噪比(CNR)和信號失真。1.載噪比

載噪比CNR的定義是：把滿負載、無調制的等幅載波置于傳輸系統(tǒng)，在規(guī)定的帶寬內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：2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.3.1462023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

式中,〈〉為均方載波電流，〈〉為均方噪聲電流。設在電/光轉換、光纖傳輸和光/電轉換過程中，都不存在信號失真。如圖6.11所示，輸入激光器的調幅信號電流為：或(6.23)(6.24)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式472023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.11激光器模擬調制原理

PmaxPminIomPomIminImaxIbPPbI輸出信號輸入信號2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.11482023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽由于假設不存在信號失真，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對應的光功率，N為頻道總數(shù)，mi為第i個頻道的調制指數(shù)，

i為第i個頻道的副載波角頻率。

設每個頻道的調制指數(shù)都相同，即mi=mj=mk=m，暫時略去光纖傳輸因子10

L/10,

為光纖線路平均損耗系數(shù)，L為光纖線路平均損耗長度，系統(tǒng)使用PIN-PD，從光檢測器輸出的(載波)信號電流為：2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽由于假設不存在信492023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽(6.26)均方(載波)信號電流：(6.27)

式中,Im=mI0為信號電流幅度，I0為平均信號電流，為每個頻道的調制指數(shù)，m0為總調制指數(shù)，N為頻道總數(shù)。[例]：假設要頻分復用60路FM信號，如果其中30路信號的每一個信道的調制指數(shù)mi=3%，而另外30路信號的每一個信道的調制指數(shù)mi=4%

，求激光器的光調制指數(shù)。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽(6.26)均方502023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

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、光檢測器和前置放大器。采用PIN-PD，略去暗電流，系統(tǒng)的總均方噪聲電流可表示為：[解]：因為總調制指數(shù)，其中mc是每一路的調制指數(shù)，所以有激光器的光調制指數(shù)為2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽512023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

式中,為激光器的相對強度噪聲(RIN)，是激光器諧振腔內載流子和光子密度隨機起伏產(chǎn)生的噪聲，一般不可忽略。為光檢測器的量子噪聲,為折合到輸入端的放大器噪聲(含光檢測器負載電阻熱噪聲)產(chǎn)生的均方噪聲電流。e為電子電荷，B為噪聲帶寬，k=1.38×10-23J/K為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度，RL為光檢測器負載電阻，F(xiàn)為前置放大器噪聲系數(shù)。(6.28)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽522023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中平均信號電流I0=

P0,P0=Pb

10

L/10為光檢測器平均接收光功率，

為響應度。由式(6.29)得到每個信道的載噪比：

由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到(6.29)(6.30)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中平均信號電流532023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

由此可見，載噪比CNR隨著調制指數(shù)m和平均接收光功率P0的增加而增加，隨三項噪聲的增加而減小。下面觀察一下三項噪聲的界限。在平均接收光功率P0較大的條件下，激光器的相對強度噪聲(RIN)和前置放大器的噪聲可以忽略，這樣系統(tǒng)只有量子噪聲起作用，由式(6.30)得到這時CNR與m2和P0成正比。(6.31)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽542023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

如果平均接收光功率P0很大，激光器相對強度噪聲(RIN)起決定作用，光檢測器的量子噪聲和前置放大器噪聲都可以忽略，則(6.32)這時CNR與m2成正比，與RIN成反比。當平均接收光功率P0很小時，前置放大器噪聲起著決定性作用，其他兩項噪聲都可以忽略，則由式(6.30)得到(6.33)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽552023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

利用式(6.30)~式(6.33)，設平均接收光功率P0=2~

12dBm,計算AM-SCM光纖傳輸系統(tǒng)CNR與P0的關系以及各項噪聲起決定作用時CNR的界限。RIN噪聲的界限量子噪聲界限前置放大器噪聲界限平均接收光功率P0/dBmCNR/dB20

2

4

6

8

10

1244485052545646P0很大P0較大P0很小2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽利562023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽電子電荷：e=1.6

10

19C玻耳茲曼常數(shù)：k=1.38

10

23J/K調制指數(shù)：m=0.05相對強度噪聲：(RIN)=—150dB/Hz噪聲帶寬：B=4

106Hz響應度：

=0.8A/W負載電阻:RL=1kΩ前放噪聲系數(shù)：F=3dB熱噪聲溫度：T=290K計算中采用的數(shù)據(jù)如下：2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽電子電荷：e=572023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

假設P0=0dBm,計算各項噪聲分別起決定作用時的CNR。由式(6.32)，相對強度噪聲起決定作用時，(CNR)RIN=54.9dB。由式(6.31)，量子噪聲起決定作用時，CNR=58.9dB。由式(6.33)，前置放大器噪聲起決定作用時，CNR=68.0dB。提高CNR是系統(tǒng)設計中的重要問題。由式(6.30)可以看出，增大P0不一定能提高CNR。為了提高CNR，增大m是可取的。

但是，增大m又會使激光器的線性劣化，要用預失真技術來補償。如果選用質量極好的DFB激光器來制造線性良好、發(fā)射功率又大的光發(fā)射機，勢必降低器件成品率，增加成本。綜合各種因素，最好采用適當?shù)偷墓夤β屎瓦m當大的調制指數(shù)，而不是相反。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽582023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

不論采用什么預調制方式，計算CNR的公式都相同，只是公式中具體參數(shù)不同而已。所以式(6.29)~式(6.33)既適用于VSB-AM,也適合于FM。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽不論采用592023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.信號失真

副載波復用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生信號失真的原因很多，但主要原因是作為載波信號源的半導體激光器在電/光轉換時的非線性效應。

由于到達光檢測器的信號非常微弱，在光/電轉換時可能產(chǎn)生的信號失真可以忽略。只要光纖帶寬足夠寬，傳輸過程可能產(chǎn)生的信號失真也可以忽略。下面討論激光器非線性效應產(chǎn)生的信號失真，參看圖6.11。輸入激光器的調幅信號電流仍為式(6.24)所示，即2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽2.信號失真602023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

由于實際激光器輸出光功率P(t)與驅動電流I(t)的關系是非線性的，因而輸出光信號產(chǎn)生失真。在調制頻率fi(

i/2

)不超過1GHz時，可以利用泰勒級數(shù)展開，把輸出光功率表示為

略去式(6.35)四階以上(M≥4)的非線性項，把式(6.24)代入，用一組簡化的符號，得到式中ai(i=1,2,3)包含P(t)對I(t)的i階導數(shù)，(6.35)(6.37)(6.36)

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽612023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

Ii

=(Ib

Ith)mi為第i個頻道的信號電流幅度。所關心的二階非線性項和三階非線性項分別為：(6.38)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽I622023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

式中Ii

=Ij

=Ik

=(Ib

Ith)mi=(Ib

Ith)m=I0m為每個信道的信號電流幅度。副載波復用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的信號失真用組合二階互調(CSO)失真和組合三階差拍(CTB)失真這兩個參數(shù)表示。兩個頻率的信號相互組合，產(chǎn)生和頻(

i+

j)和差頻(

i

j)信號，如果新頻率落在其他載波的視頻頻帶內，視頻信號就要產(chǎn)生失真。(6.39)2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽式中I632023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

這種非線性效應會發(fā)生在所有RF電路，包括光發(fā)射機和光接收機。

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)互調失真。通常用這個總和與載波的比值表示，并以dB為單位，記為dBc。

組合三階差拍(CTB)失真是三個頻率(

i±

j±

k)的非線性組合，其定義和表示方法與CSO相似，單位相同。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽這種642023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽根據(jù)以上分析，第i個頻道的CSO和CTB分別表示為：(6.40)(6.41)

式中C2i為組合二階互調的系數(shù)，C3i為組合三階差拍的系數(shù)，在頻道頻率配置后具體計算。P′、P″和分別為P對I的一階、二階和三階導數(shù)，其數(shù)值由實驗確定。P0m為每個頻道輸出光信號幅度。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽根據(jù)以上分析，652023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

CSO和CTB將以噪聲形式對圖像產(chǎn)生干擾，為減小這種干擾，可以采用如下方法。

(1)采用合理的頻道頻率配置，以減小C2i和C3i，改善CSO和CTB。為改善CSO，系統(tǒng)頻道N的副載波頻率fN和頻道1的副載頻f1應滿足fN<2f1,即副載波最高頻率應小于最低頻率的2倍。如圖6.14所示，二階互調(fi+fj)都大于fN，落在系統(tǒng)頻帶的高頻端以外。二階互調(fi

fj)都小于f1,落在低頻端以外。同理，為減少落在系統(tǒng)頻帶內的三階互調，應適當配置各頻道的副載波頻率，使三階互調頻率(fj±fj±fk)即使落在系統(tǒng)的頻帶內，也不落在工作頻道的信號頻帶內。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽CS662023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.14fN<2f1的SCM系統(tǒng)的頻譜分布

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.14672023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.15SCM系統(tǒng)帶內三階互調干擾的最佳頻譜分布

如圖6.15所示。這樣，雖然系統(tǒng)輸出端存在互調干擾，但分離和濾波后各頻道單獨輸出時，其影響就不明顯了。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.15S682023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽(2)限制調制指數(shù)m，以保證CSO和CTB符合規(guī)定的指標。

由式(6.40)和式(6.41)可以看到，CSO與m2成正比，CTB與m4成正比，因此隨著m值的增大，CSO和CTB迅速劣化。

因為驅動激光器的信號電流隨m值的增大而增加，可能偶然延伸到LD的閾值以下或超過功率特性曲線的線性部分，引起削波(削底和限頂)效應，如圖6.16所示，因而產(chǎn)生信號失真。

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽(2)限制調制692023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.16激光器的削波效應

削波部分IbIthIP輸出功率線性2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.16702023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

6.3.2光端機1.光發(fā)射機

對VSB—AM光發(fā)射機的基本要求是：

?輸出光功率要足夠大，輸出光功率特性(P-I)線性要好

?調制頻率要足夠高，調制特性要平坦；

?輸出光波長應在光纖低損耗窗口，譜線寬度要窄；

?溫度穩(wěn)定性要好。

VSB-AM光發(fā)射機的構成示于圖6.19。輸入到光發(fā)射機的電信號經(jīng)前饋放大器放大后，受到電平監(jiān)控，以電流的形式驅動激光器。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽6.3.2712023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.19VSB-AM光發(fā)射機的構成2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.19722023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽LD輸出特性要求是線性的，但在實際電/光轉換過程中，微小的非線性效應是不可避免的，而且要影響系統(tǒng)的性能。所以優(yōu)質的光發(fā)射機都要進行預失真控制。方法是加入預失真補償電路(預失真線性器)。

預失真補償電路實際上是一個與激光器的非線性相反的非線性電路，用來補償激光器的非線性效應，以達到高度線性化的目的。為保證輸出光的穩(wěn)定，通常采用制冷元件和熱敏電阻進行溫度控制。同時用激光器的后向輸出通過PIN-PD檢測的光電流實現(xiàn)自動功率控制。為抑制光纖線路上不均勻點(如連接器)的反射，在LD輸出端設置光隔離器。

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽732023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

正確選擇光發(fā)射機對系統(tǒng)性能和CATV網(wǎng)的造價都有重大意義。目前可供選擇的光發(fā)射機有：

(1)直接調制1310nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機；圖6.20直接調制DFB光發(fā)射機方框圖

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽正確742023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽(2)外調制1550nm分布反饋(DFB)激光器光發(fā)射機。圖6.21外調制DFB光發(fā)射機方框圖

2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽(2)外調制1752023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.22外調制YAG光發(fā)射機方框圖

(3)外調制摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)固體激光器光發(fā)射機。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽圖6.22外762023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

直接調制1310nmDFB光發(fā)射機是目前CATV光纖傳輸網(wǎng)、特別是分配網(wǎng)使用最廣泛的光發(fā)射機。原因是這種光發(fā)射機發(fā)射光功率高達10mW,傳輸距離可達35km,而且性能良好，價格比其他兩種光發(fā)射機便宜。這種良好性能來自DFB激光器這種單模激光器，其譜線寬度非常窄。

外調制YAG光發(fā)射機主要由YAG激光器、

電光調制器、預失真線性器和互調控制器構成。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽772023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽缺點是:?設備較大

?技術較復雜

?這種光發(fā)射機主要用于CATV干線網(wǎng)，也可以用于分配網(wǎng)。

預失真線性器作為調制器的驅動電路，互調控制器實際上是一個自動預失真控制器。波長為1310nm外調制YAG光發(fā)射機發(fā)射光功率高達40mW以上，相對強度噪聲(RIN)低到

165dB/Hz，信號失真性能極好。2023/8/2現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽缺點是:782023/8/12現(xiàn)代通信技術研究所殷洪璽

外調制1550nmDFB光發(fā)射機結合了直接調制1310nmDFB光發(fā)射機和外調制YAG光發(fā)射機的優(yōu)點。這種光發(fā)射機采用DFB-LD作光源，用電流直接驅動，因而與1310nmDFB光發(fā)射機