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6.1 调制方式调制方式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光纤传输系统6.3 副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统第第 6 章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统返回主目录 6.1 调制方式调制方式 模拟光纤传输方式主要有以下几种方式：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(D-IM)(D-IM)模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式 频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用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 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模拟基带直接光强调制(D-IM)(D-IM)是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或或LD)进行进行光强调制光强调制光强调制光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输，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。入模拟基带信号的波形成比例。20世纪世纪70年代末期，光纤开始用于模拟电视传输时，采用年代末期，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。式。所谓所谓基带基带基带基带，就是对载波调制之前的视频信号频带。，就是对载波调制之前的视频信号频带。对对于于广广播播电电视视节节目目而而言言，视视频频信信号号带带宽宽(最最高高频频率率)是是6MHz，加加上上调调频频的的伴伴音音信信号号，这这种种模模拟拟基基带带光光纤纤传传输输系系统统每每路路电电视视信号的带宽为信号的带宽为8 MHz。用用这这种种模模拟拟基基带带信信号号对对发发射射机机光光源源(线线性性良良好好的的LED)进进行行直直接接光光强强调调制制，若若光光载载波波的的波波长长为为0.85 m，传传输输距距离离不不到到4 km,若波长为若波长为1.3 m，传输距离也只有，传输距离也只有10 km左右。左右。D-IM光纤传输系统的特点是：光纤传输系统的特点是：设备简单设备简单 价格低廉价格低廉 因而在短距离传输中得到广泛应用。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模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式模拟间接光强调制方式 是是先先用用承承载载信信息息的的模模拟拟基基带带信信号号进进行行电电的的预预调调制制，然然后后用用这这个预调制的电信号对光源进行个预调制的电信号对光源进行光强调制光强调制(IM)p147。这种系统又称为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直接光强调制光纤传输系统。预调制主要有以下三种预调制主要有以下三种:1.频率调制频率调制(FM)频频率率调调制制方方式式是是先先用用承承载载信信息息的的模模拟拟基基带带信信号号对对正正弦弦载载波波进进行行调调频频，产产生生等等幅幅的的频频率率受受调调的的正正弦弦信信号号，其其频频率率随随输输入入的的模模拟拟基基带带信信号号的的瞬瞬时时值值而而变变化化。然然后后用用这这个个正正弦弦调调频频信信号号对对光光源源进进行行光强调制，光强调制，形成形成FM-IM光纤传输系统。光纤传输系统。2.脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)脉脉冲冲频频率率调调制制方方式式是是先先用用承承载载信信息息的的模模拟拟基基带带信信号号对对脉脉冲冲载载波波进进行行调调频频，产产生生等等幅幅、等等宽宽的的频频率率受受调调的的脉脉冲冲信信号号，其其脉脉冲冲频频率率随随输输入入的的模模拟拟基基带带信信号号的的瞬瞬时时值值而而变变化化。然然后后用用这这个个脉脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成冲调频信号对光源进行光强调制，形成PFM-IM光纤传输系统。光纤传输系统。3.方波频率调制方波频率调制(SWFM)方方波波频频率率调调制制方方式式是是先先用用承承载载信信息息的的模模拟拟基基带带信信号号对对方方波波进进行行调调频频，产产生生等等幅幅、不不等等宽宽的的方方波波脉脉冲冲调调频频信信号号，其其方方波波脉脉冲冲频频率率随随输输入入的的模模拟拟基基带带信信号号的的幅幅度度而而变变化化。然然后后用用这这个个方方波波脉脉冲冲调调频频信信号号对对光光源源进进行行光光强强调调制制，形形成成SWFM-IM光光纤纤传传输输系统。系统。采用模拟间接光强调制的目的采用模拟间接光强调制的目的采用模拟间接光强调制的目的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提高传输质量和增加传输距离 由由于于模模拟拟基基带带直直接接光光强强调调制制(D-IM)光光纤纤传传输输系系统统的的性性能能受受到到光光源源非非线线性性的的限限制制，一一般般只只能能使使用用线线性性良良好好的的LED作作光光源源。LED入纤功率很小，所以传输距离很短。入纤功率很小，所以传输距离很短。在在采采用用模模拟拟间间接接光光强强调调制制时时，由由于于驱驱动动光光源源的的是是脉脉冲冲信信号号，它它基基本本上上不不受受光光源源非非线线性性的的影影响响，所所以以可可以以采采用用线线性性较较差差、入入纤纤功率较大的功率较大的LD器件作光源。器件作光源。因而因而因而因而PFM-IMPFM-IM系统的传输距离比系统的传输距离比系统的传输距离比系统的传输距离比D-IMD-IM系统的更长系统的更长系统的更长系统的更长 对对于于多多模模光光纤纤，若若波波长长为为0.85 m，传传输输距距离离可可达达10 km；若若波波长长为为1.3 m，传传输输距距离离可可达达30 km。对对于于单单模模光光纤纤，若若波波长长为为1.3 m，传输距离可达，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。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实现一根光纤传输多路信号有多种方法 目目前前现现实实的的方方法法是是先先对对电电信信号号复复用用，再再对对光光源源进进行行光光强强调调制制。对电信号的复用可以是对电信号的复用可以是频分复用频分复用(FDM)，也可以是，也可以是时分复用时分复用(TDM)。FDM FDM系统的优点：系统的优点：系统的优点：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电路结构简单、制造成本较低以及模拟和数字兼容等 FDM系系统统的的传传输输容容量量只只受受光光器器件件调调制制带带宽宽的的限限制制，与与所所用用电子器件的关系不大电子器件的关系不大 这些明显的优点，使这些明显的优点，使FDM多路传输方式受到广泛的重视。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 频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式 用用每每路路模模拟拟电电视视基基带带信信号号，分分别别对对某某个个指指定定的的射射频频(RF)电电信信号号进进行行调调幅幅(AM)或或调调频频(FM)，然然后后用用组组合合器器把把多多个个预预调调RF信信号号组组合合成成多多路路宽宽带带信信号号，再再用用这这种种多多路路宽宽带带信信号号对对发发射射机机光光源源进进行行光光强调制。强调制。光光载载波波经经光光纤纤传传输输后后，由由远远端端接接收收机机进进行行光光/电电转转换换和和信信号号分离。分离。因因为为传传统统意意义义上上的的载载波波是是光光载载波波，为为区区别别起起见见，把把受受模模拟拟基基带带信信号号预预调调制制的的RF电电载载波波称称为为副副载载波波，这这种种复复用用方方式式也也称称为为副副载载波复用波复用(SCM)。SCM模拟电视光纤传输系统的优点：模拟电视光纤传输系统的优点：一一个个光光载载波波可可以以传传输输多多个个副副载载波波，各各个个副副载载波波可可以以承承载载不同类型的业务。不同类型的业务。SCM系系统统灵灵敏敏度度较较高高，又又无无需需复复杂杂的的定定时时技技术术，制制造造成本较低。成本较低。前前后后兼兼容容。不不仅仅可可以以满满足足目目前前社社会会对对电电视视频频道道日日益益增增多多的的要要求求，而而且且便便于于在在光光纤纤与与同同轴轴电电缆缆混混合合的的有有线线电电视视系系统统(HFC)中采用。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光纤传输系统 模模拟拟基基带带直直接接光光强强调调制制(D-IM)光光纤纤传传输输系系统统由由光光光光发发发发射射射射机机机机(光光源源通通常常为为发发光光二二极极管管)、光光光光纤纤纤纤线线线线路路路路和和光光光光接接接接收收收收机机机机(光光检检测测器器)组组成成，这种系统的方框图如图所示。这种系统的方框图如图所示。图图 6.1 模拟信号直接光强调制系统方框图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 特性参数特性参数 评评价价模模拟拟信信号号直直接接光光强强调调制制系系统统的的传传输输质质量量的的最最重重要要的的特特性性参数是参数是信噪比信噪比(SNR)和和信号失真信号失真(信号畸变信号畸变)。1.信噪比信噪比 正正弦弦信信号号直直接接光光强强调调制制系系统统的的信信信信噪噪噪噪比比比比主主要要受受光光接接收收机机性性能能的的影影响响，因因为为输输入入到到光光检检测测器器的的信信号号非非常常微微弱弱，所所以以对对系系统统的的SNR影响很大。影响很大。图图 6.2 发光二极管模拟调制原理发光二极管模拟调制原理 图示出对发光二极管进行正弦信号直接光强调制的原理。图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为均均方方信信号号电电流流和i2n为均均方方噪噪声声电电流流，RL为光检测器负载电阻光检测器负载电阻。这这种种系系统统的的信信噪噪比比定定义义为为接接收收信信号号功功率率和和噪噪声声功功率率(NP)的比值的比值：信噪比一般用dB作单位，即（6.1）2.信号失真信号失真 为为使使模模拟拟信信号号直直接接光光强强调调制制系系统统输输出出光光信信号号真真实实地地反反映映输输入入电电信信号号，要要求求系系统统输输出出光光功功率率与与输输入入电电信信号号成成比比例例地地随随时时间间变化，变化，即不发生信号失真。即不发生信号失真。一一般般说说，实实现现电电/光光转转换换的的光光源源，由由于于在在大大信信号号条条件件下下工工作作，线线性性较较差差，所所以以发发射射机机光光源源的的输输出出功功率率特特性性是是DIM（直直接接强度调制）系统产生非线性失真的主要原因。强度调制）系统产生非线性失真的主要原因。因因而而略略去去光光纤纤传传输输和和光光检检测测器器在在光光/电电转转换换过过程程中中产产生生的的非线性失真，非线性失真，只讨论光源只讨论光源LED的非线性失真。参看图。的非线性失真。参看图。非非线线性性失失真真一一般般可可以以用用幅幅度度失失真真参参数数微微分分增增益益(DG)和和相相位位失失真真参参数数微微分分相相位位(DP)表表示示。DG可可以以从从LED输输出出功率特性曲线看出，其定义为：功率特性曲线看出，其定义为：DP是是LED发发射射光光功功率率P和和驱驱动动电电流流I的的相相位位延延迟迟差差，其其定定义为：义为：（6.15）式中式中,I1和和I2为为LED不同数值的驱动电流，一般取不同数值的驱动电流，一般取I2I1。（6.16）虽虽然然LED的的线线性性比比LD好好，但但仍仍然然不不能能满满足足高高质质量量电电视视传传输输的的要要求求。影影响响LED非非线线性性的的因因素素很很多多，要要大大幅幅度度改改善善动动态态非非线线性性失失真非常困难，因而需要从电路方面进行真非常困难，因而需要从电路方面进行非线性补偿非线性补偿。模模拟拟信信号号直直接接光光强强调调制制光光纤纤传传输输系系统统的的非非线线性性补补偿偿有有许许多多方方式，目前一般都采用预失真补偿方式。式，目前一般都采用预失真补偿方式。预预失失真真补补偿偿方方式式是是在在系系统统中中加加入入预预先先设设计计的的、与与LED非非线线性性特特性性相相反反的的非非线线性性失失真真电电路路。这这种种补补偿偿方方式式不不仅仅能能获获得得对对LED的的补偿，而且能同时对系统其他元件的非线性进行补偿。补偿，而且能同时对系统其他元件的非线性进行补偿。由由于于这这种种方方式式是是对对系系统统的的非非线线性性补补偿偿，把把预预失失真真补补偿偿电电路路置置于于光光发发射射机机，给给实实时时精精细细调调整整带带来来一一定定困困难难，而而把把预预失失真真补补偿偿电电路置于光接收机，则便于实时精细调整。路置于光接收机，则便于实时精细调整。设设系系统统发发射射端端输输入入信信号号V1与与接接收收端端输输出出信信号号V2之之间间相相移移为为 ，它它包包含含了了LED输输出出光光功功率率P与与驱驱动动电电流流之之间间的的相相移移，以以及及系系统统中中其其他他各各级级输输出出信信号号和和输输入入信信号号之之间间的的相相移移。由由于于相相移移随随输入信号输入信号V1而变化，如图而变化，如图6.3(a)，因而产生微分相位，因而产生微分相位DP。微分相位补偿是设计一种电路，使其相移特性微分相位补偿是设计一种电路，使其相移特性 与与 的的变化相反，如图变化相反，如图6.3(b)。两个非线性电路相加，。两个非线性电路相加，使系统总相使系统总相移移 不随输入信号大小而变化，如图不随输入信号大小而变化，如图6.3(c)。图图 6.3 微分相位补偿原理微分相位补偿原理（c）（b）（a）000V1V1V1图图 6.4 微分相位补偿电路微分相位补偿电路 在在模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统中中，最最广广泛泛使使用用的的电电路路是是微微分分相相位位四四点点补补偿偿电电路路，如如图图所所示示p150。这这种种电电路路的的相相位位补补偿偿是是利利用用集集电电极极和和发发射射极极输输出出的的信信号号相相位位差差180的的原原理理构构成成的的全全通通相相移移网络来实现的。网络来实现的。二极管二极管D1D2D3偏置偏置于不同的电压于不同的电压V1V2V3,使它们依次使它们依次导通，使总电阻导通，使总电阻（R1/R2/R3）不断）不断变化，因而电路总变化，因而电路总增益也变化，补偿增益也变化，补偿相移非线性失真。相移非线性失真。功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。电压增益：电压增益：电流增益：电流增益：+1 三种组态的基本放大电路三种组态的基本放大电路CECCCB 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微分增益四点补偿电路分增益四点补偿电路如图所示。图图6.5 微分增益补偿电路微分增益补偿电路 二极管二极管D1D2D3偏置偏置于不同的电压于不同的电压V1V2V3,使它们依次使它们依次导通，使总电阻导通，使总电阻（R1/R2/R3）不断）不断变化，因而电路总变化，因而电路总增益也变化，补偿增益也变化，补偿LED的的P-I特性的非特性的非线性。线性。6.2.2 光端机光端机 光端机包括光发射机和光接收机。光端机包括光发射机和光接收机。1.光发射机光发射机 模模拟拟基基带带直直接接光光强强调调制制光光纤纤电电视视传传输输系系统统光光发发射射机机的的功功能是，把模拟电信号转换为光信号。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：对光发射机的基本要求是：发发射射(入入纤纤)光光功功率率要要大大，以以利利于于增增加加传传输输距距离离。在在光光纤纤损损耗耗和和接接收收灵灵敏敏度度一一定定的的条条件件下下，传传输输距距离离和和发发射射光光功功率率成正比。成正比。发射光功率取决于光源，发射光功率取决于光源，LD优于优于LED。非非线线性性失失真真要要小小，以以利利于于减减小小微微分分相相位位(DP)和和微微分分增增益益(DG)，或增大，或增大调制指数调制指数m(mTV)。LED线性优于线性优于LD。调调制制指指数数m(mTV)要要适适当当大大。m大大，有有利利于于改改善善SNR；但但m太大，不利于减小太大，不利于减小DP和和DG。光光功功率率温温度度稳稳定定性性要要好好。LED温温度度稳稳定定性性优优于于LD，用用LED作作光光源源一一般般可可以以不不用用自自动动温温度度控控制制和和自自动动功功率率控控制制，因因而可以简化电路、降低成本。而可以简化电路、降低成本。模模拟拟基基带带DIM光光纤纤电电视视传传输输系系统统光光发发射射机机方方框框图图如如下下图图所所示示，输输入入TV信信号号经经同同步步分分离离和和箝箝位位电电路路后后，输输入入LED的的驱动电路。驱动电路。图图 6.6 光发射机方框图光发射机方框图 箝位电路同步分离驱动电路LEDTV入 驱驱动动电电路路的的末末级级及及其其工工作作原原理理示示于于图图，图图中中R1C1电电路路用用于于调调节节DIM系系统统电电视视信信号号的的幅幅频频特特性性，Re用用于于监监测测通通过过LED的的电电流流，Rc用用于于控控制制通通过过LED的的极极限限电电流流，V2用用于于保保护护LED防止反向击穿，防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路调节。的工作点由箝位电路调节。图图6.7(a)LED驱动电路的末级驱动电路的末级C1R1EcRcV2ReV1LED图图6.7(b)LED驱动电路工作原理驱动电路工作原理 时间时间电流电流时间时间光光功功率率(b)由由于于全全电电视视信信号号随随亮亮场场和和暗暗场场的的变变化化而而变变化化，为为保保证证动动态态DP和和DG的的规规定定值值，必必须须保保持持DP和和DG补补偿偿电电路路的的工工作作点点不不随随亮亮场和暗场而变化，所以场和暗场而变化，所以应有箝位电路来保证其工作点恒定。应有箝位电路来保证其工作点恒定。在在全全电电视视信信号号中中，图图像像信信号号随随亮亮场场和和暗暗场场而而变变化化，其其同同步步脉脉冲冲信信号号在在工工作作过过程程是是不不变变的的，因因而而利利用用同同步步脉脉冲冲和和图图像像信信号号处处于于不不同同电电平平的的特特点点，对对全全电电视视信信号号中中的的同同步步脉脉冲冲进进行行分分离离和和箝位箝位。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。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：对光接收机的基本要求是：信噪比信噪比(SNR)要高要高 幅频特性要好幅频特性要好 带宽要宽带宽要宽 模模拟拟基基带带D-IM光光纤纤电电视视传传输输系系统统光光接接收收机机方方框框图图如如图图所所示示，光光检检测测器器把把输输入入光光信信号号转转换换为为电电信信号号，经经前前置置放放大大器器和和主主放放大大器器放放大大后后输输出出，为为保保证证输输出出稳稳定定，通通常常要要用用自自动动增增益益控控制制(AGC)。前放主放AGC图图 6.8 光接收机方框图光接收机方框图 光光检检测测器器可可以以用用PIN或或APD。PIN只只需需较较低低偏偏压压(1020 V)就就能能正正常常工工作作，电电路路简简单单，但但没没有有内内增增益益，SNR较较低低。APD需需要要较较高高偏偏压压(30200 V)才才能能正正常常工工作作，且且内内增增益益随随环环境境温温度度变化较大，应有偏压控制电路。变化较大，应有偏压控制电路。APD的的优优点点：有有20200倍倍的的雪雪崩崩增增益益，可可改改善善SNR。对对于于模模拟拟基基带带D-IM光光纤纤电电视视传传输输系系统统，力力求求电电路路简简单单，光光检检测测器器一一般般都采用都采用PIN。前前置置放放大大器器的的输输入入信信号号电电平平是是全全系系统统最最低低的的，因因此此前前放放决决定定着着系系统统的的SNR和和接接收收灵灵敏敏度度。目目前前这这种种系系统统都都采采用用补补偿偿式式跨跨阻阻抗抗前前放放。如如采采用用PIN-FET混混合合集集成成电电路路的的前前放放，可可获获得得较较高高SNR和和较宽的工作频带。较宽的工作频带。主主放放大大器器是是一一个个高高增增益益宽宽频频带带放放大大器器，用用于于把把前前放放输输出出的的信信号放大到系统需要的适当电平。号放大到系统需要的适当电平。由由于于光光源源老老化化使使光光功功率率下下降降，环环境境温温度度影影响响光光纤纤损损耗耗变变化化，以以及及传传输输距距离离长长短短不不一一，使使输输入入光光检检测测器器的的光光功功率率大大小小不不同同，所所以需要以需要AGC来保证光接收机输出恒定。来保证光接收机输出恒定。6.2.3 系统性能系统性能 接收端要有足够的接收功率，即满足一定信噪比接收端要有足够的接收功率，即满足一定信噪比 各各接接收收元元件件要要有有足足够够大大的的带带宽宽来来确确保保包包含含在在光光信信号号中中的的最最高高调制频率顺利通过调制频率顺利通过1.系统指标系统指标 (1)视频部分：视频部分：带宽带宽 06 MHz SNR 50 dB(未加校未加校)DG 4%DP 4 发射光功率发射光功率 -15 dBm(32 W)接收灵敏度接收灵敏度 -30 dBm (2)伴音部分：伴音部分：带宽带宽15 kHz 输入输出电平输入输出电平0 dB SNR 55 dB(加校加校)畸变畸变2%伴音调频副载频伴音调频副载频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光纤损耗对传输距离的限制 模模拟拟基基带带直直接接光光强强调调制制光光纤纤电电视视传传输输系系统统的的传传输输距距离离大大多多受受光光纤纤损损耗耗的的限限制制。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为发发射射光光功功率率(dBm)，Pr为接接收收灵灵敏敏度度(dBm),M 为系系统统余余量量(dB)，为光光纤纤线线路路(包包括括光光纤纤、连连接接器器和和接接头头)每每千千米平均损耗系数米平均损耗系数(dB/km)。（6.17）