第6章 模拟光纤通信系统

6.1调制方式6.2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第6章模拟光纤通信系统返回主目录6.1调制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(D(D--IM)IM)••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(D(D--IM)IM)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个频道电视信号的方式，就是这种基带传输方式。所谓基带基带，就是对载波调制之前的视频信号频带。对于广播电视节目而言，视频信号带宽(最高频率)是6MHz；加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系统每路电视信号的带宽为8MHz。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0.85μm，传输距离不到4km,若波长为1.3μm，传输距离也只有10km左右。D-IM光纤传输系统的特点是：•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方式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。预调制主要有以下三种:1.频率调制(FM)频率调制方式，是先用承载信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。然后再用这个正弦调频信号对光源进行光强调制，形成FM-IM光纤传输系统。2.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。然后再用这个脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成PFM-IM光纤传输系统。3.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的模拟基带信号的幅度而变化。然后再用这个方波脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成SWFM-IM光纤传输系统。采用模拟间接光强调制的优势采用模拟间接光强调制的优势::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(D-IM)光纤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，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。因而因而PFMPFM--IMIM系统的传输距离比系统的传输距离比DD--IMIM系统的更长系统的更长对于多模光纤，若波长为0.85μm，传输距离可达10km；若波长为1.31μm，传输距离可达30km；对于单模光纤，若波长为1.31μm，传输距离可达50km。SWFM-IM光纤传输系统不仅具有PFM-IM系统的传输距离长的优点，还具有PFM-IM系统所没有的独特优点:•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，信号质量与传输距离无关，•SWFM-IM系统的信噪比信噪比也比D-IM系统的信噪比信噪比高高得多。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个频道的信号。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：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)。FDMFDM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；•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多路传输方式受到广泛的重视。6.1.3频分复用(FDM)光强调制频分复用光强调制方式频分复用光强调制方式用每路模拟电视基带信号，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。光载波经光纤传输到达接收机，光/电转换，再信号分离。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：•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。•SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，制造成本较低。•前后兼容。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(HFC)的有线电视系统中采用。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，预调制采用调频或者调幅，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基带直接光强调制(D-IM)光纤传输系统由光发射机光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路光纤线路和光接收机光接收机(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特性参数评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪比(SNR)和信号失真(信号畸变)。1.信噪比正弦信号直接光强调制系统的信噪比信噪比主要受光接收机性能的影响，因为输入到光检测器的信号非常微弱，所以对系统的SNR影响很大。输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0图6.2示出对发光二极管进行正弦信号直接光强调制的原理。图6.2发光二极管模拟调制原理2222sLsSNnLniRiPPiRi===信号功率噪声功率式中，〈i2s〉为均方信号电流和〈i2n〉为均方噪声电流，RL为光检测器负载电阻。这种系统的信噪比定义为接收信号功率(PS)和噪声功率(PN)的比值：信噪比一般用dB作单位，即22lgnsiiSNR=（6.1）如图6.2所示，光源驱动电流：I=IB(1+mcosωt)(6.2)设光源具有严格线性特性，不存在信号畸变，则输出光功率为P=PB(1+mcosωt)(6.3)式中，PB为偏置电流IB产生的光功率，m为调制指数，ω=2πf，f为调制频率，t为时间。一般光纤线路有足够的带宽，可以假设信号在传输过程不存在失真，只受到exp(-αL)的衰减，式中α为光纤线路平均损耗系数，L为传输距离。由于到达光检测器的信号很弱，光接收机引起的信号失真可以忽略。在这些条件下，光检测器的输出光电流：is=I0(1+mcosωt)(6.4)均方信号电流：222⎟⎠⎞⎜⎝⎛=msIi（6.5）式中,Im=mI0为信号电流幅度，I0为平均信号电流，m为调制指数，其定义为：()()maxmaxminmaxmax/2/2minminminminIIIImIIIII−−===+−+信号电流幅度平均信号电流平均信号电流:I0=gIP=gρPb(6.7)式中,Pb=KPB为输入光检测器的平均光功率，K代表光纤线路的衰减，ρ为光检测器的响应度，IP为一次光生电流，g为APD的倍增因子。设使用PIN-PD,g=1。由式(6.5)～式(6.7)得到均方信号电流：〈i2s〉=(6.8)2)(2gPmbρ模拟信号直接光强调制系统的噪声主要来源于光检测器的量子噪声、暗电流噪声、负载电阻RL的热噪声和前置放大器的噪声，总均方噪声电流(参考3.2节)可写成式中,〈i2q〉为量子噪声、〈i2d〉为暗电流、〈i2T〉为热噪声产生的均方噪声电流，e为电子电荷，B为噪声带宽，一般等于信号带宽，Id为暗电流，k=1.38×1023J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，RL为光检测器负载电阻，F为前置放大器的噪声系数。LdbTdqnRkTFBBeIBPeiiii4222222++=++=ρ(6.9)由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正弦信号直接光强调制系统的信噪比为：对于电视信号直接光强调制系统的信噪比有些不同，假设传输的是阶梯形全电视信号，则)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIPeBgPmSNR++=ρρ(6.10))/422(44.1lg20LdbbTVRkTFeIPeBPmSNR++=ρρ(6.11)式中,mTV为电视信号的调制指数，其他符号的意义和式(6.10)相同，但g=1。和SNR关系密切的一个参数是接收灵敏度。与数字光纤通信系统相似，在模拟光纤通信系统中，我们把接收灵敏度Pr定义为：在限定信噪比(误码率)条件下，光接收机所需的最小信号光功率Ps,min，并以dBm为单位。假设系统除量子噪声外，没有其他噪声存在，在这种情况下，灵敏度由平均信号电流决定，这样确定的灵敏度称为(最高)极限灵敏度。根据假设，式(6.10)分母后两项为零，利用式(3.14)响应度ρ=ηe/hf，m=1,g=1,式(6.10)简化为4SbNPPPhfBη=（6.12）式中,hf为光子能量，h=6.628×10-34J·s为普朗克常数，f=c/λ为光频率，c=3×108m/s为光速，λ为光波长(μm),η为光检测器量子效率(%)，B为噪声带宽。在限定信噪比条件下，光接收机所需的最小信号光功率：2min,bSpP=(6.13)把式(6.12)代入式(6.13)得到PSNSBhfPη22min,=(6.14)设光检测器为PIN-PD,光波长λ=1.31μm,量子效率η=0.6，噪声带宽B=8MHz，系统要求SNR=50dB。由式(6.14)得到Ps,min=2.86×10-7mW,Pr=10lgPs,min=-65.4dBm。实际系统必须考虑光检测器的暗电流和前置放大器的噪声。因而实际灵敏度比极限灵敏度要低得多。2.信号失真为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实地反映输入电信号，要求系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间变化，即不发生信号失真。一般说，实现电/光转换的光源，由于在大信号条件下工作，线性较差，所以发射机光源的输出功率特性是DIM系统产生非线性失真的主要原因。因而略去光纤传输和光检测器在光/电转换过程中产生的非线性失真，只讨论光源LED的非线性失真。参看图6.2。非线性失真一般可以用幅度失真参数——微分增益(DG)和相位失真参数——微分相位(DP)表示。DG可以从LED输出功率特性曲线看出，其定义为：DP是LED发射光功率P和驱动电流I的相位延迟差，其定义为：%100|||max212×⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−=IIIdIdpdIdpdIdpDG(6.15)式中,I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2I1。()()[]12IIDPϕϕ−=(6.16)虽然LED的线性比LD好，但仍然不能满足高质量电视传输的要求。影响LED非线性的因素很多，要大幅度改善动态非线性失真非常困难，因而需要从电路方面进行非线性补偿。模拟信号直接光强调制光纤传输系统的非线性补偿有许多方式，目前一般都采用预失真补偿方式。预失真补偿方式是在系统中加入预先设计的、与LED非线性特性相反的非线性失真电路。这种补偿方式不仅能获得对LED的补偿，而且能同时对系统其他元件的非线性进行补偿。由于这种方式是对系统的非线性补偿，把预失真补偿电路置于光发射机，给实时精细调整带来一定困难，而把预失真补偿电路置于光接收机，则便于实时精细调整。图6.3微分相位