模拟光纤通信系统-下载

6.1调制方式6.26.3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第6章模拟光纤通信系统6.1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(DIM):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，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。•广播电视节目，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。•这种DIM光纤电视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。预调制又有多种方式，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。然后用这个正弦调频信号对光源进行光强调制，形成FMIM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。然后用这个脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成PFMIM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。然后用这个方波脉冲调频信号对光源进行光强调制，形成SWFMIM光纤传输系统。•采用模拟间接光强调制的目的是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(DIM)光纤电视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，例如采用PFMIM光纤电视传输系统，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PFMIM系统的传输距离比DIM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1.3μm，传输距离可达30km。对于单模光纤，若波长为1.3μm，传输距离可达50km。SWFMIM光纤电视传输系统不仅具有PFMIM系统的传输距离长的优点，还具有PFMIM系统所没有的独特优点。•这种独特优点是：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。此外，SWFMIM系统的信噪比也比DIM实现一根光纤传输多路电视有多种方法，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)。6.1.3频分复用光强调制•频分复用光强调制方式是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。•光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分离。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)。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(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图6.1所示。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主要受光接收机性能的影响，因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。这种系统的信噪比定义为接收信号功率和噪声功率(NP)的比值2222nsLnLsiiRiRiNps噪声功率信号功率式中，〈i2s〉和〈i2n〉分别为均方信号电流和均方噪声电流，RL为光检测器负载电阻。信噪比一般用dB作单位，即22lg10nsiiSNR如图6.2所示，光源驱动电流I=IB(1+mcosωt)(6.2)输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0P=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。设光源具有严格线性特性，不存在信号畸变，则输出光功率为输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0一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nminminminmibomIIIIIIIIIIImmaxmaxmaxminmax2/2/平均信号电流信号电流幅度输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0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LdbTdqnRkTFBBeIBpeiiii4222222式中,〈i2q〉、〈i2d〉和〈i2T〉分别为量子噪声、暗电流和热噪声产生的均方噪声电流，响应度ρ=ηe/hf,Pb=KPB为输入光检测器的平均光功率，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。正弦信号直接光强调制系统的信噪比为)/422(2/)(lg102LdbbRkTFeIpeBgpmSNR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(44.1lg20LdbbTVRkTFeIpeBPmSNR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。和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。2.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%100|||max212IIIdIdpdIdpdIdpDG输出信号输入信号PPbIbIImaxIminIom0DP是LED发射光功率P和驱动电流I的相位延迟差，其定义为DP=［φ(I2)-φ(I1)］式中,I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2I1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。例如，短波长GaAlAsLED的DG可能高达20%，DP高达8°，而高质量电视传输要求DG和DP分别小于1%和1°。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。图6.3微分相位补偿原理6.2.2光端机光端机包括光发射机和光接收机。1.模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是，把模拟电信号转换为光信号。对这种光发射机的基本(1)发射(入纤)光功率要大，以利于增加传输距离。在光纤损耗和接收灵敏度一定的条件下，传输距离和发射光功率成正比。发射光功率取决于光源，LD优于LED。(2)非线性失真要小，以利于减小微分相位(DP)和微分增益(DG)，或增大调制指数m(mTV)。LED线性优于LD。(3)调制指数m(mTV)要适当大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。(4)光功率温度稳定性要好。LED温度稳定性优于LD，用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控制，因而可以简化电路、降低成本。模拟基带DIM光纤电视传输系统光发射机方框图如图6.6所示，输入TV信号经同步分离和箝位电路后，输入LED的驱动电路。由于全电视信号随亮场和暗场的变化而变化，为保证动态DP和DG的规定值，必须保持DP和DG补偿电路的工作点不随亮场和暗场而变化，所以应有箝位电路来保证其工作点恒定。在全电视信号中，图像信号随亮场和暗场而变化，其同步脉冲信号在工作过程是不变的，因而利用同步脉冲和图像信号处于不同电平的特点，对全电视信号中的同步脉冲进行分离和箝位。全电视信号•全电视信号在彩色电视系统中把视频信号（图像信号），复合同步信号和复合消隐信号和在一起，形成全电视信号，如图所示。这就是广播电视传送的信号。接收机解调出全电视信号后，便可用限幅的方法分离出同步信号。然后，分别用微分和积分电路获得行同步信号和场同步信号，去控制产生扫描电流。全电视信号（主要是其中的视频信号）还用来控制显像管的电子束。只要是收，发两端的扫描规律一致，并且扫描与电子束控制配合得当，就可以重显图像。在电视机中，同步分离时要产生一些延时，消隐信号又多用自己产生的，若与视频信号配合不当，将影响图像质量。因此，了解电视标准是很有意义的。我国广播电视标准规定：全电视信号中，各合成信号的电平关系是以同步信号电平为100%，黑电平（既消隐电平）为75%，白电平为0，其他亮度的电平介于0-75%之间，随图像内容变化。合成信号的时间关系是：每行的周期为64us（既行频为15625hz），其中图像信号占52.5us，行消隐占11.8us;在行消隐期间传送行同步信号，它的脉宽为4.7us，比行消隐信号延迟1.3us。每312.5行构成一场，每场周期20ms，既场频为50Hz，其中消隐信号占25行再加一个行消隐脉冲，共1.6ms。在场消隐期间传送均衡脉冲和场同步信号，场同步信号的脉宽占3行的时间，即192us，其中每隔半行有一开槽脉冲，其宽度为4.7us;场同步信号的前后各有6个均衡脉冲，每隔半行一个，其脉宽为2.35us。以上数值均为国家标准的标称值。习惯上是以奇数场同步信号的前沿作为一桢的开始。电视机接收到这个信号后，就准备由偶数场切换为奇数场，经过场同步分离电路的一段延迟，电子束便很快从屏幕的底部回扫到顶部，然后开始奇数场的正程扫描，但要到消隐信号结束后，从23行起屏幕才能显示图像，直到第309.5行出现偶数场消隐信号，接着出现前均衡脉冲，直到第312.5行出现偶数场同步信号，奇数场才结束，偶数场开始。电子束先迅速回扫到屏幕顶部中点，然后开始正程扫描，同理要到场消隐信号结束后的第335行才出现偶数场的图像，直到第623行偶数场图像结束，第625行结束时，偶数场随着结束，完成了一桢。图6.6光发射机方框图箝位电路同步分离驱动电路LEDTV入图6.7LED驱动电路的末级及其工作原理C1R1＋EcRc时间电流时间光功率(a)(b)V2ReV1LED图中