光纤通信第6章—教用

放 频道N 大
DN
LPF
频道N
Mi 为调制器
Di 为解调器
BPF为带通滤波器
LPF为低通滤波器
图 6.１０ 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图
SCM模拟电视光纤传输系统的优点：
• (1) 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，有利于数字和 模拟混合传输以及不同业务的综合和分离。
(mpb ) 2 / 2 SNR 10lg B(2epb 2eId 4kTF / RL )
PS ,min 2 2
Be

SNR
Ps，min ]( dBm ) Pr=10lg [ 3 10
2. 信号失真 定义：模拟信号经直接光强调制系统输出光信号不能真实 地反映输入电信号，即系统输出光功率与输入电信号不能成比 例地随时间变化。 信号失真的原因：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D-IM系统产生非线性失真的主要原因。 故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。
由于噪声的累积，和数字光纤通信系统相比，模拟 光纤通信系统的 传输距离较短。
Chapter 6 模拟光纤传输系统 6
• 但是目前采用频分复用（FDM）技术， 实现了一根光纤传输 100多路电视节目， 在有线电视（CATV）网络中，有巨大的 竞争能力。 • 重点：（1）基本的模拟电视传输系统 • （2）副载波复用（SCM）模拟
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 DP=［φ(I2) -φ(I1)］ 式中, I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2>I1。
6.2.2光端机
光端机包括光发射机和光接收机。
1. 光发射机
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 要求是： (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。
f1 放 频道1 大 放 大 M1 f2 频道2 M2 BPF BPF
f1 s 组 f2 s 合 电 fN s 路 光发射机 LD 宽 放 驱 动 电 路 PIN 探 测 电 路 宽 放 光接收机 分
f1 s
D1
LPF
频道1
离 f 2s 电 路 f 3s
D2
LPF 频道2
光纤
…
fN MN BPF
…
模拟光纤传输系统调制方式
• （1）模拟基带直接光强调制 • （2）模拟间接光强调制 • （3）频分复用光强调制
6.1.1 模拟基带直接光强调制
模拟基带直接光强调制 (D-IM) 是用承载信息的模 拟基带信号（未经过调制前的视频信号），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。 特点：设备简单、 价格低廉，适用于短距离传输。
极限灵敏度（量子极限）：假设系统除量子噪声外，没 有其他噪声存在，此时，灵敏度只有平均信号电流决 定，这样确定的灵敏度称为（最高）极限灵敏度。
正弦信号直接光强调制系统的信噪比为
(mgpb ) 2 / 2 SNR 10lg B(2epb g 2 x 2eId g 2 x 4kTF / RL )
模拟基带直接光调制
以LD 为例，当驱动电流大于阈值电流时，激光器的输出光功率 与注入电流成线性关系。输出光功率的变化反映了电流的变化。从
而光载波就承载了所要传输的信息。
Chapter 6 模拟光纤传输系统
12
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）
PIN-PD只需较低偏压(10～20 V)就能正常工作，电路简单， 但没有内增益，SNR较低。
APD需要较高偏压(30～200 V)才能正常工作，且内增益随 环境温度变化较大，应有偏压控制电路。
光检测器 前放 主放
AGC
图 6.8 光接收机方框图
APD的优点是有20～200倍的雪崩增益，可 改善SNR。 对于模拟基带D-IM光纤电视传输系 统，力求电路简单，光检测器一般都采用 PINPD。
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。 • 2 、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。
• 模拟基带直接光调制和模拟间接光强调制的比较： • 模拟间接光调制优点：提高传输质量、增加传输 距离。 • 原因：模拟直接光调制（D-IM）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。
P
输出信号 Pb
0
Im in
Ib
Im ax
I
输入信号 Io m
图 6.2 发光二极管模拟调制原理
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）
1.44mTV Pb 则 SNR 20lg B(2epb 2eI d 4kTF / RL )
式中, mTV为电视信号的调制指数， g=1。
基本要求是：
(1) 信噪比(SNR)要高； (2) 幅频特性要好； (3) 带宽要宽
模拟基带 DIM 光纤电视传输系统光接收机方框图如图 6.8 所示。 光检测器把输入光信号转换为电信号，经前置放大器和主放大 器放大后输出，为保证输出稳定，通常要用自动增益控制 (AGC)。 光检测器可以用PIN-PD或APD。
模拟基带直接光强调制 (D-IM) 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。
发光 二极管 基带信号 m(t) 调 制 器 发送机 光纤 接收机 光检测器 放大器 恢复原信号 m(t)
图 6.1 模拟信号直接光强调制系统方框图
(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。
2. 光接收机
光接收机的功能是把光信号转换为电信号。 对光接收机的
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
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1、 模拟光纤通信系统：一种通过光纤信道 传输模拟
信号的通信系统。 2、适用场合：模拟电视传输。 3、与数字光纤通信系统相比：模拟光纤通信系统采 用参数大小连续变化的信号来代表信息 。 4、要求：在光 /电转换过程中信号和信息存在 线性 对应关系。因此，对于光源功率特性的线性要求、 对系统信噪比的要求，都比较高。
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，因而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。 SNR=接收信号功率/噪声功率 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。
接收机的灵敏度Pr
光接收机的最小信号光功率
B S PS ,min 2 2hf NP
则，
把ρ=ηe/hf代入Leabharlann Baidu式，
PS ,min 2 2
Be

SNR
则，接收机的灵敏度
Ps，min Pr=10lg [ 10 3 ]( dBm )
• 例1 某光接收机中的光检测器的负载电阻为1MΩ ，放 大器的带宽B=10MHZ，噪声系数为6dB，若采用PIN检 测器，已知PIN的暗电流Id=0.6nA，响应度ρ=0.4A/W,若 常温下温度T=300K，正弦信号直接光强调制的调制指 数m=1，信号的工作波长为0.85um,传输至光检测器出的 光信号功率P= -46dBm。 • 求（1）接收机输出信噪比SNR （2）此时的光接收机的极限灵敏度应为多少？
• 模拟间接光强调制基本不受到光源的非线性影响， 所以可以采用线性较差、入纤光功率较大的LD作 为光源，故传输距离长。
• 上述传输方式缺点：一根光纤只传送一 路信号，没有充分利用到光纤带宽大的 优点。故必须经过复用方式。
• 实现一根光纤传输多路信号的方法是： 先对电信号进行复用（一般采用频分复 用FDM），再对光源进行光强调制。
• 副载波复用的实质：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，预调制是采用调频还 是调幅，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
2、脉冲频率调制（PFM）
3、方波频率调制（SWFM）
• 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。
• 2、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)
方式，目前一般都采用预失真补偿方式 —— 即是在系统中加入 预先设计的、与LED非线性特性相反的非线性失真电路。
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 dp dI |I 2 dI |I1 DG 100% dp |I 2 dI max
• (2) SCM 系统灵敏度较高，又无需复杂的定时 技术， FM/SCM可以传输60～120路模拟电视节 目，制造成本较低。 因而在电视传输网中竞争 能力强，发展速度快。
（3）在数字电视传输系统未能广泛应用的今 天，线性良好的大功率LD已能得到实际应用， 因而发展 SCM 模拟电视传输系统是适时的选择。 （4）SCM系统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 电缆混合的有线电视系统(HFC)中采用。
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。
2、再然后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
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
6.1.3 频分复用光强调制
1、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)， 2、再用组合器把多个预调RF信号组合成多路宽带信号， 3、最后用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。
4、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)。
其中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=1.38×10-23J/k为玻尔兹曼常数，T为热力 学温度，m为调制指数，ρ为光检测器的响应度，Pb为输
入光检测器的平均光功率， g为APD的倍增因子。
若使用PIN-PD, g=1。F为前置放大器的噪声系数。 RL为 光检测器负载电阻。