模拟的光纤通信系统.docx

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模拟的光纤通信系统

第六章模拟光纤通信系统

（4学时）

一、教学目的及要求：

使学生熟悉模拟光纤通信系统的组成和结构特点，重点要求他们掌握模拟光纤通信的系统调制方式、模拟基带直接光强调制光纤传输系统和副载波复用光纤传输系统结构。

二、教学重点及难点：

本章重点：

调制方式、模拟基带直接光强调制光纤传输系统、副载波复用光纤传输系统。

本章难点：

调制方式

三、教学手段：

板书与多媒体课件演示相结合

四、教学方法：

课堂讲解、提问

五、作业：

课外作业：

6-16-26-46-5

六、参考资料：

《光纤通信》刘增基第六章。

《光纤通信》杨祥林第八章第九章

七、教学内容与教学设计：

教学内容

教学设计

备注

【导入】（2分钟）

回顾上节课的主要内容，借以引出这节课的主要内容。

导入

[提问]提问引出本章的教学内容。

2分钟

【讲授新课】（96分钟）

第六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）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，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。

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）。

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。

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。

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：

（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

（2）SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术

（3）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

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。

模拟信号直接光强调制系统方框图

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

系统的信噪比定义为接收信号功率和噪声功率（NP）的比值。

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。

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。

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。

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。

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，其定义为

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。

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。

在模拟电视光纤传输系统中，最广泛使用的电路是微分相位四点补偿电路。

这种电路的相位补偿是利用集电极和发射极输出的信号相位差180°的原理构成的全通相移网络来实现的。

微分相位补偿电路

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。

（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）。

（3）调制指数m（mTV）要适当大。

（4）光功率温度稳定性要好。

模拟基带DIM光纤电视传输系统光发射机方框图如图

光发射机方框图

2.光接收机

光接收机的功能是把光信号转换为电信号。

对光接收机的基本要求是：

（1）信噪比（SNR）要高；

（2）幅频特性要好；

（3）带宽要宽。

光接收机方框图

6.2.3系统性能

模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统方框图如图6.9所示。

在发射端，模拟基带电视信号和调频（FM）伴音信号分别输入LED驱动器，在接收端进行分离。

改进DP和DG的预失真电路置于接收端。

模拟基带直接光强调值光前点时传输系统方框图

主要技术参数举例如下。

1.系统参数

（1）视频部分：

带宽0～6MHz

SNR≥50dB（未加校）

DG4%

发射光功率≥15dBm（32μW）

接收灵敏度≤30dBm

（2）伴音部分：

带宽0.04～15kHz

输入输出电平0dBr

SNR55dB（加校）

畸变2%

伴音调频副载频8MHz

2.光纤损耗对传输距离的限制

模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统的传输距离大多受光纤损耗的限制，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。

3.系统对光纤带宽的要求

在短波长使用LED光源的情况下，光纤线路总带宽应为

B=（B2m+B2c）1/2

在实际工程中是否采用短波长LED和多模SI光纤，要根据经济效益（系统成本和维修费用）来决定。

讲解

[板书]

[板书]

[板书]

[多媒体课件]

96分钟

6.3副载波复用光纤传输系统

模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残留边带调幅（VSBAM）和调频（FM）两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。

副载波复用（SCM）模拟电视光纤传输系统方框图为：

副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图

6.3.1特性参数

对于副载波复用模拟电视光纤传输系统，评价其传输质量的特性参数主要是载噪比（CNR）和信号失真。

1.载噪比

载噪比CNR的定义是，把满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率（C）和噪声功率（NP）的比值，并以dB为单位，用公式表示为

式中,〈i2c〉为均方载波电流，〈i2n〉为均方噪声电流。

每个信道的载噪比

由此可见，载噪比CNR随着调制指数m和平均接收光功率P0的增加而增加，随三项噪声的增加而减小。

不论采用什么预调制方式，计算CNR的公式都相同，只是公式中具体参数不同而已，既适用于VSBAM,也适合于FM。

但是为获得相同SNR，不同预调制方式所需的CNR都是不同的。

为在接收机解调后获得相同SNR，两种预调制方式所需的CNR比值为

式中,Ｆd为由图像信号产生的频偏峰-峰值，Bb为基带信号带宽，Bf为FM信号带宽。

就载噪比而言，预调制方式FM优于VSBAM。

但是和VSBAM方式相比，FM方式存在一个本质性问题，就是它占用的带宽较宽，约为VSBAM方式的6倍。

所以要根据不同应用场合，选择不同预调制方式。

2.信号失真

副载波复用模拟电视光纤传输系统产生信号失真的原因很多，但主要原因是作为载波信号源的半导体激光器在电/光转换时的非线性效应。

由于到达光检测器的信号非常微弱，在光/电转换时可能产生的信号失真可以忽略。

只要光纤带宽足够宽，传输过程可能产生的信号失真也可以忽略。

副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组合二阶互调（CSO）失真和组合三阶差拍（CTB）失真这两个参数表示。

两个频率的信号相互组合，产生和频（ωi+ωj）和差频（ωiωj）信号，如果新频率落在其他载波的视频频带内，视频信号就要产生失真。

这种非线性效应会发生在所有RF电路，包括光发射机和光接收机。

在给定的频道上，所有可能的双频组合的总和称为组合二阶（CSO）互调失真。

通常用这个总和与载波的比值表示，并以dB为单位，记为dBc。

组合三阶差拍（CTB）失真是三个频率（ωi±ωj±ωk）的非线性组合，其定义和表示方法与CSO相似，单位相同。

CSO和CTB将以噪声形式对图像产生干扰，为减小这种干扰，可以采用如下方法。

（1）采用合理的频道频率配置，以减小C2i和C3i，改善CSO和CTB。

（2）限制调制指数m，以保证CSO和CTB符合规定的指标。

（3）采用外调制技术，把光载波的产生和调制分开。

6.3.2光端机

1.光发射机

对残留边带—调幅光发射机的基本要求是：

（1）输出光功率要足够大，输出光功率特性（P[CD*2]I）线性要好；

（2）调制频率要足够高，调制特性要平坦；（3）输出光波长应在光纤低损耗窗口，谱线宽度要窄；

（4）温度稳定性要好。

VSBAM光发射机的构成示于下图。

输入到光发射机的电信号经前馈放大器放大后，受到电平监控，以电流的形式驱动激光器。

LD输出特性要求是线性的，但在实际电/光转换过程中，微小的非线性效应是不可避免的，而且要影响系统的性能。

所以优质的光发射机都要进行预失真控制。

VSBAM光发射机的构成

外调制1550nmDFB光发射机结合了直接调制1310nmDFB光发射机和外调制YAG光发射机的优点。

这种光发射机采用DFBLD作光源，用电流直接驱动，因而与1310nmDFB光发射机同样具有小型、轻便等优点。

外调制1550nmDFB光发射机和EDFA结合，在两个重要场合特别适用。

主要应用是取代微波和强化前端（Headend）所要求的超长传输距离。

但这时必须采用复杂的抑制受激布里渊散射（SBS）才能发挥作用。

SBS是一种依赖光功率的非线性效应，这种效应随光纤长度的增长而明显增加，所以必须进行补偿。

另一个重要应用是在密集结构的结点上，这种结构需要高功率以分配给多个光分路。

在这种场合就不存在SBS的限制了。

2.光接收机

对VSBAM光接收机的基本要求是：

（1）在一定输入功率条件下，有足够大的RF输出和尽可能小的噪声，以获得大CNR或SNR；

（2）要有足够大的工作带宽和频带平坦度，因而要采用高截止频率的光检测器和宽带放大器。

VSBAM光接收机的构成

6.3.3光链路性能

由光发射机、光纤线路和光接收机构成的基本光纤通信系统，作为一个独立的“光信道”，在工程上一般称为光链路。

光链路性能通常用在规定CSO和CTB的条件下，载噪比CNR与光链路损耗αL的关系表示，αL=PtP0,α和L分别为光链路的平均损耗系数和传输长度，Pt和P0分别为平均发射光功率和平均接收光功率。

外调制YAG光链路性能

光发射机RF输入电平为18～33dBmv,工作带宽为45～750MHz,发射光功率为13dBm，调制指数为2.5%，光波长为1310nm。

当光链路损耗为10dB（相当于接收光功率3dBm）时，CNR=53dB，并随光链路损耗的增加而减小。

如果增加调制指数，使CNR改善2dB,CTB将从65dBc劣化为60.3dBc。

讲解

[板书]

[板书]

[板书]

[多媒体课件]

100

分钟

【结束语】（2分钟）

展示并简单介绍本课程各章节的名称和主要内容。

布置作业。

小结

[幻灯片]展示本课程各章节名称。

让学生了解本课程内容框架，做到心里有数。

[作业]布置课外作业，下次上课交。

2分钟

八、课后小结：

教学实践发现，学生对课堂上演示的具体例子很感兴趣，参与意愿、投入程度明显较高。

作为专业基础课，应避免流于泛泛的理论陈述和空洞的说教，而应该用具体的例子来激发学生学习的兴趣，引导他们进行自行探究。