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(LED或LD)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路电视信号的方式，就是这种基带传输方式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。
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8 MHz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0.85 m，传输距离不到4 km,若波长为1.3 m，传输距离也只有10 km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 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 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.频率调制频率调制(FM)频频率率调调制制方方式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FM-IM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PFM-IM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SWFM-IM光纤传输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，所以传输距离很短入纤功率很小，所以传输距离很短在采用脉冲频率调制时，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 对于多模光纤，若波长为0.85 m，传输距离可达10 km；若波长为1.3 m，传输距离可达30 km。
对于单模光纤，若波长为1.3 m，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频分复用(FDM)，也可以是时分复用时分复用(TDM)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 用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射射频频(RF)电电信信号号进行调调幅幅(AM)或调调频频(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光载载波波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副副载载波波，这种复用方式也称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的有有线线电电视视系系统统(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)光纤传输系统由光光光光发发发发射射射射机机机机(光源通常为发光二极管)、光光光光纤纤纤纤线线线线路路路路和光光光光接接接接收收收收机机机机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图6.1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信噪比(SNR)和信号失真信号失真(信号畸变信号畸变)1.信噪比信噪比 正弦信号直接光强调制系统的信信信信噪噪噪噪比比比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。
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）如图6.2所示，光源驱动电流光源驱动电流：I=IB(1+m cost)(6.2)设光源具有严格线性特性，不存在信号畸变，则输输出出光光功功率为率为 P=B(1+mcost)(6.3)式中，PB为偏置电流IB产生的光功率，m为调制指数，=2f，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(-L)的衰减，式中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：光检测器的输出光电流：is=I0(1+m cost)(6.4)均方信号电流：均方信号电流：（6.5）式中,Im=mI0 为信信号号电电流流幅幅度度，I0为平平均均信信号号电电流流，m为调制指数调制指数，其定义为：平均信号电流平均信号电流:I0=gIP=gPb (6.7)式中,Pb=KPB为输入光检测器的平均光功率，K代表光光纤纤线线路路的的衰衰减减，为光光检检测测器器的的响响应应度度，IP为一一次次光光生生电电流流，g为APD的倍增因子的倍增因子。
设使用PIN-PD,g=1由式(6.5)式(6.7)得到均方信号电流：均方信号电流：i2s=(6.8)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，总均方噪声电流总均方噪声电流(参考3.2节)可写成 式中,i2q为量量子子噪噪声声、i2d为暗暗电电流流、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=1.381023J/K为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，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6.9）由式(6.1)、式(6.8)和式(6.9)得到，正正弦弦信信号号直直接接光光强强调调制系统的信噪比为：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（6.10）（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=12.信号失真信号失真 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系系统统产产生非线性失真的主要原因。
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 非线性失真一般可以用幅度失真参数微微分分增增益益(DG)和相位失真参数微微分分相相位位(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：（6.15）式中,I1和I2为LED不同数值的驱动电流，一般取I2I16.16）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预失失真真补补偿偿方方式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非线线性性补补偿偿，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。
设系统发射端输入信号V1与接收端输出信号V2之间相移为 ，它包含了LED输出光功率P与驱动电流之间的相移，以及系统中其他各级输出信号和输入信号之间的相移由于相移随输入信号V1而变化，如图6.3(a)，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 与 的变化相反，如图6.3(b)两个非线性电路相加，使系统总相移 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 6.2.3 系统性能系统性能 模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统方框图如下图所示在发射端，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1.系统参数系统参数 (1)视频部分：带宽 06 MHz SNR 50 dB(未加校)DG 4%DP 4 发射光功率 -15 dBm(32 W)接收灵敏度 -30 dBm (2)伴音部分：带宽0.0415 kHz 输入输出电平0 dBr SNR 55 dB(加校)畸变2%伴音调频副载频8 MHz主要技术参数举例如下6.3 副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统 图6.10示出副副载载波波复复用用(SCM)模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统方框图。
N个 频 道 的 模 拟 基 带 电 视 信 号 分 别 调 制 频 率 为f1,f2,f3,fN的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s，,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号图图 6.0 副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 模拟基带电视信号对射频的预调制，通常用残残留留边边带带调调幅幅(VSBAM)和调频调频(FM)两种方式，各有不同的适用场合和优缺点6.3.1 特性参数特性参数 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载噪比(CNR)和信号失真信号失真1.载噪比载噪比 载载噪噪比比CNR的的定定义义是是：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：（6.22）式中,i2c为均方载波电流，i2n为均方噪声电流设在电/光转换、光纤传输和光/电转换过程中，都不存在信号失真。
如图6.11所示，输入激光器的调幅信号电流为：输入激光器的调幅信号电流为：或 CNR=10lg(6.23)(6.24)图图 6.11 激光器模拟调制原理激光器模拟调制原理 PmaxPminIomPomIminImaxIbpPbI输出信号输出信号输入信号输入信号 由于假设不存在信号失真，激光器输出光功率为：激光器输出光功率为：（6.25）式中,Ps=Pb-Pth，Pb和Pth分别为偏置电流Ib和阈值电流Ith对应的光功率，N为频道总数，mi为第i个频道的调制指数，i为第i个频道的副载波角频率设每个频道的调制指数都相同，即mi=mj=mk=m，暂时略去光纤传输因子10-L/10,为光纤线路平均损耗系数，L为光纤线路平均损耗长度，系统使用PIN-PD，从光检测器输出的(载波)信号电流为：ic=I0(1+m （6.26）均方(载波)信号电流：（6.27）式中,Im=mI0为信号电流幅度，I0为平均信号电流，m=m0/为每个频道的调制指数，m0为总调制指数，N为频道总数SCM为为模模拟拟电电视视光光纤纤传传输输系系统统，产产生生噪噪声声的的主主要要有有激激光光器器、光光检检测测器器和和前前置置放放大大器器。
采用PIN-PD，略去暗电流，系统的总均方噪声电流可表示为：式中,i2RIN为激光器的相对强度噪声、i2q为激光器的光检测器的量子噪声,i2T为激光器的折合到输入端的放大器噪声产生的均方噪声电流e为电子电荷，B为噪声带宽，k=1.3810-23J/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为前置放大器噪声系数相对强度噪声(RIN)是激光器谐振腔内载流子和光子密度随机起伏产生的噪声，一般不可忽略6.28）式中平均信号电流I0=P0,P0=Pb10L/10为光检测器平均接收光功率，为响应度由式(6.29)得到每个信道的载噪比 由式(6.22)、式(6.27)和式(6.28)得到(6.29)CNR=10lg (6.30)2.信号失真信号失真 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，但主主要要原原因因是是作作为为载载波波信信号号源源的的半半导导体体激激光光器器在在电电/光光转换时的非线性效应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组合合二二阶互调阶互调(CSO)失真失真和组合三阶差拍组合三阶差拍(CTB)失真失真这两个参数表示。
图图6.19 VSB-AM光发射机的构成光发射机的构成 正正确确选选择择光光发发射射机机对对系系统统性性能能和和CATV网网的的造造价价都都有有重重大大意义目前可供选择的光发射机有：意义目前可供选择的光发射机有：(1)直接调制1310 nm分分布布反反馈馈(DFB)激激光光器器光光发发射射机机，如图6.19和图6.20所示；图图6.20 直接调制直接调制DFB光发射机方框图光发射机方框图 图图6.21 外调制外调制DFB光发射机方框图光发射机方框图 (2)外调制1550 nm分布反馈(DFB)激光器光发射机，如图6.21所示；受激布里渊散射图图6.22 外调制外调制YAG光发射机方框图光发射机方框图 (3)外调制掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)固体激光器光发射机，如图6.22所示2.光接收机光接收机 对对VSB-AM光接收机的基本要求是：光接收机的基本要求是：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；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图图6.23 VSB-AM光接收机的构成光接收机的构成 VSB-AM光光接接收收机机的的构构成成如图6.23所示。
PIN-PD把光信号转换为电流，前置放大器大多采用能把信号电流变换为电压的跨阻抗型放大器，主放大器设有自动增益控制(AGC)。