模擬光纖通信系統(tǒng)【運(yùn)用學(xué)習(xí)】

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1、 第六章 模擬光纖通信系統(tǒng) （4學(xué)時(shí)） 一、教學(xué)目的及要求： 使學(xué)生熟悉模擬光纖通信系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)要求他們掌握模擬光纖通信的系統(tǒng)調(diào)制方式、模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)和副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)： 本章重點(diǎn)： 調(diào)制方式、模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)、副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)。 本章難點(diǎn)：調(diào)制方式 三、教學(xué)手段： 板書與多媒體課件演示相結(jié)合 四、教學(xué)方法： 課堂講解、提問 五、作業(yè)： 課外作業(yè)： 6-1 6-2 6-4 6-5 六、參考資料： 《光纖通信》劉增基 第六章。 《光纖通信》楊祥林 第八章 第九章 七、教學(xué)內(nèi)

2、容與教學(xué)設(shè)計(jì)： 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)設(shè)計(jì) 備注 【導(dǎo)入】（2分鐘） 回顧上節(jié)課的主要內(nèi)容，借以引出這節(jié)課的主要內(nèi)容。 導(dǎo)入 [提問]提問引出本章的教學(xué)內(nèi)容。 2分鐘 【講授新課】（96分鐘） 第六章 模擬光纖通信系統(tǒng) 6.1調(diào)制方式 6.1.1模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制(DIM)是用承載信息的模擬基帶信號(hào)，直接對(duì)發(fā)射機(jī)光源(LED或LD)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，使光源輸出光功率隨時(shí)間變化的波形和輸入模擬基帶信號(hào)的波形成比例。 6.1.2模擬間接光強(qiáng)調(diào)制 模擬間接光強(qiáng)調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)進(jìn)行電的預(yù)調(diào)制，然后用這個(gè)預(yù)

3、調(diào)制的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制(IM)。 預(yù)調(diào)制又有多種方式，主要有以下三種。 1. 頻率調(diào)制(FM) 頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)正弦載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅的頻率受調(diào)的正弦信號(hào)，其頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)正弦調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制， 形成FMIM光纖傳輸系統(tǒng)。 2. 脈沖頻率調(diào)制(PFM) 脈沖頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)脈沖載波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、等寬的頻率受調(diào)的脈沖信號(hào)，其脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的瞬時(shí)值而變化。然后用這個(gè)脈沖調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成PFMIM光纖傳輸系統(tǒng)。

4、 3. 方波頻率調(diào)制(SWFM) 方波頻率調(diào)制方式是先用承載信息的模擬基帶信號(hào)對(duì)方波進(jìn)行調(diào)頻，產(chǎn)生等幅、不等寬的方波脈沖調(diào)頻信號(hào)，其方波脈沖頻率隨輸入的模擬基帶信號(hào)的幅度而變化。然后用這個(gè)方波脈沖調(diào)頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，形成SWFMIM光纖傳輸系統(tǒng)。 采用模擬間接光強(qiáng)調(diào)制的目的是提高傳輸質(zhì)量和增加傳輸距離。實(shí)現(xiàn)一根光纖傳輸多路電視有多種方法，目前現(xiàn)實(shí)的方法是先對(duì)電信號(hào)復(fù)用，再對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。對(duì)電信號(hào)的復(fù)用可以是頻分復(fù)用(FDM)，也可以是時(shí)分復(fù)用(TDM)。 6.1.3頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制 頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制方式是用每路模擬電視基帶信號(hào)，分別對(duì)某個(gè)

5、指定的射頻(RF)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅(AM)或調(diào)頻(FM)， 然后用組合器把多個(gè)預(yù)調(diào)RF信號(hào)組合成多路寬帶信號(hào)，再用這種多路寬帶信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制。 把受模擬基帶信號(hào)預(yù)調(diào)制的RF電載波稱為副載波，這種復(fù)用方式也稱為副載波復(fù)用(SCM)。SCM模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： (1) 一個(gè)光載波可以傳輸多個(gè)副載波，各個(gè)副載波可以承載不同類型的業(yè)務(wù) (2) SCM系統(tǒng)靈敏度較高，又無(wú)需復(fù)雜的定時(shí)技術(shù) (3) 不僅可以滿足目前社會(huì)對(duì)電視頻道日益增多的要求，而且便于在光纖與同軸電纜混合的有線電視系統(tǒng)(HFC)中采用 6.2 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng) 模擬基帶直接光強(qiáng)

6、調(diào)制(DIM)光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)(光源通常為發(fā)光二極管)、光纖線路和光接收機(jī)(光檢測(cè)器)組成。 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)方框圖 6.2.1特性參數(shù) 評(píng)價(jià)模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量的最重要的特性參數(shù)是信噪比(SNR)和信號(hào)失真(信號(hào)畸變)。 1. 信噪比 系統(tǒng)的信噪比定義為接收信號(hào)功率和噪聲功率(NP)的比值。 式中，〈i2s〉和〈i2n〉分別為均方信號(hào)電流和均方噪聲電流， RL為光檢測(cè)器負(fù)載電阻。信噪比一般用dB作單位。 和SNR關(guān)系密切的一個(gè)參數(shù)是接收靈敏度。和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)相似，在模擬光纖通信系統(tǒng)中，我們把接收靈敏度

7、Pr定義為：在限定信噪比條件下，光接收機(jī)所需的最小信號(hào)光功率Ps, min，并以dBm為單位。 假設(shè)系統(tǒng)除量子噪聲外，沒有其他噪聲存在，在這種情況下，靈敏度由平均信號(hào)電流決定，這樣確定的靈敏度稱為(最高)極限靈敏度。 2. 信號(hào)失真 一般說(shuō)，實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光源， 由于在大信號(hào)條件下工作，線性較差，所以發(fā)射機(jī)光源的輸出功率特性是DIM系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的主要原因。 非線性失真一般可以用幅度失真參數(shù)——微分增益(DG)和相位失真參數(shù)——微分相位(DP)表示，其定義為 雖然LED的線性比LD好，但仍然不能滿足高質(zhì)量電視傳輸?shù)囊蟆? 模擬信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)

8、制光纖傳輸系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償有許多方式，目前一般都采用預(yù)失真補(bǔ)償方式。預(yù)失真補(bǔ)償方式是在系統(tǒng)中加入預(yù)先設(shè)計(jì)的、與LED非線性特性相反的非線性失真電路。 這種補(bǔ)償方式不僅能獲得對(duì)LED的補(bǔ)償，而且能同時(shí)對(duì)系統(tǒng)其他元件的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。由于這種方式是對(duì)系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償，把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光發(fā)射機(jī)，給實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整帶來(lái)一定困難，而把預(yù)失真補(bǔ)償電路置于光接收機(jī)，則便于實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。 在模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)中，最廣泛使用的電路是微分相位四點(diǎn)補(bǔ)償電路。這種電路的相位補(bǔ)償是利用集電極和發(fā)射極輸出的信號(hào)相位差180°的原理構(gòu)成的全通相移網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 微分相位補(bǔ)償電路 6.2.2光端機(jī)

9、 光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。 1. 光發(fā)射機(jī) 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的功能是，把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。對(duì)這種光發(fā)射機(jī)的基本要求是： (1) 發(fā)射(入纖)光功率要大，以利于增加傳輸距離。 (2) 非線性失真要小，以利于減小微分相位(DP)和微分增益(DG)，或增大調(diào)制指數(shù)m(mTV)。 (3) 調(diào)制指數(shù)m(mTV)要適當(dāng)大。 (4) 光功率溫度穩(wěn)定性要好。 模擬基帶DIM光纖電視傳輸系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)方框圖如圖 光發(fā)射機(jī)方框圖 2. 光接收機(jī) 光接收機(jī)的功能是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 對(duì)光接收機(jī)的基本要求是：

10、 (1) 信噪比(SNR)要高； (2) 幅頻特性要好； (3) 帶寬要寬。 光接收機(jī)方框圖 6.2.3系統(tǒng)性能 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)方框圖如圖6.9所示。在發(fā)射端，模擬基帶電視信號(hào)和調(diào)頻(FM)伴音信號(hào)分別輸入LED驅(qū)動(dòng)器，在接收端進(jìn)行分離。改進(jìn)DP和DG的預(yù)失真電路置于接收端。 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)值光前點(diǎn)時(shí)傳輸系統(tǒng)方框圖 主要技術(shù)參數(shù)舉例如下。 1. 系統(tǒng)參數(shù) (1) 視頻部分： 帶寬0～6 MHz SNR≥50 dB(未加校) DG4% 發(fā)射光功率≥15 dBm(

11、32 μW) 接收靈敏度≤30 dBm  (2) 伴音部分： 帶寬0.04～15 kHz 輸入輸出電平0 dBr SNR55 dB(加校) 畸變2% 伴音調(diào)頻副載頻8 MHz 2. 光纖損耗對(duì)傳輸距離的限制 模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖電視傳輸系統(tǒng)的傳輸距離大多受光纖損耗的限制，根據(jù)發(fā)射光功率、接收靈敏度和光纖線路損耗可以計(jì)算傳輸距離L。 3. 系統(tǒng)對(duì)光纖帶寬的要求 在短波長(zhǎng)使用LED光源的情況下， 光纖線路總帶寬應(yīng)為 B=(B2m+B2c)1/2 在實(shí)際工程中是否采用短波長(zhǎng)LED和多模SI光纖，要根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益(系統(tǒng)

12、成本和維修費(fèi)用)來(lái)決定。 講解 [板書] [板書] [板書] [多媒體課件] 96分鐘 6.3 副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng) 模擬基帶電視信號(hào)對(duì)射頻的預(yù)調(diào)制，通常用殘留邊帶調(diào)幅(VSBAM)和調(diào)頻(FM)兩種方式，各有不同的適用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)。 副載波復(fù)用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖為： 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖 6.3.1特性參數(shù) 對(duì)于副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)， 評(píng)價(jià)其傳輸質(zhì)量的特性參數(shù)主要是載噪比(CNR)和信號(hào)失真。 1. 載噪比 載噪比CNR的定義是，把滿負(fù)載、無(wú)調(diào)

13、制的等幅載波置于傳輸系統(tǒng)，在規(guī)定的帶寬內(nèi)特定頻道的載波功率(C)和噪聲功率(NP)的比值，并以dB為單位，用公式表示為 式中, 〈i2c〉為均方載波電流，〈i2n〉為均方噪聲電流。 每個(gè)信道的載噪比 由此可見，載噪比CNR隨著調(diào)制指數(shù)m和平均接收光功率P0的增加而增加，隨三項(xiàng)噪聲的增加而減小。 不論采用什么預(yù)調(diào)制方式，計(jì)算CNR的公式都相同， 只是公式中具體參數(shù)不同而已，既適用于VSBAM, 也適合于FM。但是為獲得相同SNR，不同預(yù)調(diào)制方式所需的CNR都是不同的。為在接收機(jī)解調(diào)后獲得相同SNR， 兩種預(yù)調(diào)制方式所需的CNR比值為

14、 式中, Ｆd為由圖像信號(hào)產(chǎn)生的頻偏峰 - 峰值，Bb為基帶信號(hào)帶寬，Bf為FM信號(hào)帶寬。 就載噪比而言，預(yù)調(diào)制方式FM優(yōu)于VSBAM。但是和VSBAM方式相比，F(xiàn)M方式存在一個(gè)本質(zhì)性問題， 就是它占用的帶寬較寬， 約為VSBAM方式的6倍。所以要根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，選擇不同預(yù)調(diào)制方式。 2. 信號(hào)失真 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)失真的原因很多，但主要原因是作為載波信號(hào)源的半導(dǎo)體激光器在電/光轉(zhuǎn)換時(shí)的非線性效應(yīng)。由于到達(dá)光檢測(cè)器的信號(hào)非常微弱， 在光/電轉(zhuǎn)換時(shí)可能產(chǎn)生的信號(hào)失真可以忽略。只要光纖帶寬足夠?qū)?，傳輸過程可能產(chǎn)生的信號(hào)失真也可以忽略。

15、 副載波復(fù)用模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)的信號(hào)失真用組合二階互調(diào)(CSO)失真和組合三階差拍(CTB)失真這兩個(gè)參數(shù)表示。兩個(gè)頻率的信號(hào)相互組合，產(chǎn)生和頻(ωi+ωj)和差頻(ωiωj)信號(hào)，如果新頻率落在其他載波的視頻頻帶內(nèi)， 視頻信號(hào)就要產(chǎn)生失真。 這種非線性效應(yīng)會(huì)發(fā)生在所有RF電路，包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。 在給定的頻道上，所有可能的雙頻組合的總和稱為組合二階(CSO)互調(diào)失真。通常用這個(gè)總和與載波的比值表示，并以dB為單位，記為dBc。 組合三階差拍(CTB)失真是三個(gè)頻率(ωi±ωj±ωk)的非線性組合，其定義和表示方法與CSO相似，單位相同。 CSO和CTB將以噪聲形式對(duì)圖像產(chǎn)生

16、干擾， 為減小這種干擾，可以采用如下方法。 (1) 采用合理的頻道頻率配置，以減小C2i和C3i，改善CSO和CTB。 (2) 限制調(diào)制指數(shù)m， 以保證CSO和CTB符合規(guī)定的指標(biāo)。  (3) 采用外調(diào)制技術(shù)，把光載波的產(chǎn)生和調(diào)制分開。 6.3.2光端機(jī) 1. 光發(fā)射機(jī) 對(duì)殘留邊帶—調(diào)幅光發(fā)射機(jī)的基本要求是： (1) 輸出光功率要足夠大， 輸出光功率特性(P[CD*2]I)線性要好； (2) 調(diào)制頻率要足夠高， 調(diào)制特性要平坦； (3) 輸出光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗窗口， 譜線寬度要窄； (4) 溫度穩(wěn)定性要好。 VSBAM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成示于下圖。輸

17、入到光發(fā)射機(jī)的電信號(hào)經(jīng)前饋放大器放大后，受到電平監(jiān)控，以電流的形式驅(qū)動(dòng)激光器。 LD輸出特性要求是線性的，但在實(shí)際電/光轉(zhuǎn)換過程中，微小的非線性效應(yīng)是不可避免的， 而且要影響系統(tǒng)的性能。所以優(yōu)質(zhì)的光發(fā)射機(jī)都要進(jìn)行預(yù)失真控制。 VSBAM光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成 外調(diào)制1550 nm DFB光發(fā)射機(jī)結(jié)合了直接調(diào)制1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)和外調(diào)制YAG光發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。這種光發(fā)射機(jī)采用DFBLD作光源， 用電流直接驅(qū)動(dòng)，因而與1310 nm DFB光發(fā)射機(jī)同樣具有小型、 輕便等優(yōu)點(diǎn)。 外調(diào)制1550 nm DFB光發(fā)射機(jī)和EDFA結(jié)合，在兩個(gè)重要場(chǎng)合特別適用。主要應(yīng)用是取代微波和強(qiáng)

18、化前端(Headend)所要求的超長(zhǎng)傳輸距離。但這時(shí)必須采用復(fù)雜的抑制受激布里淵散射(SBS)才能發(fā)揮作用。SBS是一種依賴光功率的非線性效應(yīng)， 這種效應(yīng)隨光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而明顯增加，所以必須進(jìn)行補(bǔ)償。 另一個(gè)重要應(yīng)用是在密集結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)上，這種結(jié)構(gòu)需要高功率以分配給多個(gè)光分路。 在這種場(chǎng)合就不存在SBS的限制了。 2. 光接收機(jī) 對(duì)VSBAM光接收機(jī)的基本要求是： (1) 在一定輸入功率條件下，有足夠大的RF輸出和盡可能小的噪聲，以獲得大CNR或SNR； (2) 要有足夠大的工作帶寬和頻帶平坦度，因而要采用高截止頻率的光檢測(cè)器和寬帶放大器。 VSBAM光接收機(jī)的構(gòu)成

19、 6.3.3光鏈路性能 由光發(fā)射機(jī)、 光纖線路和光接收機(jī)構(gòu)成的基本光纖通信系統(tǒng)，作為一個(gè)獨(dú)立的“光信道”，在工程上一般稱為光鏈路。 光鏈路性能通常用在規(guī)定CSO和CTB的條件下，載噪比CNR與光鏈路損耗αL的關(guān)系表示，αL=PtP0, α和L分別為光鏈路的平均損耗系數(shù)和傳輸長(zhǎng)度，Pt和P0分別為平均發(fā)射光功率和平均接收光功率。 外調(diào)制YAG光鏈路性能 光發(fā)射機(jī)RF輸入電平為18～33 dBmv,工作帶寬為45～750 MHz, 發(fā)射光功率為13 dBm， 調(diào)制指數(shù)為2.5%，光波長(zhǎng)為1310 nm。 當(dāng)光鏈路損耗為10 dB(相當(dāng)于接收光功率3 dBm)

20、時(shí)，CNR=53 dB，并隨光鏈路損耗的增加而減小。 如果增加調(diào)制指數(shù)，使CNR改善2 dB, CTB將從65 dBc劣化為60.3 dBc。 講解 [板書] [板書] [板書] [多媒體課件] 100 分鐘 【結(jié)束語(yǔ)】（2分鐘） 展示并簡(jiǎn)單介紹本課程各章節(jié)的名稱和主要內(nèi)容。 布置作業(yè)。 小結(jié) [幻燈片] 展示本課程各章節(jié)名稱。讓學(xué)生了解本課程內(nèi)容框架，做到心里有數(shù)。 [作業(yè)]布置課外作業(yè)，下次上課交。 2分鐘 八、課后小結(jié)： 教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)課堂上演示的具體例子很感興趣，參與意愿、投入程度明顯較高。作為專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)避免流于泛泛的理論陳述和空洞的說(shuō)教，而應(yīng)該用具體的例子來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)他們進(jìn)行自行探究。 14 技術(shù)l類別