（通信与信息系统专业论文）pfm光发射机的设计.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 f 零文磁窕tp f m 走发瓣糠魏莰诗闲麓。文串麓述了其王律纛遴，详细奔 绍了设计方法，给出了具有实际应用价德的设计电路，并用调试缩果验证了 其设计的合理性和可行性。 。本文的研究工作有以下几个方面： 设诗p f m 免发射瓤懿俺辕系统结稳。p f m 蠢发掰税传簸7 籍音频、 一路视频以及一路数据信号，三路信号备自先进行预处理后再频分复用，p f m 调制，驱动光源，转换成光脉冲，馈入光纤进行传输。 分析了p f m 毙发辩穰审静关键器俸一毙源，这黧着重研究了激光器，对 其性能、工作原理作了分析，以及外围的两种主要控制电路作了分析，在考 虑光纤传输系统对光源的要求前提下，念理选择光源器件进行设计，以达到 簸德效栗。 分析了p f m 光发射机设计中的一项关键技术，即脉冲频率调制。脉冲频 率调制又包括了两种方式，即等宽p f mj 和s w f m 。对比研究了剃用这两种 方戏进行信号健输懿餐缺熹，势在宅鼹设诗孛选释s w f m 方式终梵党发射橇 的调制方式，采用目前大多敷设计者使用的m c l 6 5 8 来完成s w f m 调制，而 等宽p f m 方式作为接收机的解调方式。 分提了p f m 先发射辊设计孛静舅羚鹾项关键技术，帮频移键控茅鼙频分复 用a 频移键控用于音频和数据信号的调制，三路信号的混合采用了频分复用 技术。 ， f 在会理静藤理结构基磷惫，设计t 毫路圈，势麓律成实物，经过长期懿 调试j 得到了预期的结果。激用p f m 调制，频谱将会畿宽，传输的信息依赖 于脉冲沿的准确位置，并以此可以换取传输质量的提离和信噪比的改善。 l 关键诿：瓤狰频率调制、激光器、频移键控、频分复用 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ed e s i g no ft h ep f mo p t i c t r a n s m i t t e ri s d e v e l o p e d i t i n c l u d e sd i s c u s s i n gt h ep f m o p t i ct r a n s m i t t e r st h e o r y ，i n t r o d u c i n gt h ew a yo f d e s i g n i n d e t a i l ，s h o w i n g t h ec i r c u i tw i t h p r a c t i c a l w o r t ha n d p r o v i n g i t s r a t i o n a l i t ya n dw o r k a b i l i t yb yt h ed e b u gr e s u l t s t h ew o r ki nt h i st h e s i si n c l u d e s s e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s t h es t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m1 nt h ep f mo p t i ct r a n s m i t t e rl s d e s i g n e d t h et r a n s m i t t e rt r a n s f e r st h r e e l i n e so fs i g n a l i n c l u d i n go n el i n e o f a u d i os i g n a l ，o n el i n eo fv i d e os i g n a la n do n el i n eo fd a t as i g n a lw h i c ha r e p r e t r e a t e ds i n g l y a t f i r s t ，t h e np r o c e s s e db yt h ew a yo ft h ef d m ，t h ep f m m o d u l a t i o n ，t h ed r i v i n gl a s e rs o u r c ea n df i n a l l yt r a n s f o r m e dt h el i g h tp u l s ea n d f e e d e di nt h ef i b e rt ob et r a n s m i t t e d t h el a s e rs o u r c ea st h ek e y p a r ti nt h ep f mo p t i ct r a n s m i t t e ri sa n a l y z e d w e p u ta t t e n t i o nt ot h el a s e rh e r e t h ep e r f o r m a n c ea n dt h et h e o r yo f t h el a s e ra r e s h o w e d a tt h es a m et i m et h et w ok i n d so ft h em a i np e r i p h e r a lc i r c u i t sa r e d i s c u s s e d i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to ft h ef i b e rt r a n s m i s s i o n s y s t e mf o rt h el i g h ts o u r c e ，w ec h o o s er a t i o n a l l yt h el i g h ts o u r c ee q u i p m e n t ss o a st og a i nt h eb e s te f f e c t t h ep f ma st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ep f m o p t i ct r a n s m i t t e ri sd i s c u s s e d t h ep f m t e c h n o l o g yi n c l u d e st w ok i n d sm o d e s ：c o n s t a n tw i d t hp f m a n ds w f m t h es w f mm o d ei s a d o p t e da st h em o d u l a t i o no ft h eo p t i ct r a n s m i t t e ri nt h e c i r c u i t sd e s i g nb yr e s e a r c h i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw h e nt h et w o w a y s a r eu s e dt ot r a n s m i tt h es i g n a l s t h em c i6 5 8w h i c hi sa d o p t e db yt h em o s t d e s i g n e r si s u s e dt oa c c o m p l i s ht h es w f mm o d u l a t i o nh e r e b u tt h ec o n s t a n t w i d t hp f m t e c h n o l o g y i sa p p l i e di nt h er e c e i v e r t h eo t h e rt w o i m p o r t a n tt e c h n o l o g y ，n a m e l y t h ef s ka n df d ma r e p r e s e n t e d t h ef s ki s u s e di nt h em o d u l a t i o nf o ra u d i os i g n a l sa n dt h ed a t a s i g n a l s a n dt h ef d m i su s e dt om e r g et h r e el i n e ss i g n a l s t h ec i r c u i t sa r ed e s i g n e da n dm a d ei n t o p r a c t i c a l i t y o nt h eb a s i so ft h e r a t i o n a ls t r u c t u r e i na d d i t i o n ，t h ee x p e c t a n tr e s u l t sa r eg a i n e db yt h el o n gt i m e l l 电子科技大学硕士论文 d e b u g t h ep f m m o d u l a t i o nm a k e st h ef r e q u e n c ys p e c t r u mb r o a d e n e da n dt h e t r a n s m i t t e dm e s s a g e sd e p e n do nt h ee x a c tp o s i t i o no ft h ep u l s ee d g e s ot h e q u a l i t yo f t h et r a n s m i s s i o nw i l lb ea d v a n c e da n dt h es i g n a la n dn o i s er a t i ow i l lb e i m p r o v e d k e y w o r d ：p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，l a s e r ，f s k ，f d m l i i 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：至耸 日期：伽多年牛月灯日 关于论文使用授权的说咐、 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：乏绺 导师签名： 日期：莎唧年p 月；。日 电警辩拄丈学硬士论文 第一章概述 1 ，1光纤通信系统中的光发射机 1 1 1 光缚通信系统 随着邋信业的飞速发展，光纤大显身手，成为现代通信网的最佳媒质。 必野是超筑瓣荟荚玻璃终维，嗣窀懿缳护滢一戴方哭鸯禳头发丝那么维， 虽然如此之细，但它的柔韧性很好，可以弯曲，甚至打结；而胤衰减小，性 戆稳定，强度大，霞瑟被广泛应穗。 ； 鼗蔻传输媒震懿先纤逶傣箍是驻凌戎 物理学中的激光技术、半导体技术、光举元器件等为基础，结合其它众多学 群形成酶一释薪黧瓣逶僖方式。京耩丽巍渡来载送信怠，实现遽信。 1 。光纤通信的优点 与电缆通信等其它通信方式相比，光纤通信有着无可比拟的优越性。 蠢纾靛使嗣霹戳大穴扩展遴信静容量。戮为免纾遥信是叛激光捧为运 载信息的工具，激光是波长较短的可见光波，它的波长只有无线电波中波长 最箍豹徽波豹+ 万分之一。两波长越短，可丽辩传输静信怠容爨藏越大。如 果条微波线路能通十万路电话，激光则可同时传输一两亿路电话。 损耗低。实用的光鲜均为s i 0 2 ( 石英) 系光纤，疆减小损耗，奎要靠 提离玻璃终维豹纯度。基翡剁戏豹s i o ：缝净度极高，缀耗掇低，在必波长 l = i 5 5 m m 附近，袭减有最低点，w 低至0 3 d b k m ，接避理论极限值。嗣时， 由予损耗低，中继距离可以缀长，在逶接线路中搿减少巾继蜒数量，黪低成 本鼠提高了通信质爨。 毙纤遂售舔密毪磐。它蒋输鲍信惑密闭在兜纤中，不像纛线逶倍耱毫 缆通信那样，将携带信息的电磁波散布沓空间，因而想截获和窃听是很不容 易蠡孽。 光纤通信抗予扰性缀强。光纤为非窳属介鹱豺料，不受奄缀千执。 线裰细，重盘轻。光纤直径只有0 1 m m 左右，制成光缆尉直径较细， 重爨轻，敷设线缆瓣，空滔爨弼搴篱。 另外，制造光纤的原材料一一石英来源丰富，随处可取；光纤良好的柔 电子科技大学硕士论文 韧性也为线路旌工提供了方便。这许多的优势，使得光纤通信成为通信史上 发展最快的一门通信技术。 2 光纤通信系统 光纤通信系统的原理方框图如图1 一l 所示。主要由光发射机和光接收机 ( 通称光端机) 、光中继器、光缆线路、光路无源器件等组成。光通信端机内 含有激光器和光检测器，即所谓光电子器件。 图1 1 光纤通信系统原理框图 其中，电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模数变换， 多路复用等处理。它是常规的通信设备。光端机的发送端内有光源，如激光 器，把电信号变成光信号，输入于光纤传输至远方。光端机的接收端内有光 检测器，如光电二极管，把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、 再生恢复原形后，输入电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统，需妻 有中继器，其作用是把经过长距离光纤的衰减和畸变后的微弱光信号，放大、 整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。 光纤通信系统中的光端机采用光一电一光变换，并非多余，因此经过光 一电一光变换后，可以采用光纤而不用电缆，因为光纤的容量和传输距离均 比电缆大得多，所以可以得到很大的经济效益。 光纤通信的调制信号的处理，有模拟和数字两种方式。由于光电变换器 件，如激光器或发光二极管，它们的线性度不很理想，还不能采用像电气中 的载波模拟调制进行多路复用，而只能适用于线性度要求不很高的电视信号 的多路复用，特别是采用所谓光付载波调制技术，比较有效。正由于激光器、 发光二极管的非线性较严重，所以现在的光纤通信系统绝大多数是采用数字 电子科技大学硕士论文 调制来实现多路复用。特别近代程控交换机，数据传输以及电子计算机的发 展和普遍采用，光纤通信系统采用数字制式是适宜的。 3 光纤通信应用现状和发展前景 光纤通信系统从7 0 年代中期诞生至今不到3 0 年的时间内迅速发展壮大， 当今世界，光纤通信已成为通信的主要手段，在整个通信网占主要地位。全 世界光纤用量近2 0 0 0 万k m ，并且大约有6 0 n8 0 的通信业务经光纤传输。 在北美，信息量的s o n 上是通过光纤网来传输的，在我国光纤通信也得到 广泛的应用，至今全国已敷设一百多万公里光缆。全国通信网的传输光纤化 比例已高达8 2 ，并且我国现在已有一定规模的光纤通信产业，能生产光纤、 光缆，光电器件、光端机和仪表，比较完整，而光纤通信技术的应用基本达 到国际同期水平，自主开发的光纤通信产品也比较接近国际同类产品水平， 但实验室的研究水平还有一定的差距。 器件是光通信设备和系统的基础，目前国内自行开发的光通信设备中， 已采用了最先进的光器件和光电器件。 光纤通信技术在中国的应用面是广泛的，除了在电信网中的应用外，光 纤通信技术还成功地应用于c a t v 、移动通信的光纤直放站、计算机网络的 光纤联网、光纤图像监控系统等方面。微电子技术、光电子技术和计算机技 术的飞速发展，为光通信技术的发展创造了非常好的条件，使得光通信也得 以快速的发展。我国的光通信技术不仅在国内可以满足网络建设的需求，还 将在国际网络中发挥重大的作用。总的来说，光通信在高速、大容量方面和 宽带、综合、低成本接入方面都在迅速发展。 但目前光纤通信的整体水平仍处于初级阶段，光纤通信的巨大潜力还没 有完全开发出来。i n t e r n e t 应用的飞速增长对电信骨干网带宽提出了越来越高 的需求，为满足需求的增长，人们可以铺设更多的光纤，或靠提高单路光的 信息运载量，用户除了打电话，还需要传送数据、看电视、网上办公、网上 教育等多媒体功能，对通信速度和容量的要求也相应增加，例如2 0 0 0 路电话 才相当于一路电视。因此，大力开发光纤通信的容量是世界必然的趋势。理 论上，光纤通信的容量可达几亿路电话。光纤通信必将引起一场通信技术的 革命。 目前，我们已经拥有发展光通讯必备的器件和光纤。下一步器件发展的 电子科技丈学殒壬论文 憝势是集成化、微机器趋势，凝材料、离分子光学材料趋势，纳米技术产业 化趋势。 集残亿趋势。琏着毙子集残、蠢瞧子集戏技术豹发震，嚣搏与系统之霜 的界限正在模糊化，将火量的光子器件、光电予器件和电子器件集成征一个 缀，l 、鲍芯片主，旗至将鞠当复杂鹣含有这些器律瓣逶傣、藩纛系统集成在一 个很小的芯片上，已逐渐成为可能。有种叫微电机( m e m s ) ，其英文全称 怒m i c r o e l e c t r o ，m e c h a n i c a ls y s t e m s ，嫠含义麓指霹鬣羹锈豫豹，集微羹瓶 构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和 毫源等予一体虢徽蘩器件或系绕。m e m s 是隧着擎导体集成壤潞徽缅加工技 术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。它可以做到瓷米、微米数量 级。一个弱达也w 馘骰到微米数繁级。这释微机器对免交换穰有稍，相港于兔 开关。 新材料、高分子光学材料越来越受邋视的趋势。塑料光纤程成本等方面， 要魄瑗在黪玻璃瓷绥经济。虽然塑料光终戆砖羧题离没有玻璃兜纾远，毽我 们可以用在城市熙面，用在家庭里面等传输距离不太邋的地方。另外用高分 子塑鹣还褥以皴姨终露缀太麓毙舞关。最近，戎转大学疆究凄了一转蠢极玻 璃新材料，能导电，通电之后就能发光。即使把佑做成一点点也能发出光来。 褒程这秘鸯瓿发炎蓬准餐疆剖或等氍嚣羧，鸯传统熬液鑫瑟援穗毙，窀憝发 光，清晰易看，寿命很长，而且省电，檄具市场前景。但现在技术不很成熟， 褥它骰戒繇板，瓣蓠还糕糙了些。箍着不瑟瓣完善，霹淡焉在诗算穰之串。 1 1 2p f m 光发射机的研究现状 光纤通信系统中一个主要的构成部分就是光端机，而光端机又包括了光 发辫瓤农毙揍羧皴。零文圭要涉获豹是辫毙发懿援豹设计，嚣瓣子蠢搂| | 芟辊 只是作了简略的介绍。 光发射视是辩成对彀信号的处理，键括了对电信号的放大、调翎、整形、 再调制，最后电光转换，以送入光纤中进行长躐离传输。其中电信号对光的 调制中最常用静调制方式是直接强度调制，它使发光器件的光强直接随着要 传输的信母变化。这是种最简单的调制方法，设备简单，需凝传输带宽最 小，对光源的调制带宽和光纤的色散特憔要求鼹低。它的不足之处是需要高 度线牲的发光器佟，因此，难以应用激党器进盼直接强度调制，敛传簸距毫 4 电予辩援大学硕士论文 比较近。 医就必7 改善瞧辘，藏采雳了男努一耪诿裁方式，鞭歇净频率浞铡 ( p f m ) ，脉冲频率调制是以脉冲状态工作的，京适合于串长距离的光纤系统 信号传输，可不考虑光源的非线性，方便地使用激光器。 p f m 调懿纛勰调籁魄较方霞，因露在p f m 谰裁孛，戆豢传递熬倍感罄 寄载在脉冲频率上，使系统的抗干扰能力高于幅度调制方式，它的脉冲幅度 和脉冲宽度是恒定不变的，提高了发射机功率和传递信息的能力利用率。因 此p f m 必端掇广泛应矮予光纾有线魄援霹的会煲系统，有线套、无线台之阕 的信号传输系统以及公菸安全、生产、交通等电褫监控系统。 1 2 光发射机中的p f m 技术 1 + 2 1 光辫传输系统调制方式分类 模拟信号光纤传输系统有多种调制方式： 厂连续波调制一 ll 幅载漩调刽( f m i m ) l l厂脉冲编码调制伊c m j m l 踩冲谴测厂堰发调期( p a m 1 8 ) | l 模拟脉冲调制 宽魔调制( p w m 。l m ) l ( p p m - l m ) 圈1 2 模拟信母光纤传输调制方式分 蓦带倍号静直接强度调翻是镬发港器 孛懿必强直接谴黄赣信号交纯，薅 发光器件的线性度和温殿性较差，因此测量准确1 生有问题，脉冲编码调制设 备复杂，传输码速低。 模藏躲 串调割帮耩载波调频鸷珂强避宠源的非线毪韶澄痰稳定性阍题。 电子科技大学硕士论文 由于不必编码、解码，调制与解调很方便，适于中短距离传输。模拟脉冲调 制的信噪比优于幅载波调频，这在几百米至几千米的中距离传输中表现更明 显。模拟脉冲调制中，脉冲幅度调制在光纤传输中很少用，脉冲频率调制比 脉冲宽度调制系统性能好，设备简单，传输距离远，信噪比小。 1 2 2 脉冲频率调制( p u i s ef r e q u e n c ym o d u ia t j o n ，p f m ) 本文将详细讨论这种脉冲频率调制，它是一种较好的调制方法，p f m 是 使脉冲的重复频率随着信号而变化，脉冲的幅度不变。于是我们将脉冲频率 调制作为信号光强度调制前的一种预处理过程，信号经过脉冲频率调制后， 频谱将会变宽，因为这时候传输的信息依赖于脉冲沿的准确位置，并以此可 以换取传输质量的提高和信噪比的改善，而因p f m 处理而带来的传输带宽的 增加，对于带宽极宽的光纤来说并不存在什么问题，而且由于光源的非线性 的对系统的影响不大，故光调制深度可以增加。另外，脉冲频率调制可以采 用所谓2 r ( r e s h a p i n gr e g e n e r a t i n g ) 中继方式，即在中继器中只需将传输脉 冲经过整形和再生便可继续传输，而不需要中心进行解调和调制等过程，这 样有利于中继器设备的简化。而且利用p f m 传输距离可达l o o k m 以上，对光 电器件线性无特殊要求，且系统动态范围大，正是由于上述原因，p f m 传输 方式在模拟光纤传输中，占着很重要的地位。 1 2 。3 p f m 技术的应用 p f m 技术应用于很多领域。 m p 3 播放机功率控制器件有两种功率工作模式：p f m 和p w m 模式。p f m 模式是低静态电流待机模式，此模式提供1 2 0 m a 总输出电流并降低静态功耗 5 0 0pw 。 p a c 模块式开关电源是近年来迅速发展起来的新型电子器件，目前广泛 应用于程控交换机和微波通信设备中。p a c 模块电源大致有两种基本工作方 式：一种是脉冲宽度调制( p w m ) 驱动开关电源，其特点是固定开关脉冲的 频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比；另一种是脉冲频率调制( p f m ) 驱 动开关电源，其特点是固定开关脉冲宽度，利用改变开关脉冲频率的方法来 调节占空比。 综上所述可以看出，p f m 技术在很多领域都得到了充分的利用，在各种 6 电子科技大学硕士论文 视频光纤传输系统中，脉冲频率调制( p f m i m ) 系统因其简便实用而倍受重 视。国内外对p f m - - i m 系统的研讨活动至今仍十分活跃。随着技术条件的 发展和将这种技术与具体的工程应用背景相结合，设计了p f m 光发射机电 路，将在以后的光通信中发挥重要作用。 1 3 本文的研究内容和章节安排 第二章介绍了p f m 光发射机的原理及组成。在该章中首先介绍了p f m 光发射机的原理，传输系统的构成，接着介绍了其中的关键器件一光源，以 及关键技术脉冲频率调制( 包括了等宽? f m 和s w f m ) ，详细分析了它们的频 谱，并就由它们各自构成的光纤传输系统的优劣进行了比较，最后就其它两 项关键技术频移键控调制和频分复用作了介绍。 第三章在第二章介绍的原理基础上，设计了了音频信号的处理电路，和 数据信号的处理电路，并就其中的关键电路部分、器件的选择作了详细的分 解和叙述。 第四章在第二章介绍的原理基础上，设计了了视频信号的处理电路，以 及三路信号经频分复用后的p f m 调制，电光转换，给出了具体的电路图，就 其中的关键电路设计、器件的选择作了详细的分解和叙述。 第五章介绍了p f m 光发射机的整个硬件制作，包括了在制作原理图，绘 制p c b 图过程中的体会，以及整个调试过程及结果。 电子科技大学硕士论文 第二章p f m 光发射机的原理及组成 2 1p f m 光发射机的原理 光发射机是将脊、视频信号和数据信母经前期处理并混合后输入到压控 振荡器( v c o ) 进纷方渡诞频，埝爨方波p f m 绩每，然瑟送入必发射搂决， 即驱动激光器，变为光信号并将已调制的光波送入光导纤维，经光导纤维送 至毙接浚掇，采曩黪兜源慧曼| 生导髂激光爨躐拳导体发光二极管，它稻共黼的 特点都是通过加正向偏置电流而使其发光的半导体二极管，所不同的是半导 傣澈先器发濑豹是激先，焉发光二投营发窦翡是荧毙。 对音、视频以及数据信号的调制是在电域内完成的。 以完成电一光转换的激光器为核心的光发射模块一般来讲主腰由输入接 口、必源、驱动电路、整控嚷路、控期毫爨等稳成，其关键部分是必源及驱 动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号( 如p c m 脉冲) 进行接形， 交抉贱逶予线姥传送熬疆型嚣逶遘凝动电路必源，或者送裂毙璃魏器调麓竞 源输出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常还需设置 一个爨魂熬激发控裁及功率控麓耄黯。， 相对的光接收模块则由光检测器、前暨放大器、主放大器、囱动增懿控 镧电路、均衡与时钟提取及粼决电路所组成。常用的光检测器主要由p i n 光 电二极管和嚣崩光电= 极管( a p d ) ，将经光野光缆传输后衰减变形得微弱光 脉冲傣号通道光一电转换成电脉冲信号，前置放大后，由削决整彩电路将其 转换e c l 电平。由予对信号进行了数字化处理，增加了系统的噪声容限，提 高了系统的技术指标。e c l 信号再缀过一系列在电城内的处理，得到音视频 及数搬输出。 谯本方案中的p f m 光发射机中，传输了一路图像、一路语音和一路数据 三穆傣号，这三释痿学是特瞧完全举露翡绥怠。图像是一耱宽带橇频信意， 占据的频谱可以是从直流到6 m h z 的频率范围；语裔是一种音频倍号，其频 谱分籀予2 0 h z 2 0 k h z 豹频率范鑫；丽数爨羹| j 是一种数字僚号，通常越二迸 制串稃方式出现，占用的频率范围视其数据速率而定，在频谱上，以其基频 及各次倍菝量离教递减分布。图2 - 1 给出了这三稀僚号的频谱分布示意图。 电子科技大学硕士论文 爿( 幅度) ( 频率) 图2 - 1图像、语音和数据原始信号频谱分布示意图 由图可见，三种信号的频谱是相互重叠的，不能直接进行混合。为了使 这三种信息能在同一个信道上传输而不发生相互干扰，那么必须在传输之前 对三种信息进行预处理。具体的做法是：分别对语音和数据信号进行频率调 制，使其频谱搬移至图像信号频谱的高端，从而使三者的频谱彼此分开、互 不混叠，如图2 2 所示。这里，语音信号和数据信号采用了移频键控调制方 式( f s k ) 。经过上述处理后的图像、语音和数据信号再通过频分复用，就可 以合成为复合基带信号。 a ( 幅度) 厂( 频率) 图2 - 2 处理后的图像、语音和数据信号频谱分布示意图 为了使混合的信号能够进行无线传输，还需要对基带信号再进行一次射 频调制。这里选用了脉冲频率调制方式( p f m ) ，其特点是信号失真小、抗干 扰能力强、所需发射功率小、以及接收灵敏度高等，以利于提高传输质量、 扩大通信范围。 p f m 光发射机原理框图如图2 3 所示。 9 电子科技大学硕士论文 语音信号 1i 混 l一 - 频 分 口 复 图像信号 l 一 用 苎查：兰兰l 一 图2 - 3p f m 光发射机原理框图 2 2p f m 光发射机组成中的光源 在p f m 光发射机中，是依靠光源器件一一激光器或发光二极管将电脉冲 信号变换称光脉冲信号，因此光源器件是p f m 光发射机中的核心部件。光源 器件的性能直接影响着光发射机的主要性能指标。因此性能好、寿命长、使 用方便的光源器件是保证光纤通信可靠工作的关键。 作为光源，可以采用半导体激光二极管( l d ，又称半导体激光器) 、半 导体发光二极管( l e d ) 、固体激光器和气体激光器等。单对于光纤通信工程 来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器 和半导体发光二极管。 半导体二极管l e d 是利用半导体p n 结自发发射的器件的统称，即直 接注入电流，使得半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时，发射 出光子，这就是通常所说的自发发射跃进，商品发光二极管种类很多，电信 仪表与家用产品的半导体指示灯也是半导体发光二极管。光纤通信专用半导 体发光二极管的特点是高亮度、高响应速度，其制造工艺与价格与半导体指 示灯有所不同。另外由于发光二极管发射的不是激光，所以输出功率较小， 发射角较大，与光纤的耦合效率较低。其优点是：首先是半导体发光二极管 的寿命很长，理论推算可达1 0 8 至1 0 小时；其次是受温度影响较小，输出光 功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜；最后就是驱动电路比较 简单，不存在模式噪声等问题。因此半导体发光二极管可以作为中短距离、 中小容量的光纤通信系统的光源。 0 电子科技大学硕士论文 另一种就是激光器，激光器被视为2 0 世纪的三大发明( 还有半导体和 原子能) 之一，特别是半导体激光二极管l d 倍受重视，最具有实用价值的 半导体l d 是p n 结电流注入的l d 。在经历了阀值电流、横模控制、纵模控 制和波长控制阶段之后，现在正向高速化、大功率化、二维和三维集成化方 向以及超长波长和可见光两个波段延伸。和其他激光器相比，半导体l d 因 具有体积小、重量轻、低功率( 低电压、小电流) 驱动、高效率输出、调制 方便( 可直接调制) 、寿命长和易于集成等一系列优点而得到广泛应用，主要 包括了：各种数据、图像等传输系统的发生光源；光纤c a t v 系统的光源； 掺饵光纤放大器( e d f a ) 和拉曼光纤放大器( r f a ) 的泵浦源；未来全光通 信网络诸如全光波长转换器、光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。 无论是半导体激光器( l d ) 或半导体发光二极管( l e d ) 产生的光信号， 都必须考虑如何耦合到光纤芯区的问题。光束的垂直发射角远大于水平发射 角。一般来说，将光源的不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合，需 要在光纤与光纤之间插入透镜，即所谓直接耦合。 光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面： 光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较 小。 光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在1 0 微瓦到数毫瓦之间。 光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在1 0 万小时以上才能满足光纤 通信工程的需要。 光源的输出光谱不能太宽以有利于传输高速脉冲。 光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。 电一光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。 光源应省电，光源的体积、重量不应太大。 一个性能十分完善的光发射机，一方面是需要能够适应光纤通信特点的 性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电 子线路技术进行恰到好处的控制和防范。这就是光发射模块中除了有光源驱 动器、发射光源外，还可能要有自动光功率控制( a p c ) 、自动温度控制( a t c ) 和各种保护电路。 电子科技大学硕士论盘 由予半导钵激建爨豹阂毽毫滚翻渥菠有密甥豹关系，长波长半导髂激光 器的阀值电流对环境温庶更为敏感。在偏置电流固定的情况下，温度的少许 交往裁会甓显改交输出功率。曼终随罄激毙器王终嚣阉增长熬整臻性遽纯， 阀值电流增大，输出功率就下降。因此必须考虑稳定输出光功率的措施。为 了鳞决这个弱蘧，霹淤采雳毙电受反壤系统。京半导体激免嚣豹嚣镜舔鲎敖 一个辅助的光电二极管p d ，其输出光电流经放大后又反相地加到半导体激 毙器上，把半导体激免器豹输窭麓率漂移减少至l 咒+ 分之一。 除了上述的奠动光功率稳定( a p c ) 之外，还经常采用爨动温胰稳定 ( a t c ) 措施。我们知道，半导体激光器在工作时大约脊1 0 0 m w 的嗽功率 转化为热熊，热沉豹湿度缀快就会由室瀑上丹到约5 0 c 以上。如果环壤湿度 上升，热沉的湓魔就更高了，这样一来。在电流变化很小时，输出功率却明 显骏变。爨然上述瓣a p c 系统可以大致馊光功搴辕基傺持稳定。但是激疫的 上升必然迫使注入电流增加，因而半导体激光器的工作波长和模式结构都会 发生变让。翅塞动滠度稳定豹方法，可| 三l 在攫大程度土敬善半警体激建器豹 工作，把热沉温魔的漂移减小到几十分之一，从而保证半导体激光器能够稳 定浚工终。 因此，a p c 和a t c 它们的作用就是消除温度变化和器件老化的影响，稳 定发射梳镶糍。嚣井还裔其它的些控涮电路翔：光源懂启动傈护电路、激 光器反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和激光嚣关断电路。 基于以上各方面的考虑，在本方案中选用了武汉电信器件公司的1 3 1 0 r i m 激发管l d m 3 s 5 5 9 - - 1 ，这静激光器涅魔特性好，2 5 6 5 光功率变化佬于 2 d b ，自带f c p c 单模光纤连接器，可以不加偏置电流使用，冈时具有激光 器秘发光二援饕功戆。最丈输出动率可这1 0 0 0l a 释。嚣此在这爨就没蠢递豢 要用到的控制电路，直接进行光调制，送入光纤进行传输。 2 3p f m 光发射机巾的关键技术p f i v 1 2 圭上对系统的原理俸了简略叙述，下面详细分析该系统所采用的一些关 键技术。累统中采用了脉冲频率调制( p f m ) 、频移键控调制( f s k ) 以及频 分笈用( f d m ) 等技术。 髂冲频率调割( p f m ) 转辕方式是嚣麓单鼹模攘售号怒绥转埝方式孛黄 1 2 电子科技大学硕士论文 输质量较高的方式之一。它又包括两种方式，一种是调制脉冲的重复频率随 信号幅度大小呈线性变化，而脉冲持续期( 脉宽) 则固定不变，称为等宽脉 冲频率调制方式；另一种则是脉冲占空比为1 ：1 ，而调制脉冲的重复频率仍 然与信号的幅度成比例变化，称为方波调频( s q u a r e w a v e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，s w f m ) 方式。这里首先从等宽p f m 方式说起。 2 3 1 等宽脉冲频率调制 前面已经说过，p f m 既然是一次信号调制过程，它必然改变了原有信号 的频谱，首先了解等宽p f m 脉冲序列的频谱成份，这对了解传输系统的构成 和性能是有好处的。 我们考虑单一频率的模拟信号： u i ) ( f ) = u n c o s f i t( 2 - 1 ) 带宽为b ，调制一个固定幅度的脉冲串“( f ) 。我们就能得到p f m 信号，它的 瞬时频率与调制信号成正比，而脉冲宽度不变。其中脉冲序列u ( t ) 可以表示 为： 。( f ) ：i e o ( n t 一三，n t + 三) ( 2 2 ) 【0 其它 其时域波性如图2 - 1 ： 。u t t ) 厂巾干mr 一 一； 一三 4 三7 1 图2 一lu ( t ) 时域图 其中t 为脉冲宽度；t 为脉冲载波的重复周期；。为脉冲载波的角频率 e 为脉冲幅度，展开为傅立叶级数： 电子辩技文学硕士论文 珏钠。鼍蝥 小号聪蝴壤= 等 4 ，= 亍2 圳f ；l a ：“( 缈肌新 = 孕酝帆出 ：筝繇【坐】2 。 萁串s a ( x ) = s i n x 必偶函数，蘼戳骞： = z 。 蝴= 鲁嘻焉c o 嗡， 轴。= ? 嘭 o 职= 】，2 ， ；粤孕妻乎墅胁豫z 乏t 鲁2 。 1 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 8 ) ；瓯矗+ 2 兢d ( s i n n n d n n d ) c o s n o 。t ”= l ，2 ，( 2 7 ) z l 这疆占空魄靠= f t ，那么脉冲调制信号的瞬时频率蠹： f ( t ) = 五【l + n u n ( f ) 】 = 五【l 十n _ o ( f ) 3 ，o ( 2 - 8 ) 在这里是p f m 调制v f 转换因子( 调制灵敏度) ；正是脉冲载波的频率。 将( 2 - 1 ) 式代入( 2 - 3 ) 中得剿： 弹) = 五( 1 + m c o s f 2 t )( 2 - 9 ) 1 4 耄子辩拄丈攀_ | 囊士论文 英审掰：型磐：筝为调剃度；蜕为竣大频率偏移，厶：黑。 ，2 嚣 因为 2 2 ) 式又可袭达为： 村毋，：i z e o 国+ 2 e o 竞上s 珈旦警渊棚，f ( 2 一i o ) 2 耳 露黧n 2 用2 牡f ( t ) 代替上式中，我们就能得到p f m 信号的表达式： “归鲁呲c o s + 导耋扣堂二芋螋生 z 辩耳：= ；野z c 。s l ( 糖。+ 瑚。s q f 渺 ：璺，+ t e o 勰国c o s f r + 堡争土s i n 堕竺：竺! 壁! 2 托 2 托 代智抖 2 c 。s ( 煳。h 百n m 1 ) c s i nq f ) = d e o + 抵m o o , c o s o t + 孚势巾州咖e o s q t ) n两 c o s ( h 。t + ”聊，s i nd a ) ( 2 11 ) 这篓m f = 詈= 害 是调制指数。我们祷用贝爨尔函数将上式餍开褥： ”= 搬。+ 祀。圳c 饼十孚砉言s 加，”“似+ 翻咖q ， 以( ”朋，) g o s ( o 。+ 翩v = 塌+ 援辫c o s q + 孕蠹塾e 黼，) t 兰s 越蒯+ + 渤e 。s 弦+ ( 黝。静i 1 s 幻劂十 奄 ：科技大学硕士渣文 n r d r n c o s 一( 辨。+ 女q 弦】 = 蜗+ 蜗州c o s q f + 导妻丢杰以( n m j ) s i 咖耐+ 删扔c 0 8 d t + 嚣磊拧石： ( 峨+ f 】+ 导妻当主五( ”煳，) s i n 【麟 + 村锋踟。娥，一 嚣磊稚i ： 9 ( n m 。+ k n ) t 】( 2 - 1 2 ) 将( 2 - 1 2 ) 中第三项展开，得到： 鲁砉去s m 嚷童以( 棚， ( ”冗锄) c o s 渤。+ 砌) r + f ( 】+ 鲁薹言c 。s 胛耐童薹以( 盯( 脯撕) c o s 阶。+ 椭) ，一量+ f ( 争髓) 】 fl” = 詈去s i n n 删j 女( r i m ，m ( 肌咖) c o s ( n 。+ 垃) f + z ( 罢一船) + l ”# ，女- ，- z 鲁蓦言c 。s 蒯砉塾e 暇辑t 栉翩汹融 鹰一q ) ( 2 - 1 3 ) 再粥相同盼方法展开式( 2 1 2 ) 中的第四项，得到： 导耄吉茎c 黼硝s 洒珂耐s t 船嘲c 。s q e n 晖+ i n ) 以+ c o s 群d s i n n n d m c o s d t ( 列。+ 超0 ) 醇 = 导客去蠡n 鼯嬲塾e 翮，；c 掰妇幽唔一o t ) 一。+ 勰弼+ 鲁砉吉c 。s 删喜翩c 。s 畸一”渤c 。s j 脚， = 争砉言s - n 聆划砉套* c 删，v ，c 册拥，c 。s 。+ 触v 一，c 争她，卜 f1 ” 詈善责。o s 疗删。茹以( ”肌) d ，( m t d m ) s i n 【( n 。+ k n ) t 一，碍一q ) 】+ | o # # ， # ，# z 电子科技大学硕士论文 假设m b = n d m ，式( 2 1 2 ) 可写为： ( 2 1 4 ) f1 ” “，j = d e o + d e o 舢哪鳓+ 詈善吉s i n m t d 互荟州删，m r 聊。， c o s ( 喊+ 舳) 川唔一 + c 。s ( 峨+ 触) h ( 争】) + 鲁砉去c 。s 俐砉砉州删鸬c 慨h s i 球眦+ 地” ，( 詈一t a t ) 一s i n ( n f d c + 施弘一，( 三一q f ) ) = 蛾+ 抵m c 。s q + e 冗。石妻l 。s i n n n d 毫耋以( m ，) 山( 慨) c 。s 【r o ) c + ( 女一，) o ，+ ，三) + c 。s 【聆。+ ( 七+ ，) q p 一，三 ) + 鲁喜吉c 。s 疗耐砉砉，一( 删鸬( 眠) s i n m 。+ ( 七_ f ) 钟+ 继续简化，最后得到p f m 信号的表达式： 巾j = 蛾+ 砜朋c o , n t + 2 e 。o 妻。1 。咖”耐砉轰以r 删肭川。， c 。s 【月。+ ( | i + o n ，一，兰) ( 2 - 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可以绘出等宽p f m 的频谱图2 4 ，由此可以看出： 由式( 2 7 ) 我们得到未经调制的脉冲序列仅含有载波的基波z 和各次 谐波蜕分量，调制后边带出现在基波和各次谐波两旁，m ，大则边带衰减减 慢。 电子科技大学硕士论文 调制后的频谱中含有基带分量即( 2 1 6 ) 式中d e o m c o s f 2 t ，因此可以 通过低通滤波器将基带信号取出，从而实现解调。 i m 3c 强 幽2 - 4 等宽p f m 脉冲序列频谱 如果m ，太大，边带衰减过慢或正过小都会使得工基波的下边带落入 基带信号内，形成对基带信号的干扰，影响传输质量。 在用等宽p f m 构成的系统中，p f m 脉冲会在传输中产生抖动，这将直 抖动源 图2 - 5 脉冲抖动产生原因 接影响传输质量，这种抖动可