（通信与信息系统专业论文）宽带hfc光接收机设计.pdf

哈小o ：，寅理t 人学t 学硕f j 学位论义 宽带h f c 光接收机设计 摘要 宽带h f c 网络由于具有传输容量大、抗干扰性好以及适于双向传输数 字传输等特点已经成为目前国内外有线电视网络发展的主流。作为宽带 h f c 网络中重要传输设备的光接收机，其性能指标是整个h f c 网络性能指 标的综合体现，其性能好坏直接决定了用户端的信号质量。随着我国h f c 网络的普及及原有光网络的改造，原有的光接收机由于存在着输出端r 少、 带负载能力差及不适于数字传输等缺点，所以不能很好地满足发展的需要， 因此设计一款具有良好性能的光接收机具有重要意义。 本文对光接收机的性能参数进行了介绍，并根据国家标准重点对光接收 机的光接收组件、功率放大电路和辅助电路等进行了设计。 作为光接收机的关键部分，光接收组件主要由光探测器、前置放大电器 及匹配电路构成。本文选用了i n g a a sp i n 光探测器；依据跨阻原理设计了 一种新颖实用的放大器电路，并通过宽带变压器与光探测器匹配，很好地满 足了设计要求。功率放大采用集成一体化模块，依据信号的放大流程，前级 选用推挽放大模块，后级选用功率倍增模块，并设计了匹配电路。在前后级 放大模块之间设计了增益和均衡电路，即设计了灵活方便的可调衰减器和町 调均衡器，有效地改善了光接收机的性能指标。本文还精心设计了光接收机 的辅助电路，包括光功率显示电路、回传组件和电源等电路。 最后组装了样机在实验室及小区进行了测试，指标符合国家标准并优f 传统光接收机，具有良好的实用意义和参考价值。 关键词光接收机；h f c ；光接收组件；功率放大电路 哈尔滨理工人学丁学硕十学位论文 t h er e a l i z a t i o no fo p t i c a lr e c e i v e ri nt h e w i d e b a n dh f c a b s t r a c t b e c a u s et h ew i d e b a n dh f ch a sab e t t e rc a p a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o na n da n t i - j a m m i n g ，i ti sf i tt od e l i v e rb i d i r e c t i o n a ld i g i t a ls i g n a l s ，a tp r e s e n t ，i th a sb e e nt h e i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n t a lm a i n s t r e a mo fc a t v b e i n gt h ei m p o r t a n t t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n ti nw i d e b a n dh f c ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fo p t i c a l r e c e i v e r si st h eg e n e r a le m b o d i m e n to fw i d e b a n dh f c ，t h es t a n do rf a l lo f p e r f o r m a n c ei n d e xo fo p t i c a lr e c e i v e r sd i r e c t l yd e c i d et h es i g n a lq u a l i t yo fu s e r e n d w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fh f ca n dt h er e b u i l do ft h ep r i m a r yo p t i c a l n e t w o r k 。t l l ep r e v e n i e n to p t i c a lr e c e i v e r sh a v en o tf i l l e d t h ed e v e l o p m e n t a l r e q u i r e m e n t sb e c a u s et h e yh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fl e s sf a n o u t ，b a da b i l i t i e so f d r i v i n gl o a d i n g sa n db e i n gu n f i tt od e l i v e rd i g i t a ls i g n a l s s oi ti sv e r yi m p o r t a n t t od e s i g nao p t i c a lr e c e i v e rw i t hg o o dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fo p t i c a lr e c e i v e r s ，m o r e o v e r , b a s e do nt h en a t i o n a ls t a n d a r d si te m p h a s i z e st h ed e s i g no ft h eo p t i c a lr e c e i v i n g m o d u l e ，p o w e ra m p l i f i e ra n dt h ea s s i s t a n tc i r c u i t b e i n gt h ep i v o t a lp a r to ft h eo p t i c a lr e c e i v e r , t h eo p t i c a lr e c e i v i n gm o d u l ei s m a d eo ft h eo p t i c a ld e t e c t o r , t h ep r e a m p l i f i e ra n dt h es u i t e dc i r c u i t t h i sp a p e r c h o o s e st h ei n g a a sp i np h o t o e l e c t r i c i t yd i o d e b yt h ep r i n c i p l eo ft h e p r e a m p l i f i e r o fc o m m u t a t i v er e s i s t a n c e ，t h i sp a p e rd e s i g n saa p p l i e da n d i n n o v a t i v ec i r c u i to fp r e a m p l i f i e r t h ep r e a m p l i f i e ri sm a t c h e dw i t ht h eo p t i c a l d e t e c t o rb yt h ew i d e b a n dt r a n s f o r m e r t h i sp a p e ra c h i e v e st h ea i m i n c o r p o r a t e m o d u l e sa r eu s e di nt h ep o w e ra m p l i f i e r , a c c o r d i n ga st h ef l o wo fs i g n a l m a g n i f y i n g ，l o wy a w pa n dp u s h p u l lm o d u l e sa r eu s e di nt h ef r o n tc i r c u i t ，p o w e r d o u b l e r sa r eu s e di nt h eb a c kc i r c u i t ，m a t c h i n gc i r c u i ti sd e s i g n si nt h ep a p e r t h e p l u sa n de q u i l i b r i ac i r c u i ta r eu s e di nt h ep o w e ra m p l i f i e r , s u c ha sa d j u s t i n g a t t e n u a t o r sa n da d ju s t i n g e q u a l i z e r s t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h eo p t i c a l - i i o p t i c a lr e c e i v e ra r ei m p r o v e de f f e c t i v e l y t h i sp a p e ra l s od e s i g n st h ea s s i s t a n t c i r c u i ti n c l u d i n gt h eo p t i c a lp o w e rs h o w i n gc i r c u i t ，e c h o p l e xm o d u l ea n d s o u r c e f i n a l l y as a m p l eo p t i c a lr e c e i v e ri sp r o d u c e da c c o r d i n gt o t h ed e s i g n m o r e o v e r , i ti st e s t e di nt h et h el a b o r a t o r y a n dt h er e s i d e n t i a la r e a ，t h e p e r f o r m a n c ei n d e x a c c o r dw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d sa n de x c e lt r a d i t i o n a l o p t i c a lr e c e i v e r s ，t h i sp a p e rh a sg o o da p p l i e dm e a n i n g a n dr e f e r e n c e dv a l u e k e y w o r d s o p t i c a lr e c e i v e r s ，h f c ，o p t i c a lr e c e i v i n gm o d u l e ，p o w e ra m p l i f i e r 哈尔演理t 人学t 学顺l j 学他论文 1 1 课题背景 1 1 1 课题的提出及意义 第1 章绪论 有线电视网络( c a t v ) 是目自仃世界上最大接入网用户的运营网络之一，宽 带h f c 网络是随着新技术的不断涌现而成为的c a t v 的新发展阶段。为了进 一步降低c a t v 的改造和建设成本，满足国内外同益发展的宽带h f c 网络的 需要，加之国内外市场对宽带h f c 光接收机的需求正在同益增长，设计、研 制高性能价格比的光接收设备产品成了当务之急。宽带h f c 光接收机的丌 发、设计币是针对目前市场的发展需求，满足国内外同益发展的宽带h f c 网 络的需要而设计生产的光接收设备。 1 1 2 国内外c a t v 网络的发展概况 c a t v ( c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n ) 网络即“有线电视网”，是高效廉价的 综合网络，它具有频带宽，容量大，多功能、成本低、抗干扰能力强、支持多 种业务连接千家万户的优势，它的发展为信息高速公路的发展奠定了基础乜1 。 在当今数字技术1 5 i 速发展的时代，广播电视技术也不甘落后，打破了传统 的模拟领域研究的局限，也丌始了数字领域的探索，成为数字发展主流中的一 个重要的组成部分。随着网络由模拟转向数字，宽带h f c 网络在各发达国家 发展了起来。所谓h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ) 技术，首先由贝尔实验室提出，是 指采用光纤传输系统与同轴电缆分配网相结合的宽带传输平台。到九十年代 未，3 0 的美国有线电视网采用了h f c 结构。目前，美国的有线数字电视已 经基本覆盖全国，有线网络实现了光纤化、数字化、双向化改造，数字平台不 仅提供数字电视节目，还开展信息服务等多种增值服务业务。英国1 9 9 8 年开 始启动数字电视广播和互动电视平台，经过对传送网络进行光纤化、数字化改 造后，已成为全球发展最好的数字电视市场。同本到1 9 9 7 年4 月止有6 7 家有 线电视系统的网络采用了h f c 结构，占其全国有线电视系统的3 5 ，目d 订f 1 本已基本完成了网络改造，采用有线地面传输方式，逐步推进光纤化、数字化 3 1 哈尔滨理t 人学t 学f i ! ；! f j 学化论义 我国有线电视丌始于二十世纪七十年代，经过三十多年的发展，从无到 有，从小到大，已经发展成为我国广播电视领域一支新兴产业。最近几年 c a t v 网发展来看，全国已建有线电视台超过1 5 0 0 座，用户数为1 5 亿，已经 捌有3 8 万公罩的国家广播电视光缆干线，连通着全国3 0 多个省市，全国网络 线路的长度超过了3 0 0 万公罩，其中光缆网超过3 0 力- 公罩，在全国覆盖面达 5 0 ，并且每年仍以3 0 的速度增长，中国有线电视网早已成为世界最大的有 线电视网络。电视机已成为我国家庭入户率最高的信息工具之一，c a t v 网也 成最贴近家庭的多媒体渠道。 目前全国多数有线电视网络仅能基本满足广播电视节目的传送，既不能承 载多媒体交互业务，也不能有效实现网络、业务和用户管理。数字电视的出现 将会使有线电视由简单地提供普通广播电视和增值节目向提供交互式电视节 目、视频游戏、电话业务转变；甚至会实现c a t v 、i n t e m e t 和p s t n ( 电信综合 网) 三网合一，为用户提供便捷、高效、优质的信息服务- 。根据中国电子 信息产业发展研究院预测，2 0 0 8 2 0 1 5 年，数字电视的市场规模将以1 9 的年 均复合增长率增长，我国已有2 8 个城市的有线电视完成了数字转换，有6 5 个 城市讵在推进，2 0 0 8 年这些城市的数字化转换将基本完成。 目前我国采用的是与世界技术同步的h f c 技术。同轴电缆网相比，h f c 网损耗小、可靠性高、抗干扰能力强、带宽更宽，为网络多功能综合业务的丌 发创造了有利条件。依据c a t v 网络的信号流向将h f c 网络分为单向h f c 和 双向h f c 西种，通常把双向h f c 网络称为h f c ，单向h f c 称为c a t v h l 。 1 1 3 宽带h f c 网络的组成 h f c 的网络结构简单，一般由两级光纤、一级电缆构成。主自，j 端到分前 端、分前端到分配节点( o d n ) 一般采用光纤，分配节点到用户般采用电缆。 个光节点可以连接1 4 个服务区，每个服务区罩的用户约为5 0 0 户，因此一 个光节点可以覆盖最多2 0 0 0 用户，并且和前端设备构成光纤双向链路，能够 实现双向信息传送。光节点和用户之问的网络形式是树状或总线式结构的同轴 电缆网络n ，圳 典型的h f c 网络主要由三部分组成：前端系统、光纤传输系统和用，1 ，分 配网络，如图卜l 所示。系统的前端部分主要任务是将要播放的信息调制到不 同的射频载波上进行混合，通过同轴电缆送往光纤传输系统。光纤传输系统将 信息不失真地通过单模光纤输送到用户分配网络的输入接口光节点。用户分 q a 。, 小po 演理丁人学t 学坝卜学他论义 配网络再负责将电视信号通过同轴电缆分配到各个电视机终端。 前端系统主要包括卫星地面接收设备、微波接收设备、摄录设备，以及一 些处理设备，如调制器、解调器、混合器、滤波器等设备。模拟电视和数字电 视、综合数据业务信号在前端或分自订端经处理设备的复用和调制后，通过同轴 同轴电缆 = = j 芊模光纤 图1 - 1 宽带h f c 网络的构成 f i g 卜1t h es t r u c t u r eo fw i d e b a n dh f c 电缆送入一台下行光发射机。h f c 网络能够传输的带宽为7 5 0 m h z 8 6 0 m h z ，5 0 m h z 8 6 0 m h z 这段频带用于传送f 行信号，5 m h z 4 2 6 5 m h z 频段 为上行信号( 即回传信号) 占用“一厶”j 。 光传输系统主要由单模光纤和光放大器组成。光纤传输技术具有传输距离 远、信号失真小、传输容量大、免受雷击等特点引。光纤主要有1 3 1 0 n m 和 1 5 5 0 n m 两种规格。采用光纤传输较同轴电缆而占在损耗上有着很大的优势， 如干线传输使用同轴电缆传输7 5 0 m h z 信号时，损耗也有4 0 d b k m 左右，而 采用波长1 3 1 0 n m 的光信号，其损耗约为4 0 d b l o o k m ，采用波长1 5 5 0 n m 的 光信号，其损耗约为2 5 d b 1 0 0 k m ，显然光缆的损耗比同轴电缆降低上百倍。 为了实现多路电视信号在光纤上传输，采用了空分复用方式进行信号传输置 1 1 1 1 7 1 0 在光节点，将下行信号变换成射频信号。每个光节点通过同轴电缆，以树 形或总线式拓扑结构覆盖用户，其问经过分配放大器，将k f 射频信号进行放 大。从用户来的上行信号在光节点变换为上行光信号，通过上行光发射机和上 行回传光纤传回前端或分前端。上行信号为非广播业务，主要传输包括状态监 控信号、视频点播信号以及数据通信业务等，前端接收回传信号并进行处理。 为了提高抗干扰能力，采用q p s k ( 或1 6 q a m ) 调制。上下行信号在电缆传输中 采用的是频分复用“抻，。 哈尔演理t 人学t 学硕l 学他论文 1 1 4 宽带h f c 网络的特点 1 1 。4 。l宽带h f c 网络的优点宽带h f c 网络同传统的c a t v 网络相比，有 许多明显的优点。传输容量大，易实现双向传输，从理论上讲，一对光纤可同 时传送1 5 0 万路电话或2 0 0 0 套电视节目；灵活性和扩展性好，系统规模改变 时对整体的影响非常小；频率特性好，在有线电视传输带宽内无需均衡：传输 损耗小，可延长有线电视的传输距离，2 5 k r n 内无需中继放大：光纤l 日j 不会有 串音现象，不怕电磁干扰，能确保信号的传输质量；经济实用，就目前光纤到 户还不太现实的情况下，h f c 网络无疑是一种既能保证传输质量和带宽又具有 很好的经济性；上行信号的频段带宽仅为下行频段的1 5 左右，意味着使用相 同水平的放大器件时，动态范围增加1 2 d b 左右。同传统的c a t v 网络相比， 其网络拓扑结构也有显著的特点：光纤干线采用晕形或环状结构；作为用户分 配网络的同轴电缆部分采用树状或总线式结构：整个网络按照光结点划分成一 个服务区：这种网络结构可满足为用户提供多种业务服务的要求。随着数字通 信技术的发展，特别是高速宽带通信时代的到来，h f c 已成为现在和未来一段 时期内宽带接入的最佳选择汹_ 。 ， 1 1 4 2有线电视h f c 网络的发展趋势在实现网络宽带化的进程中，广电 领域一直对靠以h f c ( 光纤同轴电缆) 为中心的解决方案情有独钟，而电信界 也早就提出了h f c 方式，具有代表性的是美国a t & t 公司。a t & t 公司早在 1 9 9 4 年便提出了最新的h f c 解决方案，它以提出就引起电信界极大关注，并 迅速被美国很多电信公司所采用。在欧洲，世界最大的生产电信设备的法国 a l c a t e l 公司，也从欧洲的实际出发提供了自己的h f c 方案，即 a l c a t e l l 5 7 0 b b 。宽带h f c 网络具有巨大的接入带宽的优势，可提供各种模 拟和数字传输业务。目自矿国外发达国家已经实现的主要业务分为两大类：即广 播电视业务和交互业务。广播电视业务包括数字广播、数字电视等其它广播业 务；交互业务包括i n t e i 酬e t 接入、视频点播v o d 、可视电话、会议电视、 远程教育、远程医疗等。宽带h f c 网络采用频分复用技术，将5 1 0 0 0 m h z 的 频段分割为上行和下行通道。5 - 6 5 m h z 为上行通道，8 7 1 0 0 0 m h z 为下行通 道。上行通道为非广播业务，主要传输包括状念监摔信号、视频点播信号以及 数掘通信业务等。下行通道将8 7 5 5 0 m h z 为普通广播电视业务，该频段全部 用于模拟电视广播时，除调频广播业务外，可安排约5 4 个频道的模拟电视节 目。5 5 0 7 5 0 m h z 为下行数字通信信道，用于传输数字广播电视、v o d 数字视 频以及数字电话下行信号和数据，上行数据般利用5 - 6 5 m h z 频段，为了提 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 高抗干扰能力，采用q p s k ( 或1 6 q a m ) 调制。我国宽带h f c 网络的改造f 在 如火如荼地展丌，各地有线电视网络运营单位根掘现有网络基础、投资成本、 技术成熟度、双向综合业务的发展规划采用不同的网络双向化改造技术，网络 双向化改造技术包括有线电视电缆调制解调技术、以太网接入技术、无源光网 络技术以及各种新的双向接入技术。网络传输容量方面，一般的中、小网络采 用8 6 0 m h z 系统，有条件的网络可以选用l g 系统。一些城市和地区的有线电 视已经可以实现模拟和数字电视节目广播、普通增值业务、交互式节目及视频 游戏等业务。不久即可赶上世界有线电视的潮流和步伐。随着技术的不断进 步，将电话网、数据网和有线电视网合并在一起构成的宽带h f c 网络可以提 供原来三个网的各种业务，也就是先前人们常说的三网合一”也会在不久的将 来会得以实现乜厶托川。 1 1 5 国内外光接收机的发展概况 作为h f c 网络重要传输设备的光端机包括光发射机和光接收机，其卡要 作用是实现光电转换，从而实现远距离传输。光端机从传输方式上可分为模拟 光端机和数字光端机，从对光源的调制方式分光发射机有直接调制型和外调制 型，从端口数上光接收机分为二输出和四输出等。光接收机是宽带h f c 网络 的重要组成部分，其作用是将经光纤传输衰减和畸变后的微弱光脉冲信号通过 光电转换变为电脉冲信号，经过放大、均衡和衰减后，还原为与发射端一致的 r f 信号。一个完整的光接收机包括光接收组件、功率放大电路、辅助电路等 组成。 随符宽带h f c 网络成为有线l 乜税网络的新形式后，光接收机的研笈办丌 腱了起隶。德国b k t e l 通信系统公司( 原a l c a t e lc a b l e ，阿尔卡特公司有线电 视部) 是世界上最早推出h f c 通信平台的著名厂家，最早推出了b o t l 3 1 0 r i m 光接收机，带宽5 5 0 m h z ，双端口输出，单向传输，直接调制。随后，朗讯、 科学亚特兰大、摩托罗拉等一些公司纷纷丌始光接收机的研制。随着技术的不 断发展，高可靠性、高性能的产品层出不穷，带宽由5 5 0 m h z 逐渐扩展为 7 5 0 m h z 、8 6 0 m h z 甚至1 g h z 端口增加到4 个甚至更多；回传组件的添加实 现了双向传输；调制方式由单一的直接调制变成直接调制与外调制两种形式； | l j ：以前有线f u 视f 。j 道全部集i l ，仡4 0 - 5 5 0 m h z 池| 捌之内，所以以住的光接收 机矩行将3 0 m h z 以f 的信个郎滤掉，这f r 小仪造成带赶极人的浪货，嘶| | 也不适。二脱代网络的应j f j 需要。f j c l l l l ，h6 西光接收机改汁滤波器时，没定的低 呛尔演胖丁人学t 学坝l 学位论文 频界限为3 4 k h z ，实践证明它能有效滤除外界再利一低频f i 扰，有效利用了带 宽。口前具仃k 述先进功能的由各人知名厂商牛产的光接收机广泛应片j 于国外 发达国家的宽带h f c 网络中。“瓢拍_ 。 随着我国有线电视网络改造工作的丌展，光接收机的需求大增。国内也涌 现了许多生产光接收机的厂家，如杭州万隆、武汉创兴等。光接收机的研制不 断丌辟新局面，由早期的5 5 0 m h z 带宽过渡到现今的7 5 0m h z 带宽，高端产 品达到8 6 0m h z ；调制也实现了出单一的直接调制向直接调制与外调制并存过 渡；稳定性、抗干扰性等不断增强。但是国内中端市场产品中普通的二端口输 出的光接收机占有很大比重，带宽以7 5 0m h z 居多，只能实现单向传输。随 着宽带h f c 网络的普及及原有光网络的改造，导致光接点覆盖范围越束越 小，每个光接点都通过光接收机直接带户，中端市场需要大量较高带负载能 力、能实现双向传输的高性价比的宽带h f c 四输出光接收机瑚t ”1 。 1 2 本文的主要研究内容 随着宽带h f c 网络的普及和不断发展，光接收机的研制也在刁i 断的改进 和发展中。衡鼍光接收机性能优劣的主要指标是载噪比o 、载波复合三次差 拍比c c t b 和载波复合二次差拍比c c s o 等参数。国家广电行业标准( gy 7 1 0 6 1 9 9 9 ) 规定：c i 4 3 d b ，c 圮绉5 4 d b ，堋d 5 4 d b 。本课题根据行 业标准的要求，对传统光接收机存在的一些问题进行了改进和提高，设计了一 款真正适合宽带h f c 网络的高性价比、高性能指标，依托于前沿技术的模拟 四输出光接收机。 论文共分为6 章。第l 章是绪论，对我国c a l 网络的现状，h f c 网络 的组成及特点，以及宽带光接收机做了简要介绍。第2 章主要介绍了光接收机 的总体构成及性能参数。第3 章介绍了光接收组件的分析和设计。第4 章介绍 了功率放大电路的设计。第5 章则对辅助电路作了简要介绍。第6 章介绍了测 试过程及结果。最后给出了结论。 哈“j , l ”理t 人学t 学坝i 学位论文 2 1 引言 第2 章宽带h f c 光接收机简介 光接收机是宽带h f c 网络的重要组成部分，其作用是将经光纤传输衰减 和畸变后的微弱光脉冲信号通过光电转换变为电脉冲信号，即进行光电转换， 然后经过放大、均衡和衰减后，还原为与发射端一致的r f 信号。光接收机的 性能好坏直接决定了用户端的信号质量。一个完整的光接收机包括光接收组 件、功率放大电路、辅助电路等组成。 光接收机的技术性能指标是整个h f c 网络技术性能指标的综合体现。衡量 光接收机性能优劣的主要指标是载噪比c n 、载波复合三次差拍比c c t b 和载 波复合二次差拍比c c s o 等参数。另外还有带内平坦度、反射损耗等一些参 数对于整个系统也非常重要。 合理的结构设计对于参数指标至关重要，为此首先了解所设计宽带h f c 光接收机的构成。 2 2 宽带h f c 光接收机简介 2 2 1 宽带h f c 光接收机的构成 图2 1 给出了所设计的光接收机的简单系统框图，光接收机的原理图见附 录l 。 光接收机的构成主要包括光检测器和前詈放大电路在内的光接收组件包 含均衡电路和衰减电路以及的后级功率放大模块的功率放大电路及辅助电路等 组成。 2 2 2 工作原理 在h f c 网络中，光接收机通常位于光节点和有线电视的前端位置，它的 主要功能是把光信号转变成r f 信号。信号经历光纤传输衰减后，到达光节点 时已经很微弱，经过光检测器转换成电信号和前置放大，然后通过前级功率放 大模块，再经过调节整机输出电平的衰减器和保持稳定输出电平的均衡器调节 n 丹尔演理丁人学t 学坝i j 学位论义 后输入功率倍增放大模块，经过分配器后，输出射频信号供系统分配使用。为 图2 - 1 宽带h f c 光接收机的构成 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo ft h eo p t i c a lr e c e i v e r 了便于使用和调整，光功率显示部分主要是依靠二极管的显示电路，即采用多 只比较器跟踪检测电路检测到的工作电压，驱动各档的发光二极管点亮，以指 示光功率的变化。鉴于宽带h f c 网络的发展，在设计中特别注重双向预留问 题，增加了回传放大及均衡、增益预留插件接口，在将来有需要时，可选用相 应插件，从而实现双向数据传输。实现升级改造。 2 3 宽带h f c 光接收机的性能参数分析 2 3 1 载噪比c n 接收机不是对任何微弱的信号都能f 确接收的。这是因为信号在传输、检 测及放大的过程中总会收到一些无用的干扰，并不可避免的引进一些噪声。噪 声主要来自于两个方面，一方面是来自外部的噪声，另一方面是光接收机的内 部噪声。外部噪声可以通过屏蔽等方法减弱或防止。但接收机内部噪声是伴随 光信号的接收、检测与放大过程产生的，只能通过电路的设计和工艺尽量减小 它，却不能完全消除。噪声是一切干扰信号的泛指，它的存在影响着有用信号 的清晰度。在同常。我们打丌电视机，不输入任何信号，我们会看到屏幕上仃 满了无规则的黑白点，即所谓的“雪花”点，这些“雪花”点就是噪声在电视 屏幕上的反映。有线电视的噪声主要是由热噪声和散弹噪声所组成。热噪声主 哈尔演理下人学t 学坝卜学他论殳 要是由导电体内部的自由电子无规则的热运动所产生的，噪声功率的大少和工 作频率、工作带宽、工作温度有关，我国电视制式的视频带宽是5 7 5 m h z ，在 常温下所产生的噪声功率是2 4 d b t v 。散粒噪声则是由放大器等有源器件内的 半导体所产生的。这些噪声不论有无信号，它总是存在并具有起伏特性。图象 的清晰度将随着噪声电平的增加而下降，为了衡量c a t v 系统的接收质量，所 以用载噪比来定量描述它o “。 载噪比定义为载波功率与噪声功率之比，即c n , 其中c 为载波功率，为 噪声功率。 为了限制噪声的干扰，保证一定的载噪比，就必须按指标要求限制系统内 部放大器的级联数量，同时，还要保证级联放大器中第一级放大器的噪声系数 要小，因为第一级放大器的噪声系数对整个系统的载噪比影响最大。 载噪比的大小直接影响到用户收看电视节目的图像质量，载噪比越大，电 视图像的清晰度就越高。国家广电行业标准( g y 71 0 6 1 9 9 9 ) 规定：o ， 4 3 d b 。按照c a t v 系统载噪比的大小，我国将电视图像划分为5 个等级，如 表2 - 1 所示，并规定c a t v 系统的图像质量必须达到4 级以上。 表2 一i 电视图像等级 t a b l e2 it h eg r a d eo ft vi m a g e 图像清晰度图像质蛀等级 载噪l l ( d b ) 清晰、感觉不剑杂波和干扰 54 6 以上 良好、感觉剑另 波和干扰 4 4 0 4 6 一般、杂波和干扰稍令人讨厌33 7 4 0 著、力2 波乖干扰令人讨厌23 0 3 7 很著、干扰严重、无法观看l3 0 以卜 影响c n 值的因素有信号接收设备、前端设备、放大器及传输距离等。提 高视频信号的信噪比、采用高质量的网络设备、减少放大器的级联数等可以提 高c n 值。通过提高放大器的输入电平可以改善载噪比，放大器的输入电平每 降低l d b ，载噪比劣化l d b 。 2 3 2c c s o 与c c t b 在整个c a t v 网络系统中，使用了大量的有源器件，如光放大器、光发射 机、光接收机等，这些有源器件都会产生非线性失真，这些非线性失真的结果 会在系统上产生很多新的频率分量，称之为产物。如果这些产物落在播出频道 n 介尔演理一i ：人学t 学坝l “化论文 带内，就会对这些频道的图象产生干扰，如图象拉丝、网纹干扰、“雨刷”干 扰、“串象”等，根据对图象的干扰表现方式，非线性失真可分为交扰调制干 扰( 又称交调失真) 和相互调制干扰( 又称互凋失真) 两类。 所谓交扰调制干扰是当c a t v 系统同时传送两个载频不同的调幅波时，通 过系统的有源器件会使这两个射频信号相互作用而使电视机通带内的有用信号 受到通带外的干扰信号的调制而形成的干扰。其特点是：当收到有用信号时， 才出现干扰，有用信号消失则干扰信号也消失；干扰信号远大于有用信号时， 会造成“阻塞”( 此时电视机看不到任何图象) ：干扰频率与信号频率的l 日j 隔可 以是任意的；只有调幅信号才会产生交调干扰：当两个以上的输入信号之一的 幅度大到足以使放大器工作到饱和状态时就可能产生交调干扰。所以，交调干 扰的大小，反映了放大器处理信号的线性能力( 即放大器的动态范围) 。 所谓相互干扰或相互调制，是由两个以上的频率成分差拍( 加或减) 后产 生新的频率分量，这些新的频率分量和任一输入信号的频率都不同，但当它落 在某一输入信号的频带中间就会形成相互干扰。相互干扰在图象上表现为一种 网纹干扰。互调干扰和交调干扰一般是同时发生的。“。“。 对于一个有非线性失真的设备( 如放大器) ，输出电压和输入电压的关系可 用下式表示 v o = k im + k 2 以2 + ( 3 比( 2 1 ) 式中：是输出电压：k 是输入电压：k l 、k 2 、k 3 是相应的系数。 假设有两个信号a 和b 同时输入，那木输入信号的表达式 v i = a c o s t ott + b c o s o ) 2 t ( 2 - 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，得 = k i ( 彳c o s l ，+ b c o s 2 砂+ k 2 ( a c o s o ) l t + b c o s c 0 2 t ) 2 十 1 ( 3 ( a c o s c o l t + b c o s t 0 2 t ) 。( 2 3 ) 展f f ( ac o s wl + b c o s o ) z t ) 2 可得 ( 爿c o s ( o i t + b c o s c 0 2 t ) z - - k 2 ( a 。2 + 2 + a 2 c o s 2 t o i t 2 + 尹c o s 2 t 0 2 t 2 + a b c o s ( t o l + t 0 2 ) t ) ( 2 - 4 ) 作为直流项的a 2 2 和萨2 可通过电容虑除；a 2 c o s 2 c o l t 2 和b 2 c o s 2 c 0 2 t 2 是二次谐波项；a b c o s ( c o l4 - 6 0 2 ) t 是二次差拍项。二次谐波项与差拍项都是新产 生的频率项，只要它们落入f 常频道之内就形成互调干扰。我们将这些频率分 量称为二阶互调产物，把这三种产物的总和通称为复合二次差拍，简称c s o 。 ) 畏丌( a c o s w l t + b c o s w 2 ，) 3 可得 ( a c o s t o l t + b c o s w 2 ，) 3 = n 尔i 宾耻t 人# t 学颁i 。学f t 论爻 恐( 彳c o s 3 m l t + b - c o s 3 0 9 z t + 3 a f i 止c o s 2 m 2 tc o s d + 3 a 2 bc o s 2 m # c o s 6 0 2 t ) = 飓( 3a 3 c o s 0 9 l t 4 + 3b 3 c o s f 0 2 t 4 + 3ac o s 3 0 j 1 t 4 + 3b c o s 3 0 【，2 t 4 + 3a 。b c o s ( 2 mz c 0 2 ) t 4 + 3 a l 产c o s ( 2 0 j 2 + c 0 1 ) t 4 + 3 a b 2c o s f o id 2 + 3 a 2 bc o s 2 t 2 ) ( 2 5 ) 式中：3ac o s 3 0 d d 4 和3b c o s 3 c 0 2 i 4 是三次谐波项：3a ? b c o s ( 2 0 j l + c 0 2 ) ，4 和 3 彳c o s ( 2 6 0 2 c 0 1 ) 以是三次差拍项；我们将式中的这些谐波项和差拍项以及由 它们所产生的频率分量落入到正常频道中的那部分产物称为复合三次差拍，简 称c 册。 c t b 产物的分布是这样的，落入工作频道内的c t b 产物中的大部分，一 般群集在某一两个特定的频率上，在这两个频率上可以群集几十、几百甚至上 千个失真产物。这个特定的频率我们称为c t b 的主要群集点频率。在相邻等 间隔的那些频道( 如d s 6 d s l 2 、z 1 z 3 7 ) 中图像载频就是这些频道c 珊产 物的主要群集点频率，在图像载频上群集的c t b 数量，中间频道最多，随着 频道的升高或降低，都逐渐减少，呈对称或接近对称。 c s o 产物只有4 9 5 落在系统各个工作频道内，比c t b 少得多。并且由 于宽带h f c 网络中采用了推挽式放大器，使得二阶失真大大降低，所以关注 c 船更多一些。 由此可见，交调是由三阶失真c t b 产生的，互调在二阶c s o 和三阶c t b 失真都能产生。为了定量分析这些失真对系统的影响，引入了复合二次差拍比 c c s o 和复合三次差拍比c c t b 两个参数，其中c 为信号功率。 复合二次差拍比c c s o 与放大器的输出电平关系是：输出电平降低l d b ， 淞d 改善l d b 。 复合三次差拍比c c t b 与放大器的输出电平关系是：输出电平降低l d b ， o c 船改善2 d b 。 另外，通过提高放大器的输入电平柬改善载噪比的同时也带来了放大器 非线性失真加大的问题，所以，要同时考虑这两方面的影响，权衡利弊，适当 选择放大器的输入电平。至于提高复合三次差拍比和尽量降低非线性失真，可 以采用以下一些方法：适当降低放大器的输入电平和合理选取放大器的增益， 是在设计中尽最增加并联路数，减少放大器串接的数量，长距离的信号传输一一 定要选择光缆作为主干传输线；合理选择频道，尽量避丌非线性失真产物，对 于传输频道多的c a t v 系统，可采用谐波式相关载波法或增量式相关载波法， 它们都通过锁相电路控制载频及各载频间隔，使得一些失真产物证好落在被干 扰频道的图像载频上，从而被较强的图像载波信号压下去。总之，只有保证 n 尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 c a t v 系统满足一定的载噪比和复合三次差拍比的指标要求，才能高质最地传 输丰富多彩的电视节目。国家广电行业标准( g y 71 0 6 1 9 9 9 ) 规定： c c t b ， 5 4 d b ，c c s 0 5 4 d b 。 2 3 3 其他参数 与c n 及c s o 和c t b 有关的参数足等效输入噪声电流伽、响应度衍口输 入光功率的极限值等参数。等效输入噪声电流肋取决于日，j 置放人器的输入阻 抗、噪声参数及增益大小。砌与c n 的关系是：到达接收末端的平均光功率越 低，如对c n 的影响越显著。旋光检测器的响应度，其与c n 的关系是：p 越大，c i 越大，不同的接收机相差不大，一般都在0 8 左右哺1 。 带内平坦度表示在工作频带内各频率点电平相对基准频率点电平的变化 量，变化量越小指标越好。国标对不同设备器材的带内平坦度要求不一样，如 光接收机的指标要求是1 5 d b ，则表明一个平坦信号通过此类器件后，在工作 频带内各频点的电平最大值和最小值之差必须小于3 d b ，否则就不合格。 光反射损耗就是反映设备器材的阻抗是否标准匹配的参数。信号的反射不 仅损耗了信号传输的能量，更重要的是损害了信号的传输质量，造成重影和类 似于频率特性的失真，一般用反射损耗来衡量反射波对信号传输的影响，被测 器件或被测端点的反射损耗值愈大，反映了该器件或浚端点匹配越好。 输入光功率范围和标称光波长也是重要的参数。g y t 1 4 3 2 0 0 0 有线电视 系统调幅激光发送机和接收机入网技术条件和测量方法中对调幅光接收机的 性能参数要求做了规定：输入光功率范围为一4 + 2 d b ；标称光波长为1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 r i m 或者双窗口。 2 4 本章小结 本章首先对所设计宽带h f c 光接收机的结构和工作原理进行了简要介 绍；其次对光接收机的三个主要性能参数c n 、c c s o 和c i ( t b 及其它参数进 行了分析，这些参数是进行设计的依据。本文设计应满足以下要求：c v n ， 4 3 d b 、c - c t b 5 4 d b 及c c s o 5 4 d b 。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 3 1 引言 第3 章光接收组件的设计与实现 光接收机影响其主要性能的部件都是前端接收部分，无论是分立组件还是 体化组件，该部分的成本比重都比较大，与光发射机的激光器一样，不仅决 定了光接收机的性能指标，还将决定光接收机的价格。光接收组件的丰要作用 是实现光信号的光电转换及低噪声自仃置放大，该部分一般都包括p i n 光探测 器、低噪声前霄放大器及他们之间的一些接口电路组成。 由于前置放大器和光探测器是密切联系的，因此在进行自仃置放大器及光接 收组件的分析与设计之前，先了解光探测器的基本特性。 3 2 光探测器 光接收组件主要由光探测器、f i 置放大电器及匹配电路构成。光探测器的 作用是把接收到的光信号转换成电流信号。在c a t v 光传输系统中对光探测器 有如下要求：在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入 射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各种波长的光 的响应效率是不一样的，在使用光探测器时必须合理选择所用的器件，爿能满 足系统要求；有足够的响应度，输出