（通信与信息系统专业论文）1550nm光纤catv传输系统的研究.pdf

自9 0 年代以来，光纤同轴电缆混合( h f c ) 系统已经成为有线电视系统的主要 模式。模拟广播电视体制在世界上己经实用了几十年，模拟电视机十分普及。在 系统传输过程中，如果能保证几个重要指标如比特误码率b e r 、c s o 、u t b 等， 特别是c n r 指标，h f c 网络是很容易满足d v b 数字视频有线传输的。在这种情 况下，光纤模拟传输技术的作用就不容忽视了。本论文主要介绍了模拟光纤 c a t v 传输系统的实现原理及相关技术，重点分析了该传输系统的性能指标 c n r ，c s o 和c t b 以及系统设备在传输系统中的应用。 第一章的绪论部分介绍了模拟c a t v 光纤传输系统。简要介绍了c a t v 传输 系统的发展历史，国内外现状及未来的发展趋势和光纤c a t v 系统的各种性能指 标。 在第二章中，详细讨论了用于1 5 5 0 n m 光纤c a t v 系统的外调制发射机的原 理和相关技术，对其中的关键技术s b s 抑制技术，最佳偏点的稳定技术以及发射 机的非线性补偿技术作了相关的研究。 第三章是本文的重点，深入研究了e d f a 在模拟光纤c a t v 系统中的应用， 作了大量的理论分析和试验研究了e d f a 对传输系统载噪比和非线性的影响。 第四章研究了1 5 5 0 n m 光纤c a t v 系统中的非线性现象，包括s b s 效应及其抑 制技术，光纤的色散效应以及并s p m 效应对传输系统性能的影响。 。 在第五章中对c a t v 光接收的研制原理以及器件选型作了深入的研究，给 出了c a t v 光接收模块的测试结果与分析重点分析了c a t v 接收机非线性指标的 测试。 关键词：c t a v ，性能指标，e d f a ，非线性，s b s ，光接收机 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e19 9 0 s ，t h eh f cs y s t e mh a sb e e nt h em a i nt r a n s m i s s i o np a t t e mo fc a t vs y s t e m t h ea n a l o gb r o a d c a s tt vs y s t e mh a sa l r e a d yw o r k e df o rm a n yy e a r sa n da n a l o gt vs e t s h a v eb e e np r e v a l e n t i fs u c hi n d e xa sb e r ，c s o ，c t be s p e c i a lc n rc a nb em e ti nt h e t r a n s m i s s i o n ，t h ed v bd i g i t a lv i d e os i g n a l sc a nb et r a n s m i t t e db yt h eh f cn e t w o r k t h u s t h et e c h n o l o g yo fa n a l o gt r a n s f e r sc a nn o tb ei g n o r e d t h er e a l i z a t i o np r i n c i p l ea n d c o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo f15 5 0 n mo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sm a i n l yi n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r m o r e o v e rt h ep e r f o r m a n c ei n d e x e sa n da p p l y i n go ft h es y s t e me q u i p m e n t a r eb e e na n a l y z e dp a r t i c u l a r l y i nt h ec h a p t e r1 ，t h e15 5 0 n mo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d t h eh i s t o r y ， s t a t u sq u o ，f u t u r ed e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c ei n d e x e so fc a t vs y s t e m sa r ei n t r o d u c e d b r i e f l y l nt h ec h a p t e r2 ，t h ep r i n c i p l ea n dc o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo fi n d i r e c tm o d u l a t et r a n s m i t t e r o f15 5 0 n mo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns e y t e ma r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h ek e y t e c h n o l o g i e ss u c ha sr e s t r a i nt e c h n o l o g yo fs b s ，c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yo fn o n 。l i n e a r a n ds t a b i l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fb e s td e f l e c t i o np o i n ta r es t u d i e di n t e r r e l a t e d l y t h ec h a p t e r3i st h ee m p h a s e so ft h i sp a p e r t h ea p p l y i n go fe d f ai nt h ea n a l o g155 0 n m o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns e y t e mi ss t u d i e dp a r t i c u l a r l y t h ea u t h o rm a d el o t so fa c a d e m i c a n a l y s i sa n dc o r r e l a t e de x p e r i m e n t sa n ds t u d i e dt h ei m p a c t so fe d f a t oc n r , c s oa n d c t bo fe n t i r es y s t e m i nt h ec h a p t e r4 ，t h en o n l i n e a rp h e n o m e n ao f155 0 h mo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m a r ep r e s e n t e d t h e s ep h e n o m e n ai n c l u d es b se f f e c t ，d i s p e r s i v ee f f e c ta n ds p m e f f e c t i nt h ec h a p t e r5 ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dd e v i c e sc h o i c eo fc a t vr e c e i v e ra r es t u d i e di n d e t a i l t h et e s t i n gr e s u l t so fc a t vr e c e i v e ra l ep r e s e n t e da n dt h et e s t i n gm e t h o d so f n o n 1 i n e a rp e r f o r m a n c ei n d e x e sa r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y k e y w o r d s ：c a t v ，p e r f o r m a n c ei n d e x ，e d f a ，n o n - l i n e a r ，s b s ，r e c e i v e r 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第一章光纤c a t v 传输系统概述 1 1 课题研究的背景及意义 从1 9 4 8 年美国出现世界上第一个共用天线系统以来，有线电视( c a t v ) 发展到今 天，已经成为广播电视的主要发展方向。1 9 8 7 年美国半导体激光器制造商o r t l e s 公 司在加州的一个有线电视展览会上首次展出世界上第一套光纤c a t v 设备，随后光 纤c a t v 系统很快发展起来，到9 0 年代初实现商用化。与此同时，在世界各国掀起 了光纤c a t v 网络的建设热潮。传统的带有多个级联放大器的单向同轴电缆c a t v 系统的主干线逐渐被光纤c a ，干线取代。在c a t v 系统中用光缆取代同轴电缆作 为有线电视网的传输干线，可使系统的容量更大( 频道数更多) ，质量更好，性能可靠； 同时，随着光纤放大器在光纤传输系统中的广泛使用，光纤c a t v 系统传输距离大 幅度提高，极大的拓宽了c a t v 网络的覆盖面。在一定网络规模以上，其成本比同 轴电缆网络要低，同时光纤c a t v 网络具有丰富的带宽资源，可以实现双向交互式 服务，为将来网络的升级奠定了基础。 9 0 年代以来，光纤同轴电缆混合( h f c ) 系统成为光纤c a t v 系统的主要模式。h f c 系统的出现，不仅使有线电视台传送的电视节目数量和质量有了质的提高，而且服务 内容超出了单纯的电视节目播放，各种增值服务开始在c a t v 网络中出现。一些发达 地区己经完成光纤c a t v 综合网的试验，并开始建设光纤c a t v 综合网，在有线电视 网络上开通电话、数据、多媒体( 计算机数据通信、会议电视、视频点播、电视购物、 远程教学与诊断、社区服务、高清晰度电视等) 增值业务。可以想见，在不就的将来， 光纤c a t v 网络会在国民经济生活中发挥巨大的作用。 当前，国内外都在大力推广数字化电视及其增值业务，但是由于技术和经济条 件等多方面的制约因素，在短期内无法实现数字化电视的全面普及。在我国，目前 电信业务提供存在行业壁垒，电信运营商不允许经营c a t v 业务，反之c a t v 运营 商不许经营传统电信业务( 如电话) ，而且这一现状在未来相当段时间内无法改 变，因此单一运营商无法在f t t h 接入网络提供有线电视网、电信网、计算机网“三 网合一 业务。因而改善目前的光纤c a t v 传输系统，对将来有线电视的数字化和 三网合一业务有着积极的意义。同时，我们注意到，如果有线电视台将前端设备稍 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 加改造，便可将这种数字电视信号通过h f c 网直接传送给用户。相关研究资料显 采1 1 ，在系统传输过程中，如果能保证几个重要指标如比特误码率b e r 、c s o 、c t b 等，特别是c n r 指标，h f c 网络是很容易满足d v b 数字视频有线传输的。基于 光纤c a t v 网络在现在乃至未来很长一段时间内无可替代的巨大作用，以及很好的 奠定了将来通信网络升级的基础，本文对模拟光纤c a t v 传输系统的研究，包括系 统关键技术的研究，系统性能指标的分析和测试等等，对于模拟传输系统的改善及 其向数字传输系统的过渡都有着较强的实用性。 1 2 光纤c a t v 网络 传统的光纤c a t v 网络一般由前端系统、光纤干线传输网络和用户分配网络三 部分组成【2 1 。c a t v 网的前端系统为信源中心，它把从信号源送来的信号进行滤波、 变频、放大、调制、混合等，使其适合在于线传输系统中进行传输。光纤干线传输网 络由光发射机、光纤、光接收机、光无源分配器件以及各接续附件组成，主要任务是 把前端输出的高频复合电视信号优质稳定地传输给用户分配网。用户分配网的作用是 把有线电视信号高效而合理地分送到户。它一般是由分配放大器、延长放大器、分配 器、分支器、用户终端盒( 也称系统输出口) 以及连接它们的分支线、用户线等组成。 随着光纤通信技术的发展，光纤c a t v 干线网络的传输距离越来越长，同时光纤传 输也进入了分配网络实现光纤到路边( f t t c ) 或光纤到户( f t t h ) ，这种系统又称为全 光缆系统。 根据调制方式的不同，光纤c a t v 系统分为三类：调幅( a m ) 型、调频( f m ) 型、数 字型。调幅( a m ) 型是目前我国最常用的传输方式，而且普遍采用模拟信号残留边带 调幅方式( v s b - a m ) 。它是将电视信号对应频道的载波进行残留边带调幅调制，然后 把各路已调制的载波混合在一起对激光器进行光强度调制。 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的实用化是近十年来国际上信息领域光电子技术突破性 的成就，它的出现导致了光通信技术的革命，为有线电视高质量、远距离、大面积的传 输与覆盖带来了革命性的进展，并大幅度降低了网络的基本造价。目前国家的长途干 线网、各大中城市的光缆连网系统都采用e d f a 来提升光信号功率，尤其是e d f a 的 国产化更促进了e d f a 的应用。现在商用的光纤放大器工作于1 5 5 0 n m 波长，而且 2 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 1 5 5 0 n m 波长较之于1 31 0 n m 传输系统( 传输距离受到极大的限制，单级最大传输距离为 3 0 公里左右) 有着诸多的优势，因而，1 5 5 0 n m 光纤传输系统设备逐渐成市场的主流。 因而本文讨论的光纤传输系统是基于1 5 5 0 n m 波长的。 1 2 1a n - v s b15 5 0 n m 光纤传输系统的网络结构 a l v l v s b l 5 5 0 n m 光纤传输系统由外调制光发射机、光纤放大器、g 6 5 2 标准光 纤、光接收机四部分构成，图1 1 是典型的1 5 5 0 n m 光纤传输系统。 外 调 光 ( 一- 3 陟 光 卜 用 射频输入信量 制 分接射频输出信殳 户 光 路收 分 配发 器机 网 射 机 图1 1 ：1 5 5 0 n m 光纤c a t v 传输系统 标准单模g 6 5 2 光纤在1 5 5 0 n m 处有很高的正色散，若与激光器的啁啾效应结合将 会造成非线性指标的严重劣化。而外调制技术能从根本上克服直接调制的啁啾效应， 故15 5 0 n m 系统采用外调制光发射机。光发射机是a m v s b 光纤传输系统中的核心部 件，其作用是将多信道混合的宽带射频信号以强度调制的方式调制到光载波上，并耦 合进单模光纤中传输。光发射机中的光源不但是系统非线性失真的决定性因素，而且 还是系统噪声的主要来源。所以系统对光源提出了苛刻的要求：功率大，线性好，噪 声低，频响宽。 较之于传统的h f c 传输系统，1 5 5 0 n m 传输系统最显著的优点就是采用了光纤放 大器，使得c a t 、，网络的覆盖面和传输距离得到了极大的提高。光放大器能够对光信 号进行直接能量放大，目前光纤c a t v 传输系统使用的光放大器是工作在1 5 5 0 n m 波长 的掺铒光纤放大器( e d f a ) ，其基本原理是利用波分复用器将泵浦光( 波长为9 8 0 n m 或 1 4 8 0 n m ) 与信号光耦合进掺饵光纤中，在掺饵光纤中由于其特殊的机制，使得泵浦光 能量转移到信号光上，从而实现对信号光的放大。 e d f a 在光纤通信系统中应用时，根据其所处位置和作用，一般分为功率放大器 ( b a ) 、前置放大器( p a ) 和线路放大器( l a ) 。e d f a 在c a t v 光纤传输系统中也主要有 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 这三种应用方式，根据其应用方式的不同，对e d f a 的要求也不同。e d f a 用作前置放 大器，放在系统的接收端前面，可以放大传输后的小信号，提高系统接收机的灵敏度。 应用e d f a 后，光接收机的灵敏度可提高1 0 2 0 d b 。功率放大器是将e d f a 直接放在 光发射机之后用来提升光输出功率，由于发射功率大大提高，可将通信距离延长，通 信距离的延长由光放大器的增益及光纤损耗决定。功率放大器除要求低噪声外，还要 求有高的饱和输出功率。e d f a 用作线路放大器是它在c a t v 光纤传输系统中的一个 重要应用。用e d f a 实现全光中继，代替原来的光一电一光中继，这种方式非常适合 长距离干线传输网应用。 光纤分为单模光纤与多模光纤，光纤c a t v 传输系统中使用的都是单模光纤。在 1 5 5 0 n m 传输系统中，使用的是标准的g 6 5 2 单模光纤。它在1 5 5 0 n m 波长处的损耗约为 0 2 5 d b k m ，色散系数达至9 1 7 p s ( k m r i m ) 。故在光纤c a t v 传输系统中，损耗和光纤 的色散效应已经相应的非线性成为制约整个系统传输距离和性能的重要因素。 在光纤中传输的光信号到达接收端后，需要把其上调制的电视信号复原。光接收 机的任务就是把由光纤传来的光信号转变为电平合适、噪声低、幅频特性平坦的电信 号，送入用户分配系统进行分配。其核心部件是光探测器( p i n ) ，为了获得好的噪声 功能，须经一个宽带阻抗匹配电路与跨阻放大器相联。当输出电平要求比较大时，跨 阻放大器后还需要有主放大器。为了能在不同接收光功率和不同调制度下，维持输出 电平恒定，电路还需要有自动增益控制的功能。 1 2 2a m - - v s b 光纤传输系统的性能指标 在电视信号传输的过程中，干扰、失真等对信号质量的损伤是不可避免的。判断 一个有线电视系统的优劣，除了靠人眼进行主观评价外，还应用仪器进行客观测试。 需要测试的参数很多，在g y f f l 2 1 1 9 9 5 有线电视系统测量方法中，总共有1 6 项 性能参数。它们大体可以分为两类，一是射频性能参数，一是视频音频性能参数。前 者是在解调前对高频电视信号进行的测量：后者则是在解调后对图像和伴音信号的测 量。射频参数与电视信号质量有密切关系，并且测量时也很方便，所以平时在系统设 计、调试以及维护中，多采用测量射频参数。本部分也只讨论系统的射频参数1 3 j 。 射频参数主要分为两类：一是涉及系统的噪声对射频信号的损伤程度，用载 4 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 噪比c n r 表示。二是系统的非线性失真指标，包括载波组合三阶差拍比c c t b 、载波 组合二阶互调比c c s o 、交扰调制比c m 、二阶互调i m 2 、三阶互调i m 3 。但主要采用 组合载波三阶差拍比c c t b 表征系统中的三阶失真损伤，用载波组合二阶互调比 c c s o 表征系统的二阶失真损伤。 1 2 2 1 载噪比c n r 在有线电视系统中，电信号大部分都是高频载波信号，故常使用载噪比这个 概念。它定义为载波功率和噪声功率之比。我国的有线电视行业标准中，载噪比的定 义是：图像载波电平的有效值与规定带宽内系统噪声电平的均方根之比，用d b 表示， 即 = 2 0 l g 鼍筹器，n 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。有线电视的噪声主 要是由热噪声和散粒噪声所组成。热噪声主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 l x 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。这些噪声在图像上表现为“雪花”干扰，影响 图像的清晰度，为了衡量有线电视系统的接收质量，用载噪比定量地描述它。 1 2 2 2 载波组合三阶差拍比c c t b 与载波组合二阶互调比c c s o 在对有线电视系统信号的非线性失真做定性分析的基础上，给出有关非线性指标 的定义。一般说来，c a i v 系统的输出电压虬与输入电压之间近似满足如下关系 ( 忽略相移因素) ： 乩= + 墨u + 屯2 + 岛3 + ( 1 2 ) 其中，v o 为一常数，代表输出电压中的直流成分，可通过隔直电容或滤波器滤掉；毛、 岛、乞等可视为常数，而高次项的系数屯、屯等的值非常小，可忽略掉。因此上式 可以简化为： 5 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 v o = 毛q + 屯2 + 包3 ( 1 3 ) 其中，毛、乞、屯分别为放大器对基波、二次谐波、三次谐波的放大系数。设 = a 。c o s o ) j t ，其中，n 为传输频道数，4 、q 分别为相应频道的振幅与角频率， i = l 于是可得， n i n 1 n u o = 岛4c o s q r + _ 1 1k 2 4 2 + 寺岛4 2c o s 2 q f j = l l f=l，j = l 1 - 1n niv-i + 岛善磊。4 4 【c 。s ( 哆+ q y + c 。s ( 哆一q ) f 】+ 云也善4 3 c o s q r ，=l七=，+i。，= l + 丢屯善4 。c 。s 3 q ，+ 云3 岛丢。羔，4 2 4 c 。s q ， 0nn + 三岛4 2 a k c o s ( 2 c o j + c o k ) t + e o s ( 2 c o j - o a k ) t r ，；lk = 1 ， 1 n - 2n - i n + 詈包a , a & c o s ( c o , + + q ) f + c o s ( c o t + - t o , ) t 厶 ，霉lm = l + ln = m + i + c o s ( c o _ f 一+ c o ) t + c o s ( c o j 一一c o 。) t 】( 1 4 ) 在1 4 式中，直流分量可通过隔直电容或滤波器滤掉，三次项产生的基波分量与 第一项中的基波分量相比可以忽略掉。在1 4 式中我们可以看到，二次非线性产物中 二次差拍项的振幅比二次谐波项的振幅大一倍，因而二次差拍项更重要。当系统传输 频道较多时，仅考虑差拍项，并把所有二次差拍项的总和组合二次失真( c s o ) 作为系 统的一个重要指标。比较三次差拍项、互调分量项和三次谐波项，可以发现当各频道 信号的强度相同时，三次差拍项的幅度是互调分量项的2 倍，是三次谐波项的6 倍，可 见三次差拍项对有用信号的干扰比其他两种干扰严重得多。当传输频道较多时，三次 差拍数目明显高于二次差拍个数，所以前者的群集性更明显。我们将落在同一频道内 各频率点三次差拍的总和，称为组合三次差拍( c t b ) 。其产物主要群集在图像载波附 近1 5 k h z 内，而组合二次失真产物主要群集在带宽内其他频点附近。c s o 、c t b 的群集特性是传输频道之间差拍的结果，由传输频道的具体分布决定。 6 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 在评估c a t v 系统失真，通常用c s o 、c t b 这两种干扰，并为了定量的分析失 真对系统的影响，引入了复合差拍比c c t b 和复合二次差拍比c c s o 两个参数。定 义c c s o 为落在被测频道载波功率与该频道内某频点上的所有二阶互调产物的总功 率之比；c c t b 为被测频道载波功率与落在该频道内某频点上的所有三阶差拍产物 与三阶互调产物的总功率。但为了实际测试的方便，行业标准对它们的定义略有不同。 我国广电标准规定用测试峰值电平来代替测试平均功率。它们的定义为： c ，c t b = 2 0 l g c 丽嘉糕黼篙筹m 渤 c ，c s o = 2 0 i g 哂两蔫籍鬻黼嬲赢爵m 固 平时我们所说的c s o 、c t b 就是c c s o 、c c t b 。 1 3 我国光纤c a t v 网络的现状及发展 我国有线电视起步较晚，但发展很快。! 1 1 9 0 年代以来，中国的有线电视已发展成 为世界第一大有线电视网。光纤有线电视网以其频带宽、容量大、双向性、支持多种 业务的技术特点和连接千家万户的优势，成为目前性能价格比最高的、支持图像、数 据和语音为主要内容的宽带用户接入网。近年来，深圳、上海等发达地区的有线电视 台进行了多功能业务先导网试验，现已实验开通的业务有高速因特网接入、计算机联 网、视频点播、音频点播、网上购物、远程教育、可视电话、电视会议、证券交易、 智能物业管理等内容1 4 】。 随着人们对多种信息综合服务的要求日渐强烈以及市场需求的推动，光纤有线电 视网络的发展遇到了前所未有的机遇和巨大挑战，使其必将朝着综合化和数字化方向 前进，同时光纤有线电视全省、全国联网己成为摆在我们面前的问题。 1 3 1 全国联网 光纤有线电视的全国联网具有重大的意义，它不但使地面有线电视网成为卫星广 播电视节目落地分配入户的主要手段，还可以形成覆盖全国的通信大网，为未来在信 息产业中的竞争与发展奠定基础。在光纤有线电视的全国联网中，将分级分层构成网 7 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 络，各省会之间将采用同步数字序列( s d h ) 设备构成一级环网，省内地、州市与省会 的联接将采用s d h 设备构成二级环网，市、州、县将采用模拟设备构成星型网，一些 特大的市州县也可采用三级s d h 环网，再从环网节点开始构成星型辐射模拟网。 1 3 2 综合化 光纤有线电视网络的综合化，即在网络中除传送原有电视节目外，需要对网 络进行升级，实现双向传输，在网络中逐步开通电话、数据增值业务。随着i n t e m e t 的迅速发展和普及，在我国目前电话业务尚未完全放开的情况下，在光纤有线电视网 络中首先实现计算机i n t e m e t 联网将成为突破口，并已开始显示出市场强劲发展的势 头。光纤c a t v 网络的综合化对网络的传输性能提出了较为严格的要求。 一种与光纤有线电视相关的综合网结构是“交互式数字视频”( s d v ) 。s d v 可以说是通信上的“数字接入，与有线电视上的“模拟接入 相结合的产物，即 “光纤到路边 ( f t t c ) 与h f c 相“嫁接 而形成的重叠网络。在光信号传输上数字信 道与模拟信道全分开；在数字光节点处直接引双绞线到用户以开通电话业务，而其他 数字业务则通过调制解调器变成射频信号后与h f c 中广播电视射频信 号一起以频分复用( f d m ) 的方式在同轴电缆中双向传输和分配，h f c 网络并承担对数 字光节点的供电。 1 3 3 数字化 光纤有线电视系统向数字化方向发展适应了社会向信息化方向发展的必然趋势。 随着信息化社会的迅速发展，人们对多媒体技术的关注与日俱增。以数字技术为基础， 把广播、通信和信息除了融为一体，不仅进行简单的图像分配，而且出现了把图像声 音、数据、图形等巧妙的组合起来的多媒体新业务。光纤有线电视网络数字化在接 入网上主要是指业务的数字化，一方面是在原有网络中如何加进数字通信业务，另一 方面是模拟节目源逐渐向数字节目源过渡，前端设备将会发生变化，电视节目源将以 数字信号方式出现，并经m p e g i i 压缩后由调制器变成射频副载波，复用后调制到光 载波上进行传输，而用户原有的模拟电视机需要增加用户机顶盒( s t b ) ，以解调和解 压缩数字电视节目。 8 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 在有线电视网络的数字化进程中，试图全部丢弃原有模拟传输网络，而采用全 新的数字网络，至少在近期是不现实的。更为可行的办法是入户方式由模拟逐步过渡 到模拟与数字相结合，最终实现完全的数字方式。 1 4 论文的主要内容和创新点 本论文的主要内容包括： ( 1 ) 研究了1 5 5 0 n m 模拟光纤c a t v 传输系统的结构。论述了c a t v 系统的演 进、结构、系统指标等。 ( 2 ) 研究了外调制光发射机的机构及其中的关键技术：s b s 抑制技术、最佳偏置 点的稳定技术和发射机中的非线性补偿技术，并初步通过实验验证了通过高频抖动法 ( 用一高频射频信号对输入信号进行调制) 可增加s b s 阂值。 ( 3 ) 研究了e d f a 在模拟传输系统中的应用及其对系统性能指标c n r ，c s o 和 c t b 的影响，在理论分析的基础上进行了大量的试验论证研究。 ( 4 ) 研究了1 5 5 0 n m 模拟光纤c a t v 传输系统中的非线性失真，着重阐述了s b s 效应、色散效应以及s p m 现象。 ( 5 ) c a t v 光接收模块的设计、测试及结果分析。 本论文的主要创新点有： e d f a 大量应用在s d h 以及数字通信系统中，应用于模拟传输系统时，其应用 原理以及对系统性能的影响与用于数字系统有着较大的差别。本文着重研究了e d f a 在模拟传输系统中的应用及其对系统性能指标c n r ，c s o 和c t b 的影响，在理论分 析的基础上进行了大量的试验论证研究。 9 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第二章外调制光发射机中的关键技术 光纤c a t v 传输系统，无论是数字的还是模拟的，其发展目标就是将干线传输距 离延长，实现光纤到路边或光纤到家庭。在具体的光系统设计时，有两种系统可以选 择，即1 3 1 0 n m 系统和1 5 5 0 n m 系统。与1 3 1 0n m 直接强度调制光发射机相比较，1 5 5 0 n m 外调制光发射机不存在c h i r p 效应，光纤系统二次失真和三次失真小，外调制光发射 机配备光纤放大器，输出功率可以超过2 0 0m w ，使得有线电视传输的距离与覆盖面 积大为提高，因此外调制光发射机得到广泛应用。 2 1 外调制光发射机的结构 外调制多路调幅光发射机是在激光器输出激光之后，让其通过一个外调制器，使 激光的强度随外加多路调幅信号电压而改变，目前市场上的外调制光发射机一般都采 用d f b ( 分布反馈式) 激光器f 5 1 。外调制发射机结构如图2 1 所示： 输出1l l 输出2 光检测器 光分路器ii 光分路器h 光检测器 c s oc t b 控制电路 d f b 激光器h 耦合器隔离器hl i n b 0 3 外调制器i 卜一预失真电路 a p ca t c 控制电路l i 调制器温度控制 微处理器控制单元 r s 2 3 2 接口llr s 4 8 5 接口 图2 1 外调制发射机结构简图 1 5 5 0 n m d f b 激光器发射出强度稳定不随时间变化的窄光谱光束，经过光耦合器、 光隔离器和偏振控制器等一系列光路元件，注入l i n b 0 3 晶体制成的外调制器。从有 线电视前端输出的射频信号经过预失真电路( 线性化电路) 及驱动电路后，加到外调制 器的信号电极上，在信号电场的作用下，对光信号强度和相位进行调制。调制器的输 l o 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 出即为随射频信号而变化的光信号，从调制器输出的两路被调制的光信号经两只光分 路器取出，每路的一部分光信号经光探测器解调进入c s o 和c t b 控制环路，从而控制 预失真电路。另外，为了避免温度对外调制器的影响，必须对外调制器进行适当的温 度控制。由于单模光纤的入纤功率过大时会产生受激布里渊散射( s b s ) ，s b s 现象严 重影响链路性能指标和稳定性，为了抑, o s b s ，光发射机中还必须有s b s 抑制电路。 外调制光发射机比直接调制光发射机更为复杂，从图2 1 结构图可以看出，整个 光发射机可分为以下几部分：r f 功能电路、光源模块功能电路、外调制器模块功能 电路、s b s 抑制功能电路、微处理控制及接口电路等。 2 1 1 光源功能模块 光源功能模块是外调制光发射机的核心，它产生恒定波长与恒定强度的激光，以 1 5 5 0 n m d f b 激光器为核心元件，整个电路包括其外围附属功能电路( a p c 、a t c 控制 电路) 及光导通路元件。 激光器工作状态的好坏，直接影响着输出光功率和光波长的稳定。d f b 激光器对 温度的变化很敏感，激光器温度的变化和器件的老化给激光器带来的不稳定表现主要 为：激光器的阈值电流随温度变化呈指数规律变化，并随器件的老化而增加，从而 使输出光功率发生很大变化；随着温度的升高及器件的老化，激光器的电光转换效 率降低，从而使光输出变化；随着温度的升高，半导体激光器的发射波长的峰值位 置移向长波长。为了消除温度变化和器件老化的影响，稳定输出光信号，常采用自动 温度控伟j 1 ( a t c ) 、自动功率控帛t j ( a p c ) 。 a t c 由微型致冷器、热敏元件及控制电路组成。热敏元件监测激光器的结温，与 设定的基温比较、放大后，驱动致冷器的控制电路，改变致冷量，从而保持激光器在 恒定的温度下工作。激光器管芯温度的稳定值一般设定在2 5 。a p c 一般采用控制激 光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳工作状态， 整个控制环路由p i n 光探测器、比较放大器、偏流驱动等组成。p i n 光探测器输出的 微弱电信号经放大，与标准参考电平进行比较，其比较结果输出控制激光器的直流偏 置电流控制晶体管，从而调制激光器的直流偏置电流的大小，整个过程是一个负反馈 控制过程。1 5 5 0 n m d f b 激光器的输出光功率比较低，一般低于1 0m w ，直流偏置电流 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 的设定要根据整机输出光功率的大小来决定。 2 1 2r f 通道功能模块 r f 通道功能电路的作用就是为外调制器提供一个合适的高频激励信号，并且维 持高稳态恒定，其常见结构如图2 2 所示： 图2 2r f 通道功能电路结构框图 r f 通道最重要的功能就是对输入的r f 电视信号放大，为了实现低失真、高载噪 。 比的要求，前级放大一般都采用低失真、低噪声的前馈放大器，后级采用砷化镓功率 倍增模块。为了维持r f 信号的高稳态恒定，该部分电路都采用高精确度的a g c 控制 单元电路。r f 取样功率先转换成数字量并与微处理器设定的标准电平进行比较，电 平的差异由微处理器输出，通过电平控制单元实现电平的自动调整。在实际应用中， 微处理器单元会根据输入r f 信号电平的高低、频道的多少，自动处理r f 驱动功率， 使c t b 、c s o 始终处于最佳值，确保了整机的性能。 与直调光发射机一样，d f b 夕f 调制光发射机也需要进行失真补偿。在各种补偿方 案中，预失真补偿技术因其调节方便，可获得较好的线性化特性，因而在外调发射机 中得到了广泛的应用。预失真补偿是让电信号在调制前进人一个失真与d f b 激光器相 反的网络，使其预先产生一个失真，与调制时产生的失真反相，进行抵消。预失真补 偿可使非线性失真指标改善1 2 1 5 d b 。 2 1 3s b s 抑制功能电路 s b s 功能电路是外调制光发射机的一个重要的单元电路。在模拟c a t v 传输系统 中往往要求光发射机的输出功率或者光纤放大器的输出功率尽可能高，以增加系统的 1 2 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 传输距离，然而对于一条光纤链路来说，最高可用的光功率却被光纤的非线性所限制， 特别是受到受激布里渊散射( s b s ) 的限制，注入光纤中的光功率达至i s b s 的阈值以后， 将产生受激布里渊散射，外调制光发射机光源谱线很窄，s b s 更容易发生。如果在光 纤中发生s b s 现象，大部分的输入光信号功率将在光纤传输过程中被转换成后向传输 的散射光，使激光器的相对强度噪声指标下降，从而降低系统的载噪比指标，而前向 传输的信号光则发生非线性衰减。因此，在1 5 5 0 n m 光纤传输系统中要求光纤的输入 光功率必须保持在s b s 阈值之下，换言之，s b s 阂值设定了最高的入纤光功率。在 长距离传输系统中，我们必须采取措施抑审i s b s ，因而s b s 抑制功能电路是外调制发 射机必须的单元电路。 2 1 4l i n b 0 3 外调制器功能电路 外调制技术是通过光调制器将携带信息的射频电信号与输入光调制器的连续光 载波相作用，获得携带信息的光信号，实现光信号的调制。现有的集成光波导器件中， 铌酸锂光波导获得广泛的应用，它利用晶体的电光效应使电信号一光波相互作用进行 调制。在光纤c a t v 应用中外调制器一般采用马赫一曾德尔( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪强度 调制。对强度调制器的技术要求，除了响应频带宽( 响应速度快) 、调制灵敏度高( 半波 电压低、驱动功率小) 外，还要求调制失真小，这就要求调制器输出的光强与调制电 压间尽可能呈直线关系，但电光调制器的曲线厶一y 只有在上升段的中点附近一小段 区域有令人满意的特性，因此在应用中有两点必须特别注意：在电极上加适当的直 流偏压，把电光调制器的工作点移到厶一v 曲线上升段的中点，并严格保持跟踪，以 对付铌酸锂材料特性随温度的漂移。从外调制光发射机的整体技术含量来看，直流偏 置电流的控制具有较高的技术含量；适当控制交流调制电压的幅度，不使其过调制。 为了扩大可用调制度的范围，可在驱动电路上采用波形预失真措施，以补偿调制器所 造成的失真。 对外调制器的令一个要求是插入损耗低。由于光源的椭圆模斑或单模光纤的圆模 斑与介质平面波导的近似椭圆模斑并不匹配，而且平面波导要求特定方向偏振光波的 入射，光纤偏振态的漂移会造成与平面波导的失配，导致集成电光调制器的插入损耗 1 3 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 偏大，目前带尾纤的外调制器的最小插入损耗可以做至u 3 d b 以下。 2 1 5c s o 、c t b 控制电路 与直接强度调制一样，外调制器也存在非线性失真，信号电压与光强度的关系并 不是线性的，为了对这种特性进行校正，通常都加有预失真补偿电路，以补偿外调制 器的非线性失真，独立的预失真补偿电路虽然能较好地补偿非线性，但也会有残留误 差。为了进一步改善这种失真，一般在调制器的输出中，由光分路器分出一部分光信 号，通过光检波器转换成r f 信号送往c t b 、c s o 控制环，c t b 、c s o 控制环从中检测 出失真分量，在检测出的分量中，利用复合三阶失真( c t a ) 来调整线性化电路，使c t b 失真补偿最佳，同时利用复合二阶失真( c s o ) 分量控制相位偏压状态，对电极进行负 反馈校正。本部分电路相当复杂，如果外调制器光发射机没有c t b 、c s o 控制环功能 电路，而只有像直接调制那样的简单的预失真补偿，整机的性能就得不到提高，就不 能体现外调制器的优越性。 2 2 外调制光发射机中的关键技术 外调制方式用于光纤c a t v 传输系统具有很多独特优点：如输出功率高，对链路 反射不敏感等。另外，外调制方式通过合理偏置，可本征消除偶次失真，得到很高的 c s o 指标【6 1 。但是外调制技术也带来一些问题f 7 】，其中主要有：外调制器的p v 传输 特性是非线性的，会产生较大的c t b 失真；外调制器要加直流偏置电压，存在偏置 点的漂移及其稳定控制等问题；外调制发射机输出功率很高，注入传输光纤中将会 引起受激布里渊散射( s b s ) ；外调制器会带来插入损耗，要求激光器的输出功率很 高。本章就这些问题详细介绍了外调制发射机中的一些关键技术，包括最佳偏置点的 稳定控制技术，非线性补偿技术，以及受激布里渊散射的抑制技术。 2 2 1 最佳偏置点的稳定 模拟c a t v 光纤传输系统使用的外调制器一般是平衡桥干涉型b b i ( b a l a n c e d b r i d g ei n t e r f e r o m e t e r ) l i n b 0 3 调制器，它是在l i n b 0 3 型m z ( m a c h z e h n d e r ) 外调制器 1 4 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 的基础上改进而成的，其结构如图2 3 所示。 b b i 型电光调制器作为模拟调制器，其调制特性对于模拟信号的传输来说至关重 要。b b i 型电光调制器输出两路光强度相等、相位相反的光信号，光强度受 调制电压的控制，其p v 转换关系可以表示为【8 1 p m v i l f 吒 i i i j j 图2 3b b i 夕i - 调制器的机构图 置吲1 + s i n 乏( w ) 】 ( 2 1 ) 其中，咒为输出平均光功率，圪为b b i 调制器半波电压，为直流偏置电压，v 为 i 江调制信号，死为本征相位，其值与调制器结构、两臂的平衡程度有关，并随温度和 比力的焚化而焚化，对应上卜内光纣输出。由上式口j 见，外调制器的p - v 衄线是非 线性的。在c a t v 传输系统中，我们可以设i 强调制信号为个幅度相同、相位彼此无 关的载波信号，即y = 善c o s ( 吖+ 仍) ，若令朋= 万毒，y = 万毒+ 死，利用三角函 数及级数将l 式展开并取+ 得， 尸= 等晶s 咖i = l ( 叫咿等【( 附加咿3 ) ) + s i n 沙 1 一i m 2 【nc 。s ( q r + 仍) 】2 + 。( 矿2 ) ) ( 2 2 ) 若缈= 0 ，则复合二次失真( c s o ) 项消失，此时，= 玉死。 矿 可见若调制器的直流偏置电压满足以上条件，则可以消除c s o 项，此时的偏 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 置点为最佳偏置点。由于本征相位九是不稳定的，因而最佳偏置点也是不稳定的，随 温度和压力的变化而变化。因而必须在