[硕士论文精品]am-vsb调制catv激光发射机非线性预失真研究

摘要摘要半导体激光器是目前的光纤CATV网络中最常用的光源器件。半导体激光器的特性指标对于光纤CATV系统的整体性能影响很大。在对CATV信号进行模拟调制时，一般采用残留单边带调幅AMVSB来调制多路射频副载波，然后由射频信号对半导体激光器进行光载波强度调制的方法。由于半导体激光器是具有阈值特性的非线性电光转换器件，其非线性在多路剖载波信号激励下会产生各阶谐波、互调和交调失真，如果不采取措施加以抑制，会对网络用户的信号接收质量产生严重影响。要对激光器的非线性失真加以抑制，首先需要了解激光器的结构、工作原理和产生非线性失真的机理，然后据此构造能够反映激光器的电气特性和输入输出特性的模型，分析其非线性传输特性，并寻找合适的补偿方法。本文首先讨论了激光器的非线性机理，总结激光器固有的非线性主要是由张弛振荡、增益压缩和空间烧孔引起，另外还受到闽值肖0波的影响。然后讨论了几种对激光器输入输出特性建模的方法，包括用“黑盒法建立与频率无关的静态模型，用等效电路建模法建立动态调制的大信号和小信号等效电路模型，以及用微扰法和VOLTERRA级数分析法建立非线性VOLTERRA传递模型。其中，根据半导体激光器的单摸速率方程建立的大信号等效电路模型可以反映激光器的时域非线性特性。小信号模型可以反映激光器的一阶频域响应。VOLTERRA传递模型可以反映激光器的各阶频域响应。比较了常用的补偿失真方法，重点分析了预失真电路补偿的方法。针对多路载波信号的应用特点，对基本的预失真补偿电路进行了系统改进，在预失真发生器的前后各插入一个线性滤波器，使预失真电路在应用频段内的任意调制频率和互调频率点都能完成对激光器互调失真的补偿作用。重点介绍了预失真发生器的电路实现方法以及频率整形滤波器的设计方法。并对已经建立好的激光器非线性模型进行了仿真实验，实验的结果证明改进设计的预失真补偿电路能够有效地补偿随频率变化的非线性失真特性。关键词；CATV，半导体激光器，非线性失真，预失真补偿ABSTRACTABSTRACTSEMICONDUCTORLASERISTHEMOSTPOPULARLIGHTSOURCEINTHEOPTICFIBERCATVSYSTEMANDITSPERFORMANCEHIGHLYAFFECTSTHEPERFORMANCEOFTHEWHOLESYSTEMINANALOGMODULATIONOFCATVSIGNAL，THEMULTIPLECHANNELRFSUBCARRIERWAVEISPRODUCEDBYTHEWAYOFAMVSBANDTHENMODULATESTHELASERBYOPTICINTENSITYMODULATIONASITISANONLINEAROPTICELECTRONCONVERTERWITHTHRESHOLDCHARACTERISTIC,THELASERPRODUCESHARMONIC，INTERMODULATIONANDCROSSTALKDISTORTIONINTHEEXCITATIONOFMULTIPLECHANNELSUBCARRIERSIGNALTHEDISTORTIONWILLHARMTHERECEIVINGSIGNALQUALITYOFTHENETWORKUSERSUNLESSTHEDISTORTIONISSUPPRESSEDFORTHEINTENTION,JOBSNEEDEDFIRSTLYISTOFINDOUTTHESTRUCTURE，OPERATIONTHEORYANDNONLINEARELEMENTSOFTHELASERITISTHENNEEDEDTHATTHEELECTRICALANDINPUTOUTPUTSYSTEMMODELINGOFTHELASERWHICHCANBEUSEDINANALYSISOFNONLINEARCHARACTERISTICANDRESEARCHOFNONLINEARCOMPENSATION。INTHISPAPER,THELASERNONLINEARELEMENTSAREDISCUSSEDANDCONCLUDEDTHATMAI拄ELEMENTSINCLUDETHERELAXATIONOSCILLATION,GAINSUPPRESSIONANDSPATIALHOLEBURNINGTOGETHER、析MINTERCEPTIONUNDERTHETHRESHOLDSEVERALMODELINGMETHODSOFLASERINPUTOUTPUTCHARACTERISTICAREDISCUSSEDTHEYARETHESTATICMODELINGINDEPENDENTOFFFEQUENCYINTHEBLACKBOX“METHOD，THEDYNAMICLARGESIGNALANDSMALLSIGNALCIRCUITMODELINGANDTHENONLINEARVOLTERRATRANSFERMODELINGINVOLTERRASERIESMETHODTHELARGESIGNALCIRCUITMODELCOMESFROMSINGLEMODERATEEQUATIONANDREPRESENTSTHETIMEDOMAINNONLINEARRESPONSETHESMALLSIGNALCIRCUITMODELREPRESENTSTHELINEARFREQUENCYRESPONSETHEVOLTERRATRANSFERMODELREPRESENTSTHELINEARANDTHENORDERNONLINEAR蠹EQUENCYRESPONSEAFTERCOMPARINGTHEPOPULARDISTORTIONCOMPENSATIONMETHOD,THEELECTRICALPREDISTORTIONMETHODISTHEKEYSTONECONSIDERINGTHEMULTIPLECHANNELSIGNALAPPLICATION,THEBASICPREDISTORTERCIRCUITISIMPROVEDWITHTWOLINEARFILTERSINSERTEDAHEADANDBEHINDTHENONLINEARCOMPONENTGENERATORTHEREFORETHELINEARIZINGCIRCUITCANCANCELOUTTHEIMDISTORTIONOFLASERTHEDESIGNMETHODOFNONLINEARCOMPONENTGENERATORANDFREQUENCYSHAPINGFILTERISPRESENTED。ATLASTITISTHEMODELINGLLABSTRACTSIMULATIONANDANALYSISOFTHELASERNONLINEARCHARACTERISTICTHERESULTISCOMPAREDWITHTHEPRIORSTUDYREPORTANDPROVESEFFECTIVEFORLASERNONLINEARCOMPENSATIONKEYWORDSCATV,SEMICONDUCTORLASER,NONLINEARDISTORTION，PREDISTORTIONCOMPENSATIONIII学位论文版权使用授权书本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字诧或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阏览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为嚣的魄前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名子黾翔律3年3月艿髓同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名7焉，事蔺渺G年弓月FF日第1章引言第II章引言。1课题研究的目的和意义CATV两络是目前囡家最重要的基础通信设施，按照对未来有线宽带网接入方式的主流设想，视频点播业务、常规电话业务以及综合业务数字网业务都可以融入CAIN“系统中以实现“三网合一。因此对大信息容量、高图像质量和长传输距离有了更高的要求。一方面，由于以同轴电缆作为传输媒质存在一些不足1电缆的传输损耗较大，在传输干线上要加入多级放大器每传输凡百米需设置一个放大器，但随之带来的非线性及噪声对系统性能产生直接影响；2电缆干线上采用多种有源和无源器件丽造成系统可靠性不高；3双向传输受上行带宽限制，加之反向噪声在前端累积等函素，造成电缆网的上行传输能力很弱，从长远看，不利于建成宽带交互式综合信息网。而随着光缆系统价格的下降，电缆网的性能价格比已不具有优势。另一方面，随着光纤通信技术的发展，特别是，十年代中精期以来，具有高线性度的、可进行高速调制的激光器和光检测器的研究取得巨大进展，同时单模光纤的技术成熟和掺饵光纤放大器的投入使用，使褥利用光纤传输技术进行多路模拟电视信号传输成为可能。用光缆替代同轴电缆网的超干线、干线乃至支线的传输，使得CATV网的性能大大提高。因此，CATV信号的传输载体由光纤代替电缆也成为必然趋势。目前新建或改建的大中型CATV网一般都采用光纤作主干线，而光纤入户也在迅速普及。时至今日，数字电视代替模拟电视是必然趋势，但由于网前我国的数字电视标准刚刚出台，某些推行条件尚未完备，在广大城乡完全普及还为时尚早。另外，数字光纡通信技术设备复杂，价格昂贵。而且已建成的模拟通信网还继续在国民经济中发挥巨大的作用。于是需要找到一种过渡形式，以适应数字信号与模拟信号的兼容、宽带数字通信网和已有的模拟网并存的通信体制。在可见的未来一段时问内，光纤CATV的模拟传输仍具有价格性能比的优势，具有相当的研究价值，因此本文选择模拟光纤传输系统作为研究对象。目前，光纤CATV模拟传输系统主要采用AMVSB调制方式，该系统将几十路使用不同载频调制的射频副载波合为一路信号送入激光器进行光载波调第1章弓言制。它对光发射机的线性和噪声要求较高。对于光纤传输系统最重要的性能指标包括载噪比CNR、复合二阶失真CSO和复合三阶差拍CT8等，其中CSO和CTB是本文所关注的非线性指标。菲线性失真产生的来源包括激光器的菲线性、光纤色散引起的菲线性、光放大器增益斜率弓F起的非线性。本文关注的是激光器产生的非线性。CATV信号光载波调制有两种调制方式，分别是直接调制和外调制。直接调制是将射频信号直接加在半导体激光器的驱动电流中，利用激光器内部线性的电光转换，把电信号的幅度和相位调制到光载波上。直接调制型光发射机的主要特点是结构篱单、造价较低，但菲线性指标设计难度较大，输出功率较低。外调制是利用某些晶体的电光效应、磁光效应、声光效应制作成调制器，放置在激光器以外的传输通道上，射频信号改变调制器的物理性质并引起光波特性的变化，由于这种调制发生在激光形成之后，因此对激光器的影响不大。外调制方式具有大输出功率、低相对强度噪声的特点，但结构较复杂，造价昂贵。本文选择直接调制方式作为研究对象。正如蓠文所述，直接调制方式对激光器的非线性性能要求较高，而一般实际的激光器无法满足指标，故需要设计校正系统对激光器的非线性进行补偿，在多种菲线性校正系统方案中，最为常用的是电子预失真补偿。相比光学补偿和其他电补偿方法，预失真具有硬件电路结构简单，成本低廉的特点。如果电路设计合理，在系统的主要性能指标上都能达到非常好的效果。本文在总结前人的预失真系统设计方寨的基础上，对系统的建模和分析方法加以改进，对预失真系统结构进行更为细致的研究，并提出具有一定创新性的设计方法。12国内外研究现状上世纪七十年代初，低损耗光纤和半导体激光器诞生之后，国内外对光纡通信技术纷纷展开研究。1987年美国ORTEL公司推出世界上第一套光纤CATV设备，随后光纤CATV很快发展起来，到九年代初实现商用。我国对光发射视线性化及技术的研究紧紧跟随国外。我国在二十世纪九十年代就自主研发出可以传输47路的光纤CATV传输系统，但还没有引入线性化补偿技术，而此时从国外进口的光发射机均具有预失真补偿电路。1996年，南京邮电学院光通信研究所以光纤CATV发射机线性化技术申请、江苏省科委“九五“攻关项遐，此后2第1章引言我国对光纤传输系统的线性化技术研究才进入实质阶段。国外学者对激光器的理论研究较早关注于1310NM光载波直接调制方式。这是因为动态单模半导体激光器的闷世以翦，普通结构的FP腔激光源在高速调制状态下对光纤的色散极为敏感。普通单模光纤在1310RIM波长上色散最小，故不需要考虑色散造成的光脉冲畸变，只要对激光器本身的非线性进行补偿即可。随着零色散位移光纤、分布反馈式DFB半导体激光器、分布布拉格反射器DRB半导体激光器的问世，光载波调制不再受到色散的严重困扰。因此，研究的重心从色散限制转移到衰减限制。由于单模光纤的最小衰减出现在1550NM波长，因此国内外研究的重点逐渐转向1550RIM光载波钋调制技术。到目前为止，国内外文献对于高速调制的半导体激光器非线性特性采取的主要分析方法有两种。一种方法是从激光二极管的单模速率方程出发建立数学模型，根据激光二极管的物理特性提出边界条件以简化求解过程，导如非线性失真的近似公式或求出数值解。这也是国内外学者主要采取的研究方法，其代表文献是CYKUO于1992年发表的研究成果。CYKUO对半导体激光器非线性产生的几种机理增益饱和、弛豫振荡、空间烧孔都进行了数学建模和定量分析，并与实际的测量数据进行了比对。另一种方法是根据对现有的激光器的工作状态进行实际测量，然后对测得的数据进行参数提取和曲线拟含，直接得到系统的A线性传输函数。在预失真系统的设计方面，几乎全都采用加上合适直流偏置的肖特基势垒二极管分别产生二阶和三阶非线性失真，再用可调衰减器和移相器调节非线性失真的幅度和相位，抵消掉激光二极管或调制器产生的CSO和CTB。但实际上采取的电路结构千差万别，能够达到的效采也有不小的差异。国内在非线性失真的分析方法和预失真校正电路系统设计方面基本依靠延续国外的理论研究成果，部分文献提出了自己的实际系统模型，大多是以应用为目的，通过对实际系统直接测量，将实测数据进行参数提取和曲线拟合。这样的设计成果效率低，通用性差，且不够准确。因此找到合适的数学分析方法并建立准确的模型，提出有一定普遍指导意义的系统设计方案，仍然是具有研究价值的方向。13本论文的内容安排本论文主要研究CATV光发射机中半导体激光器的非线性效应建模并提出第1章引言颈失真线性纯系统麴设计方案。委文共分六章第二章莒先介绍了嚣受激糍发射机核心器件的半导体激光器的糕本工作琢理以及主要类型，然焉介绍了巍接调制的CATV激光器发射机的基本结构。第三章分析TAMVSB调制CATV系统率半导俸澈巍器熬嚣线整效应产生嚣撬理霸主要蔑藐指耩。第霹章介绍了三种利用通用的电路仿真软件和数学分析软件对DFB半导体激光器进行等效电路建模的方法，并分别在时域和频域上进行非线性矜析。第五章介绍各种光魄补偿激巍器霉线性戆方法，分褥了基本预失真铃嫠邀路麴燕理秘缺隆，荠钟对浚麓对基本预失奏遥路魏缝穗弱双敬迸，最蓑避邋仿真实验验诞了改进预失真电路的补髅效采。第六霉总结了论文宠成期闻掰彳乍的工作和成聚，并对未来的研究方囱进行了展望。4第2章直接调制的CATV激光发射机第2章直接调制的CATV激光发射机21半导体激光器的工作原理2。1。1半导体激光二极管的基本工作原理半导体激光二极管是光纤传输网络中的主要光源。半导体激光二极管主要是一个前向偏置的PN结，N型和P型半导体由掺杂杂质原子形成，随着掺杂级别的提高，位于半导体带隙间的准费米能级将发生移动，N型移向导带，P型移向价带。因为费米能级在热乎德下必须是连续的，所以电子和空穴必须通过旷N结进行扩散，而电离的杂质产生了一个内部的电位差，形成耗散区。当在外部给旷N结加上正向偏置的电压时，内部电位差降低，从而产生电流。同时出现在耗教区的电子和空穴可以重薪结合产生辐射，通过自发辐射和受激辐射过程产生光子。自发辐射是一个非相关的过程，光予随机发射到各个方向，彼此之间不具有相位的相关性。受激辐射是一个相关过程，发射的光予与激发光予具有相同的能量，传播方向也相同。图21双舜质结中有源朦同时限制载流予和产生光模式的示意图上面所述的是同质的旷N结，实际使用的激光二极管一般都采用异质结的半导体结构。异质结就是在P型和N型半导体之间插入一个薄的半导体层，它具有与包层相同的晶格常数，但带隙较小，折射率较嵩，称为有源层。有源层具5第2章壹接调制的CATV激光发射枫有两个熏要功能1南子在有源层搁榴邻层之闻存在带隙麓量差，所以可以限制电子和空穴，在PN结附近保持一定的载流予浓度。2幽予有源层的拆射率鲍包层蔫，所以可以限制光的模式。图21是在蔽异质结D胁中，有源层同时限制毫蘅载流子和产生酶光模式的示意匿珏3。212受激发射产生的条件势了获得受激发射光，登须满足两个条孛1载流子反转分布条件。简单的说就是要求处予高能态导带的电子密度足够大，处于低能态价带的空穴密度足够大。要求发射光子的能量必须大子带隙缝量，同时小予导带和侩带中准费米能缀的能量差。乓面。了勃2II赢2“其中勘称为差分量子效率，用来衡量激光器把电能转换为光能的效率，是反射镜的损耗。差分量子效率可以表示为露N臻。坚业212锡2瓦青桶口_2其中是PN结的内部量子效率，表示载流子的辐射结合速率与总结合速率的比。随着工作温度的增加，内部量子效率会由于激光器中非辐射结合和泄漏电流随湿度指数增加的关系而降低。因此锄会随温度的增加而降低。墓，羹，霉850LL辩瓣DC屯溅“，图2413岫INGAASPDCPBH激光器在不同温度下的PL曲线24直接调制的CAW激光发射机的基本结构24。1DFB激光器发射机的系统结构在2。2节对各种激光器类型的介绍中，DFB激光器具有较高的波长稳定性、良好的光谱和噪声特性、快速频率响应特性、合适的功率输出、技术成熟、成本低等特点。能够满足有线电视光传输网络对光源的各方面性能要求。因此，DFB激光器是目前的光纤同轴电缆混合HFC有线电视网络和未来的密集波分复用DWDM有线电视网络中下行和上行传输的主要光源。圈25是一个典型的壹接调制DFB激光发射机的基本框图。它包括三今主要第2章直接调制的CATV激光发射机豹子系统1谤|频翦端部分，它负费在射频信号输入到激光二极警之翦把信号放大到合适的幅度。它由带有各种衰减器和射频功率检测器豹一个或多个静凝放大器组成。2激光二极管部分，包括激光二极篱模块以及控制其工作点所需翡毒动增益控嘉LAGC、线性乏电路、鲁动功率控制APC季11裔动温度控制ATC等电路模块。3微处理器控制器子系统，该系统用来控制激光发射机的所有关键和附属功能。圈25宣接调制DFB激光发射机的基本框豳篷AGC电路受微处理器的控制，其功缝是保持每一个信道的射频输入电平合适丽且固定，竣达到最娃的工作效采。线性他电路抑翻了激光器产生的非线性失真，以满足光输出信号的传输要求。ATC电路控制电热敏制冷器TEC，用来稳定激光器工作的温度。微处理器的作用首先是调节射频驱动信号的工作点和增益，并把最佳工佟点存储在菲爨失性存储器中，保证发射祝的最娃蠖能。另磐，微处理器要把激光发射视静状态通过井部的状态益测系统如报警指示器和前面板箍示报告出来。2。4。2激光器二极管的驱动电路为了使激光二檄管讵常工作，需要设计个激光二极管驱动电路，也就是上一节所提到的射频时端部分，它的主要作用是把已调制的射频载波电压信号12第2章寓接调制的CATV激光发射机转换为能够有效驱动激光二极管工箨的电压或电流。根据调铡方式静不网，驱动电路又分为连续波CW驱动电路和脉冲驱动电路。AM调制的有线电视激光发射机使用连续波驱动，两采用WDM技术的SDH传输网络就需要使用脉冲驱动电路。由于应耀的领域不褥，这两种驱动电路的结构特点窝性麓要求有所差别。连续波调制的驱动电路结构相对比较简单，一般由甄配网络和激光极管组成嘲。连续波调铡对驱动电路的性能要求包括链路损耗、频率响应平熄度和带宽。激光二极管的静态阻抗与驱动信号源的输邋阻抗褶眈很小焉显基本是纯隧性的，如果蛊接把射频信号耦合刭激光二极管主，会产生缀大的反射损耗氍驻波，因此需要在信号源和激光二极管之间进行阻抗匹配。如果用最简单的电阻匹配，将会造成棼常大豹损耗，因此应该采用有源匹配嬲络。有源匹配潮络一般应该采用具有足够大熙线性增益帮低嗓声系数的放大嚣来设计，比翔高电子迁移率器体管HEMT或PHEMT。但是这类晶体管的输入阻抗中都含有很大的容抗，会直接影响到带宽和频率晌应的平坦度。因此还要必放大器豹设计输入匹配藤络和缀闻INTERSTAGE匹配网络。连续波驱动电路可以等效蠹一个在工律带宽内具有恒定跨导的压控电流源，同时需要设计恒流源为激光二极管提供偏置。脉冲驱动电路用来产生数字驱动信号133361。概念虽然简单，但是结构比较复杂，数据速率键高时设计难度也毙较大。脉冲调制驱动器豹性缝要求包括满是超高速靛数据速率P1GBPS、低功耗和低成本。数字脉冲信号常采雳差分的形式传输，因此需簧采用差分驱动电路。基本的差分驱动电路由输入缓冲级、电流开关级、参考电流源、调制电流源和偏置电流源组成。在制作集成电路时可以采用HBT、EMOS和BICMOS等半导体制程。考虑到性麓和成本，推荐链用HBT进行电路设计，因为它的带宽较宽，电流密度较大，可以使用较少的放大级数达到要求的驱动能力，减少信号的时阀抖动，还可以降低功耗17】。一般输入缓冲级常采用有源负载的射极跟随器结构，电流开关级采用差分对管放大器结构，电流源采震电流镜结构。其中参考电流源是为了调节偏置电流源和调制电流源丽设计。2。4。3激光发射枕的性麓要求为了满足多个AMVSB调制载波信号在有线电视网络中的正常传输，激光发射枫必须符合有线电视信号的传送要求和环境条件。对于DFB激光发射机有以下13第2章壹接调制|鬈CATV激光发射视性能上的要求L习1具有边模抑制比高30D8的单纵模。边横抑制比SMSR定义为在最坏反射和全调制条件下，主纵模光功率强度与最大边模光功率强度之比的对数，以DB为攀鬣。用来衡量单模激光器麴模式选择性麓。2县有高的差分量子效率的输出光功率。关于差分量子效率参见2。3节212式。3相对强度噪声低RIN16DBRF信号输入端口工作温度O500C15第3章髑副载波露接调制光纤繇科系统的性能分析第3章AMMLJ载波直接调制光纤CATV系统的性熊分析3。1光纤CATV系统的噪声性熊3。毙纤CATV系统嗓声的主要来源光纤CATV系统噪声的主要来源包括1热噪声。由于光电子在光电二极管负载电阻上作隧机热运动，即使在外翔邀魇羚零时，也产生电子豹随机起茯，这种附加的嗓声成分鄙势热噪声。热噪声功率为N,H4KTNRB恐31其中叠是蒋置放大器的输入电阻，嚣是一个频道躺系统带宽，筘是翦置敖大器的噪声系数，是绝对温度，K是波尔兹曼常数。2数弹嗓声。散弹噪声是由予光接受检测器件中的光生电流的随机性丽孳|起的噪声，它围绕着一个平均统计值两起伏。散弹噪声的功率为SHOT2QIOK露2其中窜是电子电荷，厶是平均光电流，K是光检测器的暗电流。由于K远小于厶，故般可以忽略检测器暗电流的影响。3相对强度噪声。褶对强度噪声RN是毒予在半导体激光器孛，叁发辐射光予攘猁受激辐射建立起来熬楣干场中，隧梳干扰摆于场的捆经和幅度焉产生的噪声。强度噪声功率为露L萨1V腕VB03其中揪是相对强度噪声系数。PDN的太夺与许多因素有关随驱动电流豹增大丽减小；与调制频率有关，在张魏振荡频率附近明显增大；在给定频率下，设光功率为P，如果光功率较低，RN随P。的增大面减小，如果光功率较高，RN隧，酶增大雨减小。另并，壶予系统中从宠纤不连续点如活动连接器或光纤接头反射到激光器腔体内的光或不连续点之间经过多重反射的光会造成非常严重的RN噪声。16第3章M副载波真接调制光纤CATV系统的性能分析3。1。2载噪比载噪比是一个频道中载波功率与噪声功率之比。如图3。L所示，当一个频道的射频载波电流流过激光器时，激光器的输出功率变化和相应光探测器的输出电流变化分别为尹TPO1MCOS2NFT舻IPTIO1MCOS2RCFTE,EO，1MCOS27RFT】卜，】、7其中，Z为载波频率，M为光调制度，厶贼，为平均光电流，曼为光探测器响应度，昂，为平均接收功率，它与平均发送功率的关系为一照嚣，嚣10如P。5其中，廖为光纤损耗系数，五为光纤长度。”、一J夕LPRL磊|冀燃专图31激光器强度调制输出特性系统载噪比为委所露一、。O微2丽晒酉毛万丽两而364删FB|RL2QL各BL；1秽“黜B、式中分子为副载波功率，分母第一项为光接收机热噪声功率；第二项为光探测17第3章趣翮载波赢缓调涮光纤CATV系统的性能分析器光电转换的教弹噪声；第三项为激光器耦对强度噪声。严格缝讲，还有互调噪声功率和光纤弓|起的噪声。因为程CATV系统中二阶互调失真和三阶差拍失真所代表的互调噪声功率对接受图像的影响表现为网纹，不同于热噪声、散弹噪声释相对强度噪声萼|起豹影响雪花，故焉另外两个技术指标CSO和CTB来衡量互调嗓声。光纤引起的噪声则因为简单起见可以忽略。由式33可知，光纤CATV系统的噪声主要考虑热噪声、赦弹噪声和相对强度噪声。系统载噪沈随光链路损耗增加瑟下降豹交纯速率取决予哪耱噪声占主导地位。根攥计算翱测量，当光链路损耗在915DB时，光电转换的散弹噪声在总噪声中起主导作用；当光链路损耗过大时，热噪声的影响箍著；当光链路损耗较小时，激光器相对强度噪声的影响变大。赉式33还可戮发现载噪院与光调剃度嬲的平方戚正毖。这意味着为了获得足够高的载噪比，除了需要合适的接受光功率外，还必须选择足够大的光调制度。但是非线性失真CSO和CTB会隧着搬的增加丽增大。结聚导致CNR和CSO、CTB构成了AMVSB光纤传输系统鲶一对主要矛詹，需要靠折衷选择搬来解决这个矛鼹。3。2巍纤CATV系统的非线性失真321非线性失冀的系统分析在调幅类多频道传输系统孛，系统的嚣线性失真表现为各令载波的互调差拍INTERRNODULATIONBEAT和信号的交叉调帝XJCROSSMODULATION。任何一个实际的传输系统其输入输出特性都是非线性的，激光发射机也不侧终。当多个频率的调幅副载波递过非线性系统时，藏会产生薪熬频率分量。假设鱼接调制熬激光器传输遁数炎Y一苁磅，宅在工作点附近连续。令XX0艇，炙|J可以把传输函数用泰勒级数展开式表示。当输入增量触足够小，该级数展开式可以只敬到三阶顼，其简化形式为Y磊敏G戤2G数Y够。7假设输入信号增量为具有三个不同载频的余弦信号之和缸拳4COS2ZTFLT呜COS2，RF焉COS2NF3818第3章AM副载波赢接调制光纤CATV系统的性能分析将式35代入式34并作三角函数变换，就得到输出信号的各分重。线性分量Q4COS2ZF,TC,4COS2，RF2TCI蔫COS2NF3T二阶失真分量包括直流分量三1C。，2三1C。2三1乙呜2二阶谐波分量三1乙囊2S4露Z。J1乙氆2C。S4万AF三Q鸳C。S锄焉，二阶互调分量G4鸣COS2，RF,五弦】G4名COS2五L五溯C24坞COS27RF2六F】三阶失真分量包括三阶谐波分量I1C，3COS6万静II乙，呜3C。S6刀石F言C3名C。S6，RF3D三阶互调分量三G彳4C。S【2筇2Z五R】云C3群呜C。S【2万2石五F】言C3名4C。S【2万2F2FOF】言C3名呜C。S【2万2F2石F】言C3鬈4COS【2万2AZF】三C3鬈呜C。S【2万2A五嵋三阶差拍分量昙C3444COS【2彤石厶五妇Z三阶压缩扩张分量I3乙，432万力詈G4COS2硝磊，；3。，呜3C。S2筇ZR兰阶交叉调制分量19393103。113123章矮浏载波齑搂调锚光纤CATV系统酶性能分析吾C34鸳COS2万席吾G4管C。S2万砟3G4ACOS2万五，要G4鸳COS2ALF317吾G鸟管COS2荔五吾G呜奄EOS2窍五F圃样的分析方法可以推广到具有N个频道的传输系统，输入频率为，F2，F3，F。其非线性失真具有以下特征1产生了新的直流分量；2原有频率成分的幅度受到了不同程度的压缩或扩张；一3产生了许多新的频率分量如表31所示。这些频率分量可能落入原有的信号频道中，对有用信号的传输产生背景于扰，在AMVSB有线电视系统中表现为电视机屏幕上患现踺纹或斜纹，严重影螭收视质量。表31N个频道载波通过非线性传输系统产生的新的频率分量失龚分量来源频率表达式产生数量二次谐波2F,，IL，2，3NN二阶互调Z，I，JL，2，3，N，I筝，NN1三次谐波3F,，待L，2，3，NN三阶互溺2F,力，I，歹笛L，2，3，N，IJ2NN1三阶差搠Z五，I，歹，KL，2，3，N，I歹K2JNN1一24产生了对原有信号载波的交叉调制。由式317可知，频率为疋的载波幅度原来为4，现在变成了3C34鸳管2，受到了频率为五和Z的载波信号的调制，实际表现为被收看节目受到其他频道的图像、声音的干扰，出现串台现象。有时干扰频道的水平同步信号在欲接收的图像萄面土翻转，成为一个垂宣自条，而且左右移动，称为“雨刷干扰弦。5所有二阶失真产物的大小与系统传输特性的二阶失真系数C成正比，所有三阶失真产物的大小与系统传输特性的三阶失真系数G成正比。为了限制非线性失真，可以通过采取适当的非线性补偿措施尽可能减小G、E。第3章AM副载波赢接调制光纤CAIV系统的性能分析322非线性失真指标1组合二阶互调CSOCOMPOSITESECONDORDERINTERMODULATIONCSO定义为落在被测信道内某频点上的所有二阶互调产物的总功率与该频道载波功率之比，单位DBC。或者等效定义载波组合二阶互调比CCSO为被测频道载波频率与落在该频道内某频点上的所有二阶互调产物的总功率之比，单位DB。由予模拟CATV的频段为5秘55嘲，这么宽的频带内二阶谐波和二阶互调分量都可能落到工作频道中去，对正常的电视信号产生干扰。但是一方面，只有低频段的二阶谐波才能够落在工作频道之内，丽低频段的非线性失真远远不如高频段的非线性失真影嚷显著。另一方面，在频道数N很大时，由表31可知二阶互调分量的数量远远大于二阶谐波的数量，而且由式311312可知，当各个频道输入载波的幅度相同时4篇44，二阶互调分量的幅度是二阶谐波分量幅度的两倍。二阶互调分量是二阶非线性失真的最主要部分，因此把二阶非线性失真指标称为组合二阶互调。2组合三阶差拍CTBCOMPOSITETRIPLEBEATCTB定义为落在被测频道内某频点上的所有三阶差拍产物和三阶互调产物的总功率与该频道载波功率之比，单位DBC。或者等效定义载波组合三阶差拍比CCTB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和三阶互调产物的总功率之比，单位DB。幽表31可知，当频道数N很大时，三阶差拍产物的数量远远大于三阶互调产物的数量，两且由式314315可知，当各个频道输入载波的幅度相同时，三阶差拍分量的幅度是三阶互调分量幅度的两倍。三阶差拍分量是三阶非线性失真的最主要部分，因此把三阶非线性失真指标称为组合三阶差掐。在实际测试时，为了方便起见有关行业标准对CCSO和CCTB的定义略有不同。例如，用测试峰值电平代替测试平均功率。另外，落在一个频道内的CSO、CTB产物是成簇出现的，一个频道内有若干簇，各簇中的产物数量不等，测试中应选用产物数量最大的簇作为衡量系统性能的依据。3交叉调铝1CMCROSSMODULATIONCM定义为被测频道载波上需要的调制信号幅度峰一峰值与从其他频道转移过来的调制信号幅度峰峰值之比，单位DB。规定测量CM时调制信号为电视行频方波或正弦波，调制度为LOO。21第3章勰副载波煮缓潲销光纤CAIV系统的性能分拼3。23光纤CATV系统中菲线性失莫的来源光纾CATV传输系统中，鼍线性失真的来源有以下足个方面F8J1激光器固有酌菲线性；2激光器P。L越线的菲线性；3激光器毒于存在闺值毫流焉产生酶削波失真弓L越的非线性；4光纤色敝和反射弓I起的菲线性；5光探测器和FI置放大器引起的非线性。AMVSB直接调制光纤CATV系统中的菲线性失真的主要来源是激光器憋J线性，其次来源予光纤色散和反射，最后来源予光探测器和前置骏大器鹣毒妻线性。一般情况下，光探测器和翁置放大器的非线性指标比系统菲线性指标低LO疆左右，光纤以及各个光节点的反射可以控制褥很小，两且工作于1310RIM波长麴蛊接谰剃系统其光纤靛色散很小，对菲线性舱影响也镶小，可黻忽略不计。因此整个光链路的非线性指标主要取决于光发射机。3。3激光器的菲线性分祈331激光器非线性的成因激光器非线性的戒因包括1激光器的张弛振荡。与张弛振荡相关的IS线性是有源区内电子与光予相互作用的J线性所致，当调制频率接近器件张弛振荡频率时，调制参数与调制频率的线蛙关系变麓，这是与频率有关的动态J线牲失真。2激光器腔内的增益与损耗。这是由于有源区增益压缩因子作用，使增益与光子密度呈非线性，进而导致增益与损耗的非线性，这是与频率无关的静态非线性失真。3有源区空闻烧孔。空间烧空是指由于鸯源区分寿反馈光撵的反射特性不均匀，使光子密度及载流子密度在有源区分椎不均匀的现象，它也使P1隧线呈非线性关系，与频率无关。G激光器静漏电流。壶于激光器疼部药结构缺陷造戒的漏电流，馊褥输出光功率与注入电流呈非线性关系，这是与频率无关的静态非线性失真。5削波失真。激光器本身是阂值器件，当传输的频道数较多时，多路信号叠加丽形成的驱动电流瞬时傻小于阈僮时产生削波失真。第3章AM副载波直接调制光纤CATV系统的性能分析激光器的非线性可以从三个方面分析静态非线性，动态菲线性和削波弓L起的非线性。332静态菲线性激光器的腔内增益与损耗作用、空间烧孔效应和漏电流引起的菲线性与调制频率无关，可以从PI曲线出发分析这种静态非线性。激光器二极管工作在闽值电流以上时，设驱动电流IT毛XF，其中毛为偏置电流，XF是N个幅度为，、频率为五、初始相位为或忍L，2，3，N的图像载波的合成信号XTZICOS2，RLT0318输出光功率P与注入电流JF的关系在偏置点附近展开为泰勒级数，可表示为删只喜两1万DKP协FF一厶R319其中嚣为对应偏置点涪五的直流光功率。将式318代KIT的表达式，再将雄代入式319，可以得到第I个频道的CS0和C稻为CSOD吒警2320吣吒譬321其中P、P、，分别是激光器PI曲线在偏置点的一阶、二阶、三阶导数，G。、G，分别是落入第I个频道中的二阶互调产物数量和三阶差拍产物数量。M是一个频道图像载波的光调制度，MIZ6一毛。毛为阂值电流。由式320321可知，对于确定的阈值电流、偏置点和频道数，激光器的CSO与M2成正比，CTB与M4成正比。比例系数由壹流光功率、激光器PI曲线的各阶导数以及互调、差拍产物数量决定。在理论上，如果个频道的载波信号同时输入激光器，产生的二阶互调项ZZ的总数为组合数【21一2】NN12，因为Z乃乃Z。产生的二阶互调项ZZ的总数为哚雩2NN12，因为假如Z一无0，那么ZF,RVGGONTNO擀1SSF3。34第3章烂尉载波巍接调剿竞纤CATV系统熬性麓分橱冀孛豁隽光增盏系数，R隽光学限制嚣予，舞群速度，瓣受遴嚷载瀛孑密度，秽为增蓣压缩因子。注入电流、宥源嚣载流子密魔和光子密度可戳用以下形式表示；I0攀LOIEM移35P掣NONEIX336S，桊SO嬲删337其中如、魂、岛分别为注入电流、有源区载流子密度和光予密度的静态值平均值，拶隽谭刺频率E撼335337式代入332够33式，并忽略LANGEVIN嗓声顼，褥到调剩注入毫流I、载淹予密度N露光子密度S在颏域上酶关系。伽，S洳一Q魏黑壤弦热翮。3鸯芦南加弦毒摊如Q歹婶3辫箕中毒蔫鲁爱，II嚣I1呐婢聋9芯毋N繁FT镕称为激光器莳张弛搬荡频率。0。3S3，3式巾一输解琏洳、蕞细对应戆臻帮绞海热LCIEA0臻；弦IJ，EA，臻挈菇除瓣致鳓、SAJCA耄L对应酶建窝娆为热溉寺Q赫甓俩磅10具有随机初相位的图像载波合成信号看作一个零均值平稳高斯随机过程。这里采用相关函数分析法研究削波失真对CSO和CTB的影响。假设激光器阈值附近的输出光功率曲线可以表示成PCZ，X厶一葚2三ZJE358，其中S是PL曲线的斜率，乞是偏置电流，厶是阈值电流，X是输入到激光器的多频道载波合成信号XFISIN2ZRFT0359其中I、五、最分别是副载波幅度、频率和随机相位。可以证明，当10时，XF可看作是一个零均值、方差是仃2N122的高斯随机过程T91。由于是高羝过程，激光器输出的自相关函数和输入的冬相关醺数的关系可以用幂级数表示为聃喜K击蹿掣3卿L托D其中魂定义如下魂吉，X峨言去P一参出一言EPX吼言协361其中吼和哦分别是后阶HERMITE多项式和K阶HERMITE函数。X的自相关函数是足F11_12COS2，RLF3。62把358表示的联X代入到坟的定义式，褥到各阶魄的表达式怕去E寺去【1E坝击】363第3章M副载波宜接调制光纤CATV系统的性能分析穗刮L咖击】3。64其中去2称为均方根调制指数，蒯啊和啦分别是误差函数和误差补函数。把坟各阶表达式和362式代入360式，可以分别出RF展开式的偶次项和奇次项计算也CSO和C鼹。第F个频道的CSO和CTB分别表示为嘲2印，嘉告172等哮一吾删2垡稍65，口一去啦去22矿吣2夸S；巴TT7哼I_争筝小辨一2等，B6国口一ILEN妖瓦1”掰其中片是基波功率，、罡分别是二阶互调失真和三阶差拍失真功率。筠方校调翎指数图3277个频道受荷下CSO秘C码与均方根调制指数塾的关系图32表示出了均方根调制指数为不同值时，AMVSB调制77个频道的NTSCST式CATV光发射机的CSO和CTB性能。由图可以表明CSO和C113是的密切相关的函数。如果要求CSO和CTB优于60DBC，必须保持在0254。30范围内，随着的增大，CSO和C强性能不娅劣化。图3。334表示固定时CSO鞫C他31O毫M卜。，O臼与频会变小，道数之间的关系。化，与频道数基本无由图可见，当值固定时系统的CSO和CTB基本上不关。但是，随着频道数增加，单个频道的调制度磁减又会对载噪比产生影响。仓雩V8信遒窑量N图33不同H值FCSO与信道容量N的关系；茹口。31十垆旬2B间25尸警信遒容量N图3。4不同驻僮下CTB与售道容量N的关系32第4章半嚣体激光器甚基线性炎寞特性的瞧路模拟第4章半导体激光器非线性失真特性的毫路模拟4，半导体激光器电路模拟方法概述辍据第二章鹣奔缨，撵为本文主要褥巍对象熬DF瑟半导体激巍器是巍电子集成器馋，包括驱动电路、激光二极管翻光纤等缝成都分。翔聚考惑到接受端，还要包括光放大器、光检测器和输出放大器。研究和设计这样复杂的系统，壤壹接的方法就是利用计算魂辅助设计对巍电子集成电路O嚣LE进行模拟，预测电路牲戆，验证设计的委确性。对激光器的特性进行理论研究常使用的方法是建立数学模型，漉程一般必编写程序、数值计算、输出结粟、编辑和作圈显示。这釉方法的不便之处在詈董建模翻编程时阕长，毽为瓣票参量帮条释鞘瓣嶷动，都要大量瀚数学推导和改变程序；穆臻鑫啦结累的编辑和撵銎显示氇需要编程3不能将驱动嗷路、光纤、激光二极管放在一起系统模拟；4一般无法被他人重复。翔巢只是对理论结果进行一般性楱撼和验证，更为便捷瓣方法是利用现肖邀鼹傍囊较静瓣激光器进行窀路缀模撅。电路待囊较辞放凄现发震戮现在，功能已经十分强大，性能也网益完善。比如著名的PSPICE电路分柝软件以及以SPICE为内核开发豹ORCAD等专业电路设计软件，利用这些蔓具可以很方便地进行电路建摸、设嚣待真条粹、进行宣流、交流、时域瞬时分析和颓域失真分析。如果想剩角现有软佟进行精确有效的模羧，酋先需要根据理论研究成果蒋仿真软件的实际特点构造较为准确的激光器模型，确定激光器等效电路中等效元件的值。释前鬣内辨已经在激巍器模型开发上徽了大量的工作，开发出多种实用馥模型，诸如本薤激光器模型器OL、阕值下麓激光器模型洲、枣锖号激竞器模型泌13】、大信号激光嚣模型114L。这些模型以使用在现有电路鐾粪软譬巾，进行时域和频域的矜折。翔聚要求所建模型液雳程OEIC器件的精确设计上，仅仅利用现有电路模拟软静就缀难满足要求。陵荛确定等效毫鼹帮等效嚣佟值变褥非常塞额，也不够准确。这就嚣要开发专F1的OEIC分析软件，蠛者将OEIC模型寻L入具有姒ESF飘零器件模数能力的奄路模拟器。在OEIC专门分析软件的开发方面，我国学者作漱第碡牵半导体激光器线性失真特性的电路模拟了大量酌贡献，研究成果在国际上瞧居于领先水警。吉林大学的陈惟友等人开发的OEIC通用模拟糕序借鉴了国外学者关于激光器大信号模型的研究成暴，以考虑了载流予横向扩散及非线性效应的激光器单模速率方程为基础，采用电路分析中处理赣能元件的瞬态斧随模受法，攮导出较为简单豹激光器模型，其中包括折射率光栅DFB激光器模型、具有内部相移的DFB激光器模型、吸收光栅增益耦合DFB激光器模型，适用于阂值特性分析、直流特性分析、动态调制特性分析以及更为复杂的电路行为分析。上述对激光器麴电路模拟方法般具有以下的特熹。首先，都需要建立摇述激光器行为的单模速率方程，从速率方程出发根据激光二极管的物理特性提出假设以简化求解过程或者简纯模型；其次，由于光电子器孛既涉及光学量也涉及电学量，为了使用电路模拟技术，在构造OEIC电路模型时，都需要用电学量取代光学量。上述电路模拟方法的区别主要表现在穗个方蕊1构造模型是利用速率方程直接求解的数僮方法，还是裂用速率方程表征为由线性电路元牛组成的等效电路模型；2构造模型是关注予激光器的溺值、壹流等静态特性还是关注激光器的稳态频域响应、非线性失真、噪声等动态特性。本章将介绍如何铡用速率方程把DFB激光器袭征为等效电路模型，其中包括静态模型和夸信号、大信号动态调涮模型。以及如何使雳这些模型进行激光器非线性特性分析。毒2DFB半导体激光器静态模型的建立稠非线性分析421DFB半导体激光器静态建模方法描述从信号分辑的角度，可以将激光器翳输入输出关系等效为种信号变换，即将电子数输入信号变换为光予数输出信号，如果用宏观参量电流和光功率作为这个变换过程的激励和响应，可以用输入输出映射函数来表征时域和频域主调制激光器靛信号传递和变换关系1221。激光器韵裴线性失真也是在信号交换中产