光发射机的射频激励和核心控制功能电路

1、光发射机的射频激励功能电路光发射机的任务是把从前端送来的高频电视信号变成光信号,使其能在光导纤维中传输。光发射机按照调制方式来划分有调频、调幅和数字调制等多种。目前用得最多的是多路调幅光发射机,在调幅光发射机中按照强度调制的方式不同又分为直接调制光发射机和外调制光发射机。直接调制光发射机是利用高频电视信号(将信号电流叠加到激光器的偏置电流上来控制半导体激光器的偏流,进而控制激光器的输出光强;外调制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,使激光的强度随多路调幅信号电压而改变。无论那种形式的光发射机都具有射频激励单元电路,在光发射机中,射频激励功能电路是最重要的单元电路。此功能电路的

2、好坏直接决定着光发射机的指标的优劣。鉴于目前市场上直接调制光发射机占大多数,此处RF 驱动电路的介绍偏重于直接强度调制光发射机。我们都知道直接调制光发射机是利用高频电视信号直接驱动激光管,使得光输出强度随着RF 信号强度的变化而变化。若输入激光器的高频激励信号太大,将会出现限幅失真;反之,若输入激光器的高频激励信号太小,则会使光调制度太小,载噪比指标不能满足要求。RF 激励电路的作用就是给激光器提供一个合适的高频激励信号。并且维持高稳态恒定。同时由于激光器输出功率和偏置电流之间不是严格的线性关系,即使是采用分布反馈多量子阱激光器,在一定的光链路损耗下仍不能完全达到CSO 、CTB 指标,因此为

3、了消除激光器的固有非线性所产生的互调失真,在RF 激励通路还加有预失真补偿电路。一、射频激励功能电路的结构。各个厂家生产的光发射机,其RF 激励电路并不完全一致,常用的有以下几种结构。1.单模块驱动结构。这种结构的电路采用一个放大模块宽带驱动放大RF 信号,其后是预失真补偿电路。其结构框图如下: 分支检测 这种电路是最简单的一种,市场上的低价光发射机都采用这一种。可变衰减器的作用是调节光发射机的射频输入电平,以使光发射机有一个合适的激励电平,放大模块的作用是对RF 电视信号进行功率提升。该放大模块的选用各厂家并不一样。实质上该模块的指标对光发射机的非线性失真指标影响较大,在选用时有推挽、功率倍

4、增和前馈放大三种可供选择,从增益的角度,如果该模块的增益低则要求光发射机的输入电平高,反过来如果该模块的增益高则光发射机的输入电平就低,实用的模块增益一般为22-30dB 。预失真补偿电路是让电信号在调制前进入一个失真和DFB 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,预失真补偿可使光发射机的非线性失真指标改善10-15dB 左右。如果有的厂家的光发射机没有预失真电路,那确实是省得不能再省了。分支检测是光射机必须的,其作用是检测光发射机的激励电平,实质上不同的光发射机的射频检测点的位置并不一样,有的放在可变衰减器与模块之间,不过最好的位置应是预失真电路与激光器之

5、间,此位置检测最准。早期的光发射机有的干脆就省掉了RF 激励电路,只保留一个可调衰减器与预失真电路,这种光发射机要求有较高的信号电路输入,现在市场上已很少见了。2.双模块驱动结构,此种结构的电路采用两个放大模块对射频信号进行驱动。其结构框图如下:多数厂家的经济型机种都采用这种结构,预放一般采用低噪声推挽放大模块,放大模块 W W W .51V .C O M 的增益一般为14-18dB;未放采用功率倍增放大模块,模块的增益一般为18-20dB。从结构上看本射频驱动电路与普通双模块干放结构一致,为了保证光发射机的载噪比指标,增益不能太高(可通过放大器的最低输入电平的确定方法来分析,净增益一般在25

6、-28dB。此电路因前级采用低噪声推挽放大,相对于第一种电路好了许多,唯一不足之处是增益控制采用可调衰减器。3.双模块驱动、AGC控制结构。此种结构是高档光发射机的首选结构,具有完善的控制、优良的指标,其结构框图如下: RF 信号首先经过分离器1,能量的主要部分进入主通道。一小部分进入副通道,然后经过分离器2均分进入副通道1、副通道2。副通道1的非线性发生器专门产生二阶及隅次失真产物;副通道2的非线性发生器专门产生三阶及奇数阶失真产物。副通道产生的非线性失真与激光器的固有非线性失真幅度相同,相位相反,两个副通道的信号经过合路器2合成一路,最后再与主通道经过延时的信号相混合,成为一路带失真的RF

7、 宽带信号,用其去调制DFB 激光器,即可使失真大大减小。二阶、三阶预失真的幅度的调整通过衰减器1、2实现,而反相位的调整,则靠调节主通道的时延和两个副通道中的时延来实现匹配。反复精细调整失真的幅度和相位,即可实现很好的预失真补偿。图中的延时,幅度和相位的调节也可以采用微处理器来控制,调节起来就相对容易一些。预失真补偿电路的插入损耗在45dB ,做得好会提高光发射机的非线性失真指标,如果做得不好,只是浪费RF 增益而已,起不到好的作用,实际上要使预失真电路的幅度与相位与激光器的失真完全一致是有难度的,有些厂家的预失真电路也确实做得不尽人意。三、RF 激励电平分析(1 光调制度。光调制度可以用注

8、入电流表示为m=I/(I b -I th 其中:I 为RF 激励电流起伏变化值,I b 为激光器直流偏置电流,I th 为激光器门限阈值电流。在光纤有线电视系统中,调制度越大,载噪比越好,但非线性失真指标就越差。因此对直接强度调制光发射机应选择一个合适的光调制度。设每个频道的调制度为m ,则N 个频道的调制度为=M( N/2 (此公式可经过推导,此处省略。从理论上可以证明当=0.25时,几乎不可能发生过调制,所以一般直接调制光发射机都取=0.25,在550MHZ 带宽内可容纳60个PAL D 频道,故每个频道的调制度为:m=(2/N=0.25/(30 =4.5%。实际上,先发射机的总的调制度是

9、对于多频道合成的情况,为满足每个频道的载噪比标准,其调制度必须超过某一数值,所以当决定一个频道的调制度时要考虑总的调制度是否过大。上面给出的公式可以作为一个通用的公式,光发射机的调制度一定,可以求出不同频道数系统所需的单个频道的调制度。(2激光器激励电平的确定,此处的激励电平是指对激光器进行激励的高频信号的电平,也就是激光器的入口电平。从前面我们就知道,若输入激光器的RF 激励信号太大,将会出现限幅失真,反之若输入激光器的高频激励信号太小,则会使光发射机的调制度太小,系统的载噪比指标不能满足要求,因而必须准确控制输入激光器的高频信号电平。设激光器的阈值电流Ith=15mA ,偏流Ib=50mA

10、 ,每个频道的调制度m=4.5%(在前面已经算出,则根据调制度的定义,m= I/(Ib-Ith =4.5%,可得此时激光器的激励电流的起伏变化值为I=1.575(mA ,它就是输入激光器的高频电流振幅Ia ,因匹配电阻R=75,则高频电压振幅Vm=1.57575=118.1(mv ,有效值为V=Vm/2 =83.5mV ,以dB 为单位表示为20lg83.5=38.4dBmV=98.4dB V,因此当系统传输60频道时,激光器的标准激励电平应控制在98dB V。光发射机的激励电平检测点如果选在激光器RF 输入侧,就可准确的检测激光器的激励电平。上面的计算是设定光发射机传输60套电视节目时的RF

11、 激励电平,在实际应用中都低于这个数,如果低于60套节目,相应的RF 输入电平就应提高,到底提高多少,感兴趣者可以自己计算。各个厂家的RF 放大电路实际净增益并不一样,因而光发的RF 接入电平并不一致,而入口电平一般都经过准确的设定,说明书中都有明确规定,在使用时一定要严格按说明书操作,在这里没有经验值。(3AGC 控制范围的设定为了保证系统传输不同频道数节目时,直接调制光发射机的非线性失真指标保持不变并 W W W .51C A T V .C O M具有良好的载噪比指标,光发射机的总调制度应在传输频道数不同时都保持在0.25左右。 这就要通过AGC 电路来实现。如果光发射机中没有AGC 控制

12、电路,而系统的入口RF 电平又不稳,则整个系统的指标就不稳定。到底AGC 的控制范围定在多大合适,下面将进行粗略的计算。假设系统最少传输20个频道,最多传输60个频道,由=m( n/2 可知:当系统传输20个频道时单个频道的调制度m 20=( 2/20 ,当传输60个频道时m 60=( 2/60 则m 20/ m 60 =1.7,这说明光发射机在传输20个频道时的调制度应为传输60个频道时每个频道调制度的1.7倍,相应的高频激励电流也是传输60个频道时的1.7倍;对应的电平增加为20lg1.7= 4.6 dB ,系统在传输20个频道时的激励电平就为98+4.6 =102.6 dB V ,也就是

13、说光发射机的最低激励电平为98dB V ,最高激励电平为102.6dB V ,AGC 的控制范围为4.6dB 。四、调制度与失真激光器的失真产生机理是非常复杂的,但是因RF 激励电路造成的激光器失真是有规律可寻的。当偏置电流为I th +I 0时,光输出为L 0,当偏置电流又叠加上信号电流I 时,光信号成份(强度变化分量为L ,若将三阶失真考虑在内,则光信号与光电流应有如下关系:I=K 1I+K 2I 2+K 3I 3,其中第1、2、3项分别表示信号、二阶失真、三阶失真部分。当I+I 0时,因是100%强度调制,令调制度为m ,它等于电流I 与 I 0之比或光的L 与L 0之比;另因K 1I

14、0=L 0,则L=K 1mI 0+K 2(mI 02+K 3(mI 03=mL 0+K 2(mL 0/K 12+K 3(mL 0/K 13,而二阶与三阶失真可分别将式中第2、3项被第1项相除来表示,二阶失真度为:K 2mL 0/K 12,三阶失真度为:K 3(mL 02/K 13;由此可见,二阶失真与调制度成正比,而三阶失真则与调制度的平方成正比。若信号单位用dB 表示,则当调制电流变化1d B 时,二阶失真变化1d B ,三阶失真变化2d B 。这种情况与同轴电缆系统中的信号电平变化相比较,具有相同的关系。射频激励电路对光发射机指标的影响。激光发射机的C/N 与CTB 、CSO 指标是涉及光

15、发射机性能优劣的一组关键指标,光源的不同,调制方式的差异都会对其有影响;而是否具有射频激励电路以及射频激励电路的优劣,更是显著的影响光发射机的指标。对于射频激励电路的分析可以从放大器的角度来进行,相信大家对此并不陌生;质量再好的前端信号通过低劣的射频放大肯定好不到那儿去。信噪比的劣化,非线性失真指标的下降同放大电路有直接的关系,对于该指标的计算可以参照放大镜的计算公式进行,实质上RF 激励电路放大模块对光发射机的指标的影响,对C/N 的影响要大于CTB 、CSO , 为了确保光发射机的C/N 指标,一般都要求光发射机的RF 放大模块采用低噪声的前馈放大模块;而实质上较多厂家都采用推挽放大模块,

16、两种模块对C/N 的影响是不一样的。射频激励电路除了射频放大功能,更重要的是该单元电路包含预失真补偿,如果没有预失真补偿,再好的激光器其非线性失真指标也不能满足系统的要求,考察预失真补偿功能电路的优劣对应用者来说是一个大难题;实际上如果一个厂家只有宽带扫频仪,而没有更高端的测试设备(如光网络分析仪,其生产的光发射机预失真电路一定是个摆设,起不到好的作用。前面提到光调制度对C/N 、CTB 、CSO 影响较大,而如何保持光调制度的恒定是一个大问题。如果用户不能保证进入光发射机的RF 信号的高稳态恒定,选用光发射机时一定要看光发射机是否具有AGC 控制单元电路,只有具有AGC 电路才能确保光发射机

17、光调制度的恒定。实际上厂家提供的光发射机的三大指标都是指在满频道负荷下(550MHZ 的最低要求,当系统中传输频道数低于满频道负荷时C/N 及非线性失真指标会有改善,当传输频道数减少一半时,CTB 将改善6DB ,CSO 改善3DB ;对于550MHZ 以上的频段,加入数字信号后将会引起指标的劣化。在光发射机选型时应对该产品的RF 激励电路及测试条件作重点考察,参照价格水平作出科学的选择。W W W .51C A T V .C O M第六部分、光发射机的核心控制功能电路由于半导体激光器对温度变化很敏感,因此稳定激光器的光输出是一个重要问题;温度的变化和器件的老化给激光器带来的不稳定因素主要表现

18、为:1、激光器的阀值电流随温度成指数变化规律,并随器件的老化而增加,从而使输出光功率发生变化。2、随着温度升高和器件老化,激光器的电光转换效率降低,从而使我输出变化,另外随着温度的升高,半导体激光器的发射波长的峰值位置移向长波。综上所述,单一的激光器是无法工作的,光发射机的核心控制电路的作用就是消除温度变化和器件老化的影响,使激光器始终工作在最佳工作状态。光发射机的核心控制电路主要有两种:自动温度控制(ATC 和自动功率控制(APC ,鉴于这两部分电路相当复杂,技术含量较高,一旦出现问题,用户修复的可能性很小。因此此处不提供具体的电路分析,仅提供原理框图。一、自动温度控制(ATC 单元电路当半

19、导体激光器通电使结温升高时,工作于给定偏流下的输出光功率下降,为了维持输出光功率恒定,首先应控制激光器的结温不变,要实现这种控制一般采用半导体致冷的办法。半导体致冷是基于帕尔效应的一种致冷方式,致冷器由特殊的材料制成,当其通过直流电流时,一端致冷(吸热,另一端放热;在激光器组件中,将致冷器的冷端贴在激光器的热沉上,测试用的热敏电阻也贴在热沉上,通过自动温度控制电路控制通过致冷器的电流就可以控制激光器管芯的温度,从而达到自动温度控制的目的。各个厂家采用的控制电路并不完全一致,以下只是一种通用的原理结构框图。 温差的检测是利用由热敏电阻及外接电阻组成的一个换能电桥实现,它可以将非电量温度的变化转换

20、成电量的变化;这个电路中热敏电阻具有负温度系数,当激光器工作温度升高时,由于换能电桥的作用,比较放大器的输入端电平降低,而基准电压的电位不变,这样比较放大器的输出端电压升高,控制致冷驱动器,使其电流增加,即致冷器的电流增加,其致冷端温度下降,吸走增加的热量,使激光器组件的温度下降,如此反复循环调整,达到热动态的状态,恰好使致冷器吸收的热量等于激光器产生的热量以及由于环境温度升高增加的热量,使激光器组件内的温度维持在激光器最佳工作状态时所需要的环境温度中。通常激光器组件内部将温度稳定在25C 左右,在控制稳定状态,自动温度控制电路的状态应该是:在25C 时,换能电桥处于微失衡状态,也就是比较放大

21、器的基准电压微高于其控制输入端电压,这个电压差反映了自动温度控制的精度,电压差越小,则自动温度控制的精度越高,而且这种控制精度可以换算为自动控制温度误差来表示。控制精度取决于外围电路和设计,同时受激光器的封装技术的影响,激光器封装时应使热敏电阻能精确的反映结区温度,同时致冷器和管芯应有良好的热传导。不同厂家的产品,其质量是不一样的,尤其是自动温度控制精度差异较大,通常控制精度越小,温度控制性能越好,该光发射机技术含量就越高。在实用设计中,为了提高其控制精度,对自动温度控制电路一般有如下要求:1、选用高增益的比较放大器。2、选用较大的电桥电压。3、选用较大温度系数的热敏电阻。4、选用电阻较小的致

22、冷器。5、要有良好的散热装置,以减少集成电路及其辅助电路的变化。另外在致冷器的使用中还应注意对它的保护。很多厂家的光发射机只是采用单向温控,即只有致冷功能,如果光发射机在极低的环境 W W W .51C O M驱动信号 光 源 偏置电流驱动 图中测量光功率的元件是封装在激光器组件中的 PIN 光探测器， 它从激光器芯片的背向 光中检测到一部分能线性地反映激光器输出光功率变化的光功率，经光/电转换变成电信号。 功率偏差检测电路的作用是放大 PIN 输出的微弱电信号，作为替代激光器输出光功率的平 均值电平送到比较积分放大器的输入端， 与基准参考电平进行比较， 其比较输出结果控制激 光器的直流偏置电

23、流控制晶体管， 从而调整激光器的直流偏置电流的大小， 这是一种负反馈 控制过程，其控制原理如下：当因某种原因导致激光器的输出光功率减小时，PIN 探测器检 测输出电流减小，导致比较放大器的反相输入端的电平下降，因基准参考电平不变，比较放 大器输出电平上升，驱动晶体管基极的输入电流增大，从而使激光器的直流偏置电流增加， 最后使激光器的输出光功率及时得到回升，达到了稳定 LD 输出光功率的目的；同理，当激 光器的输出功率增加时，PIN 检测输出电流增加，比较放大器反相输入端电平增加，导致比 较放大器输出电平下降， 驱动晶体管基极的输出电流减小， 从而使激光器的直流偏置电流减 小，最后使激光器的输出

24、光功率得到下调。 激光器偏置电流的选择。偏置电流的选择直接影响激光器的宽带、高速调制性能。选择 直流偏置应考虑以下几个方面：1、加大直流偏置使其逼迫阀值，可以大大减小电光延迟时 间；2、当激光器偏置在阀值附近时，较小的调制电流就能得到足够的输出功率；3、对于脉 冲的直流电流调制， 加大直流偏置会使激光器的消光比恶化， 光源的消光比将直接影响接收 机的灵敏度， 为不使接收机灵敏度下降，消光比一般不低于 10%，如果激光器偏置电流过 大，势必会使消光比恶化，降低系统指标；4、异质结激光器的散粒噪声效应表现出复杂的 情况，某些激光器的散粒噪声在阀值处出现最大值，若激光器正好偏置在阀值上，散粒噪声 的

25、影响就较严重，因此偏置电流的选择要兼顾电光延迟、张驰振荡、激光器的消光比以及散 粒噪声等各方面的情况。 因激光器的串联电阻较小， 故激光器的直流偏置电路应是高阻抗恒 流源。实际上，在 CATV 发射机中，每种输出光功率（两毫瓦一档）都对应一种激光器， WW W. 51 CA TV . 比较放大 背光检 测 PIN 功率偏差检测 CO M 基准参考 温度下启动，就可能导致激光器出现异常输出的情况，既影响激光器的使用寿命，又可能对 系统造成影响。 因此高档的激光发射机都要用双向温控。 在常温和高温环境中对激光器制冷， 而在低温环境中则对激光器快速加热达到热平衡。 用户在选购发射机时应注意识别该光发

26、射 机是否采用双向温控技术，尤其是冬天严寒的北方地区。 二、自动功率控制（APC）单元电路 由于自动温度控制误差的存在，还由于半导体激光器随时间的老化，工作于给定偏流下 的激光器的输出功率下降在所难免， 为了维持光发射机的发送功率的恒定， 都采用激光器的 自动功率控制电路， 对于低门限电流的无制冷激光器， 由于通电后激光器随温升输出功率下 降明显，更要采用自动功率控制电路；要想精确控制激光器的输出功率应从两个方面着手： 1 是控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阀值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳工作 状态；2 是控制激光器的调制电流幅度，使其自动跟随光电转换效率而变化。但一般说来， 激光器的

27、电、光转换效率随温度变化不是很敏感，为了降低成本，简化控制电路，也可以直 接检测激光器发射的平均光功率，控制偏置电流，从而维持光功率的恒定，这种方式已广泛 采用，目前市场上的光发射机都采用这一种。 常用的自动功率控制原理结构框图如下： 激光器生产厂家都提供该种激光器输出所需直流偏置电流。 对于直流偏置电流的选择是很简 单的事情； 当然也有厂家采用小功率激光器加大直流偏置电流实现大功率输出的情况， 如果 是这样，讨论直流偏置电流的选择就没有实际意义。 最后谈一下给定输出光功率的激光器的非线性失真。 半导体激光器非线性失真的原因一 方面取决于自身特性，另一方面由驱动电流的大小和电视 RF 电平的大

28、小来决定。激光器固 有的非线性是由有源层中的张驰振荡和漏电流引起的， 它的驱动电流输出光功率曲线也 不完全是线性， 特别是驱动电流小于激光器门限的情况下会产生削波失真， 使非线性失真大 大加剧。光信号的非线性失真分析和多频道电视信号的非线性失真分析类似，不过 RF 是由 放大器引起， 光信号非线性失真由发射机产生； 在分析光信号非线性失真时都根据驱动电流 输出功率曲线非线性部分的泰劳级数展开式进行，如果偏置点接近曲线底部的消波部 分，将会引起严重非线性失真。对激光器进行宽带调制时，调制电路要保持有良好的输入电 流波形，不仅电路设计重要，电路工艺也同样重要，因为杂散电感与杂散电容会给高频成份 带

29、来不利影响，在一定程度上也会影响光发射机的非线性失真指标。 三、激光器的保护电路 半导体激光器是一种昂贵的器件，在实用化电路应用中应注意保护以防损坏，在光发射 机中对激光器的保护是很重要的， 但它还是属于光发射机的辅助电路。 对激光器光源的保护 措施要求应该是：一是可靠，二是简单，三是不影响光源的正常工作。保护激光器不被损坏 的内容分防止急性损坏和防止长期慢性损坏两方面。 1LD 的短期保护。激光器的短期急性损坏的主要因素是过流和瞬时冲击，因而对激光 器的短期保护措施主要是开机延时保护和限流保护。 开机延时保护的目的是为了防止光发射 机在开机接通电源的瞬间， 由于电路因素引起的过冲可能对激光器

30、造成的损坏； 开机延时保 护法有激光器的直流偏置电流延时接入法和激光器的直流偏置电流与调制电流分别延时保 护法两种，从保护的效果来看，后者比前者好，从简单实用来看，前者比后者强。针对激光 器直流偏置电流的限流保护法也有两种：一是电阻限流保护法，二是分流保护法。各个生产 厂家采用的措施与技术并不一致， 但所起的功效应是一致的， 那就是必须保证光发射机在接 通电源时， 必须等待激光器驱动电路在没有直流偏置和调制电流等条件下进入稳定状态， 温 度控制电路也进入稳定状态以后， 才缓慢的增加激光器的直流偏置电流和调制电流， 从而进 入正常工作状态。 2激光器的长期保护。激光器的长期慢性损坏的主要因素是工

31、作温度的影响，其次是 调制信号对它的影响。 其实这些长期慢性损坏激光器的因素作为光发射机的设计者， 一开始 就给予了足够的重视，为了不让 LD 在高温环境下长期工作，延长激光器的工作寿命，采取 了 ATC 控制措施，这样做不但对稳定激光器的输出光功率有益，实际上是保护 LD，是延长 其寿命的最好方法；但是从另一方面讲，如果光发射机的 ATC 控制电路不稳定而导致控制 失控，会对激光器造成相当大的危害。 至于在激光器驱动电路的输入数据信号中出现长连“0”或输入数据信号中断时，防止 激光器在较长时间发射直流光，各个厂家的产品都在光发射机的 APC 控制电路中作了很好 设计。 针对模拟调制信号太高造

32、成调制电流对激光器的损坏， 一般的光发射机都设有监测报 警电路，一旦超过设定的上限，光发射机将自动切断 RF 输入调制电流并报警提示。 四、激光器工作参量的单片机控制。 光发射机中的微处理器系统，控制激光发射机的所有关键和附属的功能，包括告警、指 示激光器的状态、前面板显示；为了保证激光发射机的最佳性能，微处理器都有一个最佳工 作状态工作点， 这个工作点的参数一般存在非易失的存储器当中， 并且能够调节激光器的射 频信号增益。 1工作状态参数的显示。激光器的工作参数一般有：+24V、5V、激光器管芯的工作 温度、激光器的偏置电流、致冷器的工作电流、RF 信号输入电平、调制度等，工作参数的 WW W. 51 CA TV . CO M WW W. 取样，由各自的取样电路完成，一般以电压表示，取样电压与多通道模拟转换器相连；最常 用的模拟转换器是 ADC0809，其内部包括 8 路模拟量选通开关（可以对 8 路模拟量转成数 字量） 、通道地址锁存器与译码器，8 位 A/D 转换器和三态输出锁存器；多路开关跟据 8 路 模拟量输入地址，可对 8 路 05V 的输入模拟电压分时进行转换（光发射机面板上都有一 个工作状