第九章 模拟系统设计

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第九章 模拟系统设计

9.1 模拟链路概述

9.2 系统主要性能指标

9.3 多信道传输技术

9.4 相关应用

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9.1 模拟链路概述 模拟光纤通信系统始于 20 世纪 80 年代末，

主要用于微波多路复用信号、同轴电缆 CATV 网络（ HFC）、视频分配、天线遥控、雷达信号处理等。

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光发送机电模拟输入信号

谐波失真互调失真RIN激光削波

光纤信道

模式失真损耗GVD

光放大器

ASE噪声

光检测器

散弹噪声热噪声放大器噪声APD倍增噪声

电模拟输出到RF接收机

1. 直接强度调制2. RF 副载波 AM/FM/PM 调制 √

模拟线路的基本组成及噪声分配

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载噪比 (CNR) 是在光检测过程之后，在射频（ RF ）接收机的输入端，计算规定的带宽内一个频道中的载波功率 (C) 与噪声功率 (N) 之比，一般以 dB 作单位。定义式为：

9.2 系统主要性能指标9.2.1. 载噪比

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N

i iCNRCNR 1

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含有 N 个噪声因子的系统，其总的 CNR 值由下式给出：

单信道传输链路的主要信号损伤：激光器强度噪声波动、激光削波、光检测器噪声、光放大器噪声。 多信道传输链路的主要信号损伤：谐波失真、互调失真、放大的自发辐射 (ASE) 噪声。 三个主要因素：散弹噪声、光放大器噪声、激光削波。

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tmsPtP t 1

t

peak

P

Pm

让光源工作在线形区，其输出光功率 P(t) 的包络和输入的驱动电流 s(t) 具有相同的波形

Pt 为偏置电流处光源输出的光功率， m ( 通常取0.25 ~ 0.5) 为调制系数：

对于一个正弦信号，接收机输出的载波功率：

202

1PMmC

9.2.2 载波功率

其中， R0 为光检测器的单位增益响应度。 M是光检测器的增益， P 是平均接收光功率。

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9.2.2 光检测器和前置放大器的噪声

BMFMIIqi DpNN222 2

光检测器噪声和载噪比：

2det / NCCNR

其中， Ip 为初始光电流， ID 为体暗电流， M 增益， F(M) 是过剩噪声系数， B 为接收机带宽。

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teq

BTT BF

R

Tki

422

2/ Tpreamp CCNR

前置放大器噪声和载噪比：

其中， Req 为光检测器负载和前置放大器等效电阻， Ft 为前置放大器的噪声系数。

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9.2.2 相对强度噪声（ RIN）

RIN ：输出光的幅度或强度随机波动产生的噪声。

BPRRINi RINRIN 022

2

2

L

L

P

PRIN

3

1

th

B

I

IRIN

2/ RINRIN CCNR

其中， (L)2为输出激光的强度起伏均方值， L 是激光强度平均值。 RIN 与注入电流成反比。

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Examples of RIN effects

IB/Ith>1.2 时，折射率导引激光器的 RIN 范围为 -400dB/Hz到 -500dB/Hz

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teqBDp BFRTkBMFMIIqBPRRIN

PMmR

N

C

/42

21

22

0

2

0

teqBit BFRTk

PMmR

N

C

/421 2

0

1lim

当接收机的光功率较低时，系统中的噪声主要是前置放大器的噪声，此时载噪比与输入光功率的平方成正比，即输入光功率增加 1dB ，载噪比增加 2dB。

9.2.2 总的载噪比

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BMqF

PRm

N

C

it )(221 2

02

2lim

RINB

mM

N

C

it

2

3lim

21

对于设计较好的光电二极管，与中等强度的接收光信号相比，体暗电流与表面暗电流产生的噪声很小。因此，在中等强度接收光信号条件下，系统噪声主要是光电二极管的量子噪声，此时：

如果激光器的 RIN 值很高，反射噪声将超过其它噪声，成为主导作用的噪声因素：

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9.3 多信道传输技术

使用多路复用技术把多个基带信号复用到频率分别为 f1, f2, ……, fN的 N 个副载波上，然后将这些已调制载波通过频分复用(FDM) 形成一个复合信号，以直接调制一个单独的光源。其实现技术包括残留边带调幅 (VSB-AM) 、频率调制 (FM) 和副载波复用（ SCM）。

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9.3.1 多信道幅度调制 (AM)

信道 i 所承载的信息信号通过幅度调制到一个频率为 fi 的载波上，经功率合成器生成一个合成的频分复用信号（ FDM ）

接收端通过并联的带通滤波器把混合的载波分成单个信道

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2/1

1

2

N

iimm

2/1Nmm c

当有多个载波频率通过半导体激光器等非线性器件时，除了原有的信号外，还会产生其他的频率分量（称为互调产物），他们在系统的频带内外产生严重干扰，从而导致传输信号劣化。

光调制指数：

mi 为每个信道的调制指数

mi＝ mc

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差拍的峰值功率组合二阶峰值载波功率 IMCSO /

差拍的峰值功率组合三阶峰值载波功率 IMCTB /

对于差频堆积的影响，常常使用组合二阶差频（ CSO ）和组合三重差频（ CTB ）来描述多信道 AM 的性能。

合理地进行频道频率的配置，可以改善 CSO和 CTB 。限制调制指数 m ，可以保证 CSO和 CTB符合规定指标。

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60 个幅度调制 CATV 信道的相对 CSO 性能 （ CSO 在通频带边缘最为严重）

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60 个幅度调制 CATV 信道的相对 CTB 性能（ CTB 在频带中部最为严重）

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AM 调制优点：简单、方便

AM 调制对发送机要求：• 发射光功率要大，以利于增加传输距离；• 非线性失真要小；• 光功率稳定性要好；

AM 调制对接收机要求：• 信噪比要高；• 幅频特性要好；• 带宽要宽；

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wf

f

f

B

N

C

N

S

v

pp

vinout

2

2

3log10

在 FM 检测器输出端的 S/N 比检测器输入端的C/N 值大得多，其信号比改善为：

9.3.2 多信道频率调制即脉冲重复频率随调制信号幅度大小成线性变化的脉冲调制，与 AM 相比，对光源的线性放宽，改善了信噪比，但也增加了对带宽的要求（ AM：4MHz， FM： 30MHz ）。

其中 B 是所需带宽， fpp 是调制器的峰峰频率偏离， fv 是最高的视频信号频率， w 是权重因子

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系统对 FM 调制器的要求：• 调制线性好；• 调制系数高；• 调制灵敏度高；• 稳定可靠；

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对不同信噪比（ SNR ）要求， AM与 FM 视频信号的 RIN 值与每信道光调制指数之间的关系曲线

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多信道 AM与 FM 视频信号分配系统中，功率预算与每信道光调制指数（ OMI ）之间的关系曲线

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9.3.3 副载波复用（ SCM ）所谓副载波是指射频电磁波，以区别于光调制时的光载波。在该系统中，信号由光传输，微波载波起光载波的副载波作用。

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副载波复用模拟电视传输系统

每路电视信号调制在一个特定的射频载波上，通过组合电路合成一路，然后将复用后的信号调制在光波上。

检测器将光信号还原为复用的电信号，再用解调器从各个已调副载波上解调出各路电视信号。

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SCM 特点：

不需要复杂的数字编码及数字复用技术，成本较低；

频带宽、容量大； 对激光器频谱纯度、频率稳定性没有特别的要求； 不需要放大器，避免放大器噪声影响； 信道间相互独立，不需要有同步系统。

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9.4 相关应用微波光子技术

（microwave photonics) 利用光子技术实现微波信号的传输、处理等 主要应用领域 ROF （ radio over fiber) 相控阵雷达 天文观测

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ROF 技术 移动通信：1G,2G,3G,4G （ beyond 3G)

宽带无线接入宽带固定无线接入（ MMDS ）无线局域网（ WLAN ）宽带无线城域网（ WiMAX ）超宽带无线接入（ UWB ）个人无线局域网等

工作频率延伸至毫米波段工作频率延伸至毫米波段

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ROF 技术

ROF 的目的：简化基站：将基站（ BS ）的绝大部分信号处理功能移至中心站（ CS）集中处理，基站中的 RF只保留必要的射频收发功能，基站和中心站之间的RF信号通过模拟光纤链路来传输分布式天线

问题：工作频率增加天线覆盖范围减小天线（基站）密度增加系统成本增加

3G3G

B3GB3G

WLANWLAN

UWBUWB

MMDSMMDS

WiMAXWiMAX

Servic

e in

terfa

ce u

nit

Switchingunit

Opticaltransceiver

Opticaltransceiver BSBS

CS

3G3G

B3GB3G

WLANWLAN

UWBUWB

MMDSMMDS

WiMAXWiMAX

Servic

e in

terfa

ce u

nit

Switchingunit

Opticaltransceiver

Opticaltransceiver BSBS

CS

关键技术：光纤模拟传输链路关键技术：光纤模拟传输链路

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相控阵雷达

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相控阵雷达 调整天线元之间的的延迟差（相位差）实现波束方向的调整

，故由称为波束形成器（ beam forming) 可实现：

无惯性快速波束扫描多个独立波束（多目标跟踪）大功率（多天线元总和）

倍受关注的雷达技术 关键技术：

微波真延迟微波移相

基于微波器件的问题：易受干扰系统笨重功耗大

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相控阵雷达 引入光子技术的目的：抗电磁干扰带宽传输重量轻、体积小

关键技术光子微波真延迟器（ true time delay)光子微波移相器 (phase shifter)光纤微波传输线

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相控阵雷达

True time delay 2

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天文观测相干连接多个毫米波天线，

构建毫米波天线阵（Millimeter Array ）

ALMA 计划：工作频率：

28~938GHz

64个天线每个天线包含至少 10个外差接收，以覆盖28~938GHz的范围最大距离 25km

Laser synt1

Laser syntN

Fib

ers

bu

nd

le

外差接收

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光子技术的主要功用生成 28~938GHz本征毫米波信号传送本征毫米波信号至各天线外差光电混频

光子技术的难点

毫米波信号的光学生成相位稳定的毫米波光纤传输毫米波外差光电混频

天文观测

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作业：

9.1 ， 9.6