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1、第5章电视信号微波、光缆传输,5.1电视信号的微波传输 5.2电视信号的光缆传输,5.1电视信号的微波传输概述在有线电视网中，多路电视信号通常以标准残留边带调幅(AM-VSB)方式在同轴电缆中传输。这种方式一般适用于10km之内的传输，要将电视信号进行远距离传输，可以采用多路调幅或调频的光缆传输或微波传输。光缆传输方式在技术上比较先进，传输质量好，但其工程造价高，一般适用于远距离大系统中的干线使用。电视信号的微波传输方式，技术性能好，经济实惠，尤其适合那些不便敷设电缆和光缆的地区使用，因此电视信号的微波传输方式有其广阔的应用领域。目前，电视信号的微波传输方式主要有调幅微波链路系统(AML)和多
2、频道微波分配系统(MMDS)两种。本节我们将讨论这两种传输方式。,调幅微波链路系统(AML)1.调幅微波链路系统的组成调幅微波链路系统(AML)的传输方式是点到点的定向传输，其典型组成如图5-1所示。从图5-1中可以看出，主前端微波发射机利用微波功率分配器将信号分成四路，分别用四副抛物面天线将其发送给四个接收点。在相应的接收点上(分前端)用抛物面天线将信号接收下来，送入微波接收机，再输出到同轴电缆。AML微波系统的工作原理如图5-2所示。,图5-2AML系统的工作原理图,AML系统的工作频率范围是12.713.25GHz，工作方式是VSB/AM调制上变频，带宽550MHz，可传输PAL/D制式
3、电视信号59套。传输距离视发射功率而定。其基本工作流程如下所述。在主前端将各路电视信号（如45550MHz）混合后送到AML发射机。AML发射机将该信号调制上变频到所需的工作频段，再用功率分配器将信号功率分配到各发射天线。发射天线将信号发射到指定的接收点。各接收点将信号接收下来后，经AML接收机的下变频将其还原为45550MHz的RF信号，再经电缆传输分配给用户。目前AML系统的传输水平可达到80个频道，一台发射机可将信号馈送给16个微波接收机（即16个分前端）。,2.调幅微波链路系统的设备AML系统设备主要有发射机、接收机和天线。一些主要微波元器件，如环行器、功率合成器、功率分配器等都在发射
4、机内。天线通常采用的是微波抛物面天线，其口径一般在3m以下。1)AML发射机AML发射机分为高、低功率两类。目前随着微波器件水平的提高，在大功率发射机中得到了应用，和原来使用的速调管相比，固体器件的寿命要长得多。AML发射机原理框图如图53所示。,图5-3AML发射机组成原理方框 图,由图5-3可知，从CATV前端来的射频信号经发射机射频输入端口进入微波发射机。射频信号经电平调节和斜率控制处理后，与发射机内部产生的微波载频在低失真的上变频器中进行混频。从混频器输出的微波信号，经镜像滤波器和陷波器后，只含上边带信号。AML发射机采用单边带抑制载波的调幅方式，把输入信号的射频频谱上变频到微波，再经
5、过低噪声的场效应晶体管放大，推动功率放大器。谐波滤波器用以滤除发射机输出载波的二、三次谐波分量。发射机到发射天线之间的馈线为椭圆形软波导或空气介质电缆和泡沫介质电缆。AML发射机可放在室内或室外。室外AML发射机一般设备体积小，无人值守，可直接安装在天线塔上。AML发射机技术性能指标如表5-1所示。,表5-1AML发射机技术性能指标,图54AML接收机组成方框图,2)AML接收机AML接收机原理框图如图5-4所示。输入的微波信号经过低噪声放大器放大后，经群下变频到45550MHz的RF射频信号，再经放大后输出。导频陷波的作用是将微波传输时使用的导频信号去掉。导频滤波的作用是取出导频信号，用导频
6、信号使本地载波和发射端的载波锁定，从而提高整个系统的性能。AML接收机的典型性能指标如表5-2所示。,图54AML接收机组成方框图,表52AML接收机技术性能指标,3)中继传输中继传输又称为微波接力传输。微波传输距离一般为视距传输。由于隔挡物或地球曲率的影响，直线视距传输距离一般为50km。在远距传输时，若中途遇到山丘或者其它障 碍物，则需设中继器进行微波接力传输。中继器的作用是把上一站的信号接收下来再发送到下一站。AML有源中继器的组成框图如图55所示。,图5-5AML中继器的组成框图,表5-3AML中继器的主要技术性能指标,3.AML系统设计与计算1)AML系统设计应考虑的问题频道数量。频
7、道数量的多少应根据实际需要和未来的可能发展而定。该数值确定之后，才能确定CTB、C/N以及接收机输出工作电平等。发射机、接收机、中继器。首先要确定发射机、接收机和中继器的具体位置，包括天线的架设高度、塔高等，根据发射机、接收机和中继器的位置、距离确定发射机的发射功率等主要指标。拟选频率。在拟选频率时,一定要注意调查该频率附近是否有干扰存在,是否会对别的无线设施造成不良影响。,2)设计计算下面结合图5-1详细介绍计算的步骤。计算收、发之间自由空间的损耗（Lf）,Lf=20lgf+20lgd+92.5(dB),式中d是收、发之间的距离，单位为km；f为工作信号频率，单位是GHz。以最远接收点B为例
8、（d=30km，f=12.9GHz）：,Lf=20lg12.9+20lg30+92.5=144.26dB,计算载噪比C/N接收机载噪比按下式计算：,C/N=PI-Nf-N0,式中PI为接收机的输入信号功率电平(dBmW)；Nf为接收机的噪声系数(dB)；N0为背景噪声(dBmW)。N0由下式求得：,其中，K1.3810-23称为波尔兹曼常数；T=293K为常温(20)时的绝对温度；B为视频带宽，这里B=5.75106Hz。,将上列数值代入可得：,N0=-106.34dBmW,设系统总体设计中，对AML系统链路的总载噪比的要求是55dB，发射机的载噪比为66dB，则接收机部分所分配的载噪比为,(
9、C/N)R=10lg(10-55/10-10-66/10)=55.4dB,接收机的最低输入信号电平:,PI=(C/N)R+Nf+N0=55.4+6+(-106.34)=-44.94dBmW,接收机与发射机之间的总损耗：,Lrt=Lf+Lw-Gt-Gr+Ld+F,式中Lf为收发之间的自由空间损耗；Lw为传输波导损耗(本例取40m,损耗3dB)；Gt为发射天线增益(本例中1.8m，Gt=45.1dB)；Gr为接收天线增益(本例中2.4m，Gr=47.6dB)；Ld为发射机的分配网络损耗(本例取6dB)；F为设计余量(本例取3dB)。,将以上数值代入上式得:Lrt=144.26+3-45.1-47.
10、6+6+3=63.56dB发射机的最低输出电平：,PO=PI+Lt=-44.94+63.56=18.62dBmW,CTB和CSO指标。CTB和CSO指标的计算与前面的类似。一般来说，AML系统的非线性失真指数有较大的余量，对整个系统总体指标影响不大。,4.AML系统的特点AML系统的特点如下所述：(1)服务面广。由于AML系统是宽频带传输，可以将全部所需频道的节目源从一个独立前端同时传输到多个分前端。一部AML发射机可以给十几个接收点(分前端)提供信号，即可以将发射信号分配给十几个不同方向的发射天线。这些发射天线定向对准各自的接收天线，而每部接收机又相当于一个分前端，可以带动一个较大的分配网。
11、因而，AML适合于群体接收的传输方式。,(2)信号传输质量高。AML传输方式的信号传输质量可以达到光缆传输质量，故完全可以作为主干线传输。(3)输出信号的频率范围宽。AML系统的传输信号频率范围可分为300MHz、450MHz和550MHz。(4)AML系统可实现多种传输。AML系统不仅可实现单向传输，也可以实现双向传输，它不仅能传输模拟的电视信号，而且还能传输数字电视信号、数据声音等，还可以对所传信息进行加扰和解扰。(5)造价低。AML系统的成本主要取决于发射机。近年来，采用了KU波段的高功率场效应管并利用功率倍增原理的发射机，其成本较低，特别在频道数目较多时，更是经济实惠。,多频道微波分配
12、系统(MMDS)1.多频道微波分配系统结构多频道微波分配系统(MMDSMultichannelMicrowaveDistributionSystem)是一种独立的信号传输系统。它不仅能传输电视信号，还能传输调频信号和其他数字信号，既可以在有线电视系统中起超干线传输的作用，又可以直接将电视信号传输分配给用户。MMDS传输系统主要由微波发射机、发射天线、微波接收天线和微波接收机等组成，其系统结构如图5-6所示。,图5-6MMDS系统结构,MMDS传输系统采用2.52.7GHz的微波频率。它具有传输信号信噪比高、工程收效好、施工周期短、传输链路不需维护等优点，在世界各地得到了广泛的应用。MMDS的不
13、足之处是：微波传输链路中不能有障碍物(视距传输)，频道容量有限，微波在空中传输时，电磁波易受大气、云、雨、雾等的影响。,2.发射设备发射设备如图5-7所示。在发射设备中，所发射的信号可以是卫星地面接收站、微波站、开路电视信号、自办节目等，经调制器将音、视频信号调制到射频(RF)上，再经上变频器，将频率变换到微波波段，最后经功率放大合成后通过馈线传送 到发射天线。,图5-7MMDS发射设备,MMDS发射设备有两种类型。1)先合成后放大式发射机先合成后放大式发射机的原理如图5-8所示。由图5-8可见，各种节目源送来的信号，首先调制到射频，然后将该射频上变频到微波波段，经宽带混合器混合后，再经功率放
14、大器放大送至微波发射天线发射。为了避免频道变换器产生交互调失真，通常每个频道使用一个频道变换器。微波功率放大器的输出功率与系统传输的频道数有关。传输的频道数越多，功率放大器的输出功率越小，传输距离就越短，覆盖面越小。,图5-8先合成后放大式发射机原理框图,2)先放大后合成式发射机先放大后合成式发射机原理如图5-9所示。每个频道单独使用变频器和功率放大器。每个频道的输出功率都较大，系统的交调失真较小。混合时，一般是四个间隔频道的功 率混合为一组，组合后的信号由发射天线发射出去，该系统设备可传30km以远，C/N 值可达60dB。传输40个频道时，CTB值为65dB(NTSC)。先放大后合成式发射
15、机的发射功率比先合成后放大式发射机的大。,图5-9先放大后合成式发射机组成原理图,3.接收设备接收设备原理图如图5-10所示。由于MMDS所用频率不在电视接收机的调谐范围之内，所以接收端除天线之外，还应包括下变频器。下变频器的主要作用是将MMDS信号频率变换到电视机所能接收的频率。接收端的接收天线应具有高增益、低旁瓣和高的前后瓣比等，以提高接收灵敏度。变频器一般紧贴接收天线背面安装，以减小损耗和噪声。接收设备的输出信号可以直接送到CATV网内或用户端。,图5-10MMDS接收设备原理图,4.中继站当MMDS传输信号时，若因地球曲率或其他地形障碍等原因不能直接传输时，就应使用中继站进行接力中继传
16、输。中继站原理如图5-11所示。,图5-11MMDS中继站原理图,传输链路计算1)MMDS系统的载噪比的计算公式如下:,C/N=Pt-Lft+Gt-Lf+Gr-Lfr-Nf-N0,式中，Pt为发射机的发射功率（dBW)。发射功率通常为5W、10W、20W、50W和100W等。Lft为发射部分的功率损耗，它由三部分组成。,Lft=LC+LI+Lr,其中，LC是组合器的损耗(隔频组合器LC=0.75dB,邻频组合器LC=1.5dB)。LI是各连接电缆损耗。通常LI=1dB。Lr是发射端馈线(波导)及接头损耗。Gt为发射天线增益。该增益通常为8dB、12dB、13dB、14dB、15dB、18dB、
17、21dB等，适用各种用户需要。,Lf为自由空间损耗。其计算公式如下：,Lf=20lgf+20lgd+92.5,其中，f为工作频率，单位是GHz。d为传输距离，单位是km。Gr为接收天线增益，单位是dB。Lfr为接收馈线损耗，单位是dB。Nf为下变频器的噪声系数，单位是dB。N0为背景噪声，单位是dBW。N0=10lg(KTB)K为波尔兹曼常数，K=1.3810-23B为视频带宽，B=5.75MHz=5.75106Hz(PAL-D)；T为环境绝对温度，T=293K。No=-136.34dBW,需注意的是：在邻频传输的MMDS系统中，接收天线的选择要慎重，若接收天线的增益选择的太低，则输入到下变频
18、器的信号强度无法保证，使系统信噪比不能保障；若接收天线增益选择太高，下变频器至入口电平势必太高，结果产生各种非线性失真。通常有各种增益的接收天线，在实际使用时，根据实际情况选择。现将常用的发射机功率为20W、50W、100W时，不同传输距离和不同接收天线增益所对应的C/N值列表于54，以供参考。,表5-4不同接收天线增益所对应的C/N值,2)下变频器输入电平的计算其计算公式为,PI=Pt-Lft+Gt-Lf+Gr-Lfr,若取Nf=4.5dB，N0=-136.34dBW，则PI=C/N-132.73dBW。,5.2电视信号的光缆传输 光缆传输系统1.基带电视信号光缆传输系统所谓基带电视信号光缆
19、传输系统就是用基带全电视信号对载波光源强度进行直接调制的系统。其工作原理如图5-12所示。由图可见，在发射机中，基带全电视信号首先经放大器放大，然后对其进行微分增益和微分相位补偿，再经过电流驱动器对输入信号电流强度进行调整，最后对载波光源进行调制。全电视信号对载波光源强度调制之后，将由电信号变成光信号，该信号发射到光纤链路，经光纤传输到接收端。接收端通过光检测器将接收到的光信号变成电信号，放大后再输出。,图5-12基带电视信号光纤传输系统框图,将全电视信号调制到光载波上，使载波光强度正比于电视信号的幅度变化。图5-13给出了发光二极管LED和激光二极管LD的光电特性曲线。由该曲线可以看出，只要
20、在LED或LD上施加正向电流，即可得到光信号。当正向电流随电视信号变化时，LED或LD输出的光信号也随之而变化，从而完成将幅度变化的电信号变换为相应光强度（光功率）变化的光信号的过程。,图5-13LED、LD电光变换特性曲线(a)LED电光交换原理；(b)LD电光变换原理,2.副载波调制电视信号光纤传输系统在CATV系统中，用多个残留边带的调幅（AM-VSB）电视信号对大功率、超线性分布反馈式半导体激光二极管DFBLD进行调制，就组成副载波调制的电视信号光纤传输系统。该系统也是目前广泛应用于CATV干线网的光纤传输系统。该系统的关键部件是大功率、超线性分布反馈（DFB）式半导体激光二极管（LD
21、）。AM-VSB副载波调制的电视信号光纤传输系统的工作原理如图5-14所示，与基带系统不同之处在于，对光源进行强度调制的是多个射频副载波，光接收机输出的电信号也是多个射频副载波信号。这些射频副载波信号与CATV同轴电缆分配系统完全匹配，从而构成了干线是光纤而分配网是同轴电缆的光纤、同轴电缆混合网（HFC网）。这种系统已得到广泛的应用。,图5-14AM-VSB副载波调制电视信号的光传输系统,3.电视信号数字基带调制光纤传输系统电视信号数字基带调制光纤传输系统首先对基带电视信号进行取样、量化、编码而形成数字电视信号，然后用数字电视信号对光进行直接调制。其工作原理如图5-15所示。光纤传输系统在该系
22、统中，各路信号采用时分复用方式进行多路传输。其优点是信号可以多次中继转接而不会对所传输的信号造成损伤。但该系统占用的频带较宽，价格昂贵，只适合于超干线传输使用，如全省联网。典型设备有美国ADC公司的DV6000。,图5-15电视信号基带数字调制,4.压缩编码数字电视副载波调制光纤传输系统由于未压缩编码的数字电视信号占用的频带太宽，频带利用率太低，因而使其应用受到了限制。采用MPEG压缩算法的数字电视信号，其占用的频带窄，利用特殊的副载波调 制技术，在一个标准电视信道的带宽内，可以传输4套左右的广播级质量的编码数字电视节目。该系统的原理如图5-16所示。这种系统的副载波射频频谱通常安排在5507
23、50MHz的带宽范围之内。,图5-16压缩编码数字电视副载波调制的光纤传输系统,光纤光缆1.光纤的特点(1)损耗低。光纤传输信号的传输损耗很小。如激光波长为1.55m时，使用的1.55m单模光纤的传输损耗是0.2dB/km左右；当激光波长为1.3m时使用的1.3m单模光纤的传输损耗是0.35dB/km左右。当我们使用电缆传输时，性能优良的物理发泡电缆在800MHz时的传输损耗是7.8dB/100m，即78dB/km，纵孔聚乙烯12电缆在800MHz传输时的传输损耗是10dB/100m，即100dB/km，由此可见光纤传输和电缆传输相比，其损耗要小得多。,(2)工作频带宽。单模光纤的工作带宽大于
24、10GHz，若传输数字信号，传输速率可达1.6Gb/s。而电缆的工作带宽小于1GHz，传输速率小于400Mb/s。(3)尺寸小、重量轻。光纤外径125m，两次被覆后也只有12mm。二氧化硅光纤的比重为2.2，远小于电缆主要材料铜的比重。在同样传输能力下，光缆的重量是电缆重量的1/31/10。(4)无电磁干扰。由于光纤中传输的是光信号，所以不受外界电磁干扰，而且也不产生电磁辐射。,2.光纤结构光纤由纤芯包层，一次涂覆和二次被覆组成。纤芯和包层由超纯的二氧化硅组成。它们的尺寸规格（单模光纤的纤芯直径包层直径（m）如下：非色散位移光纤：(8.510)/125色散位移光纤：(7.08.7)/125色散
25、平坦光纤：6/125，7/125纤芯和包层之外是一次涂覆层。涂覆层材料有热固化的硅谷橡胶、紫外固化的丙烯酸树脂、氧化硅等。这些材料在涂覆前要过滤，使其不含颗粒和气泡且与光纤同心。一次涂覆后的外径为250500m。,为了增加机械性能强度需进行二次被覆。二次被覆有两种方式：一种是紧包式，外径为900m；另一种是松套式，将套管套在一次涂覆层外，外径为1.62.4mm，套管壁厚0.30.5mm。光纤在套管内可以自由活动，以减轻敷设时受到的应力及外界温度变化的影响。为了防水、防气和防潮，套管中可填充密封胶。,3.光纤的性能1)光纤的传输损耗设光纤长为L（km），输入到光纤的光功率为PI（mW），经光纤传
26、输后输出的光功率为PO（mW），则光纤的损耗系数为,=10lg（PI/PO）/L（dB/km）,造成光纤传输损耗的原因主要有两种：光纤组成材料造成的损耗和与制造技术有关的损耗。,2)色散和带宽色散的定义是：1nm波长范围内的光波通过1km光纤所出现的时延差异，单位是ps/nmkm。通常我们总希望光纤的色散小一些。光纤的色散越小，带宽越宽，传输数字信号的速率就越高。光纤的色散由三部分组成。一是模间色散，主要是多模光在光纤中运动方向和速度不同所致。二是材料色散，纤芯的折射率随波长而变化，光的传播速度又随折射率而变化，而激光源产生的激光并非单一波长而是具有一定的谱宽，所以光纤中传输的是一群波长不同的
27、光（即使是同一模式的光），所以其传输速度也不相同。三是波导色散,即与光纤波导结构有关的色散。多模光纤含有这三种色散，而单模光纤含有材料色散和波导色散。这3种色散中，波导色散最小。,对于一定长度的光纤而言，所传信号的频率不是可以任意增加的。当频率升高到一定程度时，光纤损耗就会大大增加。以传输连续不变的光强为基准，当频率升高到使信号电平下降一半时的频率值叫光纤的频带宽度。光纤的色散和带宽特性，其本质是一样的。目前，在国际国内标准中，对于多模光纤常用频带宽度来表示光纤的此项性质。而对于单模光纤则用色散来表示。色散常数越小，则光纤的带宽越宽。由于带宽或色散的限制，使得光纤中传输的脉冲信号的宽度展宽，前
28、后沿变缓，使数字信号的传输速率下降，对于1310nm的光纤，材料色散与波导色散相 抵消，零色散波长为13001324nm。,3)模场直径为了使两根光纤的接头损耗尽量小,除了使两根光纤精密对准外，还要求两根光纤的导光区域一致，特别是对于单模光纤。导光区域就是基模场所占的区域，而基模场边界部分的场强因为逐渐变化，无法确定边界位置，只能按某种规则选取适当的参数来表征这个区域的大小，这个参数就是模场直径。,4)截止波长这是单模光纤的参数。对于一根具体光纤，当工作波长大于这个值时，便可实现单模参数状态；如果小于这个值，不能保证单模传输，但可以传输若干个模式。光纤产品的实际截止波长需进行测量才能得到。,4
29、.光缆光缆与电缆相类似，一般是由两根或多根光纤与强度构件组成的光传输媒介。与电缆相比，光纤的机械强度较差，所以在成缆时必须采用强度构件以增强光缆的机械强度，以免在运输和施工敷设中受到损伤。常用的强度构件有钢丝线、定向处理的聚脂单丝、芳纶纤维或玻璃纤维等。为了改善光缆的性能，除强度构件外，还有填充物、缆芯捆扎带、防水层及外护套等。,1)光缆的分类光缆的结构类型很多，从应用场合可以分为架空光缆、埋地光缆、海底光缆等。从具体的结构形式则可分为紧结构光缆、松结构光缆和带状结构光缆。下面简要介绍各种光缆的结构。(1)紧结构光缆。其结构如图5-17所示。它将被覆光纤以一定间距胶合成光缆单元，许多光缆单元紧
30、紧围绕强度元件捆绞在一起而形成高密度多芯光缆。这类结构的光缆很多，其特点是结构紧凑、光纤无活动余地。,图5-17绞合型高密度紧结构光缆,(2)松结构光缆。其结构如图5-18所示。该结构的光纤间距较大，并有一定的活动余地，光纤处于V型槽中，有较大的活动范围，并受到骨架的保护,免受应力和微弯的伤害，又由于光纤不直接受到侧向力的作用，因此有优良的抗张强度及抗冲击性能。,图5-18松结构光缆,图5-19带状光缆的基本结构,(3)带状结构光缆。这是一种较为特殊而又很重要的光缆，其结构如图5-19所示。它将一定数量的光纤排列制成带状光缆单元，然后再把若干根带状单元按照一定方式制成光缆。其特点是空间利用效率
31、(光纤数/单位面积)高，施工中易分支和识别。,2）光缆的主要性能（1）温度特性。光缆的温度特性指光纤损耗与温度的关系，通常要求光缆在温度变化时所引起的损耗变化可以忽略不计，以保证传输性能的稳定性。光缆的温度特性，除光纤本身外，还必须从光缆的结构设计、材料选用以及工艺上加以保证。为使光缆有良好的温度特性，通常采取以下措施:改善被覆光纤的温度特性。具体作法有两种:一是松套，使光纤有较大的活动空间，有良好的抗侧压性和优良的微弯损耗，若选择适当的被覆层厚度和光纤之间的间隙，可改善低温特性；二是紧套，采用诸如硅橡胶缓冲层的塑料紧套结构，能达到优良的效果。选用合适的光缆结构和材料。光缆结构因应用场合而异，
32、所用材料的线膨胀系数应该小，杨氏模量应该大。用这类材料作被覆层和强度元件，能使光纤纵向压缩应变最小，从而大大改善光缆的温度特性，这在紧结构光缆中的效果更加明显。由于这个原因，绞合型光缆的温度特性比被覆光缆的温度特性有显著的改善，如图5-20所示。,图5-20成缆前后温度特性比较,（2）机械特性。光缆的机械特性应根据敷设、维护维修以及使用情况而定。如管道敷设中，光缆所承受的张力T=kW，其中，k是摩擦系数，w是光缆重量。而对海底光缆，敷设中受到的张力T=hW。这里h是水深，W是海水中光缆的重量。这个力可达几吨到几十吨。若打捞光缆时所受的张力比这个还要大，光缆就会断裂。敷设中，若光纤留有 残余应力
33、，还会导致静电疲劳。因此，光缆必须具有抗拉、抗冲击和抗弯曲等性能，并且对温度等有耐候性。为了保证光缆有可靠的工作性能，光缆在出厂之前应该进行严格的筛选。,光传输的器件在有线电视光缆传输系统中，可使用的光器件和部件有很多种，如受光器、发光器、光分路器、光放大器、光耦合器、光连接器和光隔离器等。下面对这些光器件作一简要的介绍。1.受光器受光器又叫光检测器或光探测器，它的主要功能是实现光-电转换，即将输入到受光器的光信号经受光器转换成电信号。通常是使用光电二极管(PD.PhotoDiode)实现光-电转换，要求光电二极管的光接收灵敏度要高、噪声要小、响应速度要快。,1)光电二极管的工作原理光电二极管
34、实质上就是一种半导体二极管，在光电二极管内部也存在N区，P区以及P、N区之间夹的耗尽层。N区为电子区，P区为空穴区，耗尽层中既无剩余电子也无剩余空穴，当光子射入耗尽层时，该层的原子体系将发生吸收过程，光子的能量被转换成为电子能量，电子能量增加后便从基级跃迁到高能级，这时，即使在外加反向偏压的情况下，若入射的光子能量大于半导体的禁带宽度，由光激发的电子也会产生与光强度的平方成正比的电流。光电二极管所能接收的光的波长有一定范围，如硅光电二极管的接收光波长在1m以下，磷砷镓铟(InGaAsP)化合物光电二极管的接收光波长在1.31.6m之间。,2)光电二极管的种类CATV系统中常用的光电二极管有PI
35、N光电二极管和雪崩式光电二极管(APD)两种。PIN光电二极管在P、N层之间有一个本征层(I层)，P和I层之间的结构静电电容极小，PIN光电二极管无增益，灵敏度低，要求偏压小，暗流小，动态范围大，适合于传输模拟电视信号。APD光电二极管内部有一个高电位梯度区域，使信号电流倍增(即进行放大)，但是反向偏压高，工作在击穿点附近的曲线范围内，APD光电二极管有增益，灵敏度高，要求偏压高，适合于小信号检测和数字信号传输。,3)光电二极管的主要技术指标暗电流。指无光输入时，在反向偏压作用下，光电二极管仍存在少量的电流，该电流称为暗电流，一般在几个nA范围之内。灵敏度。输入光功率所产生的输出电流，即输出电
36、流/输入光功率，如:(0.60.9)A/W。,2.激光器激光器是光发射机的光源，是发光器件。根据所用材料不同，激光器分为固体激光器、半导体激光器和气体激光器等。光CATV系统中用得较多的光源是半导体激光器和固体激光器。1)半导体激光器半导体激光器是效率最高、体积最小的一种激光器，常用来产生脉冲激光。如果加低温冷却，半导体激光器也可做成连续式激光器。光CATV系统常使用连续激光器，而数字信号传输常使用脉冲式激光器。,适合于发光的材料是半导体化合物，如镓(Ga)、铝(Al)、砷(As)的三元化合物铟(In)。用Ga、As和磷(P)的四元半导体化合物，在砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)基片上制成
37、二极管，其发光波长在0.61.7mm之间。CD唱机的激光波长为780nm、635nm或650nm，而有线电视系统使用的激光器 的波长为1310nm或1550nm。,图5-21激光器的基本构成,激光器二极管的结构与普通二极管的结构不一样。激光器中的二极管由三层组成，如图5-21所示。它有P、N(P)、N三层性质不同的两种半导体，称为双异质节，中间一层叫活性层。若将这些发光半导体置于激光谐振腔中，便成为一个实用激光器。在没有施加电压时，活性层中没有电流流过，当施加电压之后，活性层中有电流流过。活性层中的原子受激发射出光子，而发光半导体处于激光谐振腔之中，发射出来的这些光子，经过两个反射面的反射不断
38、地往返运行。光子在运动中遇到处于激发态的原子又激发这些原子发射光子，所以沿轴线方向的光子数目会不断地增加，结果在腔里逐渐积聚起强光，由半透明镜输出到光纤。,光纤输入端的形状是非常重要的。LD射出的光是从厚1m以下，宽为几个m的光耦合透镜发出的，光一旦离开端面，就会扩散为椭圆形状，所以可以将光纤端头加工成球状、尖锥状或双曲锥体等形状，这时耦合效率可达5085%，反射损耗约60dB。也可以在光耦合透镜和光纤之间另加一个棒状透镜，使光进一步聚焦后，射入光纤，这样其耦合效率会更高。另外，为了减小反射光对激光器的不良影响，采用斜向切割光纤的方法，使光纤的端面相对于光纤轴方向偏离一定角度。当反射光沿着与入
39、射光不同方向返回时，将不会射入激光器。,2)分布反馈式半导体激光器和激光模块分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)是一种改进的法布里-帕罗式激光器(F-PLD)。前述半导体激光器在施加直流电压驱动时处于单模状态，但如果施加RF射频电视信号驱动时，发出的光将为多模状态。如果温度变化，半导体激光器产生的光波长的变化将会更大，即模式会发生跳变，此时要产生噪声。为了进行CATV系统的多频道传输，研制出了即使在调制信号高速变化且有很大带宽的情况下，也能工作在单模状态的激光器分布反馈式半导体激光器。这种激光器的光输出功率在一定范围内随着驱动电流的增加而增加。由于射频电视信号是宽频带模拟信号，因此对激光器的
40、性能要求严格，特别是对电光变换线性提出了更高的要求。,分布反馈式半导体激光器与LD激光器的主要区别是：带状活性层与另外两层不是平面接触，而是做成特殊形状波纹结构（衍射光栅）。当光在谐振腔两端来回反射时，遇到衍射光栅时，由于光栅的衍射效应，谐振波长将更加单纯。另一方面，在波长随温度变化时也得到了相当程度的改善，大约10-10m/。在光发射机中，除激光器外，还必须包括其他器件，如光电二极管热敏电阻、热电致冷器、光隔离器、透镜和尾纤等。为了便于检测维修，提高可靠性和稳定性，通常将激光器和其他外围元件组成激光器组件。在实际产品中，往往把激光器组件和其他若干单元电路做成一个单独部件激光模块。,激光模块的
41、优点是:多个激光模块共用一个电源；微处理器控制和处理部分可以共用；光输出功率分档，以适应用户在多种场合下的应用。为了保证正常工作温度，激光器安装在导热性能良好的散热器上。散热器由珀尔贴(Peltier)器件做成。在半导体和金属连接构件上通以电流，根据电流方向，在半导体和金属接触点处要放出或吸收热量，这种现象叫珀尔贴效应。因此珀尔贴器件可做为一种电子制冷元件。用热传感器监测激光器的温度，用其输出信号控制珀尔贴器件，就能起到自动 温度控制(ATC)的作用。,3)YAG固体激光器晶体或玻璃制成的激光器叫固体激光器。在这类器件中，晶体或玻璃都必须掺有少量的稀土元素或其他元素。如掺钕的钇铝石榴石激光器(
42、简称YAG激光器)。与上述DFB半导体激光器的直接调制不同，YAG激光器一般用作光泵，调制是在另一部分完成的。所以，固体激光器为外调式制式。,4)发光二极管和激光器相比较，发光二极管(LED)的原理、构造比较简单，它是非相干光源，对应于光的自发辐射过程，没有谐振腔也不需实现粒子数反转。当注入正向电流时，注入的非 平衡载流子，在扩散过程中复合发光。发光二极管不是阈值器件，它的输出功率近似与注入电流成正比。发光二极管与分布反馈式半导体激光器相比，光输出功率小，调制速度慢，谱线宽度大。发光二极管的主要优点是线性好，调制电路简单，成本低，适用于速度不高，要求不高的场合。,5)激光器的技术指标(1)激光
43、器调制增益激光器调制增益定义为输出光功率与输入射频驱动电流之比。如0.44mW/mA，表明输入驱动电流1mA，输出0.44mW的光功率。,(2)最大相对强度噪声(RIN)对于激光器，即使偏置电流不变化，光输出也会呈现微小的变化。,RIN=P2/P20,式中，P2为幅度起伏的均方值；P0为平均光强度。RIN随着激光器偏置电流的不同而不同，在阈值附近，RIN最大；随偏置电流的上升，RIN下降。,(3)带内平坦度在550MHz内正负0.5dB，普通封装的DFB激光器，由于引线电感分布参数的影响，频率响应不理想，因此要用计算机对影响频响平坦度的寄生参数进行精密设计。(4)激光器交流等效输入阻抗激光器的
44、交流等效输入阻抗和输入频率有关，其关系曲线如图5-22所示。图中fr叫共振频率。射频输入信号的频率应小于fr，否则输入阻抗升高，导致调制系数的骤然上升，使非线性失真增加。低于共振频率的频率范围是一个平坦的曲线，该范围是可利用的频率范围。,图5-22激光器交流等效输入阻抗和输入频率关系曲线,(5)LED和DFB-LD的频谱特性如图5-23所示，发光二极管的频谱较宽，法布里-帕罗式激光器的频谱较窄，分布反馈式半导体激光器的频谱最窄，发出的激光的单色性最好。,图5-23发光二极管和激光器的频谱,(6)半导体激光器的温度特性激光器的光输出功率除与射频驱动电流有关外，还与环境温度有关，电流光强度曲线和温
45、度光强度曲线如图5-24所示。当射频驱动电流超过阈值后，光强度随着驱动电流的增加而增加；而在相同电流条件下，随着温度的上升，光强度减小。,图5-24电流光强度曲线和温度光强度曲线,3.光耦合器和光分路器和同轴电缆传输系统一样，光信号也需要耦合、分支和分配。光耦合器有光纤熔接型和光波导型两种。光纤熔接型将两根或多根光纤进行侧面融接而成，而光波导型则采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支、分配功能。这两种耦合器的分光原理类似，都是通过改变光纤间消逝场的相互耦合和改变光纤芯径来实现不同大小的分支量。反之也可将多路光信号合成为一路信号，这种器件叫光合波器。,1)简单制作过程光波导型属于
46、微光学元件型产品。微光学元件制造工艺复杂，成本高。它利用折光晶体实现光分路，主要优点是频带很宽。熔接型产品制造工艺简单，适合于批量生产。目前使用的光耦合器大多数都属于这类产品。其制造过程简述如下：将两根光纤中间的涂覆层剥掉一定长度，然后把两根光纤绕在一起安置在步进电机驱动的平面上。当加热源开始对光纤进行加热时，步进电机开始将绕在一起的光纤逐渐拉细，同时监测两个输出端口的输出功率，当分光比达到要求时，立即停止拉锥和加热，之后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上，插入不锈钢管内，这就是光分路器。对于更多路数的分路器，可以用更多个二分路器组成。,2)光耦合器的分类光耦合器按结构可分为星型耦合器和树型耦合
47、器两种。(1)星型耦合器。这种耦合器如图5-25所示，它采用熔融拉制法来制造多纤星型耦合器。它将两根或多根光纤的涂覆层去掉，清洗干净后，拧成麻花状，然后在加热熔融状态下边加热边向两边拉伸而成，其中间部位是亚铃状的双锥体。其工作原理如下所述。在双锥体的前半部分，随着光纤逐渐变细，光纤中原来传播的芯模逐渐变成包层模并向前传播。双锥区的光信号已是所有光纤“共有的”，即发生了光耦合。在双锥体的后半部分，随着光纤的逐渐变粗，包层模又逐渐转换为芯模，原来在光纤中传播的光功率被分配到各光纤中去。,图5-25星型耦合器,图5-2614耦合器,(2)树型耦合器（光分路器）。这种耦合器如图5-26所示。利用12耦
48、合器可拼接成14，18耦合器，对于更多端口的耦合器，可用14或18耦合器拼接。,3)光分路器的电气参数(1)分光比和理论分光损耗。光分路器是在已知光缆长度并计算好分光比的情况下向厂家定制的。光分路器的分光比的变化范围是01，如光二分路器的分光比在0.230.77之间。分光比K定义为分路器某输出端输出功率PnO(mW)与输入端输入光功率PnL(mW)之比，即K=PnO/PnI。理论分光损耗定义为输入光功率(dB)减去输出光功率(dB)，即分光比的分贝数,-10lgK=10lgPnO-10lgPnL,(2)附加损耗。制造分路器时产生的额外损耗称为附加损耗，各种分路器附加损耗的参考值如表5-5所示。
49、,表5-5 各种光分路器的附加损耗,(3)插入损耗。插入损耗包括分光损耗和附加损耗两部分，即插入损耗(dB)=-10lgK+附加损耗(dB)(4)频率响应。如果光分路器的频率响应不平坦，光通过分路器时会产生幅度调制，这种寄生调制应小于-60dB。(5)均匀性。均匀性是衡量分光比偏差的指标，表示为(10lgK1-10lgK2)的绝对值。,4.光纤连接器光纤连接器也叫光纤活动连接器或活接头，它广泛使用在光传输系统和光仪器仪表中，常用在光源到光纤、光纤到光纤及光纤与测量仪器之间的光耦合，是一种能拆卸重复使用，而且用量很大的一种光学无源器件。对光纤连接器的主要要求是损耗低，体积小，重量轻，可靠性高，便
50、于操作，重复性和互换性能好等。通常在电视信号的光缆传输系统中，光接收机、光发射机的连接以及备用光缆常常要移动，因此需要用光纤活动连接器将它们连接起来。常用的光纤活动连接器有：光纤跳线、尾纤、扇出尾纤和FDDI连接器等。,1)光纤跳线光纤跳线的两端是活动接头，中间是光纤。跳线两端的活动接头的型号可以相同，也可以不相同，以便于连接或转接。通常产品说明书上除了说明活动接头型号外，还说明 光纤长度。如5m长FC/PC-FC/APC跳线，表示将PC接头转接成APC接头。若将若干根光纤跳线放在一起，经加固做成线缆便成为跳线光缆。,2)尾纤将跳线一分为二就得到两根尾纤，即一端与光缆进行固定连接，另一端带有光
