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第九章 模拟系统设计

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. 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。. 模拟线路的基本组成及噪声分配. 1. 直接强度调制 2. RF 副载波 AM/FM/PM 调制 √. 9. 2 系统主要性能指标. 9.2.1. 载噪比.

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第九章 模拟系统设计

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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。

  3. 模拟线路的基本组成及噪声分配 1. 直接强度调制 2. RF副载波AM/FM/PM调制 √

  4. 9.2 系统主要性能指标 9.2.1. 载噪比 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：

  5. 含有N个噪声因子的系统，其总的CNR值由下式给出：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。

  6. 9.2.2 载波功率 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： 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。

  7. 9.2.2 光检测器和前置放大器的噪声 光检测器噪声和载噪比： 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。

  8. 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。

  9. 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。 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。

  10. 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

  11. 9.2.2 总的载噪比 • 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。

  12. 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：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：

  13. 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）。

  14. 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

  15. 光调制指数： mi为每个信道的调制指数 mi＝ mc 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。

  16. 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。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。

  17. 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）

  18. 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）

  19. 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；

  20. 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）。 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： 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

  21. 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；

  22. 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

  23. 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

  24. 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。

  25. 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。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。 副载波复用模拟电视传输系统

  26. 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。

  27. 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

  28. 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

  29. ROF技术 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 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 关键技术：光纤模拟传输链路

  30. 相控阵雷达

  31. 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

  32. 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

  33. 相控阵雷达 True time delay 2

  34. 外差接收 Laser synt1 Fibers bundle Laser syntN 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

  35. 天文观测 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

  36. 作业： 9.1，9.6

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