第三部分 光接收机的结构及原理在有线电视 HFC 网络中, 光接收机通常位于光纤接点和有线 电视的前端位置,它的主要功能是把光信号转变为 RF 信号,前面已 经详细讲述了光探测器、 光接收组件的原理及应用。 光探测器是实现 光 /电转换的关键部件,其质量的优劣决定了光接收机的性能指标与 档次,光接收组件是光探测器与前置放大器的组合,在光接收机中, 无论是分离组件还是一体组件, 该部分的成本比重都比较大, 与光发 射机的激光器一样, 不仅决定了光接收机的性能指标, 还将决定光接 收机的价格。 光接收的整机组成主要由光接收组件、 功率放大模块及 其附属功能电路组成, 除光接收组件外, 功率放大模块是光接收机的 第二大核心元件。即使是采用相同的组件,由于采用不同档次、不同 价位的放大模块组合, 整机也会有显著不同。 有线电视技术发展到今 天, 光接收机采用分离元件制作放大模块已不多见, 基本上全采用集 成一体化组件结构。 该结构模块大多属于厚膜集成电路, 它是用丝网 印刷和烧结等工艺在同一陶瓷基片上制作无源网源, 并在其上组装分 立的半导体芯片或单片集成电路、 放大三极管管芯等, 另外再外加塑 料密封,防止潮气、杂质的进入。一、光接收机常用的放大模块介绍能用于光接收机的模块有众多型号,排除品牌命名的差异,根 据放大模块的增益划分有 14dB 、 18dB 、 20dB 、 22dB 、 27dB 等,用 于单模块放大器的 34dB 的放大模块在光接收机中少有应用,当然也 不排除低档光接收机应用的可能。 根据放大模块具体放大电路结构的不同划分:有推挽放大模块、功率倍增放大模块两种,而根据放大元 件工艺的不同,放大模块又分为硅放大工艺、砷化镓工艺两种,在光 接收机中采用的模块的命名, 一般以推挽和功率倍增为主要区分, 同 时附加增益的差异与器件工艺, 如果不说是砷化镓工艺模块则所说的 放大模块一般都是指硅工艺。1.推挽放大模块的原理及结构。在实用的放大电路中,三极管 的集电极并非总有电流流过, 根据集中极电流导通时间的长短, 通常 把放大器分成甲类、乙类、 丙类等。在输入信号的整个周期中都有电 流流过集电极的放大器称为甲类放大器; 只有在输入信号的半个周期 内有集中极电流的放大器称为乙类放大器; 在小于输入信号半个周期 内有集中极电流的放大器称为丙类放大器。在许多实用的放大电路 中, 为了提高放大效率通常都需要把工作点移到截止区, 即采用半周 导通的乙类工作状态, 这时若仍采用一个晶体管, 输出信号中将只出 现一半波形,将发生严重的截止失真。为了解决这个问题,可采用两 只特性完全相同的晶体管, 使其中一只晶体管在正半周导通, 另一晶 体管在负半周导通, 最后在负载上合成完整波形, 这就是推挽放大电 路。下图是推挽放大电路的结构示意图:输入信号经过高频传输变压器 B1, 反相加在晶体管 VT1和 V T2上, 被放大后各自在半个周期内产生半个波, 在变压器 B2上反相 叠加,重新合成完整波形输出,由于输出信号反相叠加,其中的直流 分量和非线性失真中的偶次谐波互相抵消。 降低了直流工作点, 使变 压器中流过电流减少, 从而体积可以做得较小, 进一步提高了放大器的输出功率和效率;更为重要的是,偶次谐波的抵消,减少了放大器 的非线性失真,对提高有线电视系统的非线性失真指标具有重要意 义。在实际应用中,通常采用两组推挽电路并接的方法,构成桥式结 构, 则每级推挽电路在负载上的直流电压可抵消, 从而简化电路结构。 在推挽电路中, 两个极性相同晶体管的特性应尽可能一致, 两个极性 相反晶体管的特性应尽可能互补, 才能最大限度的抵消输出信号中的 偶次谐波失真, 若在电电路中引入负反馈, 非线性失真还可进一步减 小。下图是商用化模块常采用的电路结构。该模块用了共射 共基极放大推挽输出, 4个 NPN 型晶体 管两两接成共射 共基极组合放大电路,它们再通过输入、输出变压 器接成推挽电路。共射 共基电路的特点是:简单高效,在选定最佳 e 极电流的情况下,此电路能有效的减小集电极非线性及 e b 结非 线性。 此电路采用低射极电阻和高并联电阻取得高增益, 又由于采用 了低噪声晶体管使模块的噪声系数降到了尽可能低的程度。 总之该电 路集中了共射 共基组合电路和推挽电路的优点, 电路的工作频率得 到提高,最大带宽目前做到 1GHZ ,对于 14 22dB 增益的模块基本 上采用一级推挽结构,对于 27 34dB 的高增益放大模块通常采用两 极推挽结构组成, 两级推挽的放大电路完全类似, 这样第一级推挽的 放大增益可达 22dB ,二级放大增益可达 34dB 以上。2.功率倍增放大模块的结构及原理。功率倍增放大模块在光接收机中有大量应用,主要用于光接收机的输出级,提高整机的带负载的能力。按增益的不同划分,通常有 三种功率倍增模块:14dB 、 18dB 、 20dB 。其中 20dB 增益功率倍增 模块较为常见。功率倍增模块的设计基础是用 2个普通的 IC 放大级 并联。其输入端有一个分路器,输出端有一个合成器,理论上其各引 入大约 3dB 的损耗,因而送到每个 IC 放大级的输入信号比送到这个 放大模块的输入信号低 3dB , 两个并联级各将信号放大, 它们的输出 再合成起来,因为两个信号是同相位的,是电压相加,因此输出信号 电平比用一级的增益提高了 6dB ,但在合成器中降低了 3dB 。由于每 一个 IC 级的输入信号因分路器又降低了 3dB ,因此,所有这些的最 终结果是倍功率增益放大器与其中任一个单独的 IC 放大器的增益完 全相同,然而每个 IC 实际工作在比额定输出低 3dB 的电平上,失真 就降低了 6dB 。 低失真是功率倍增放大技术的优点。 但由于采用两个 IC 放大级并联,功率消耗就加倍了,同增益的功率倍增模块的工作 电流是推挽放大模块的 2倍, 因而功率倍增模块的散热不容忽视, 下 图是商用化的功率倍增模块常采用的放大电路,供参考。3.砷化镓工艺与硅工艺的差别砷化镓工艺放大模块是近几年才发展起来的,用砷化镓金属场效应 管设计的模块具有优良的低噪声特性,同时具有优良的低失真特性, 其不足之处是抗冲击能力比较弱, 静电就能使之损坏, 输出能力有欠 缺,主要是在高电平输出时出现硬压缩特性。为便于读者理解 Si 工 艺和 GaAs 工艺,下表从多项技术指标加以比较:关于两种工艺放大模块压缩特性的比较:一个理想的信号经 过不同的放大器件,都会有或多或少、不同类型的失真现象。其压缩 波形变化如下图所示:Si 工艺的放大有软压缩, GaAs.MESFET 有硬压缩, 很显然硬 压缩现象对信号本身的影响最明显, 即削顶现象, 通过傅立叶变换可 以看出, 这样的波形含有很多失真分量, 严重时图像会出现干扰条纹; 而对于数字电视信号来讲,误码率会提高,图像会出现马赛克,甚至 数据帧丢失。硅的软压缩特性要比 GaAs 的硬压缩特性好的多,尤其 体现在动态幅度较大的数字信号传输中。鉴于 GaAs 工艺放大具有优良的低噪声、低失真特性,而同时 又有硬压缩的特性,目前 GaAs 技术在放大模块的应用中,为了克服 GaAs 技术的弱点, 发挥其放大优势, 一般都采用 GaAs+Si混合技术, 并不采用单一的 GaAs 工艺构建放大模块。当然在光接收组件中的前 置放大器由于处于小信号放大状态, 可以采用纯 GaAs 工艺放大。 Ga As+Si混合技术通常是在模块的输入级和放大级采用 GaAs 工艺的管 芯或贴片放大管,而在模块的输出级采用 Si 材料放大管,这种结构 的放大模块具有实出的优点:(1在输入级采用 GaAs 放大管可以 降低噪声的引入获得理想的噪声系数 Nf 。(2在放大级采用 GaAs 放大管可以保证模块的线性指标和非线性指标。(3在输出级采用 Si 材料放大管,可以保证模块的输出能力和抗冲击能力,克服 GaAs 放大管负载能力比较低、比较脆弱的缺陷。(4 GaAs+Si混合技术 可以有效的改善纯 GaAs 技术的硬压缩特性,使模块的压缩性能比较平缓, 减少信号失真, 特别对于数字信号的传输可以有效的降低误码 率。实验表明 GaAs MESFET 技术在 46dBMV 时,就会出现拐点,压 缩特性急剧变差, CTB 、 CSO 指标明显下降, 采用 GaAs+Si混合技术 可有效提高模块的输出电平。二、光接收机的结构及原理。目前市场上的光接收机主要有两个大的分类:光接收机、光工 作站;而光接收机又分为两种:一种是二端口光接收机,另一种是四 端口光接收机。在 HFC 网络光接点的设备中,二端口光接收机占有 相当大的比重。因而此处以两端口光接收机为例介绍其功能及原理。 针对于二端口光接收机是指有 2个主输出端口, 可能还同时具有一个 或二个测试端口。 不同品牌的二端口光接收机, 其内部功能及工艺相 差较大, 但其基本功能结构是一致的, 常见的二端口光接收机的结构 如下图所示:从上图可以看出两端口光接收机主要由:光接收组件、光功 率指示、前后级 RF 功率放大、频响校正器、正反向增益调节与均衡 调节器、回传放大、回传发射组件,输出插件等组成,采用同种上述 基本结构的光接收机, 其主要差别在整机的工艺水平、 各功能组件的 布局安排的差异,任何一台二端口光接收机都能找到上述各功能组 件。鉴于目前 HFC 网络光点的覆盖范围越来越小, AGC 控制已无用 武之地,在市场上具有 AGC 功能的二端口光接收机已很少见。下面 分别讲述光接收机各功能组件的原理及功能。1.光接收组件。前面已经详细讲述了光接收组件的不同种类及特点。 鉴于光接收组件已完全实现国产化, 在光接收的应用中也只有 分离组件与集成一体组件的区别, 下面为集成一体组件与分离组件的 差异。从上面的比较可以看出,集成一体化组件具有明显的优势, 是有线电视技术发展的趋势, 除了一般性指标外, 集成一体化组件兼 有温度控制功能。 单从这一功能来说, 在分立组件中由于 PIN 管距离 前置放大相对较远,其受前置放大温度的影响相对较轻,温度对 PIN 管的影响的矛盾并不十分突出。如果集成一体组件中没有温控电路, 由于 PIN 管与前置放大紧密结合,虽然有模块的底座散热条散热, P IN 管的温升仍然比较明显,尤其是组件中配置大电流、高增益的前 置放大,温升就越大,目前绝大部分国产组件都没有温控电路,而且 有些生产厂家为了寻找卖点, 采用大增益的前置放大器, 导致组件的 工作电流较大, 从而使组件的温升变大, 影响 PIN 管的性能。 进口的 名牌组件目前已有大部分产品采用温控功能电路, 保证组件的温升对 PIN 管的影响最小。带温度补偿电路的光接收模块具有明显的优点:组件性能随温度变化小, 噪声系数指标得到较好的改善, 相对于指标 的优化,成本就非常低。为了说明问题,下面对组件有无温控的性能 作一对比:目前在高档光接收机中都采用具有温度补偿功能的集成组 件,以提高整机的环境适应性。2、光功率指示光功率指示是光接收机的附属功能电路, 虽然有无该电路并不影 响光接收机的性能指标, 但光功率指示却有助于光接收机的使用者方 便的操作与故障判断。 显示准确的光功率指示功能电路起到了光功率 计的作用, 对于系统维护具有重要的意义, 尤其是对于没有光功率计 的用户, 有光功率指示意义非同一般。 目前光功率指示电路有三种不 同的档次:(1用一只发光二极管指示光功率的有无。其显示原理 是:光功率指示单元功能电路(一般为集成运放构成的比较器自动 跟踪检测光探测器的工作电流, 并将它转换成电压, 该电压与基准电 压进行比较,一旦检测电压高于基准电压,就说明有光功率指示,即 驱动发光二极管点亮, 指示有光功率。 基准电压的设置各厂家并不一 致,有的设置为 -5dB ,也有的可能设置的更低。针对于