第九章 模拟系统模拟系统的应用场合出现于20世纪80年代lHFC系统 (光纤 + 750 MHz同轴电缆)l视频分配系统l雷达信号处理9.1 模拟链路概述模拟链路概述1. 直接强度调制2. RF副载波AM/FM/PM调制 9.2 载噪比载噪比定义：定义：在射频接收机的输入端，载波功率的均方根值与噪声功 率的均方根值之比称为载噪比 (CNR)若使用CNRi代表某一特殊噪声成分导致的载噪比，则对含有N 个噪声因子的系统，其总的CNR值为：模拟系统中的噪声源： RIN、光放大器噪声、接收机中的量子 噪声、倍增噪声、电路噪声载波功率光源工作在线性区，输出光功率P(t)的包络和输入的驱动电流具有相同的波形：Pt为偏置电流处光源输出的光功率，m (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：噪声源：相对强度噪声 (RIN)由于受温度变化和内部自发辐射的影响，LD输出光强会发生高频(1012 Hz) 起伏，从而带来相对强度噪声 RIN。由 RIN导致的均方噪声电流及其产生的CNR分别为：其中RIN由下式给出：其中为输出激光的强度起伏均方值，PL是激光强度平均值。和RIN与偏置电流的关系右图是两个激光器的例子，噪声电平在调制频率为 100 MHz时测量。结果显示，RIN随偏置电流的增加而显著减小因此可以通过增加偏置电流来可以通过增加偏置电流来降低降低RIN光反射对RIN的影响链路中的光信号如果反射回激光器，会导致 RIN的显著增加，因此在模拟链路中也同样需要尽量避免链路中光信号的反射问题。反馈功率比 (dB)IB/Ith对于1.33，为使RIN小于-140 dB需要让反馈功率比小于-60 dB回顾第6章可以知道，光电二极管的噪声为：那么光检测器的CNR为：同样，由第6章的结论可知放大器带来的噪声：其中，Req是等效电阻，Ft是放大器噪声系数，那么放大器的CNR为：噪声源：光电检测器和前置放大器的噪声AM系统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：极限条件对于设计较好的光电二极管，与中等强度的接收光信号的量子噪声相比，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，相对强度噪声将超过其它噪声，成为主导作用的噪声因素：此时只有通过提高调制系数才能得到改善。极限条件CNR (dB)光源噪声量子噪声热噪声例LD 发送机pin 接收机m = 0.25 = 0.6 A/WRIN = -143 dB/HzB = 10 MHzPc = 0 dBmID = 10 nAReq = 750 WFt = 3 dB9.3 多信道传输技术多信道传输技术一个典型的宽带模拟应用例子是CATV系统，其主要技术是在同一根光纤中传输多个模拟信号。为实现这一目标，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，这种技术称为副载波复用(SCM)，其中信号调制技术包括残留边带调幅(VSB-AM)和频率调制(FM)。f1f2f3fN多信道幅度调制信道 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典型代表 CATV：使用频带为50-88 MHz和120 MHz-550 MHzN个信道的光调制指数对于大量的有随机相位的FDM载波，以功率为基础将其相加。于是对于有N个信道，每个信道的调制指数为mi，则m与mi之间的关系为：若每个信道的调制指数mi取相同值mc，则：此时，信号的载噪比将比单信道分开传输时降低10logN分贝。互调失真当有多个载波频率通过半导体激光器等非线性器件时，会产生其他的频率分量(称为互调产物)。它们在系统的频带内外产生严重干扰，导致传输信号劣化：1. 频率为fi + fj fk的三重拍差IM产物 2. 频率为2fi fj的双频三阶IM产物3. 频率为fi fj的二阶IM产物若N个信号间隔相同，会发生差拍堆积差拍堆积。正好落在第r个载波处的三重差拍产物个数为正好落在第r个载波处的双频三阶产物个数为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。组合二阶差拍和组合三重差拍例60个幅度调制CATV信道的相对CSO性能频带边缘最严重60个幅度调制CATV信道的相对CTB性能频带中心最严重AM调制的特点AM调制优点：调制优点：- 简单、方便AM调制对发射机要求：调制对发射机要求：- 发射光功率要大，以利于增加传输距离；- 线性度要好，非线性失真要小；- 光功率稳定性要好AM调制对接收机要求：调制对接收机要求：- 信噪比要高；- 幅频特性要好；- 带宽要宽FM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，对光源的线性度的要求放宽，在相同的载噪比的条件下改善了信噪比，但也增加了对带宽的要求 (AM：4 MHz，FM：30 MHz)。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，其信噪比改善为：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。这种性能的改善通常在36 44 dB。C/N要求的降低使FM系统比AM系统对激光器和接收机噪声的敏感程度大大降低。多信道频率调制(FM)例：FM对光源要求低假设：RIN噪声起主导作用FM系统中S/N = C/N + 40dB每个信道AM带宽 = 4 MHz每个信道FM带宽 = 30 MHz5% 光调制指数 SCM的优点 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 信道间相互独立，不需要有同步系统