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 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：

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。

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 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。

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： 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。

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。

9.2.2 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。

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 3

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。

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：

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）。

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 5

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。

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。 限制调制指数m，可以保证CSO和CTB符合规定指标。

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）

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） 7

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；

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

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；

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 8

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 9

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。

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。 副载波复用模拟电视传输系统

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。

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

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

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

相控阵雷达

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

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

相控阵雷达 True time delay 2

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 Laser synt1 Laser syntN Fibers bundle 外差接收 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

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 毫米波信号的光学生成 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

作业： 9.1，9.6