光网络设备制造论文-CATV光接收机原理及应用.docx

物理与电子工程学院

光网络设备制造论文

题 目 CATV光接收机原理及应用
专 业 光电信息科学与工程
班 级 光电131
姓 名 何庆丰
学 号 052513104
指导教师 李方强 时间 2016.12.23

2

摘 要
在光纤通信系统中，光接收机（Optical receiver）的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。
光发射机发射的光信号经传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了，光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。而CATV光接收机中对光探测器有如下要求：A、在系统工作的波段范围内有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的，在使用光探测器时必须合理选择所用的器件，才能满足系统要求。B、有足够的响应度，输出电流与输入光功率是线性关系，以保证信号不失真。C、噪声低，频带宽。光探测器在光电变换中引入的噪声应尽量小，因为光探测器的入射光信号一般相当微弱，又是光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大。D、可靠性高、寿命长、性能稳定，能适应一定的温度等环境条件变化，另外还要求光探测器体积小、价格低、偏置简单等。

关键词：光接收机 CATV光接收机

目 录
一、光接收机的核心功能组件 1
二、光接收机的结构及原理 2
2.1光接收组件 2
2.2光功率指示 3
2.3 光接收机的功率放大 5
2.4 CATV光工作站点 6
2.5 CATV性能特点 9
2.6原理框图 9
三、总结 10
参考文献 11

一、光接收机的核心功能组件 
根据用途的不同，有两类主要的光接收机——数字接收机、模拟接收机。数字接收机用来接收数字基带光信号，模拟接收机用来接收RF或微波信号。数字接收机的性能要求与模拟接收机显著不同，数字接收机要求在频率很高很低时的响应平坦，如它的频率响应在低到300HZ时还要保持平坦。相反，模拟接收机只需要在有用的频率范围内保证响应平坦就可以了，除了平坦度的要求，所有模拟接收机的设计都必须有好的线性特性，以满足系统要求的CSO、CTB失真的指标。无论数字接收机还是模拟光接收机影响其主要性能的部件都是前端接收部分，该部分一般都包括PIN光探测器、低噪声前置放大器及他们之间的一些接口电路组成。无论是复杂的光工作站还是简易的光接收机都包含这一部分器件，因而此处把这三部分作为光接收机的功能组件介绍。
前面已经详细介绍了光探测器的原理及性能指标，光探测器的主要功能是实现光信号对电信号的转换，其不仅是该组件的核心，也是光接收机的核心。应用在CATV系统中的光探测器的波长一般要求为1100—1600nm，大多采用InGaAs化合物，作为一个性能优良的光探测器，要求其具有：量子效率高、噪声低、光电转换线性好、温度特性稳定、具有足够的带宽、可靠性高、体积小等一系列优点。在调制系数、光探测器的平均接收光功率、温度相同的情况下，暗电流、结电容、量子效率对光探测器的载噪比影响较大。光探测器的阻抗很高，须经一宽带阻抗匹配电路与前置放大器级联，才能获得好的噪声性能，除了实现阻抗匹配，该匹配电路还能降低杂散电容和前置放大器输入电容的影响。低噪声前置放大器的功能是把光电流转变为电压，并且要求噪声低、非线性失真小，没有合适的前端放大器的设计，光电流的放大会加重很多传输的模拟信号的非线性失真。PIN光探测器的低噪声前置放大器及接口电路的设计是光接收机的重要技术，该组件将决定一台光接收机（站）的性能指标及档次。

二、光接收机的结构及原理 
2.1 光接收组件
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。
  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，PIN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。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。
2.2 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-5dB的情况作一说明，由于输入光功率大，PIN管的工作电流变大，将电流的变化转换成电压的变化，如果光接收机的输入光功率在-5dB时对应的检测电压为0.5V，则基准电压就设置为略低于0.5V的值（如设置为0.48V，设置值低是考虑比较器的精度），一旦检测电压大于基准电压0.48V，比较器就驱动发光二极管发光，表明有光功率输入，如果输入光功率太低（小于-5Db），指示电路将指示无光功率输入。这种光功率指示比较粗糙，如果设置基准光功率为-5dB，只要输入光功率大于-5dB，指示发光二极管就一直点亮，无法判断光功率的真实值，后期维护中光功率是否变化浮动也无从知道。在低档光接收机中都采用这一种光功率指示。
     （2）用多只发光二极管粗略的指示光功率的变化。其显示原理是，采用多只比较器跟踪检测电路检测到的工作电压，驱动各档的发光二极管点亮，以指示光功率的变化，这种功率指示采用的发光二极管越多，指示精度相对就越高。有的产品采用4只发光二极管分别指示-5dB、-2dB、0dB、2dB，也有的产品用8只发光二极管，分别对应指示光功率的值为-5 dB、-4 dB、-3 dB、-2 dB、-1 dB、0 dB、+1 dB、+2 dB，即便是采用多只发光二极管指示光功率也有两种档次。第一种指示是采用简单的比较器构成指示电路，如指示-5 dB、-2 dB、0 dB、2 dB，当光功率大于-5dBm、小于-2dBm时，只有-5dBm指示亮，如果光功率大于-2dBm，则-5、-2指示二极管全点亮，如果此时光功率在0dBm左右，则-5、-2、0三只发光管全点亮。第二种指示是采用相对复杂的窗口比较器，设定一定的电压范围作为比较的指示范围，针对于8只发光二极管的指示，其设定依据通常是：在光功率值在-4.5—5.5范围时，-5指示二极管点亮，表示此时的光功率在-5dBm左右，在光功率值在-3.5—-2.5范围时，-2指示二极管点亮，表示此时的光功率在-2dBm左右，依次类推；实际使用时，在任意时刻只有一只发光二极点亮，粗略的指示光功率的范围。而前一种指示通常是多只二极管点亮。给人的感觉好像是显示不准确。其实这两种显示虽然原理差不多，但应用于光接收机整机，效果却大不一样。
     （3）用数码管或液晶显示屏精确显示光功率。该种显示的原理是：检测单元电路检测到PIN管的准确工作电流值并把其转换成电压，此电压经过模、数转换集成电路，变成可供数码管或液晶屏显示的数字量（a、b……g七个分量），然后进入驱动电路最后到达数码管或液晶屏精确显示即时的光功率值，该种显示精度相当高，一般显示精度在0.01，显示单位因厂家产品不同而不同，有的以MW为单位，有的以dBm为单位。该种功率显示电路相对于前面用发光二极管指示的两种电路，既有技术含量又有方便实用性。该种显示电路的成本相对较高，一般都应用于高档光接收机中，有些厂家为了吸引用户眼球，在中低档光接收机中也有应用。如果光接收机中采用这种功率指示电路，无论对施工调试还是后期的系统维护都有帮助，相当于预置了一台光功率计在光接收机中。从实用性的角度出发，用户在选择光接收机时，也应对光功率指示有所注重，尤其是对那些无光功率计的用户，数码管指示光功率确有重要意义。
  2.3 光接收机的功率放大
       在光接收机中，功率放大都采用集成一体化模块，依据信号的放大流程，前面一级放大通常都采用低噪声、推挽放大模块，后面一级都采用功率倍增模块。在光接收机中，放大模块的质量好坏对光接收机的影响较大，放大模块的选择也决定了光接收机的档次与价位，光接收机的输出电平的设定是由放大模块的增益决定的。由于后级功率倍增模块的增益可选的范围比较小，一般增益为18dB或20dB。因而光接收机的RF增益主要由前级推挽放大模块决定，其模块增益从18dB到30dB不等。在光接收机模块的选择上有多种方式：可采用硅放大模块、GaAs放大模块、进口模块、国产模块等诸多配置。当光接收机在低电平输出时，放大模块的指标对光接收机的整机指标影响不大，如果光接收机实现高电平输出则放大模块的影响将是主要因素。前面已对各种不同种类的放大模块作了介绍。在选用光接收机时一定对模块的种类与档次有所选择，才能买到即符合系统需要又货真价实的产品。

2.4 CATV光工作站点
传统的CATV广播分配网，随HFC网络的改造，向通信式的双向交互网发展，光纤网络和无源电缆分配网将是HFC网络架构的主导模式。HFC网络的目标就是成为一个能为本地区（城市）提供多种信息业务服务的宽带多媒本通信平台；从目前的HFC网络发展态势看起具有明显的特点：光纤向用户逐步延伸，光接点的服务半径越来越小，双向用户逐渐增多，RF放大器的应用越来越少，光接点以后的网络可靠性得到大幅度提高。随着用户对服务质量要求的提高，光接点最终将是无源分配网络，即不采用RF放大器，只由光接收设备提供高电平信号，覆盖结点周围用户。普通的光接收机将无法再胜任作为光接点接收设备的高要求，为适应这一发展，解决双向用户共享带宽的制约，提高网络服务质量，可升级的通信型光站应运而生，其将是宽带HFC用户接入网的主导设备。
   各个生产厂家推出的光工作站的具体结构及功能并不一致，作为光工作站其与光接收机有明显的区别。（1）按功能结构区分。光工作站一般具有多于4个独立的高电平输出端口，每端输出电平一般要求大于110dB，以适应直接用于用户分配，增加覆盖的要求。而光接收机的输出电平一般不高，既使是高电平输出光接收机，其最大输出也一般低于108dB；光工作站具有完备的功能模块（或预留插口），而光接收机由于采用小外壳，功能模块单元相对很小，主要功能仅是实现光电转换，即使有回传发射模块，也相当简单，无法适应未来双向光接点的较高要求。（2）按可靠性区分。光工作站一般都采用高冗余度，通常都对关键的功能模块实现备份，常见的功能备份有如下几种：a、电源备份，通常光工作站可插入两个高效开关电源，在一个电源出现故障时，内部控制单元可自动切换到另一个电源。b、光备份，光备份有光接收备份、光发射备份。光接收备份：光工作站可插入2个以上的光接收功能模块，分别接收不同路由的光信号，当一路出现故障时，控制单元将及时切换到另一路；光发射备份：光工作站可插入2个以上的回传发射模块，组成回传模块热备份。光接收机一般结构简单，不采用模块插接结构，更谈不上功能备份，其可靠性相对较低，（3）按网络应用区分。a、普通光接收机主要用于光接点的主干线传输，作为光接点的前端使用，用户覆盖主要由RF放大器延伸的电缆网完成，故系统指标分配一般为：前端（0.1）：光缆（0.4）：电缆（0.5），光缆部分的指标一般为：C/N＝49 dB，CTB＝65dB，OSO＝50dB。因而在工程应用中光接收机一般采用低光功率输入，通常为－2dBm或更低。这样既能保证C/N指标，又能降低工程成本，由于光接收机输出电平相对较低，失真指标得到较好的改善，其后续干线传输可以级联更多的放大器，增加光接点覆盖范围。b.光工作站主要用于直接覆盖用户，因而电缆部分不需要分配指标。故系统指标分配一般为前端（0.1）：光缆（0.7）：用户端接收设备（0.2），光缆部分的指标为：C/N=45.6dB、CTB=56dB、CSO=56dB。也就是说光工作站可以通过提高输出电平来增加覆盖。因而在工程应用中，光工作站都实行高光功率输入，一般为0～＋1dBm之间，与一般的光接收机相比，其RF输出电平可增加7~8dBuv，一个端口的输出电平理论上相当于3台一般光接收机的覆盖能力（此处的一般光接收机是指输出电平较低，<100dBuv直接覆盖用户的情况）。从上面的比较可以看出，光工作站一般采用超大铸铝外壳，功能完备，采用模块化插接结构，提供高可靠的冗余备份，成本较高，价格不菲

2.5 CATV性能特点
■ 线路优化设计，SMT工艺生产，优化整机信号通道，光电信号传输更流畅。
■ 专业的射频衰减芯片，射频衰减和均衡线性好，精度高。
■ 砷化镓放大器件，功率倍增输出，增益高、失真低。
■ 单片机控制整机工作，数码显示各项参数，操作方便直观，性能稳定。
■ 优良的AGC特性，输入光功率－9～＋2dBm时，输出电平保持不变，CTB、CSO基本不变。
■ 预留数据通讯接口，方便与网管应答器连接，接入网管系统。

2.6原理框图

三、总结      
光接收机在当今时代发展是必不可少的成分，在光检测器里也同样起着巨大的作用，不断出现各种新型的接收机也是对当代科学技术的一种有力的展现，通过本文在光接收机上的研究，我学习到了很多相关光接收机的知识，更有利于今后使用此类器材，学到了光接收机的原理，应用，发展等，总的来说受益匪浅。

参考文献
[1] 纪越峰等.现代通信技术.北京：北京邮电大学出版社,2001.
[2] 孙学康,张金菊等.光纤通信技术。北京：北京邮电大学出版社，2005
[3] 傅海阳,杨龙向,李文龙.现代电信传输.北京：人民邮电出版社，2000.  
[4] 孙学军,张述军等.DWDM传输系统原理与测试.北京：人民邮电出版社,1997.  

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
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15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
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19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
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23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
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27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
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30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
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35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
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38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
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41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
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43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
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57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
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59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
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80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
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82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
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110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
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112. PIC单片机在空调中的应用
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