54-各种配置光接收机的指标分析和应用调试.doc

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各种配置光接收机的指标分析和应用调试
林挺逵 （浙江省台州市路桥区乡镇广电站退休职工）

笔者和同事一起，在《有线电视技术》杂志2008年1期发表了《各种配置光接收机的指标分析和应用调试》一文，现把文中的主要内容辑录在下供网友参考。
1. 分立型光接收组件的光接收机
分立型光接收组件由分立的光检测二极管和低噪声前置放大器（通常为微波放大IC）构成，由于它的输出电平一般都比较低，其后级电放大部分需由一级推挽放大模块再加一级功率倍增模块组成双模块放大器，两级放大模块中间设电平和斜率调节器件，其基本配置方式如下：
光检测二极管+前置放大器+推挽放大模块+调节器件+功率倍增放大模块
在0dBm接收光功率时，光检测二极管输出的信号经过均衡、匹配电路损耗以后的净输出电平约为55dBμV，最常用的前置微波放大IC MSA1105的增益在750MHz时为11dB, 此时，由它们组成的光接收组件的输出电平约为66dBμV（多款光接收机说明书标示值换算和实测值为64±2dBμV）。
750MHz光接收机的电放大器，前级推挽放大模块通常采用BGY787（G=21dB,NF=6.5dB，CTB104=58.5dB), 末级功率倍增模块则采用BGD704（G=20dB,NF=8.5dB,CTB104=62.5dB，详见表1)或其他类似模块［2］。可见由以上两级放大模块组成的电放大器的最大总增益为41dB。
1.1. 0dBm接收光功率时光接收机的调试方法和质量指标
在0dBm接收光功率时，前述配置的光接收机末级放大模块的输出电平显然可达107dBμV，在这类光接收机中，通常用二分配器分成两路输出，因此光接收机每路的输出电平为103dBμV。
现在试算一下电放大器的质量指标。在双模块放大器中，载噪比指标主要由前级放大模块决定，失真指标主要由末级放大模块决定，为了简化计算，下面就分别计算前级放大模块的载噪比指标、末级模块的失真指标作为整个双模块放大器的质量指标来分析、讨论。
在0dBm接收光功率时，前级放大模块BGY787的输入电平Si=66dBμV，末级放大模块BGD704的输出电平So=107dBμV，它们的指标C/N电、CTB电分别为：
C/N电=Si-NF-2.4=66-6.5-2.4=57.1（dB），KC/N电=0.049
CTB电=CTB104+2(104-So)=62.5+2(104-107)=56.5（dB），KCTB电=0.841
计算结果表明，此时，不计光链路指标值，仅仅是电放大器部分就占用全系统C/N指标4.9%、CTB指标84.1%。显然，CTB指标值太低、指标占用量太多，会造成系统失真指标严重劣化。解决的办法是通过调试以降低输出电平和增加输出斜率，来提高电放大器的失真指标，具体做法就是在前后两级放大模块中间设置衰减插片和斜率插片。
如果此光接收机设置在楼幢，将其输出信号直接用于用户分配，那么可以在两模块中间设一个6dB的斜率插片（另有插入损耗约1dB），结果末级放大模块的输出电平降为106dB、斜率f为6dB，光接收机每路输出电平为102dB、斜率f为6dB。由于双模块放大器末级放大模块设置输出斜率后不会影响前级放大模块的C/N指标，此时仅需重新计算电放大器的CTB指标：
CTB电=CTB104+2(104-So)+f=62.5+2(104-106)+6=64.5（dB），KCTB电=0.335
此时，电放大器占用全系统C/N指标4.9%、CTB指标33.5%，和一台普通用户放大器相当，是基本合适的。
如果此光接收机是用于乡镇和村居联网，作为村居电缆网络的信号源，其下面还要接几级干线放大器延伸信号、再接用户放大器进行用户分配，那么光接收机的输出电平还必须降低到普通干线放大器基本相同的水平，例如在前后两级放大模块之间再加一个6dB的衰减插片，结果末级放大模块的输出电平约为100dB、斜率f为6dB，光接收机每路的输出电平为96dB、斜率f为6dB。此时仅需重新计算电放大器的CTB指标：
CTB电=CTB104+2(104-So)+f=62.5+2(104-100)+6=76.5（dB），KCTB电=0.0841
此时，电放大器占用全系统C/N指标4.9%、CTB指标8.41%，和一台普通干线放大器相当，是比较合适的。
1.2 -2dBm接收光功率时光接收机的调试方法和质量指标
光接收组件的输入光功率每降低1dBm, 输出电平就降低2dBμV，因此，在-2dBm接收光功率时光接收组件的输出电平降低到62dBμV，末级放大模块的输出电平降为103 dBμV，光接收机每路输出电平降为99 dBμV。这样的输出电平一般不适宜用于直接进行用户分配，可将它末级输出电平调试成普通干线放大器相似的状态，用于乡镇和村居的光缆联网，例如在两级模块中间设置2dB的衰减器和6dB的均衡器（有1dB的插损），使末级放大模块的输出电平降为100 dBμV，光接收机每路的输出电平降为96 dBμV，此时电放大器的质量指标为：
C/N电=Si-NF-2.4=62-6.5-2.4=53.1（dB），KC/N电=0.123
CTB电=CTB104+2(104-So)+f=62.5+2(104-100)+6=76.5（dB），KCTB电=0.0841
此时，电放大器占用全系统C/N指标12.3%、CTB指标8.41%，和一台普通干线放大器相当，只是由于光接收组件输出电平降低以后，导致电放大器输入电平降低，使C/N指标降低、指标占用系数增加了一点（从4.9%增加到12.3%）。
1.3 -6dBm接收光功率时质量指标
和0dBm接收时相比，-6dBm接收光功率时光接收组件和电放大器的输出电平都要降低12 dBμV，此时光接收组件的输出电平降为54 dBμV，电放大器的输出电平降为95 dBμV，光接收机每路输出电平降为91 dBμV。此时将它作为乡镇和村居联网的信号源，不仅电平稍嫌不足，而且电放大器的C/N指标劣化已经相当严重了，其量值为：
C/N电=Si-NF-2.4=54-6.5-2.4=45.1（dB），KC/N电=0.776
-6dBm接收光功率时，光链路C/N指标也要降低约6dB，量值C/N光约为45dB［3］，KC/N光=0.794，这一光链路和电放大器总共占用C/N指标157%，指标值仅为42dB，比全系统的C/N指标设计值44dB还要低2dB。显然，这种配置的光接收机不宜在-6dBm接收光功率时使用。
电放大器配置其他型号放大模块时质量指标分析
这种类型光接收机的电放大器，通常前级放大模块不变，末级配用其他型号放大模块的情况比较常见，同为750MHz光接收机时，末级放大模块还可能选用配置BGD702、BGD702D、BGD712或BGD714等型号。从表1可知，后三种型号放大模块的失真指标CTB104要比前面提及的BGD704高4dB左右，因此在各种情况下电放大器的CTB指标可以相应提高4dB左右；前两种型号放大模块的增益G要比前面提及的BGD704低2dB左右，因此输出电平要相应低2dB左右。
如果是860MHz光接收机，前级推挽放大模块通常都是BGY887（G=21dB, NF=6.5dB，CTB104=58.5dB), 末级功率倍增模块选用BGD802、BGD804、BGD902、BGD812、BGD814或BGD904等，根据表1的参数，读者就不难推算出配置各种型号放大模块时电放大器的输出电平、调试方法和质量指标了。
分立型光接收组件光接收机小结
分立型光接收组件的光接收机属于经济型光接收机，价格低廉，在早年、特别是农村网络中应用比较多。由于它的质量水平和指标的稳定性与厂家的设计思路及技术、工艺水平关系密切，因此市场上这类光接收机的质量参差不齐，虽然各方面都比较好的品牌有，但质量差、故障多、输出电平不稳定的品牌或机台经常可能碰到，因此，近年采用这种类型光接收机的比例有不断降低的趋势，有不少地方已经基本不用，改用光接收模块型光接收机。
1. 光接收模块型光接收机
由专业的生产厂家把光检测二极管和前置放大器集成在一个模块内，制成专用的“光接收模块”，不仅质量指标提高了，而且质量指标的稳定性、一致性也大大提高了。因此，用这种光接收模块加上放大模块构成的光接收模块型光接收机的质量水平和稳定性也提高了，价格自然也相对要高一些。
光接收模块大致可分为三种类型：低电平输出型、高电平输出型和砷化镓型，可分别用它们制成三种类型的光接收机。
2.1 低电平光接收模块光接收机
低电平光接收模块通常是早年的产品，比较典型的品牌是Ortel公司2609B和飞通公司的PHOTON2609B，在0dBm接收光功率时，根据说明书推算或实测出它在光接收机中的净输出电平约为62dBμV，因此其下需配用双模块放大器，而且通常只能设一路主输出口，或另设一个-20dB的输出电平测量口,它的基本配置如下：
低电平光接收模块+推挽放大模块+调节器件+功率倍增放大模块
如果光接收机的前级推挽放大模块采用BGY787（G=21dB,), 末级功率倍增模块采用BGD704（G=20dB），最大总增益为41dB。在常用的-2dBm接收光功率时，它的最大输出电平为99dBμV, 可以调试成相当于干线放大器的输出状态（So=96～98dBμV，f=4～6dB）, 作为联网信号源。由于光接收模块的输出电平较低，此时电放大器的C/N指标已经很低（58-6.5-2.4=49.1dB,KC/N电=0.309），所以这种配置的光接收机不宜用于接收光功率更低的场合，而最适宜于0dBm左右接收光功率的场合（C/N电=53.1dB,KC/N电=0.123）。为了提高这种配置光接收机的质量指标，某些厂家采用砷化镓放大模块作为它的电放大器，这样，电放大器的C/N指标和CTB指标都可提高2dB左右（见表1）［4］。
2.2 高电平光接收模块光接收机
PHILIPS公司的BGO747、BGO847等光接收模块和国内类似型号的光接收模块，在0dBm接收光功率时净输出电平约为84dBμV（多款光接收机说明书标示值换算和实测值为82±2dBμV），只需配置一级功率倍增放大模块即可构成（县市-乡镇）联网使用的高档光接收机，这类光接收机的基本配置是：
高电平光接收模块+调节器件+功率倍增放大模块
比如末级配置一级功率倍增模块BGD714（G=20dB, NF=7.0dB，CTB104=66.6dB)的单模块放大器，在-2dBm接收光功率时，放大模块的输出电平为100 dBμV，如果调节成输出电平So=96 dBμV，斜率f=2 dB，作为（县市-乡镇）联网信号源，那么此时电放大器的质量指标C/N电（注：单模块放大器设置输出斜率后C/N指标要降低，算式中增加-f一项；不过，如果均衡器设置在放大模块的输出口，则设置斜率后不会降低C/N指标）、CTB电为：
C/N电=So-G-NF-2.4-f=98-20-7.0-2.4-2=66.6（dB），KC/N电=0.0055
CTB电=CTB104+2(104-So)+f=66.6+2（104-96）+2=84.6（dB），KCTB电=0.01
即只占用C/N指标0.55%、CTB指标1%，光接收机末级电放大器对系统指标的占用量可以忽略不计，无疑可使系统质量指标得以提高。
为了适用于县市城区一级光缆直接进楼幢进行用户分配时实行低光功率接收，以降低前端光发射功率，末级放大模块也有配置一块（比功率倍增模块）相对廉价的高增益推挽放大模块BGY888（G=34dB, NF=7.0dB，CTB104=58.5dB)为单模块放大器的机型。在-6dBm接收光功率时，光接收模块的输出电平降低为72 dBμV，末级模块的输出电平为106 dBμV，调试斜率f=6dB，分成两路102 dBμV输出，那么此时电放大器的质量指标C/N电、CTB电为：
C/N电=Si-NF-2.4-f=72-7.0-2.4-6=56.6（dB），KC/N电=0.055
CTB电=CTB104+2(104-So)+f=58.5+2（104-106）+6=60.5（dB），KCTB电=0.530
即占用C/N指标5.5%、CTB指标53%，说明在-6dBm的低光功率接收时，电放大器对C/N指标的占用量仍然很少，低光功率接收对系统指标的影响主要是光链路C/N指标值的降低，此时C/N光约为45dB,KC/N光=0.794，即占用C/N指标79.4%。此配置中电放大器的CTB指标占用量达到53%，并不是低光功率接收引起的，而是由于所配置相对廉价的高增益推挽放大模块BGY888的CTB104值太低造成的。不过此例是县市城区一级光缆直接进楼幢进行用户分配，这级光链路和电放大器可以占用全系统绝大部分指标，上述两项指标占用量虽大，但基本上还是允许的。
如果需要降低上例中电放大器对失真指标的占用量，在用于低光功率接收的场合时，也可选用末级为功率倍增模块的双模块放大器配置结构的光接收机：
高电平光接收模块+推挽放大模块+调节器件+功率倍增放大模块
例如，前级模块配置BGY785（G=18dB, NF=7.0dB，CTB104=58.5dB)， 末级模块配置BGD702D（G=18dB, NF=6.0dB，CTB104=67.5dB)，电放大器的总增益为36dB，在-6dBm接收光功率时，光接收模块的输出电平降低为72 dBμV，末级模块的输出电平为108 dBμV，调试斜率f=6dB，分成两路104 dBμV输出，那么此时电放大器的质量指标C/N电、CTB电为：
C/N电=Si-NF-2.4=72-7.0-2.4=62.6（dB），KC/N电=0.0138
CTB电=CTB104+2(104-So)+f=67.5+2（104-108）+6=65.5（dB），KCTB电=0.299
即电放大器占用C/N指标1.38%、CTB指标29.9%。
2.3 砷化镓光接收模块光接收机
PHILIPS公司的砷化镓光接收模块CGO869内部的砷化镓材料前置放大器的噪声系数NF为5.5dB，比硅光接收模块BGO847内部的硅材料前置放大器的噪声系数NF为8.0dB要低2.5dB, 但组成光接收机以后光链路的C/N指标在0dBm、-2dBm和-6dBm接收光功率时大约分别可提高0.3dB、0.6dB和1.2dB，提高量不多的原因，在于光链路C/N指标值的高低不仅仅与前置放大器的噪声系数NF的高低有关，而且与光发射机相对强度噪声、光接收机量子噪声等多项因素有关，只有其中一项参数值改变，不可能显著改变光链路C/N指标值［3］。国产砷化镓光接收模块的情况也相似。
不过，PHILIPS公司的砷化镓光接收模块CGO869有一个与众不同的显著特点，在于它的“光-电压转换响应度S”在900～2000V/W可调(其他光接收模块为800～900V/W之间的固定值)，在0～-3dBm接收光功率时可以保持输出电平都为89dBμV（
砷化镓光接收模块光接收机的配置方式和应用调试特点，和前节“高电平光接收模块光接收机”相似，只是各项质量指标略高一些。

参考文献：
［1］黄吴明. 有线电视设计原理[M].陕西:科学技术出版社,2001
［2］林挺逵. 重视有线电视基础理论知识的更新与发展[J].中国有线电视.2005，（24）：P2387
［3］林挺逵. 关于光接收机低光功率接收问题的探索与思考[J].中国有线电视.2006，（5）：P416
［4］林挺逵. 光端机采用砷化镓器件后质量指标提高量试算[J].中国有线电视.2005，（6）：P526
［5］林挺逵. 光链路载噪比指标试算.有线电视技术[J].2005，（8）：P12

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