光纖通信系統中光發射機的設計
2008-04-12 00:00:00汪杰君
現代電子技術 2008年1期
摘 要：光發射機功能是將AV信號接收、調制后，把電信號變換成光信號，經光纖發射出去。在光纖通信系統的原理下，對光發射機的主要組成部分電源、調頻電路及鎖相器在原理和實現電路上進行設計，使信號源發出的信號經過光發射機后信號失真小、信噪比高，滿足信號傳輸高質量的要求，實現低成本高質量的AV傳輸解決方案。
關鍵詞：光發射機;變容二極管;調頻;鎖相環
中圖分類號：TN9291 文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0106803
Design on Optical Transmitter in Optical Fiber Communication System
WANG Jiejun
(Electronic Engineering College，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)
Abstract：The function of optical transmitter is to translate the electric signals into optical ones after the AV signals being received and modulated and transmit them through the optical source.On the theory of optical fiber communication system，the main parts of optical transmitter which are power supply，frequency modulation circuit andphase-locked loop are designed in theory and realization circuit.After passing through the optical transmitter，the signal which come from signal source could fulfill the requirements of high quality of signal transmission with a smaller distortion and a higher Signal-to-Noise in the new design，This design scheme is a low-cost and good-quality one to AV transmission.
Keywords：optical transmitter；variable capacitance diode；frequency modulation；phase-locked loop
隨著信息技術的發展，與人們的生活密切相關的數據、圖像及聲音等信號都需要進行傳輸。早期采用電纜來傳輸信號，但存在衰耗大等原因，難以保證傳輸效果，為提高傳輸質量，現在均采用光纖通信。所謂光纖通信，就是利用光波來載送信息，并實現通信的方法[1]，由于其容量大、傳輸距離遠、越來越受到廣大用戶的青睞。
1 光纖數字通信系統的原理
光纖通信系統的原理框圖如圖1所示，主要由光發射機和光接收機(通稱光端機)、光纜線路、光路無源器件等部分組成。其基本的通信過程為：信息源發出的原始信號先經電發射機的放大、濾波處理，將處理后的電信號輸入到光發射機，在光發射機端再對信號進行調制，然后將調制好的電信號轉換成光信號，通過光纜進行長距離傳輸，在接收端將光信號還原成電信號，再把電信號進行解調放大，還原出原始圖像、語音或數據信號[2]。
由圖1知，光纖通信系統由信號發射和信號接收兩部分組成。論文接下來將著重討論光纖通信系統中光發射機的相關設計。
2 光發射機的設計
光發射機作為光纖通信系統中信號發射部分的最主要組成，其基本的處理流程框圖如圖2所示。
本方案中的光發射機需要傳輸1路圖像、2路伴音信號，這兩種信號是特性完全不同的信息。發射端基本處理流程是：信號源產生的圖像信號(V)經濾波輸入送至視頻放大器進行放大，再調頻、鎖相、信號放大。而2路立體聲伴音信號(A1，A2)經阻抗變換輸入，先進行放大，經過預加重處理，經副載波調制鎖相后放大，通過電路匹配與圖像調頻信號復合，送入光發射LED管。光源LED在電流驅動下產生受強度調制的光信號，由驅動級提供光源驅動電流，經光纖向外發射已調光信號。
2.1 光源的選擇
光源是把電信號變換到光信號的器件，在光纖通信中占有重要的地位，性能好、壽命長、使用方便的光源是保證光纖通信可靠工作的關鍵。作為光源，本方案選用半導體發光二極管(LED)。LED發射的是自發輻射光，輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調制頻率較低；性能穩定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬，制造工藝簡單；另外，驅動電路比較簡單，不存在模式噪聲等問題。LED可以作為中短距離、中小容量的光纖通信系統的光源。
2.2 調頻實現電路
由于輸入信號是圖像和聲音兩種不同特性的信息，所以對圖像和聲音采用不同的調頻電路來實現。
2.2.1 圖像調頻原理
調頻的方法很多，對調頻器的主要要求是：頻偏大且與調制信號保持線性關系；寄生調幅小；調制靈敏度高等。經比較，認為圖像傳輸中，為保證有良好的輸出信噪比，調制頻偏足夠，決定采用變容二極管直接調頻方式，具體調頻電路如圖3所示，這是個電容式三點式振蕩電路。實現直接調頻的電路原理是：由于變容二極管結電容Ci成為回路總電容的一部分。當調制信號電壓Uv加在變容管D1上→使加在D1上的反向電壓Ur受Uv控制→從而使D1的結電容Ci也要受Uv控制→則回路總電容C也要受Uv 控制→最后使振蕩器的振蕩頻率也受Uv控制，即瞬時頻率隨調制信號電壓Uv的變化而變化。變容管D1的結電容Ci，充當了振蕩回路的電抗元件，所以振蕩頻率取決于電感L5和變容管D1。變容管負極通過R15，R16，R17獲得負偏壓，這一偏壓的大小與穩定對調頻信號的線性和中心頻率的穩定度及精度起決定性作用。
圖3中，L4，C12，C13組成低通濾波器，其作用是保證調制信號順利進行調頻，而同時防止調制信號源影響高頻振蕩回路，或高頻信號反竄入調制信號中。減少串接的去耦電阻所引起的噪聲。
2.2.2 音頻調頻
對伴音信號進行調頻有很多專用集成電路，如用TA7673做音頻調頻器，該集成塊工作于VHF及中頻頻段，伴音信號從6腳輸入。音頻處理電路如圖4所示。
本電路中，考慮不同的信號源及傳輸距離的遠近，輸入的信號電平幅度存在一定差異，所以輸入伴音先經LM358預放，目的是調節輸入幅度，也可靈活調制頻偏。芯片7673的4腳和5腳外接L13電感及C60，變容管D6用于選頻，L13常采用中周，選擇調制頻率在65 MHz，702 MHz，75 MHz或859 MHz等4個頻點之一。6腳輸入的伴音信號對其伴音副載波調頻，然后通過第3腳輸出至放大器放大，調節輸出電平幅度。該調頻信號直接和70 MHz頻率合路，送至光源發射。集成塊MC145106為主組成鎖相環路，通過在三極管V13的E極取樣，經過MC145106鑒相，濾波后提供伴音調制所需要的偏壓在變容管D6上。
2.3 鎖相環原理及電路實現
采用直接變容管調頻，頻率穩定度不高，需要穩頻電路。利用高穩定度直流穩壓來減少電壓的變化，采用參數穩定的回路電感和電容，改進線路布局和安裝工藝，減弱振蕩管與諧振回路的耦合，這就要采用鎖相環技術來實現。鎖相環是現代通信設備中一個非常重要的電路組成部分，是相位同步的自動反饋控制技術，使自激振蕩的振蕩頻率和相位受基準信號的控制，實現環路輸出信號與輸入信號之間無誤差的頻率跟蹤[3]。圖5是典型的鎖相穩頻電路的結構框圖，包括3個部分：鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)[4]。
放大的調制信號加入壓控振蕩器，對其進行頻率調制，經過調制的高頻信號一路送至后面的放大電路，另一部分送入分頻器進行分頻。分頻器輸出的方波信號送入鑒相器中，與基準晶體振蕩器經過分頻后得到的基準信號進行比較，實現相位鎖定。鑒相器的輸出信號經過環路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達到穩定頻率的目的。
在大規模集成電路的應用中，參考分頻器、鑒相器和主分頻器以及進行程序控制的寄存器能夠集成在一塊芯片中，整個電路就僅由1個PLL芯片、1片晶振、1片VCO以及環路濾波器等分立元件組成，大大減小了體積，也降低了設計難度，其電路實現如圖6所示。
3 結 語
本文在討論光纖通信基本原理的基礎上，著重對光發射機各個主要組成部分的技術原理及具體實現電路進行介紹。在設計中采用理論設計與仿真相結合的方法，進一步優化電路設計，提高了產品性能。既利于規模生產，也便于調試，同時為后續的同類多路信號傳輸產品擴展和開發提供一個扎實的基礎和平臺。
參 考 文 獻
［1］趙梓森.光纖通信工程(修訂本)[M].北京:人民郵電出版社，1998.
［2］李德勝，陳一楠.通信電子電路[M].北京:人民郵電出版社，1989.
［3］周邦華.微波固態FM壓控振蕩器的設計[J].電子技術參考，1995(3):42-52.
［4］Viterbi A J.Acquisition and Tracking Behavior of Phase-Locked Loops.JPL External Publication，1999，14.
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
