光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的設(shè)計

摘 要：光發(fā)射機功能是將AV信號接收、調(diào)制后，把電信號變換成光信號，經(jīng)光纖發(fā)射出去。在光纖通信系統(tǒng)的原理下，對光發(fā)射機的主要組成部分電源、調(diào)頻電路及鎖相器在原理和實現(xiàn)電路上進行設(shè)計，使信號源發(fā)出的信號經(jīng)過光發(fā)射機后信號失真小、信噪比高，滿足信號傳輸高質(zhì)量的要求，實現(xiàn)低成本高質(zhì)量的AV傳輸解決方案。

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關(guān)鍵詞：光發(fā)射機;變?nèi)荻O管;調(diào)頻;鎖相環(huán)

中圖分類號：TN9291 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0106803

Design on Optical Transmitter in Optical Fiber Communication System

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WANG Jiejun

(Electronic Engineering College，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

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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.

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Keywords：optical transmitter；variable capacitance diode；frequency modulation；phase-locked loop

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，與人們的生活密切相關(guān)的數(shù)據(jù)、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(zhì)量，現(xiàn)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(xiàn)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(shù)字通信系統(tǒng)的原理

光纖通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，主要由光發(fā)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(fā)出的原始信號先經(jīng)電發(fā)射機的放大、濾波處理，將處理后的電信號輸入到光發(fā)射機，在光發(fā)射機端再對信號進行調(diào)制，然后將調(diào)制好的電信號轉(zhuǎn)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(diào)放大，還原出原始圖像、語音或數(shù)據(jù)信號^[2]。

由圖1知，光纖通信系統(tǒng)由信號發(fā)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(tǒng)中光發(fā)射機的相關(guān)設(shè)計。

2 光發(fā)射機的設(shè)計

光發(fā)射機作為光纖通信系統(tǒng)中信號發(fā)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(fā)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(fā)射端基本處理流程是：信號源產(chǎn)生的圖像信號(V)經(jīng)濾波輸入送至視頻放大器進行放大，再調(diào)頻、鎖相、信號放大。而2路立體聲伴音信號(A1，A2)經(jīng)阻抗變換輸入，先進行放大，經(jīng)過預(yù)加重處理，經(jīng)副載波調(diào)制鎖相后放大，通過電路匹配與圖像調(diào)頻信號復(fù)合，送入光發(fā)射LED管。光源LED在電流驅(qū)動下產(chǎn)生受強度調(diào)制的光信號，由驅(qū)動級提供光源驅(qū)動電流，經(jīng)光纖向外發(fā)射已調(diào)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(guān)鍵。作為光源，本方案選用半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光，輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低；性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬，制造工藝簡單；另外，驅(qū)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(tǒng)的光源。

2.2 調(diào)頻實現(xiàn)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(diào)頻電路來實現(xiàn)。

2.2.1 圖像調(diào)頻原理

調(diào)頻的方法很多，對調(diào)頻器的主要要求是：頻偏大且與調(diào)制信號保持線性關(guān)系；寄生調(diào)幅小；調(diào)制靈敏度高等。經(jīng)比較，認為圖像傳輸中，為保證有良好的輸出信噪比，調(diào)制頻偏足夠，決定采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻方式，具體調(diào)頻電路如圖3所示，這是個電容式三點式振蕩電路。實現(xiàn)直接調(diào)頻的電路原理是：由于變?nèi)荻O管結(jié)電容Ci成為回路總電容的一部分。當調(diào)制信號電壓Uv加在變?nèi)莨蹹1上→使加在D1上的反向電壓Ur受Uv控制→從而使D1的結(jié)電容Ci也要受Uv控制→則回路總電容C也要受Uv 控制→最后使振蕩器的振蕩頻率也受Uv控制，即瞬時頻率隨調(diào)制信號電壓Uv的變化而變化。變?nèi)莨蹹1的結(jié)電容Ci，充當了振蕩回路的電抗元件，所以振蕩頻率取決于電感L5和變?nèi)莨蹹1。變?nèi)莨茇摌O通過R15，R16，R17獲得負偏壓，這一偏壓的大小與穩(wěn)定對調(diào)頻信號的線性和中心頻率的穩(wěn)定度及精度起決定性作用。

圖3中，L4，C12，C13組成低通濾波器，其作用是保證調(diào)制信號順利進行調(diào)頻，而同時防止調(diào)制信號源影響高頻振蕩回路，或高頻信號反竄入調(diào)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(diào)頻

對伴音信號進行調(diào)頻有很多專用集成電路，如用TA7673做音頻調(diào)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(jīng)LM358預(yù)放，目的是調(diào)節(jié)輸入幅度，也可靈活調(diào)制頻偏。芯片7673的4腳和5腳外接L13電感及C60，變?nèi)莨蹹6用于選頻，L13常采用中周，選擇調(diào)制頻率在65 MHz，702 MHz，75 MHz或859 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(diào)頻，然后通過第3腳輸出至放大器放大，調(diào)節(jié)輸出電平幅度。該調(diào)頻信號直接和70 MHz頻率合路，送至光源發(fā)射。集成塊MC145106為主組成鎖相環(huán)路，通過在三極管V13的E極取樣，經(jīng)過MC145106鑒相，濾波后提供伴音調(diào)制所需要的偏壓在變?nèi)莨塥獶6上。

2.3 鎖相環(huán)原理及電路實現(xiàn)

采用直接變?nèi)莨苷{(diào)頻，頻率穩(wěn)定度不高，需要穩(wěn)頻電路。利用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓來減少電壓的變化，采用參數(shù)穩(wěn)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(huán)技術(shù)來實現(xiàn)。鎖相環(huán)是現(xiàn)代通信設(shè)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(shù)，使自激振蕩的振蕩頻率和相位受基準信號的控制，實現(xiàn)環(huán)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(wěn)頻電路的結(jié)構(gòu)框圖，包括3個部分：鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)^[4]。

放大的調(diào)制信號加入壓控振蕩器，對其進行頻率調(diào)制，經(jīng)過調(diào)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(jīng)過分頻后得到的基準信號進行比較，實現(xiàn)相位鎖定。鑒相器的輸出信號經(jīng)過環(huán)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(wěn)定頻率的目的。

在大規(guī)模集成電路的應(yīng)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(huán)路濾波器等分立元件組成，大大減小了體積，也降低了設(shè)計難度，其電路實現(xiàn)如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文在討論光纖通信基本原理的基礎(chǔ)上，著重對光發(fā)射機各個主要組成部分的技術(shù)原理及具體實現(xiàn)電路進行介紹。在設(shè)計中采用理論設(shè)計與仿真相結(jié)合的方法，進一步優(yōu)化電路設(shè)計，提高了產(chǎn)品性能。既利于規(guī)模生產(chǎn)，也便于調(diào)試，同時為后續(xù)的同類多路信號傳輸產(chǎn)品擴展和開發(fā)提供一個扎實的基礎(chǔ)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(tài)FM壓控振蕩器的設(shè)計[J].電子技術(shù)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(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”