光接收机的结构及原理精.docx

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光接收机的结构及原理精

第三部分光接收机的结构及原理

在有线电视HFC网络中,光接收机通常位于光纤接点和有线电视的前端位置,它的主要功能是把光信号转变为RF信号,前面已经详细讲述了光探测器、光接收组件的原理及应用。

光探测器是实现光/电转换的关键部件,其质量的优劣决定了光接收机的性能指标与档次,光接收组件是光探测器与前置放大器的组合,在光接收机中,无论是分离组件还是一体组件,该部分的成本比重都比较大,与光发射机的激光器一样,不仅决定了光接收机的性能指标,还将决定光接收机的价格。

光接收的整机组成主要由光接收组件、功率放大模块及其附属功能电路组成,除光接收组件外,功率放大模块是光接收机的第二大核心元件。

即使是采用相同的组件,由于采用不同档次、不同价位的放大模块组合,整机也会有显著不同。

有线电视技术发展到今天,光接收机采用分离元件制作放大模块已不多见,基本上全采用集成一体化组件结构。

该结构模块大多属于厚膜集成电路,它是用丝网印刷和烧结等工艺在同一陶瓷基片上制作无源网源,并在其上组装分立的半导体芯片或单片集成电路、放大三极管管芯等,另外再外加塑料密封,防止潮气、杂质的进入。

一、光接收机常用的放大模块介绍

能用于光接收机的模块有众多型号,排除品牌命名的差异,根据放大模块的增益划分有14dB、18dB、20dB、22dB、27dB等,用于单模块放大器的34dB的放大模块在光接收机中少有应用,当然也不排除低档光接收机应用的可能。

根据放大模块具体放大电路结构的

不同划分:

有推挽放大模块、功率倍增放大模块两种,而根据放大元件工艺的不同,放大模块又分为硅放大工艺、砷化镓工艺两种,在光接收机中采用的模块的命名,一般以推挽和功率倍增为主要区分,同时附加增益的差异与器件工艺,如果不说是砷化镓工艺模块则所说的放大模块一般都是指硅工艺。

1.推挽放大模块的原理及结构。

在实用的放大电路中,三极管的集电极并非总有电流流过,根据集中极电流导通时间的长短,通常把放大器分成甲类、乙类、丙类等。

在输入信号的整个周期中都有电流流过集电极的放大器称为甲类放大器;只有在输入信号的半个周期内有集中极电流的放大器称为乙类放大器;在小于输入信号半个周期内有集中极电流的放大器称为丙类放大器。

在许多实用的放大电路中,为了提高放大效率通常都需要把工作点移到截止区,即采用半周导通的乙类工作状态,这时若仍采用一个晶体管,输出信号中将只出现一半波形,将发生严重的截止失真。

为了解决这个问题,可采用两只特性完全相同的晶体管,使其中一只晶体管在正半周导通,另一晶体管在负半周导通,最后在负载上合成完整波形,这就是推挽放大电路。

下图是推挽放大电路的结构示意图:

输入信号经过高频传输变压器B1,反相加在晶体管VT1和VT2上,被放大后各自在半个周期内产生半个波,在变压器B2上反相叠加,重新合成完整波形输出,由于输出信号反相叠加,其中的直流分量和非线性失真中的偶次谐波互相抵消。

降低了直流工作点,使变压器中流过电流减少,从而体积可以做得较小,进一步提高了放大器

的输出功率和效率;更为重要的是,偶次谐波的抵消,减少了放大器的非线性失真,对提高有线电视系统的非线性失真指标具有重要意义。

在实际应用中,通常采用两组推挽电路并接的方法,构成桥式结构,则每级推挽电路在负载上的直流电压可抵消,从而简化电路结构。

在推挽电路中,两个极性相同晶体管的特性应尽可能一致,两个极性相反晶体管的特性应尽可能互补,才能最大限度的抵消输出信号中的偶次谐波失真,若在电电路中引入负反馈,非线性失真还可进一步减小。

下图是商用化模块常采用的电路结构。

该模块用了共射——共基极放大推挽输出,4个NPN型晶体管两两接成共射—共基极组合放大电路,它们再通过输入、输出变压器接成推挽电路。

共射—共基电路的特点是:

简单高效,在选定最佳e极电流的情况下,此电路能有效的减小集电极非线性及e—b结非线性。

此电路采用低射极电阻和高并联电阻取得高增益,又由于采用了低噪声晶体管使模块的噪声系数降到了尽可能低的程度。

总之该电路集中了共射—共基组合电路和推挽电路的优点,电路的工作频率得到提高,最大带宽目前做到1GHZ,对于14—22dB增益的模块基本上采用一级推挽结构,对于27—34dB的高增益放大模块通常采用两极推挽结构组成,两级推挽的放大电路完全类似,这样第一级推挽的放大增益可达22dB,二级放大增益可达34dB以上。

2.功率倍增放大模块的结构及原理。

功率倍增放大模块在光接收机中有大量应用,主要用于光接收

机的输出级,提高整机的带负载的能力。

按增益的不同划分,通常有三种功率倍增模块:

14dB、18dB、20dB。

其中20dB增益功率倍增模块较为常见。

功率倍增模块的设计基础是用2个普通的IC放大级并联。

其输入端有一个分路器,输出端有一个合成器,理论上其各引入大约3dB的损耗,因而送到每个IC放大级的输入信号比送到这个放大模块的输入信号低3dB,两个并联级各将信号放大,它们的输出再合成起来,因为两个信号是同相位的,是电压相加,因此输出信号电平比用一级的增益提高了6dB,但在合成器中降低了3dB。

由于每一个IC级的输入信号因分路器又降低了3dB,因此,所有这些的最终结果是倍功率增益放大器与其中任一个单独的IC放大器的增益完全相同,然而每个IC实际工作在比额定输出低3dB的电平上,失真就降低了6dB。

低失真是功率倍增放大技术的优点。

但由于采用两个IC放大级并联,功率消耗就加倍了,同增益的功率倍增模块的工作电流是推挽放大模块的2倍,因而功率倍增模块的散热不容忽视,下图是商用化的功率倍增模块常采用的放大电路,供参考。

3.砷化镓工艺与硅工艺的差别

砷化镓工艺放大模块是近几年才发展起来的,用砷化镓金属场效应管设计的模块具有优良的低噪声特性,同时具有优良的低失真特性,其不足之处是抗冲击能力比较弱,静电就能使之损坏,输出能力有欠缺,主要是在高电平输出时出现硬压缩特性。

为便于读者理解Si工艺和GaAs工艺,下表从多项技术指标加以比较:

关于两种工艺放大模块压缩特性的比较:

一个理想的信号经过不同的放大器件,都会有或多或少、不同类型的失真现象。

其压缩波形变化如下图所示:

Si工艺的放大有软压缩,GaAs.MESFET有硬压缩,很显然硬压缩现象对信号本身的影响最明显,即削顶现象,通过傅立叶变换可以看出,这样的波形含有很多失真分量,严重时图像会出现干扰条纹;而对于数字电视信号来讲,误码率会提高,图像会出现马赛克,甚至数据帧丢失。

硅的软压缩特性要比GaAs的硬压缩特性好的多,尤其体现在动态幅度较大的数字信号传输中。

鉴于GaAs工艺放大具有优良的低噪声、低失真特性,而同时又有硬压缩的特性,目前GaAs技术在放大模块的应用中,为了克服GaAs技术的弱点,发挥其放大优势,一般都采用GaAs+Si混合技术,并不采用单一的GaAs工艺构建放大模块。

当然在光接收组件中的前置放大器由于处于小信号放大状态,可以采用纯GaAs工艺放大。

GaAs+Si混合技术通常是在模块的输入级和放大级采用GaAs工艺的管芯或贴片放大管,而在模块的输出级采用Si材料放大管,这种结构的放大模块具有实出的优点:

（1在输入级采用GaAs放大管可以降低噪声的引入获得理想的噪声系数Nf。

（2在放大级采用GaAs放大管可以保证模块的线性指标和非线性指标。

（3在输出级采用Si材料放大管,可以保证模块的输出能力和抗冲击能力,克服GaAs放大管负载能力比较低、比较脆弱的缺陷。

（4GaAs+Si混合技术可以有效的改善纯GaAs技术的硬压缩特性,使模块的压缩性能比较

平缓,减少信号失真,特别对于数字信号的传输可以有效的降低误码率。

实验表明GaAsMESFET技术在46dBMV时,就会出现拐点,压缩特性急剧变差,CTB、CSO指标明显下降,采用GaAs+Si混合技术可有效提高模块的输出电平。

二、光接收机的结构及原理。

目前市场上的光接收机主要有两个大的分类:

光接收机、光工作站;而光接收机又分为两种:

一种是二端口光接收机,另一种是四端口光接收机。

在HFC网络光接点的设备中,二端口光接收机占有相当大的比重。

因而此处以两端口光接收机为例介绍其功能及原理。

针对于二端口光接收机是指有2个主输出端口,可能还同时具有一个或二个测试端口。

不同品牌的二端口光接收机,其内部功能及工艺相差较大,但其基本功能结构是一致的,常见的二端口光接收机的结构如下图所示:

从上图可以看出两端口光接收机主要由:

光接收组件、光功率指示、前后级RF功率放大、频响校正器、正反向增益调节与均衡调节器、回传放大、回传发射组件,输出插件等组成,采用同种上述基本结构的光接收机,其主要差别在整机的工艺水平、各功能组件的布局安排的差异,任何一台二端口光接收机都能找到上述各功能组件。

鉴于目前HFC网络光点的覆盖范围越来越小,AGC控制已无用武之地,在市场上具有AGC功能的二端口光接收机已很少见。

下面分别讲述光接收机各功能组件的原理及功能。

1.光接收组件。

前面已经详细讲述了光接收组件的不同种类及

特点。

鉴于光接收组件已完全实现国产化,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。

从上面的比较可以看出,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。

为了说明问题,下面对组件有无温控的性能作一对比:

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、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-5dB、-4dB、-3dB、-2dB、-1dB、0dB、+1dB、+2dB,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-5dB、-2dB、0dB、2dB,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。

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。

4.光接收机的增益调节。

光接收机的增益调节都是通过衰减器来实现,在实用化的产品中有两种形式的衰减器:

固定衰减器、可调衰减器都有应用,还有的产品采用电调衰减器。

（1固定衰减器,固定衰减器是采用不同的固定电阻,通过一定的电路形式实现衰减值的变化,按具体电路的不同有T型衰减器、π型衰减器、H型衰减器等多种实用产品。

最常用的是T型和π型两种。

固定衰减器发展到现在,虽然电路形式没有改变,但从工艺外型上已有了质的飞跃,单从外型上看,不看标志你一定把它当成工艺品而非衰减器,在光接收机中,凡是增益调节采用固定衰减器的,都在衰减器的外型与颜色搭配上下了不少功夫,从整机的效果看起来,令人赏心悦目,任何一款衰减器都以美观大方为主体,但是固定衰减器的接触稳定性也应引起注意,对于光接收机的增益调节来说,功能的实现是主体、接插稳定性不好,再好看的衰减器也是无用的。

（2可调衰减器。

可调式衰减器是用可调电阻代替固定电阻,在一定范围内实现无级调节,其良好的随意可调节性使之应用前景一片光明。

早期的可调式衰减器从质量上、工艺上比较差,很难做到无级调节,而且调节的稳定性也不高,衰减值经常因接触不良而自动变化,曾几何时,为了解决这个矛盾,

大量采用固定衰减器。

近几年来无级可调式固定衰减器的质量和工艺水平有了大幅度的提高,为了增加调节的稳定性,不仅有0—20dB变化的大范围可调衰减器,也有更精细稳定的0—10dB的小范围调节衰减器,与固定衰减器的多种多样的亮丽外型不同,可调衰减器从一开始面市到今天,大约几十年的时间,其外型与色彩一直没有变化,改进的只是指标质量,虽然可调衰减有调节方便,接触可靠的优点,但在中高档光接收机中很少见它的影子,主要原因是它没有固定衰减器的“点睛”作用。

从应用的角度来看,最好还是采用可调衰减器,毕竟用户买光接收机是为了使用,而不是当花瓶欣赏,这种现状也对可调衰减器生产厂家敲响了警钟,不能光提高内在质量,表面文章还是要做的。

（3电调衰减器。

电调衰减器是通过改变控制电压来控制PIN管阻值的变化,实现衰减量的变化。

电调衰减器一般都采用桥T型网络来实现。

每个厂家的电调衰减器网络并不完全一致,各有特色,但基本功能的实现都是利用变阻二极管的变阻特性以及无源网络构成各种组态电路。

由于电调衰减器需要一稳定的电压,以实现调节的相对稳定性,因此采用电调衰减器的光接收机都采用高精度稳压的开关电源,如果是采用模拟电源,当出现电压波动时,会引起光接收机输出增益的波动,甚至失控。

鉴于电衰减器高要求及潜在弱点,所以在普通光接收机中并不多见,有些高档光接收机为了增加整机卖点,通常采用电调衰减器。

5.光接收机的均衡调节。

不像放大器非有均衡调节不可,光接收机可以不加均衡器,由于光接收组件解调出来的电信号在整个工作

频段内是平坦的,没有斜率,因而也无须调节均衡。

设有均衡调节只有一个作用,那就是可以实现光接收机的半倾斜高电平输出,提高光接收机的带负载能力。

如果光接收机平坦输出,均衡器就没有用处。

鉴于几乎所有的光接收机都加有均衡调节,此处也讲一下均衡器。

均衡器是有线电视系统一个必不可少的常用器件,它是由电感、电容和电阻构成一个桥T型四端、高通网络,通过调整电抗元件可以改变幅频特性的倾斜度,即对低频信号衰减大、高频信号衰减依次减小,正好和电缆的衰减特性相反。

均衡器按工作频率（即截止频率可分为550M均衡,750M均衡等多种,按均衡量调节方式分,其又可分为固定衰减器与可调衰减器。

在光接收机应用中主要有两种最常用,即固定均衡器、可调均衡器,电调均衡器很少见。

（1固定式均衡器。

固定均衡器是由电感、电容和电阻等无源器件组成。

固定式均衡器通常是一个桥T型无源四端网络,其克服了可变均衡器桥T型衰减网络的不稳定性,得到了广泛的应用。

其主要优点是电路简单、成本低廉、均衡量固定,靠换用不同均衡量的均衡器实现均衡调节。

（2可调均衡器。

可调均衡器是在固定均衡器的基础上,用可调衰减网络代替固定衰减网络,并增加阻抗匹配元件而成。

可调均衡器可以实现连续均衡量的调整,使用非常方便,在光接收机中,固定均衡器,可调均衡器都有应用。

固定均衡器靠换用不同的均衡量的均衡器实现均衡调整,为了实现整机的模组化设计,均衡器在光接收机中基本上都采用插件形式,外封装一漂亮外壳,即使是可调均衡也单独做成一个封装插件使用。

鉴于均衡器在光接收机中不是为了实现

灵活连续可调,以采用固定均衡器的产品占主流,所配的均衡档位也很少,一般化3DB、5DB、8DB三种。

6.光接收机的频响校正。

频响校正单元电路是光接收机的必备电路,由于光接收机中接收组件的阻抗匹配以及光探测器的平坦度差强人意,导致RF输出在工作带宽内平坦度不是很好,为了校正光接收机在整个工作带宽内的幅频特性,每种光接收机都设有或简单或复杂的频响校正器。

频响校正器将光接收机整个通带分成3—6个点、段进行补偿,使得光接收机的整个通带特性趋于平坦,此电路的调整必须配有专门的标准光源及测试仪器才能完成,用户在使用中切不可调节频响校正器的可调无件,盲目的调节会导致光接收机的平坦度恶化。

7.光接收机的双向滤波器。

目前市场上的光接收机基本上都是双向光接收机,鉴于目前我国的现状,双向网没有普及,双向光接收机的设计也是有名无实,双向滤波器都采用短路板代替,实现下行信号的直通、回传通道预留功能,虽然双向光接收机的双向功能目前不可用,但双向滤波器作为光接收机中的一个重要组件,也应有所了解。

双向滤波器的指标对光接收机的影响较大,其不仅要有良好的平坦度、反射损耗指标,还要有极小的插损,不同厂家的产品,双向滤波器的插损有较大差异,如果插损过大,将浪费光接收机的增益。

8.光接收机的回传组件。

双向光接收机的回传组件一般包括回传功能放大,回传增益均衡调节及回传光发射模块等组成,鉴于商用化的产品中绝大多数是双向预留,回传放大及均衡、增益均留有插件

接口,当然回传光发射更是光有几个功能插孔在那里,既然是双向光接收机,虽然是回传预留,双向通道应该能正常工作才对,实际上有许多产品并没有对回传通道进行调试,只是预留位置而已,一旦真正实现双向回传功能,很多产品将无法升级改造,鉴于此,采购回传预留的双向光接收机,一定注意对回传功能提出要求,做到所采购的产品是真正的回传预留。

回传光发射组件因回传功率的差异及回传数据或图像的不同,采用不同档次的回传激光器,目前可选的回传激光器主要有FP激光器、DFB激光器两种,FP激光器通常无致冷功能,输出功率很小;DFB激光器在小4MW时也无致冷功能,而大于4MW时,因工作电流比较大,都有温控电路。

为了保证回传光功率的稳定,回传光发射组件都对激光器设有自动功率控制电路。

最后讲一个回传功能放大,有的光接收机预留有放大模块插口,在回传功能升级时采用放大模块进行