有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖光接收機(jī)研究論文
摘要：本文介紹了有線電視入戶型光接收機(jī)，由于去掉了多余的放大電路，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，在保證高效率的功率傳輸?shù)耐瑫r(shí)減少了反射，清晰度高、成本低、節(jié)能環(huán)保。
關(guān)鍵詞：入戶型光接收機(jī)；差分阻抗輸入電路；差分放大電路
1研究背景
目前使用的入戶型光接收機(jī)設(shè)計(jì)的輸入光功率要求較高（一般為-7dBm~+2dBm），光纖到戶后由于大量使用光纜，光纜自身的損耗加大，加之工程施工，導(dǎo)致實(shí)際入戶光功率較低(一般在-7dBm或以下)，從而造成光接收機(jī)輸出射頻信號(hào)低于國(guó)家廣播電視總局GY/T106-1999中規(guī)定的系統(tǒng)輸出口電平為60dBμV~80dBμV的要求。而且光接收機(jī)內(nèi)安裝了可調(diào)衰減器，用戶可自行調(diào)節(jié)輸出增益，使得非專業(yè)人員很難將信號(hào)調(diào)到合適位置，并且容易把衰減器擰過(guò)頭而損壞光接收機(jī)，從而人為增加系統(tǒng)故障率。目前的光接收機(jī)內(nèi)部采用二級(jí)或多級(jí)放大電路放大，造成了功率加大、耗電量增加和成本增加，既浪費(fèi)成本又不節(jié)能。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖入戶型光接收機(jī)，成功解決了上述問(wèn)題。
2技術(shù)研究
本項(xiàng)目主要研發(fā)的是一種有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖入戶型光接收機(jī)，由于改進(jìn)了匹配電路、去掉了可調(diào)衰減器和多余的放大電路，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用和設(shè)備升級(jí)方便，在保證高效率的功率傳輸?shù)耐瑫r(shí)減少了信號(hào)反射，清晰度高且省電，成本低，節(jié)能環(huán)保，詳細(xì)方案如下。入戶型光接收機(jī)是下一代廣播電視網(wǎng)絡(luò)（三網(wǎng)融合）中的主要設(shè)備，也是應(yīng)用數(shù)量最大的設(shè)備，安裝于用戶的家中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。入戶型光接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的構(gòu)思劃分為六個(gè)功能塊：光電轉(zhuǎn)換功能、阻抗匹配功能、LNA放大功能、防噪聲干擾措施、增益控制功能、設(shè)備升級(jí)功能，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
2.1光電轉(zhuǎn)換功能
光電轉(zhuǎn)換是由光探測(cè)器將接收到的入射光轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，在CATV光傳輸系統(tǒng)中對(duì)光探測(cè)器有如下要求：在系統(tǒng)工作的波段有很高的響應(yīng)效率，即對(duì)工作波段內(nèi)入射的光信號(hào)，光探測(cè)器能輸出較大的光電流，實(shí)際上不同材料對(duì)各段波長(zhǎng)的響應(yīng)效率是不同的；有足夠的響應(yīng)度，以保證信號(hào)不失真；由于光探測(cè)器屬于光接收機(jī)的最前級(jí)，對(duì)系統(tǒng)的載噪比影響較大，所以要求選擇噪聲低、工作頻帶寬的光探測(cè)器；另外還要求光探測(cè)器具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。由于PIN光電二極管是全耗盡型的，具有量子效率高、響應(yīng)速度快、暗電流小、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)方案的光探測(cè)器選用了PIN光電二極管。
2.2阻抗匹配功能
在有線電視網(wǎng)絡(luò)中，阻抗匹配是將不同阻抗的'設(shè)備器件統(tǒng)一匹配到75Ω。入戶型光接收機(jī)的阻抗匹配分為兩部分，其一是將光探測(cè)器較高的輸出阻抗匹配到LNA輸入為75Ω的阻抗上，其二是將RF輸出口的阻抗匹配到75Ω。由于入戶型光接收機(jī)接收光功率低而導(dǎo)致其光探測(cè)器輸出射頻信號(hào)很微弱，不利于信號(hào)傳輸處理且容易受到各種噪聲干擾，選用的阻抗匹配電路是否能將前級(jí)微弱的信號(hào)功率很好地傳輸至后級(jí)LNA電路尤其重要，本項(xiàng)目光探測(cè)器輸出至LNA電路輸入的阻抗匹配電路為我公司獨(dú)創(chuàng)。
2.3LNA放大功能
LNA放大器的設(shè)計(jì)是入戶型光接收機(jī)的關(guān)鍵部分，LNA放大器的性能在很大程度上決定了整個(gè)光接收機(jī)的性能。它的輸入和輸出要求與其前后級(jí)電路阻抗匹配良好，從而獲得較高的輸出增益和較低的相移，降低放大器的噪聲系數(shù)。PIN光探測(cè)器輸出的信號(hào)到達(dá)LNA的接收端時(shí)通常很微弱，尤其是入戶型光接收機(jī)常常工作于低光功率（一般都在-7dBm以下）的情況下，如果采用一般的放大器件放大，由于器件本身噪聲系數(shù)較高和其他噪聲干擾，導(dǎo)致信噪比劣化。為解決上述問(wèn)題，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配良好、低噪聲、高增益的LNA放大器。本項(xiàng)目LNA采用一級(jí)高增益的砷化鎵放大器件組成的差分放大器，LNA的輸入阻抗匹配電路采用我公司獨(dú)創(chuàng)的400Ω差分阻抗匹配電路，輸出經(jīng)LC阻抗匹配電路、射頻巴倫后連接至輸出口，本LNA放大器的實(shí)測(cè)噪聲系數(shù)為1.6dB，增益為19dB，完全滿足本項(xiàng)目LNA的要求。
2.4防噪聲干擾措施
噪聲分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲。外部噪聲為自然界的噪聲，對(duì)于外部噪聲，可采用合理的裝配、屏蔽等措施，使之減為最小，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲包括熱噪聲、散彈噪聲和閃爍噪聲，主要由電阻、晶體管、電源變壓器等器件和不合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。本項(xiàng)目的外殼采用厚度為1mm的封閉鋁合金外殼，可有效減少外部入侵噪聲的干擾。本項(xiàng)目采用了使用外置電源適配器、機(jī)內(nèi)僅用一級(jí)LNA放大電路、輸出口的阻抗匹配電路為純LC電路等方法，有效地減少了機(jī)內(nèi)噪聲干擾。
2.5增益控制功能
增益控制通常采用兩種方法，一種是手動(dòng)增益控制，即通過(guò)調(diào)整一個(gè)可調(diào)電阻的電阻值直接調(diào)整輸出電平值，從而使輸出口輸出的信號(hào)電平符合實(shí)際需要；另一種是自動(dòng)增益控制，是在前置放大器后接入一個(gè)PIN二極管，用光探測(cè)器的輸出電壓信號(hào)去控制這個(gè)PIN二極管，以獲得需要的電平，再進(jìn)行放大，由于PIN二極管的控制電壓是根據(jù)光探測(cè)器接收光的強(qiáng)弱來(lái)確定的，PIN二極管輸出的電平是恒定的，使用經(jīng)過(guò)后級(jí)放大器后的電平也是恒定的，由于PIN二極管對(duì)增益的損耗較大，輸出端需要級(jí)聯(lián)多級(jí)放大器以補(bǔ)償被其損耗的增益。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，本項(xiàng)目光探測(cè)器的輸出增益在0dBm時(shí)為62dBμV，在-16dBm時(shí)為41dBμV，然而通過(guò)LNA放大后，輸出增益達(dá)到60dBμV~81dBμV，符合GY/T106-1996的規(guī)定，滿足系統(tǒng)要求。
2.6設(shè)備升級(jí)功能
正在建設(shè)和準(zhǔn)備建設(shè)的光纖到戶的系統(tǒng)中，有的廣電網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電視、寬帶、電話的三網(wǎng)融合功能，有的暫時(shí)只能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視功能，計(jì)劃以后升級(jí)為三網(wǎng)融合功能。對(duì)于還未實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)融合功能的用戶，使用入戶型光接收機(jī)后，在后期業(yè)務(wù)的擴(kuò)展中，怎么實(shí)現(xiàn)設(shè)備升級(jí)十分重要。該技術(shù)是按照三網(wǎng)融合光接收機(jī)的要求設(shè)計(jì)的，機(jī)內(nèi)預(yù)留了ONU的安裝位置，可方便用戶后期的升級(jí)。入戶型光接收機(jī)輸入光纖信號(hào)經(jīng)光探測(cè)器（PIN）光電轉(zhuǎn)換后由400Ω差分阻抗輸入低噪聲放大器（LNA），然后輸出射頻數(shù)字電視信號(hào)經(jīng)輸出匹配后至電視機(jī)或機(jī)頂盒即可。設(shè)備研究所依據(jù)的主要技術(shù)原理為差分阻抗輸入技術(shù)和差分放大電路技術(shù)。為滿足入戶型光接收機(jī)在要求輸入較低光功率（通常在-16dBm~0dBm）的情況下而獲得較低的噪聲系數(shù)和較好的非線性指標(biāo)，本產(chǎn)品對(duì)光接收機(jī)PIN光探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后采用400Ω差分阻抗輸入電路和差分放大電路，由于差分電路對(duì)差模的放大能力和對(duì)共模的抑制能力均較強(qiáng)，使得上述要求得以實(shí)現(xiàn)，具體體現(xiàn)在如下兩方面。（1）當(dāng)差模信號(hào)Vid輸入（共模信號(hào)Vic=0）時(shí)，差放兩輸入端信號(hào)大小相等、極性相反，即：Vi1=-Vi2=Vid/2因此差動(dòng)對(duì)管電流增量的大小相等、極性相反，導(dǎo)致兩輸出端對(duì)地的電壓增量，即差模輸出電壓Vod1、Vod2大小相等、極性相反，此時(shí)雙端輸出電壓為：Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod可見差放能有效地放大差模輸入信號(hào)，能夠很容易地識(shí)別小信號(hào)。（2）當(dāng)共模信號(hào)Vic輸入（差模信號(hào)Vid=0）時(shí)，差放兩輸入端信號(hào)大小相等、極性相同，即：Vi1=Vi2=Vic因此差動(dòng)對(duì)管電流增量的大小相等、極性相同，導(dǎo)致兩輸出端對(duì)地的電壓增量，即差模輸出電壓Voc1、Voc2大小相等、極性相同，此時(shí)雙端輸出電壓為：Vo=Voc1-Voc2=0可見差放對(duì)共模輸入信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力，對(duì)外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的，從而可以降低整機(jī)的噪聲系數(shù)、提高整機(jī)的載噪比。本系統(tǒng)的400Ω差分阻抗輸入匹配電路能將探測(cè)器輸出的高阻抗良好匹配到LNA的輸入端，而LNA采用的差分放大電路用高增益、低噪聲的砷化鎵器件完成，在輸入光功率為-16dBm的情況下其射頻輸出任然能達(dá)到60dBμV，光接收機(jī)輸出MER值僅比輸入光發(fā)時(shí)的MER值劣化7dB[1]；而輸入光功率為0dBm時(shí)射頻輸出為81dBμV，光接收機(jī)輸出MER值僅比輸入光發(fā)時(shí)MER值劣化不到1dB，且在0dBm~16dBm接收時(shí)，射頻輸出口BER值均高于1.0×10-7，使得本系統(tǒng)僅用一級(jí)LNA就可完成信號(hào)放大功能，無(wú)需設(shè)計(jì)PIN增益調(diào)節(jié)電路或可調(diào)衰減器調(diào)節(jié)人為增益，既節(jié)省成本、減少耗電量，又能提高系統(tǒng)的載噪比、減少故障率，完全符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶使用需求。本系統(tǒng)采用1550nm/1310nm光探測(cè)器時(shí)，可作為電視信號(hào)光接收機(jī)；采用WDM光探測(cè)器時(shí)，通過(guò)嵌入數(shù)據(jù)模塊（ONU），即為電視信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)三網(wǎng)融合功能的光接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品平滑升級(jí)，為用戶節(jié)省成本和資源。
3技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
�。�1）國(guó)內(nèi)首創(chuàng)采用400Ω差分阻抗輸入電路和一級(jí)砷化鎵差分放大電路作為設(shè)備的前置放大器，保證信號(hào)實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸?shù)耐瑫r(shí)有效降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。（2）設(shè)備即插即用，無(wú)需人為調(diào)節(jié)。（3）光信號(hào)輸入部分，現(xiàn)使用普通1550nm/1310nmPIN光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)單一電視信號(hào)傳輸?shù)挠脩簦瑢?lái)可根據(jù)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展可升級(jí)為WDM的三波長(zhǎng)波分復(fù)用組件，滿足系統(tǒng)今后升級(jí)需求。（4）光纖入戶型光接收機(jī)在設(shè)計(jì)的輸入光功率時(shí)（+2dBm~-16dBm），其射頻信號(hào)輸出功率均符合電視接收的標(biāo)準(zhǔn)，用戶在使用時(shí)不用調(diào)節(jié)旋鈕人為調(diào)節(jié)射頻信號(hào)的高低，減少產(chǎn)品的故障率。
參考文獻(xiàn)
[1]劉濤,等.有線電視網(wǎng)絡(luò)FTTH規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)維[M].中國(guó)廣播影視出版社,2017(8).
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