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光接收机

2015年07月15日 数字电视 暂无评论 阅读 6891396 次


在光纤通信系统中,光接收机(Optical receiver)的任务是以最小的附加噪声及失真,恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息,因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。
光发射机发射的光信号经传输后,不仅幅度衰减了,而且脉冲波形也展宽了,光接收机的作用就是检测经过传输的微弱光信号,并放大、整形、再生成原传输信号。

光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种。
模拟光接收机用于接收模拟信号,比如说光纤CATV信号。当前的通信系统由于大多采用数字信号,因而主要用的是数字光接收机。检测方式分为相干检测方式和非相干检测方式。相干检测方式首先接收将接收到的光信号和一个光本地振荡器在光混频器混频之后,再被光电检测器变换成一定要求的电信号,类似于无线电收音机。
常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式,通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程。

性能指标

光接收机主要的性能指标是误码率(BER)、灵敏度以及动态范围。

误码率是指在一定的时间间隔内,发生差错的脉冲数和在这个时间间隔内传输的总脉冲数之比。例如误码率为10-9表示平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。光纤通信系统的误码率较低,典型误码率范围是10-9到10-12。

光接收机的误码来自于系统的各种噪声和干扰。这种噪声经接收机转换为电流噪声迭加在接收机前端的信号上,使得接收机不是对任何微弱的信号都能正确接收的。

接收机灵敏度的定义为:在满足给定能的误码率指标条件下,最低接收的平均光功率 Pmin。在工程上常用绝对功率值(dBm)来表示,即

在长期的使用过程中,接收机的光功率可能会有所变化。因此要求接收机有一个动态范围。低于这个动态范围的下限(即灵敏度),将产生过大的误码;高于这个动态范围的上限(又叫做接收机的过载功率),在判决时亦将造成过大的误码。显然一台质量好的接收机应有较宽动态范围。在保证系统的误码率指标要求下,接收机的最低输出光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm来描述)之差(dB)就是光接收的动态范围。

光接收机的灵敏度主要由光接收机的噪声决定。噪声主要来自于检测器和放大器的噪声,有以下几种类型。

1.散粒噪声:

当光进入光电二极管时,光子的产生和结合具有统计特性,使得实际电子数围绕平均值的起伏,这种噪声称为散粒噪声。

2.热噪声:

起源于电阻内的电子的热运动,即使没有外加电压,由于电子热运动的随机性,使得电子的瞬间数目围绕它的平均值起伏。

3.暗电流噪声:

光电二极管在反偏压条件下,即使处于没有光照的环境中,电路中也会有反向直流电流,叫做暗电流。对一个接收机来说,暗电流决定了其可探测的信号功率水平的噪声基底。暗电流的典型值为几nA。如果暗电流达到了100nA,可能会引起严重的问题。

在接收机的理论中,中心的问题也是如何降低输入端的噪声、提高接收灵敏度。灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。因此,噪声的分析和灵敏度的计算也是本章重点讨论的问题。

维修维护

随着系统的改造升级,大部分县市建立了HFC网(光纤同轴电缆混合网),而且有许多地方已实现县乡村光纤联网,因而光接收机得到了大量使用。下面根据我县HFC网光接收机使用的维护情况作一介绍。

1光接收机

光接收机有室内型和野外型,如按供电方式又可分为220V供电和60V供电。光接收机主要由两部分组成:即光电转换部分和电信号模拟放大部分。电信号放大部分和普通的干线放大器相似,也有均衡调节和增益调节。但均衡调节是固定均衡,一般不宜再调。作用比较多的光接收机有些还含有网管作用和回传作用。

2光接收机的维修

光接收机的光电转换部分,一般很少坏。在我县二年多的使用中,还没有发现一台光接收机属这部分故障。如果光电转换部分坏了,也只有寄回厂家维修。电信号放大部分和电源故障较多,下面,以我县使用的飞通PTR 2001型光接收机为例作介绍。

(1)用户反映,百斤税片区无信号,估计是该片光接收机故障。均查光接收机无输出。打开光接收机,两个指示灯都不亮,说明供电故障。拆下电源板,检查发现该电源板开关管短路,换一新的开关管,把电源板重新装上光机,用场强仪测光接收机输出正常。该接收机电源板为开关电源,两路输出,一路15V供光电变换部分工作,另一路24V供电信号放大部分工作。检修时,应注意检测。

(2)中心桥用户反映,大片无信号,怀疑该点光接收机故障。打开光接收机,两个指示灯亮,说明光机在工作,用场强仪测光接收机主输出只有30dB。估计放大部分模块坏,拆下BGY788,换上一片新的,用场强仪再测,输出达100dB,询问用户,收视恢复正常。

(3)腾里片区用户收视有较多雨花,信号弱,董光接收机主输出只有83dB。打开光接收机,拧开光纤APC头,用药用棉花蘸无水酒精清洗,拧紧装上,再测输出正常。

(4)一中片区许多用户反映收视信号弱,且高端的电影台等更加模糊不清。首先查该区光接收机,经测试,光接收机低频道输出90dB,而U段23频道只有79dB。打开光接收机,发现里面有许多积水,拆下光接收机,用电吹风吹干,重新装上光接收机,再测输出正常。

3使用光接收机的注意事顾

(1)光纤APC头有光输出,检修时,应避免光输出头对准人的眼睛,防止光对人眼的伤害。

(2)光连接头应避免灰尘,连接之前应用无水酒精清洗。

(3)电压波动较大的地方,应加装交流稳压器。

(4)输出端没有全部使用时,没使用端应加装75Ω假负载。

(5)野外型光接收机外壳一定要锁紧,防止水浸入。

(6)装光接收机的地方要有防雷设施,外壳要接地良好。

 

 

结构和原理

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,它的主要作用是把光信号转变为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和档次,光接收组件是光探测器和前置放大器的组合,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,和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作用电路组成,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和器件工艺,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和其中任一个单独的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.砷化镓工艺和硅工艺的差别

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。(4)GaAs+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GaAs MESFET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作用及原理。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,其内部作用及工艺相差较大,但其基本作用结构是一致的,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、正反向增益调节和均衡调节器、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、各作用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作用组件。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作用的二端口光接收机已很少见。下面分别讲述光接收机各作用组件的原理及作用。

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和集成一体组件的区别,下面为集成一体组件和分离组件的差异。

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作用。单从这一作用来说,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管和前置放大紧密结合,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作用电路,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作用的集成组件,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作用电路,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和故障判断。显示准确的光功率指示作用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:光功率指示单元作用电路(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,该电压和基准电压进行比较,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-5 dB、-4 dB、-3 dB、-2 dB、-1 dB、0 dB、+1 dB、+2 dB,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-5 dB、-2 dB、0 dB、2 dB,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和价位,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和档次有所选择,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,都在衰减器的外型和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,作用的实现是主体、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,和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,其外型和色彩一直没有变化,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,但基本作用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和可调衰减器。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、回传通道预留作用,虽然双向光接收机的双向作用目前不可用,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作用放大,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作用插孔在那里,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作用,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,一定注意对回传作用提出要求,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激光器通常无致冷作用,输出功率很小;DFB激光器在小4MW时也无致冷作用,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。最后讲一个回传作用放大,有的光接收机预留有放大模块插口,在回传作用升级时采用放大模块进行功率放大,而有的产品只留有几个插孔,如果需要回传升级,回传组件将集成功率放大、增益均衡调节、光发射等作用单元,鉴于GaAs器件对数字信号的影响,回传功率放大采用何种器件将是一个难题,尤其是散热,因而采用这种形式的双向光接收机回传组件的质量可靠性是一个大问题。

9.光接收机的电源网络模块。电源作为光接收机的能量供应部分,在整个光接收机电路中起着举足轻重的作用。好的电源能够使光接收机的作用发挥的更出色,光接收机采用的电源主要有两种,一种是模拟电源,另一种是开关电源。(1)模拟电源。模拟电源主要由变压器、整流、滤波、稳压等单元电路组成,模拟电源的稳压部分主要用78系列三端稳压集成电路构成,由于在光接收机中采用功率倍增模块放大,整机的工作电流比较大,加上变压器的功率转换效率比较低,在炎热的夏季,将使光接收机的温升比较严重,如果光接收组件没有温控作用,将使光接收机指标劣化。鉴于模拟电源成本比较低,中低档的光接收机基本上都采用模拟电源。

(2)开关电源。开关电源采用功率半导体作为开关元件,通过周期性的通断开关,控制开关元件的占空比来调整输出电压,其基本作用电路包括输入电路、功率变换电路、输出电路和控制电路四部分组成。开关电源具有效率高、稳压特性好等诸多优点,由于转换效率高,其发热量较小,特别适合光接收机使用。开关电源技术是成熟的,但各厂家生产的开关电源并不十分稳定,究其原因,选材是根本;为降低成本,在选材上没有做到最好,留有足够的余量,导致开关电源屡屡损坏,给用户带来麻烦。模拟电源虽然发热量大,但稳定性较好,这也是许多光接收机采用模拟电源的原因。在电源网络中,过压、过流保护是光接收机的关键作用电路,在光接收机的各个输出端口一般都加有气体放电管作为过压保护器件,同时在电源输入端口还设有压敏电阻作为辅助过压保护。在电源内部,通常都加有热敏电阻和自复保险丝(或熔断型保险丝)作为过流保护器件。如果是采用开关电源,其控制电路还有过流保护作用电路,即使如此,野外型光接收机的过压保护还是不容忽视,有条件的用户最好给光接收机加上雷电保护器,增加光接收机的抗雷击能力。

四端口光接收机是指光接收机具有四个独立的输出端口,每个端口的指标及带户能力都是一致的。近年来HFC网络的普及及原有光网络的改造,导致光接点覆盖范围越来越小,每个光接点都通过光接收机直接带户,尽量少用或不用放大器,为了提高光接收机的负载能力,大量的采用四端口光接收机。目前在CATV网络中,四端口光接收机占有相当大的比重。四端口光接收机的常见结构如下图所示:

光接收组件实现光信号的光电转换及低噪声前置放大,由于四端口光接收机中作用单元较多,为了节省空间,光接收组件一般都采用集成一体化组件,采用分离组件的少之又少。前级放大实现对信号的低噪声放大并补偿后面分配器的分配损耗。由于四端口光接收机一般都是高电平输出,加之后级功率倍增放大模块的功率增益都不是很高,因而前级放大的增益相对较高,一般在22-27dBuv之间,除了对该模块有低噪声要求外,对非线性指标也有较高要求,其非线性指标对整机的非线性贡献是比较大的。后级的功率放大模块基本上都采用功率倍增放大模块,根据输出最高电平的初始设计,可供选择的模块增益一般在20~25dBuv,在高档机型中前后级放大都采用GaAs工艺的模块,以适应高电平输出时对非线性指标的要求。光功率指示电路一般都采用多只发光二极管指示光功率,也有的产品采用数码管指示,鉴于整机空间的要求,光功率指示单元电路占用PCB空间越小越好。前级放大的输出通过一个二分配宽带线圈分成两路,分别放大。对于均衡及增益的设置,各机型并不完全一致,频响校正单元的位置也不相同,相对于整机的使用及调试的灵活性,其位置以上面所处的位置为佳。如果作用电路放在二分配器的前面,虽然会略省整机成本,但无法实现实际系统现场的灵活运用,尤其是频响校正,如果设在二分配器的前面,将无法兼顾四个端口的平坦度调整,如上图,每两端口加一个频响校正器可有效的提高其效能。关于回传单元的作用应该以完备、高性能为准则,因为四端口光接收机代表了HFC网络的最新技术发展方向,通过改造变成双向网最有现实意义。因而四端口光接收机的应用应注重回传单元的实用性,输出插件是实现各端口灵活调整的重要部件,通常分配插件、分支插件齐备,在实际应用中往往以分配输出为主。

市场上的光接收机品种繁多,每个厂家的产品都各有特色,但其基本结构是一致的,不同的只是各作用电路的布局及生产工艺,还有元器件的点缀效果。总的说来,在质量合格的情况下,光接收机的美观只是表面文章的不同。掌握了光接收机的各作用电路的原理,对任何一款光接收机将不再陌生,相信操作和维护也没有问题。