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光发射机

光发射机的作用是将从复用设备送来的HDB3信码变换成NRZ码;接着将NRZ码编为适合在光缆线路上传输的码型;最后在进行电/光转换,将电信号转换成光信号并耦合进光纤。
光发射机

光发射机光源的调制

  我们都知道,信息的处理都是在电的领域内完成的,在光纤通信中,我们必须把电信号转变成光信号,这样才能在光纤上传播。在光纤通信系统中,信息由LED或LD发出的光波所携带,光波就是载波,把信息加载到光波上的过程就是调制。光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。
  调制方式通常分为两大类,即模拟调制和数字调制。
  模拟调制又有两类,一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制(D-IM);另一采用连续或脉冲的射频(RF)波作为副载波,模拟基带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制,再用该受调制的副载波去强度调制光源。模拟调制的优点是设备简单,占有带宽较窄,但它的抗干扰性能差,中继时噪声累积。
  数字调制是光纤通信的主要调制方式,将模拟信号抽样量化后,以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制,并进行脉冲编码(PCM)。数字调制的优点是抗干扰能力强,中继时噪声及色散的影响不积累,因此可实现长距离传输,它的缺点是需要较宽的频带,设备也复杂。
  按调制方式与光源的关系来分,有直接调制和外调制两种。前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数(光强、频率等),得到光频的调幅波或调频波,这种调制又称内调制;后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器,光信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制,光源直接调制的优点是简单,但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的限制(如频率啁啾等)。外调制方式需要调制器,结构复杂,但可获得优良的调制性能,尤其适合于高速率下运用。
  按被调制光波的参数分:强度调制、相位调制、偏振调制等。
  目前光纤通信中应用最多的是光源的基带直接强度调制、副载波强度调制及数字调制,高速率时采用外调制。

光发射机构成

  光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成,其核心是光源及驱动电路。在数字通信中,输入电路将输入的信号(如PCM脉冲)进行整形,变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源,或者送到光调制器调制光源输出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度,通常要设置一个自动的温度控制及功率控制电路。

光发射机原理与故障分析

  模拟光发射机按光波长分为两大类: 1310nm 光发和 1550nm 光发。由于 1310nm 光发是把射频电视信号直接加在激光二极管上进行光强度调制的,称为内调制光发: 1550nm 波长光发是把射频电信号加在外调制器上进行光强度调制,所以称为外调制光发。两种光发射机除调制方式不同外,在电路结构和工作原理上基本相同,以光发射模块为核心,配上外围电路,构成了光发射机。下面就以直调式光发射机为例,对电路的基本原理作一个简单的介绍。
  一、基本原理
  从前端输入的 RF 电视信号经过两级放大、一级电调衰减器和自动增益控制、一级预失真补偿电路对激光器的偏流进行控制。从末级放大器输出端还分出一部分信号,经过峰值检波、直流放大去控制由 PIN 二极管组成的电调衰减器和自动增益控制 (AGC) , AGC 电路受微处理器控制,其功能是保持每个频道的 RF 信号输入电平为一个固定电平。以达到最佳工作效果。 RF 激励电平检测信号 (-20 dB) 用于对通道的高频监测。为了减少光发射机输出的非线性失真,这里让 RF 电视信号在进入激光器之前,先经过一个宽带驱动和预失真补偿电路。使其预先形成一个失真,来抵消激光器的失真.从而提高 CTB CSO 值。经过这样一系列的处理以后,将射频信号加入激光器激励口,来控制半导体激光器的偏流,进而控制激光器的输出光强度,一般采用 DFB 激光器作为光源。
  二、常见故障分析及检修
  下面笔者就近几年调试和维修光发射机过程中遇到的问题和解决的方法作一个简单的介绍。
  1、TV 口输出后电视画面质量不佳.包括画面噪波点大或有斜纹横纹等。
  在修理过程中经常遇到这种情况。首先要准确判断故障产生的部位,先将光发射机测试口的 RF 信号引入 TV 口中,如果电视画面出现上述所说的现象,可以大致判断放大模块有问题,但还不可以做最后的定论,进一步的做法是:将射频放大电路与光发射机其他电路隔离开来,将放大信号经适当的衰减处理后引入电视,这时如果电视画面依然没有大的改观,那么就可以判断是放大模块出了问题,当然还有个前提条件,那就是放大模块 +24V 供电必须正常。
  还有一种情况判断起来就比较棘手,那就是激光器出了问题。因为激光器成本占整个光发射机成本的 60 %以上,所以对这个问题的判断一定要谨慎和准确。笔者在维修过程中一般的做法是:将激光器的射频激励口断开,将射频信号直接引入电视机,如果这时电视画面没有问题,也不能下定论就是激光器坏了,还要对激光器周围的匹配电路做进一步的分析和判断,主要是激光器偏流电路和恒温电路,如果电路没有问题.那么基本上可以断定是激光器坏了,这种情况下光发机整机也就失去了修理的价值。
  2、光功率下降
  这种情况在维修光发射机的过程中也经常出现,具体的原因无外乎两种情况:
  (1) 激光器本身老化;
  (2) 激光器偏流电路出了问题。对于这两种情况解决问题的方式只有一种:在保证偏流电路正常工作的情况下,适当地提高激光器偏流。当然有时还要对激光器射频激励口的电平作适当地调整,以保证光调制度在一个正常的范围之内。
  3 、AGC 电路失去控制.产生报警
  为了稳定光发射机的光调制度,现在的光发射机都有 AGC 控制电路,一般是从末级放大器的输出端取出一部分信号经过峰值检波.直流放大去控制由 PIN 二极管组成的电调谐器.来实现。 AGC 自动增益控制。 AGC 增益失去控制,一般有几种情况:
  (1)PIN 电调谐二极管坏了; (2)PIN 二极管上的控制电压没有被加上; (3) 末级取样电路出了问题; (4) 通往前面板的控制线断了,或者前面板的控制开关出了问题。
  4、电源问题
  一般情况是加不上电,或者部分供电不正常。此时分两种情况: (1) 开关电源问题; (2) 光发射机其他线路问题。一般的处理方法是:断开一切负载,用万用表测量开关电源本身的供电电压,如果不正常,那就是开关电源本身有问题,还有一种情况是开关电源带载能力不行,此时也容易造成光发射机其他故障现象,这要根据实际情况而定,还有就是光发射机其他电路引起的供电不正常,这里就不作过多的讨论了。
  5、其他原因
  造成光发射机工作不正常的原因很多,以上就其主要原因作了一般的阐述。还有一些原因可能造成光发射机工作不正常,比如笔者有一次在修理过程中,发现电视画面噪波点严重.开始怀疑放大模块有问题,但后来发现是激光器射频激励口的一个耦合电容出现了问题。换一个新的电容以后,画面变得清晰了。所以在修理过程中,有些故障现象不能一概而论,必须具体问题区别对待。

光发射机电路详解和原理简析

  由于高档光发射机电路相当复杂,难于在帖子里作全面详尽介绍,因此只介绍一款最简单的“普通型光发射机”的基本电路图,并简要分析其工作原理。为了便于绘图和分析,还将其分成若干个单元,逐一绘图和讲解。
  1、光发射机激光器射频驱动电路
  光发射机激光器射频驱动电路见图1.
  这是一款最简单的“普通型光发射机”,其中只配置一块功率倍增型放大模块BGD714(或BGD704),其增益G=20.5dB,CTB104=66.6dB,在光发射机中它的净增益约18dB。由于它的电路原理和普通放大器基本相同,就不做详细说明了。
  由于激光器的偏置电流为离散参数,即使同一批次生产出厂的激光器,其偏置电流往往也不相同,通常分布在0至100mA之间,以50至90mA者居多。据有关文献推算,当激光器的偏置电流在50至90mA时,要使激光器满载是的总调制度达到最佳值0.25时,放大器模块净增益为18dB时,光发射机的输入电平为80至87dB(如表1序号5栏)。因此,此类光发射机的出厂说明书上通常标示光发射机的输入电平为80至87(或85)dB。显然,这并不是说每台光发射机可以任意选择其中的某一个电平数值,而是某一台光发射机只能选择其中的某一个数值(否则可能造成输入电平过高而引起失真,或输入不足而劣化载噪比、并使光接收机的输出电平达不到额定值),此时,激光器的光调制度才能达到额定最佳值、光接收机的输出电平也可以达到额定值。因此我们可以根据光接收机的输出电平是否能达到额定值,来判断光发射机选定的的输入电平是否合适。
  显然,更换光发射机以后,这类光发射机的输入电平需要重新选定。
  光发射机的输入电平选定合适后,如果再提高(或降低)输入电平1dB,激光器的调制度会提高(或降低),光接收机的输出电平会相应提高1dB,光链路的C/N比指标提高(或降低)1dB,CTB指标降低(或提高)2dB。
  另一种高档一些的“普通型光接收机”,采用双模块驱动放大器(如BGY787+BGD714或BGD704),两模块之间设置可调衰减器,厂家根据激光器偏置电流的不同数值调节衰减量、并固定之,以改变双模块放大器的净增益(图2),使任何一台光发射机的输入电平都设定在75dB(见表1序号3栏)。显然,对于这种光发射机,提高(或降低)输入电平1dB,激光器的调制度会提高(或降低),光接收机的输出电平会相应提高1dB,光链路的C/N比指标提高(或降低)1dB,CTB指标降低(或提高)2dB。
  早年,由于系统的频道数较少,这种光发射机的出厂说明书可能还会提供非满载时光发射机输入电平的计算公式:
  So=75+10lg(N满/N实际)
  现在系统的频道数通常都接近或达到满载状态,这个算式已经用不上了。
  更高档的光发射机是采用双模块放大器的“AGC型光发射机”和“调制度恒定型光发射机”。这两类光发射机在两只放大模块中间设置了“电控衰减器”,使光发射机的性能达到很高的水平。
  “AGC型光发射机”的输入电平为一个较大范围的数值,比如75至82dB,任何一台光发射机输入这个范围的电平值,激光器的“单频道调制度”都相同,光接收机的输出电平也相同。在这个范围内改变光发射机实际输入电平时,光接收机的输出电平不变、光链路的质量指标不变。更换光发射机以后,光发射机的输入电平不需要重新选定。这类光发射机在非满载条件下,光链路的失真指标会提高一些,频道数量改变以后光接收机的输出电平不变、C/N指标不变,但失真指标会随着频道数的增加而降低。
  当激光器输出的光功率降低时,光检测二极管输出的信号电压U5降低,经“同相运算放大器”IC2-1放大输出的电压U6进一步降低,经IC2-3 “倒相放大”后的信号U7升高,促使三极管BG3进一步导通、增加输出激光器的偏置电流Ib,使激光器输出光功率增加到原设计值。我们可以把这个过程写成:
  激光器光功率 ↓—U5 ↓—U6 ↓— U7 ↑—Ib ↑—激光器光功率 ↑
  如果激光器的输出光功率增加,电路的变化过程就成为:
  激光器光功率 ↑—U5 ↑—U6 ↑— U7 ↓—Ib ↓—激光器光功率 ↓
  显然,电路的运作结果会使激光器的输出光功率基本保持恒定。
  二极管D3下面的延时电容器可以使激光器偏置电流的变化来得平缓,并避免瞬时高、低功率脉冲信号导致激光器偏置电流瞬息变化,防止出现电路振荡。
  运算放大器IC2-4和外围元件组成“差动比例放大器”,完成“非零点参考电位”与“零点参考电位”之间的转换,并放大、输出由“偏流取样电阻R21”得到的信号给微处理器。
  当激光器温度恒定功能和光功率自动控制功能失效,使激光器出现过热、超功率等故障时,微处理器会检测到这种故障信号,并输出信号使光功率切断电路中的三极管BG4导通,继电器CJ1吸合,常闭触点断开,三极管BG3失去控制信号而截止,激光器失去偏置电流而中止或大幅度降低光功率输出,从而保护激光器免遭损坏。
  4、微处理器控制电路
  图9是微处理器控制电路简图,采用的是Microchip公司的8位微处理器PIC16C74B, 它内置了4K的程序存储器和192×8位的数据存储器,可满足光发射机的编程需要。内部还集成了A/D转换器,有8个通道,可将模拟信号直接和其相连,简化外围控制电路。
  当光发射机正常接通电源时,微处理器使BG6、BG7导通,使继电器CJ2、CJ3接通,5V电源和驱动放大器24V电源接通,光发射机投入运行,绿色Led指示灯亮;激光器功率检测信号、偏置电流信号和温度检测信号分别通过4、5、9脚进入微处理器,它们和5V电压、24V电压都可以在16位点阵式液晶显示屏上显示出具体数值,只要按揿显示状态按钮Status即可选择显示那一项数值。当微处理器检测到激光器的温度、功率异常时,即会从7脚输出“功率切断”信号,使BG4导通、继电器CJ1导通、常闭触电切断,中断激光器的偏置电流,停止或降低激光器的功率发射,红色报警Led指示灯闪亮;情况严重时,BG6、BG7也会截止、CJ2和CJ3释放、中断5V和24V电源,使光发射机处于待机状态。
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