有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖光接收機研究論文
摘要：本文介紹了有線電視入戶型光接收機，由于去掉了多余的放大電路，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，使用方便，在保證高效率的功率傳輸?shù)耐瑫r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；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設(shè)計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)致實際入戶光功率較低(一般在-7dBm或以下)，從而造成光接收機輸出射頻信號低于國家廣播電視總局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)人員很難將信號調(diào)到合適位置，并且容易把衰減器擰過頭而損壞光接收機，從而人為增加系統(tǒng)故障率。目前的光接收機內(nèi)部采用二級或多級放大電路放大，造成了功率加大、耗電量增加和成本增加，既浪費成本又不節(jié)能。本項目設(shè)計了一種有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖入戶型光接收機，成功解決了上述問題。
2技術(shù)研究
本項目主要研發(fā)的是一種有線電視網(wǎng)絡(luò)光纖入戶型光接收機，由于改進了匹配電路、去掉了可調(diào)衰減器和多余的放大電路，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，使用和設(shè)備升級方便，在保證高效率的功率傳輸?shù)耐瑫r減少了信號反射，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。入戶型光接收機系統(tǒng)設(shè)計方案的構(gòu)思劃分為六個功能塊：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)備升級功能，下面分別進行簡要的介紹。
2.1光電轉(zhuǎn)換功能
光電轉(zhuǎn)換是由光探測器將接收到的入射光轉(zhuǎn)化為電流信號，在CATV光傳輸系統(tǒng)中對光探測器有如下要求：在系統(tǒng)工作的波段有很高的響應(yīng)效率，即對工作波段內(nèi)入射的光信號，光探測器能輸出較大的光電流，實際上不同材料對各段波長的響應(yīng)效率是不同的；有足夠的響應(yīng)度，以保證信號不失真；由于光探測器屬于光接收機的最前級，對系統(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器；另外還要求光探測器具有可靠性高、壽命長、價格低廉等特點。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、動態(tài)范圍大、可靠穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，本設(shè)計方案的光探測器選用了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。入戶型光接收機的阻抗匹配分為兩部分，其一是將光探測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接收光功率低而導(dǎo)致其光探測器輸出射頻信號很微弱，不利于信號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微弱的信號功率很好地傳輸至后級LNA電路尤其重要，本項目光探測器輸出至LNA電路輸入的阻抗匹配電路為我公司獨創(chuàng)。
2.3LNA放大功能
LNA放大器的設(shè)計是入戶型光接收機的關(guān)鍵部分，LNA放大器的性能在很大程度上決定了整個光接收機的性能。它的輸入和輸出要求與其前后級電路阻抗匹配良好，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光探測器輸出的信號到達(dá)LNA的接收端時通常很微弱，尤其是入戶型光接收機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。為解決上述問題，系統(tǒng)需要設(shè)計一個阻抗匹配良好、低噪聲、高增益的LNA放大器。本項目LNA采用一級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放大器的實測噪聲系數(shù)為1.6dB，增益為19dB，完全滿足本項目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)計結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。本項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。本項目采用了使用外置電源適配器、機內(nèi)僅用一級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，一種是手動增益控制，即通過調(diào)整一個可調(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電平符合實際需要；另一種是自動增益控制，是在前置放大器后接入一個PIN二極管，用光探測器的輸出電壓信號去控制這個PIN二極管，以獲得需要的電平，再進行放大，由于PIN二極管的控制電壓是根據(jù)光探測器接收光的強弱來確定的，PIN二極管輸出的電平是恒定的，使用經(jīng)過后級放大器后的電平也是恒定的，由于PIN二極管對增益的損耗較大，輸出端需要級聯(lián)多級放大器以補償被其損耗的增益。通過實際測試，本項目光探測器的輸出增益在0dBm時為62dBμV，在-16dBm時為41dBμV，然而通過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)營運商已經(jīng)實現(xiàn)電視、寬帶、電話的三網(wǎng)融合功能，有的暫時只能實現(xiàn)數(shù)字電視功能，計劃以后升級為三網(wǎng)融合功能。對于還未實現(xiàn)三網(wǎng)融合功能的用戶，使用入戶型光接收機后，在后期業(yè)務(wù)的擴展中，怎么實現(xiàn)設(shè)備升級十分重要。該技術(shù)是按照三網(wǎng)融合光接收機的要求設(shè)計的，機內(nèi)預(yù)留了ONU的安裝位置，可方便用戶后期的升級。入戶型光接收機輸入光纖信號經(jīng)光探測器（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)字電視信號經(jīng)輸出匹配后至電視機或機頂盒即可。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)品對光接收機PIN光探測器光電轉(zhuǎn)換后采用400Ω差分阻抗輸入電路和差分放大電路，由于差分電路對差模的放大能力和對共模的抑制能力均較強，使得上述要求得以實現(xiàn)，具體體現(xiàn)在如下兩方面。（1）當(dāng)差模信號Vid輸入（共模信號Vic=0）時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相反，即：Vi1=-Vi2=Vid/2因此差動對管電流增量的大小相等、極性相反，導(dǎo)致兩輸出端對地的電壓增量，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，能夠很容易地識別小信號。（2）當(dāng)共模信號Vic輸入（差模信號Vid=0）時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相同，即：Vi1=Vi2=Vic因此差動對管電流增量的大小相等、極性相同，導(dǎo)致兩輸出端對地的電壓增量，即差模輸出電壓Voc1、Voc2大小相等、極性相同，此時雙端輸出電壓為：Vo=Voc1-Voc2=0可見差放對共模輸入信號具有很強的抑制能力，對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的，從而可以降低整機的噪聲系數(shù)、提高整機的載噪比。本系統(tǒng)的400Ω差分阻抗輸入匹配電路能將探測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，光接收機輸出MER值僅比輸入光發(fā)時的MER值劣化7dB[1]；而輸入光功率為0dBm時射頻輸出為81dBμV，光接收機輸出MER值僅比輸入光發(fā)時MER值劣化不到1dB，且在0dBm~16dBm接收時，射頻輸出口BER值均高于1.0×10-7，使得本系統(tǒng)僅用一級LNA就可完成信號放大功能，無需設(shè)計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光探測器時，可作為電視信號光接收機；采用WDM光探測器時，通過嵌入數(shù)據(jù)模塊（ONU），即為電視信號、數(shù)據(jù)信號和語音信號三網(wǎng)融合功能的光接收機，實現(xiàn)產(chǎn)品平滑升級，為用戶節(jié)省成本和資源。
3技術(shù)創(chuàng)新點
�。�1）國內(nèi)首創(chuàng)采用400Ω差分阻抗輸入電路和一級砷化鎵差分放大電路作為設(shè)備的前置放大器，保證信號實現(xiàn)最大功率傳輸?shù)耐瑫r有效降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。（2）設(shè)備即插即用，無需人為調(diào)節(jié)。（3）光信號輸入部分，現(xiàn)使用普通1550nm/1310nmPIN光探測器實現(xiàn)單一電視信號傳輸?shù)挠脩�，將來可根�?jù)業(yè)務(wù)的擴展可升級為WDM的三波長波分復(fù)用組件，滿足系統(tǒng)今后升級需求。（4）光纖入戶型光接收機在設(shè)計的輸入光功率時（+2dBm~-16dBm），其射頻信號輸出功率均符合電視接收的標(biāo)準(zhǔn)，用戶在使用時不用調(diào)節(jié)旋鈕人為調(diào)節(jié)射頻信號的高低，減少產(chǎn)品的故障率。
參考文獻
[1]劉濤,等.有線電視網(wǎng)絡(luò)FTTH規(guī)劃、建設(shè)與運維[M].中國廣播影視出版社,2017(8).
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