模拟光纤技术频率调制

脉冲频率调制传输方式是目前模拟视频光纤传输方式中传输质量最高的方式之一，其原理是调制脉冲重复频率随信号幅度大小呈线性变化，而脉宽保持不变。PFM 是信号光强度调制前的一种预处理过程，信号经过脉冲调制后，频谱会变宽，并以此可以换取传输质量的提高。而PFM 处理带来的传输带宽的增加，对于带宽极宽的光纤来说并不存在什么问题，而且由于光源的非线性对系统的影响不大，故光调制深度可以增加，进一步提高系统的信噪比。

通过脉冲频率调制可实现单路视频传输，多路视频传输，视频/数据传输。下面对几种方案做简要描述。

单路视频传输系统工作原理如图1，在发射端基带视频信号经过预加重，进行PFM 调制，然后去调制激光器。而在接收端通过PIN 管将光信号转化成电信号，经过PFM 解调恢复出视频信号。

图1 单路视频传输系统原理图

视频信号经过PFM 后，频谱呈第一类贝塞尔函数分布，频谱中含有无穷多个频率分量，但功率谱主要集中在载波和低次谐波分量上，高次边频分量可略去不计，因此PFM 信号可近似认为具有有限频谱。基带视频信号的带宽为8MHz，经过PFM 调制后，信号带宽可限定在30 MHz以上而不会明显影响PFM 性能。

不同于基带视频信号直接光强度调制方式，该系统对发光器件没有特殊要求，可以根据实际工程需要选用不同的发光器件。如多模850nm 波长LED 满足4 公里以内应用，单模1310nm波长LD 满足30 公里以内应用，单模1550nm 波长DFB 激光器满足100 公里以内应用。无论是多模LED，还是单模LD，系统都具有良好的性能。批量测试结果表明，系统经过光纤传输后，系统主要指标为:加权信噪比为60dB，微分增益为3%，微分相位为3°。

由于PFM 信号解调输出噪声功率谱密度和调频信号解调输出噪声功率谱密度一样，呈三角形噪声特性，造成高频端噪声大而低频端噪声小的现象。为了克服这种现象，在设计中往往采用预加重和去加重电路。预加重使视频信号在频率上人为地加以预倾斜，使高频端升高，低频端压低。在接收端解调时，由于信号高频端电平提升而使解调信噪比有所提高，而低频端则有所降低，从而均衡了带内信噪比的分布。另外，预加重对低频成分起着压缩作用，也压缩了亮度信号的动态范围，从而降低了微分增益和微分相位的失真。

通过将多路视频分别调制于不同的频率范围，然后进行频分复用，可以在单根光纤中实现多路视频传输。其发射部分原理框图如图2，接收部分原理是发射部分的逆过程。

从理论上讲，光纤和光器件的带宽极大，完全满足8 路以上多路视频频分复用的带宽要求。但实际上由于目前采用的分立元件，特别是高频电容和电感的精密度和稳定性不够，使得PFM中心频率的稳定性不好，中心频率会随时间和温度漂移，加上带通滤波器的特性也会随温度变化，给多路视频复用带来很多不稳定因素。所以目前较为成熟的也只是四路图象的频分复用。

基带视频信号直接光强度调制的工作原理是在光发射端通过基带视频信号直接调制光源，使输出光的强度随电视信号的幅度线性变化，然后在光接收端通过光电探测器将光信号还原成电信号，经过放大和增益控制电路，得到稳定的视频信号。

在该系统中，通常采用发光二极管(LED)作为光源。LED 的特点是性能稳定，线性度好，在多模光纤中不会产生模噪声，因此能得到较好的信噪比、微分增益和微分相位。实验证明:以LED 为光源的光传输系统中，系统性能指标:加权信噪比为54dB，微分增益为5%，微分相位为5°。目前LED 的工作波长为850nm，适合在多模光纤850 nm 窗口传输。LED 光源的输出光功率典型值为-16dBm，而光电探测器的灵敏度为-30 dBm，因此光传输动态范围为14 dB，在多模光纤中最远可传输4 公里。

当然也可以采用LD作为光源。LD 可工作在单模1310 nm 窗口，由于单模1310 nm 窗口损耗小(考虑附加损耗后每公里0.45dB)，可以满足远距离应用要求，传输距离可达30 公里。但是和LED 相比，LD 光源的线性度不好，在电路设计中必须增加预失真电路。因此增加了硬件成本和调试难度。

在接收端，必须具有自动增益控制电路，其作用除了可以使接收机的信号动态范围扩大外，更重要的是因为这种系统接收端的输出信号是随着收到的光功率的大小而变化的，因而自动增益控制使接收端电视信号输出电平维持衡定的接口电平。