论有线电视光链路传输系统的载噪比

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CATV光链路AM（Amplitude Modulation：幅度调制，简称调幅）传输系统的技术指标与同轴电缆传输系统的技术指标基本一样，也有C/N（Carrier to Noise ratio：载噪比）、组合CSO（Composite Second Order Beat：复合二次差拍）和CTB（Composite Triple Beat：复合三次差拍）。但这三大指标在AM光纤CATV传输系统中，与许多因素有关。

调幅AM是CATV光链路传输系统噪声的主要来源

在CATV光链路传输系统中，任何组成部分都可能产生噪声，并在信号传输的过程中逐步叠加，致使系统C/N指标下降。典型的AM光纤传输系统主要由AM光发射机、传输光纤、光接收机和各类连接器所组成，如图1所示，其传输链路中的噪声主要来源于以下几个方面：

光发射机中DFB（Distributed Feed Back：分布反馈式）激光器光强度的涨落，即RIN（Relative Intensity Noise：相对强度噪声）；

由光纤链路中活接头（光纤连接器）、死接头（固定连接点）、光纤耦合端面产生反射光以及光纤内部缺陷多次反射（瑞利散射）进入激光器腔内引起的干涉强度噪声；

光接收机中光检测二极管产生的量子噪声；

光接收机中光探测器后的前置放大器产生的热噪声。

这些噪声在不同的条件和环境中对光纤传输链路产生不同程度的影响。

1、光发射机中的RIN是决定AM光纤传输系统C/N的一个最重要的因素

光发射机中的RIN是DFB激光器固有的噪声，是由激光腔中光子数的随机起伏而引起的。在AM光纤系统中，RIN是随着激光器的偏置不同而变化的。在阈值附近，RIN达到最大，随着偏置增加，即激光器输出功率增加，RIN逐渐下降。RIN和激光器的工作频率亦有关系，一般在低频时较小，而在高频时RIN则明显增加。典型DFB激光器的RIN≤－155dB/Hz。

2、光纤链路中的反射光进入激光器的腔内产生附加的光子起伏，使激光器的RIN严重恶化

除了DFB激光器固有的RIN外，还有由于光纤链路中的反射光进入激光器的腔内产生附加的光子起伏，使激光器的RIN严重恶化，可使RIN增加10～15dB。光纤链路中的反射光来源有许多点，包括：光纤链路中活接头（光纤连接器）、死接头（固定连接点）、光纤中的不均匀处（引起瑞利散射）和光纤耦合端面不良等等，这些都是使RIN恶化的因素。近年来，由于光纤制造工艺的不断的完善，瑞利散射的影响已经很小。在具体的工程施工中，光纤的活动连接如果用低反射的APC（Automatic Phase Control：自动相位控制）型连接器，其反向损耗可达60dB，因此它的影响不会很大；若采用高档自动熔接机形成的固定光纤接头，反射会更小。正确设计DFB激光器与光纤端面的耦合（如：采用锥体形状），耦合的反射损耗可大于60dB。实践告诉我们，如能注意到上述几个因素，反射光的影响可以忽略。

3、放大器输入负载电阻的噪声是放大器热噪声的主要分量

光接收机中光检测二极管在光照射下，产生光电流。由于输入光的量子离散性和产生光电子的随机性，经光电变换产生噪声常称之为散粒噪声。

在光接收机中，由光检测二极管所转换的光电流须经光探测器中前置放大器进一步放大，以满足后级放大的要求。放大器输入负载电阻的噪声为放大器热噪声的主要分量。因此，对于实际的光纤通讯系统，主要的噪声有三项，即激光器的RIN、探测器的散粒噪声和放大器的热噪声。

调幅AM光纤传输系统的C/N

综上，调幅AM光纤传输系统的总噪声，是由激光器的RIN、探测器的散粒噪声和放大器的热噪声叠加形成的。而信号和接收光功率、探测器的响应度和调制系数有关，总C/N可用下式表达：

（C/N）)总)=(0.5(mRsPi)2)/RIN(RsPi)2+2eRsPiB+4KTBF/RL

若忽略探测器的散粒噪声和放大器的热噪声，可求得光发射机RIN的C/N为：

(C/N)RIN=m2/2RIN×B

用dB值表示则为：

（C/N）RIN＝10lg（m2）-10lg2-10lgB-RIN（dB）

式中，m为单个频道的光调制系数，其数值和信道数N有关，一般取m=0.348√N；B为信道带宽，PAL-D为5.75MHz，NTSC为4MHz；RIN为dB/Hz，典型值一般取－155dB/Hz。由上式可看出：

在相同带宽和调制系数下，光发射机对系统C/N的影响主要由RIN决定，为了获得较好的C/N，通常要求激光器的RIN＜－155dB/Hz。（C/N）RIN给出AM光纤传输系统的最高C/N，而且和接收光功率无关。

调制系数m提高1dB，C/N改善2dB；当RIN改善1dB，C/N改善1dB。

若忽略了激光器的RIN和放大器的热噪声，可求得探测器散粒噪声的C/N：

(C/N)SN=(m2RsPi)/4eB

用dB表示则为：

（C/N）SN=20lgm+10lgRs=20lgPi（dBm）-101g4-101g B-10lge

式中，Rs为光检测二极管光电转换响应度，一般为0.8～0.9A/W；Pi为光接收机接收的光入射功率（mW或dBm），Pi＝P0×10－α/10；P0为发送功率（mW或dBm）：α为光纤衰减常数，1310nm光纤为0.4dB/km，1550nm光纤为0.25dB/km；e为电子电量（1.6×10－19库）；B为单频道视频带宽（5.75×106Hz）。由上式可看出：

增加接收光功率可改善C/N，接收光功率提高1dB，C/N改善1dB。调制系数m增加1dB，C/N改善2dB。

若忽略激光器的RIN和探测器的散粒噪声，可求得热噪声的C/N：

(C/N)AN=((mRsPi)2RL/2)/4kTBF

用dB表示：

（C/N）AN=20lgm+20lgRs+20lgPi+10lgRL-101g8-101gTBF

式中，RL为PIN光电二极管负载，一般为数千欧（kΩ）；k为波耳兹曼常数（1.38×10-23J/K）；T为放大器输入端处绝对温度，一般为300K；B为单频道视频带宽（5.75×106Hz）；F为放大器的噪声系数，一般为8～10dB。由上式可看出：

入射光功率增加1dB，（C/N）AN增加2dB；调制系数m增加1dB，C/N增加2dB。

令（C/N）RIN=CNR1，（C/N）SN=CNR2，（C/N）AN=CNR3。

则有：

CNR总=－10lg（10－CNR1/10＋10－CNR2/10＋10－CNR3/10）

激光器的RIN、探测器的散粒噪声和放大器的热噪声的大小，造成的AM光纤CATV传输系统C/N的相对大小及它们与接收光功率（光纤链路损耗）的关系见图2所示。

图2中，在光路长度为10～20km时，当给定了光调制系数，AM光纤传输系统的C/N主要取决于光电转换散粒噪声，其次取决于激光器的RIN指数，而前置放大器的热噪声影响最小。可见，AM光纤系统中的C/N主要由光发射功率、光纤链路损耗和光调制深度决定。光发射功率越大，链路长度越短，光调制度越深链路的C/N越高。在其他参数固定时，传输系统的C/N与光调制指数的平方成正比，如图3所示。

所以，在可能的情况下，要提高调制度。但是，当光调制度加深后又严重影响系统的失真指标，即影响系统的CSO、CTB。因此，m的选取要在C/N和失真之间折中。

在AM光纤传输系统中，所有输入信号的总和对激光器进行调制。当输入的电视频道数增多，单一频道的调制深度m应该降低，以保证激光器的总和调制度M保持不变。

1550nm外调制AM光纤传输系统噪声与C/N

1550nm外调制AM光纤CATV传输系统由外调制光发射机、放大发射机输出功率的EDFA（Erbium-Doped Amplifier：掺铒光纤放大器）和线路EDFA、光缆、光分路器接收机组成，见图4。

1550nm系统的噪声由下面几个独立的噪声源提供，每个部分C/N如下。

1、激光器的C/N

其中BW为电视噪声带宽。对于PAL-D系统，BW＝5.75MHz。m为每个电视频道的OMI（Optical Modulation Index：调制系统的值），m和系统电视频道有关。典型的m和电视频道数目关系如图5所示。

换成以dB为单位表示。

式中，（SNRin）为输入信号的C/N，（SNRin）=λPin/2hc，其中Pin＝总输入功率，λ＝光波长（以m为单位），h＝6.63-34J・s（普朗克常量），c ＝ 3×108m（光速）；F=EDFA的噪声因子，NF=10lgF为EDFA噪声系数。

由此得

以dB为单位

（C/N）EDFA=158.92+20lgm-lg（4BW）+Pin（dBm）- NF

典型EDFA的NF和输入光功率的关系如图6所示。

3、光接收机检测器的散粒噪声

光接收机检测器的散粒噪声为：

式中，p是光电检测的响应度，典型的为1.0mA/mW；q是电子电荷，其值为1.602×10-19；Pr是接收光功率。

以dB为单位，则有：

（C/N）shot=151.93＋20lgm-10lg（BW）－10lg p＋Pr（dBm）

4、放大器热噪声

放大器热噪声为：

式中i2n为放大器热噪声等效电流，典型的为8pA/Hz。

以dB为单位，则有：

5、INN（干涉强度噪声）

光纤中后向散射光和非散射光会产生低频光信号噪声落入信号频带内，其计算比较复杂，一般可近似为0.5dB（60km光纤），光纤加长可以认为INN（干涉强度噪声）按比例增加。

在总载噪比的计算中，由于各噪声源互相独立，可认为系统总噪声按功率叠加，由此C/N计算以10lg为规律，和电缆系统计算类似。

多级光纤CATV传输系统的C/N

目前，在1310nm波长的AM-CATV系统中，强度调制光发射机DFB激光器最大的光功率（Pomax）约为30mW，光纤每千米损耗α≤0.4dB/km，当传输59路PAL-D电视信号时并满足C/N≥50dB，最大传输距离（Lmax）约为35 km。超过这个距离，则需要进行光纤CATV的中继传输，构成二级光纤CATV干线传输系统。

二级光纤CATV干线系统终端输出射频信号的C/N，则是由第一级干线传输系统和第二级干线传输系统C/N叠加所得，其计算公式为：

式中，（C/N）1为第一级光纤干线系统C/N；（C/N）2为第二级光纤干线系统C/N。

若第一级光纤干线系统C/N为51dB，第二级的C/N为50 dB，则在第二级终端射频信号的C/N为：

在同样的设备条件下，两级的C/N若相等，如均为50dB，则：

这样就比一级光纤干线系统的C/N下降约3.01dB。所以，在设计时，也要求提高中继器接收点的光信号功率近3dB，予以补偿以保证二级干线输出端C/N的标准要求。

若CATV的光纤链路由三级组成，第一级光纤干线系统的C/N为52dB，第二级为51dB，第三级为50dB，则在第三级终端射频输出信号的C/N为：

上面计算表明，AM光纤三级光纤干线传输C/N标准指标己下降许多，一般不予采用。

CATV-HFC网络的C/N

在CATV的HFC（Hybrid Fiber Coaxial：混合光纤同轴电缆）网络结构中，采用光纤作干线传输，光节点以下采用同轴电缆传输用户输出频信号C/N可由功率叠加公式计算：

国家《有线电视广播系统技术规范》GY/T 106-1999-04-01标准要求（C/N）用户≥43dB，如光纤干线传输系统输出端射频信号C/N为50dB，则要求电缆分配支干线系统的C/N为：

若（C/N）电缆为光纤系统C/N是50dB，（C/N）用户为用户终端输出射频信号C/N是43dB，则：

可以看出，在CATV的HFC网络结构中，由于采用以AM光纤为传输干线网，对于以同轴电缆为分配网的CATV系统的技术指标及要求，大大降低！