光发射机

光发射机的写法

光发射机介绍

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；在进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤。

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。

光源调制

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。

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。以达到工作效果。RF激励电平检测信号(-20dB)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CTBCSO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。

电路和原理简析

由于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。

图1

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。

表1激光器偏置电流和激励放大器净增益的关系

（注：表中没有计入信号回路中可能串入的其他功能接入电路的插入损耗）

另一种一些的“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。

图2

更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。原理方框图如图3.

图3

“光调制度恒定型光发射机”除了具备“AGC型光发射机”的一些基本功能外，还具备“光总调制度自动恒定”的功能，就是说在频道数小于满载值时，光总调制度仍然达到满载时的值，这是通过提高单频道光调制度来实现的。显然在非满载条件下，光接收机的输出电平会提高一些（频道数愈少、提高量愈多），光链路的C/N指标会提高一些，而失真指标不变，恒定为系统满载时的数值。原理方框图如图4.

图4

光发射机中通常都设置“预失真电路”，常用的方法是先从放大模块A1输出的信号中分出一部分信号，用于制造二次和三次失真信号，然后经过“幅度调节”、“频响平坦度调节”和“相位转变调节”，使之成为和激光器产生的二次失真、三次失真相位相反的的信号，混入经过延时处理的放大模块A1输出的信号之中，再放大后去驱动激光器，用以“中和抵消”激光器产生的二次和三次失真产物，提高光链路的失真指标。这一切必须由微处理器去控制。图1中没有设置这种“预失真电路”电路。

图5

由于厂家通常将以上这些自动控制电路做成专门的电路芯片，我们难以了解其内部的电路结构，只能画出方框图来作大概的说明。实际上对使用者来说也没有必要去了解。

2、激光器恒温控制电路

由于激光器的温度变化以后会引起“阈值电流”和“偏置电流”变化，使激光器的光电转换效率、输出功率、工作点、和激光器发射波长的峰值位置发生变化，同时引起失真指标劣化。因此激光器中必须设置恒温控制电路，将激光器的结温控制在25±5°C甚至25±1°C范围内。激光器恒温控制电路见图6。

图6

在激光器管壳内部设置“半导体微型制冷器TEC”，1脚、14脚是它的两条引线，当电流从14脚通向1脚时（实线电流箭头所示），它就制冷，降低激光器的温度；当电流从1脚通向14脚时（虚线电流箭头所示），它就致热，提高激光器的温度。在适当控制电路的控制下，就可恒定激光器的温度在设定的范围里。

在激光器管壳内还封装了温度检测元件“负温度系数热敏电阻Rt”，当温度升高时它的电阻值减少，10脚和11脚是它的两条引线，它和电阻R1、R2、R3组成电桥电路，将温度变化引起热敏电阻的阻值变化转变成电信号U1传输到“运算放大器IC1-1”（图7）。

运算放大器LM324内部有4个独立的运算放大器，公用电源。每个运算放大器有一个输出端和两个不同性质的输入端：标示“+”号的是“同相输入端”，它和输出信号“同相位”，简单点说就是说输入电压增加时，输出电压也增加；标示“-”号的是“反相输入端”，它和输出信号“反相位”，简单点说就是说输入电压增加时，输出电压反而降低。

图7

R3和R1组成分压电路，其输出电压送到运算放大器IC1-1的同相输入端，由于R3和R1阻值固定，其输送到运算放大器IC1-1的同相输入端的电压是固定不变的，因此运算放大器IC1-1的输出电压只受反相输入端电压控制，成为“反相放大器”。当激光器温度升高、热敏电阻Rt阻值减少时，由R2和Rt组成的分压电路输出电压U1降低，即运算放大器IC1-1的反相输入端输入电压降低，它的输出电压U2升高；使运算放大器IC1-2（同相放大器）的同相输入端输入电压升高、输出电压U3升高；二极管D1截止；+5V电源Vcc1通过2K电阻进入“NPN型”三极管BG1使之导通、U4升高；由于U3升高使时三极管BG2基极上的二极管D2导通、使BG2截止不能通电，因此BG1输出的电流从激光器的14脚通进“半导体微型制冷器TEC”使之制冷以降低激光器的温度，电流从1脚出来经电流取样电阻R4入地回路。我们可以把这个过程写成:

激光器温度↑—Rt↓—U1↓—U2↑—U3↑—BG1通—U4↑—制冷—激光器温度↓

读者不难分析出激光器温度降低时的情况了，此时U3电压降低，导致二极管D2截止，-5V电源Vcc2通过2K电阻进入“PNP型”三极管BG2使之导通、U4降低；由于U3降低使三极管BG1基极上的二极管D1导通、使BG1截止不能通电，因此正电源从“地”开始经过取样电阻R4、从激光器的1脚通进“半导体微型制冷器TEC”使之致热以提高激光器的温度，电流从14脚出来经BG2回路到-5V的负电源Vcc2。我们可以把这个过程写成:

激光器温度↓—Rt↑—U1↑—U2↓—U3↓—BG2通—U4↓—致热—激光器温度↑

在激光器的温度为设定值的时候，做到热敏电阻出的输出电压和R3、R1分压输出电压相等，那么运算放大器IC1-1的输出电压U2为0，U3也为0，二极管D1、D2都导通，三极管BG1、BG2都截止，“半导体微型制冷器TEC”就没有电流通过。

从取样电阻R4上得到的电流取样信号，送到运算放大器IC1-3等组成的取样电流处理电路处理以后，再送到微处理器处理，就可在液晶显示屏上读出制冷、致热电流数值。

运算放大器IC1-1输出电压U2，一部分送到运算放大器IC1-4等组成的激光器温度处理电路处理以后，再送到微处理器处理，就可在液晶显示屏上读出激光器温度数值。

3、激光功率自动控制电路

由于激光器老化可能引起“阈值电流”和“偏置电流”变化，使激光器的输出功率发生变化，同时光电转换效率、工作点、和激光器发射波长的峰值位置也会相应发生变化，引起光接收机输出电平降低、输出信号指标劣化等一系列问题。因此激光器必须设置“激光功率自动控制电路”，以保持输出功率基本恒定。

目前业界普遍采取“平均功率控制法”，就是直接检测激光器发射的“平均光功率”来控制偏置电流，使激光器的输出光功率保持基本恒定，图8是一种比较常用的电路。

在激光器内部设有光检测二极管，用它接收激光器背向输出的激光，来探测激光器输出光功率的大小，探测到的信号经R22分送到两个高输入阻抗的“同相运算放大器”IC2-1和IC2-2，前者的放大信号用于激光功率取样电路，送微处理器分析和显示读数，后者放大的信号送运算放大器IC2-3进行“倒相放大”，放大后的信号经继电器CJ的常闭触点、D3、D4，送到激光器偏置电流调整三极管BG3，驱动其输出合适的激光器偏置电流Ib。

由于运算放大器IC2-3输出的控制偏置电流的信号电压过高，不能直接和偏置电流调整三极管BG3基极直接相连，因此中间串接2个正向设置的整流二极管D3、D4，以垫高电压1.4V左右。

由于激光器制作的不一致性和器件参数的离散性，当各个激光器输出的功率相同时，激光器内部的光检测二极管所接收到的光功率信号的强度会有所差别，因此厂家在制造光发射机过程中，需要通过调节W3、W4，使运算放大器IC2-3输出的驱动电压合适、三极管BG3供应的激光器偏置Ib电流恰当、激光器输出的光功率符合设计要求。

图8

从图4中很容易看出激光器光功率自动恒定功能的原理来。

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。