第三部分光接收机的结构及原理在有线电视 HFC 网络中, 光接收机通常位于光纤接点和有线电视的前端位置,它的主要功能是把光信号转变为 RF 信号,前面已经详细讲述了光探测器、光接收组件的原理及应用。

光探测器是实现光 /电转换的关键部件,其质量的优劣决定了光接收机的性能指标与档次,光接收组件是光探测器与前置放大器的组合,在光接收机中, 无论是分离组件还是一体组件, 该部分的成本比重都比较大, 与光发射机的激光器一样, 不仅决定了光接收机的性能指标, 还将决定光接收机的价格。

光接收的整机组成主要由光接收组件、功率放大模块及其附属功能电路组成, 除光接收组件外, 功率放大模块是光接收机的第二大核心元件。

即使是采用相同的组件,由于采用不同档次、不同价位的放大模块组合, 整机也会有显著不同。

有线电视技术发展到今天, 光接收机采用分离元件制作放大模块已不多见, 基本上全采用集成一体化组件结构。

该结构模块大多属于厚膜集成电路, 它是用丝网印刷和烧结等工艺在同一陶瓷基片上制作无源网源, 并在其上组装分立的半导体芯片或单片集成电路、放大三极管管芯等, 另外再外加塑料密封,防止潮气、杂质的进入。

一、光接收机常用的放大模块介绍能用于光接收机的模块有众多型号,排除品牌命名的差异,根据放大模块的增益划分有 14dB 、 18dB 、 20dB 、 22dB 、 27dB 等,用于单模块放大器的 34dB 的放大模块在光接收机中少有应用,当然也不排除低档光接收机应用的可能。

根据放大模块具体放大电路结构的不同划分:有推挽放大模块、功率倍增放大模块两种,而根据放大元件工艺的不同,放大模块又分为硅放大工艺、砷化镓工艺两种,在光接收机中采用的模块的命名, 一般以推挽和功率倍增为主要区分, 同时附加增益的差异与器件工艺, 如果不说是砷化镓工艺模块则所说的放大模块一般都是指硅工艺。

1.推挽放大模块的原理及结构。

在实用的放大电路中,三极管的集电极并非总有电流流过, 根据集中极电流导通时间的长短, 通常把放大器分成甲类、乙类、丙类等。

在输入信号的整个周期中都有电流流过集电极的放大器称为甲类放大器; 只有在输入信号的半个周期内有集中极电流的放大器称为乙类放大器; 在小于输入信号半个周期内有集中极电流的放大器称为丙类放大器。

在许多实用的放大电路中, 为了提高放大效率通常都需要把工作点移到截止区, 即采用半周导通的乙类工作状态, 这时若仍采用一个晶体管, 输出信号中将只出现一半波形,将发生严重的截止失真。

为了解决这个问题,可采用两只特性完全相同的晶体管, 使其中一只晶体管在正半周导通, 另一晶体管在负半周导通, 最后在负载上合成完整波形, 这就是推挽放大电路。

下图是推挽放大电路的结构示意图:输入信号经过高频传输变压器 B1, 反相加在晶体管 VT1和 V T2上, 被放大后各自在半个周期内产生半个波, 在变压器 B2上反相叠加,重新合成完整波形输出,由于输出信号反相叠加,其中的直流分量和非线性失真中的偶次谐波互相抵消。

降低了直流工作点, 使变压器中流过电流减少, 从而体积可以做得较小, 进一步提高了放大器的输出功率和效率;更为重要的是,偶次谐波的抵消,减少了放大器的非线性失真,对提高有线电视系统的非线性失真指标具有重要意义。

在实际应用中,通常采用两组推挽电路并接的方法,构成桥式结构, 则每级推挽电路在负载上的直流电压可抵消, 从而简化电路结构。

在推挽电路中, 两个极性相同晶体管的特性应尽可能一致, 两个极性相反晶体管的特性应尽可能互补, 才能最大限度的抵消输出信号中的偶次谐波失真, 若在电电路中引入负反馈, 非线性失真还可进一步减小。

下图是商用化模块常采用的电路结构。

该模块用了共射——共基极放大推挽输出, 4个 NPN 型晶体管两两接成共射—共基极组合放大电路,它们再通过输入、输出变压器接成推挽电路。

共射—共基电路的特点是:简单高效,在选定最佳 e 极电流的情况下,此电路能有效的减小集电极非线性及 e — b 结非线性。

此电路采用低射极电阻和高并联电阻取得高增益, 又由于采用了低噪声晶体管使模块的噪声系数降到了尽可能低的程度。

总之该电路集中了共射—共基组合电路和推挽电路的优点, 电路的工作频率得到提高,最大带宽目前做到 1GHZ ,对于 14— 22dB 增益的模块基本上采用一级推挽结构,对于 27—34dB 的高增益放大模块通常采用两极推挽结构组成, 两级推挽的放大电路完全类似, 这样第一级推挽的放大增益可达 22dB ,二级放大增益可达 34dB 以上。

2.功率倍增放大模块的结构及原理。

功率倍增放大模块在光接收机中有大量应用,主要用于光接收机的输出级,提高整机的带负载的能力。

按增益的不同划分,通常有三种功率倍增模块:14dB 、 18dB 、 20dB 。

其中 20dB 增益功率倍增模块较为常见。

功率倍增模块的设计基础是用 2个普通的 IC 放大级并联。

其输入端有一个分路器,输出端有一个合成器,理论上其各引入大约 3dB 的损耗,因而送到每个 IC 放大级的输入信号比送到这个放大模块的输入信号低 3dB , 两个并联级各将信号放大, 它们的输出再合成起来,因为两个信号是同相位的,是电压相加,因此输出信号电平比用一级的增益提高了 6dB ,但在合成器中降低了 3dB 。

由于每一个 IC 级的输入信号因分路器又降低了 3dB ,因此,所有这些的最终结果是倍功率增益放大器与其中任一个单独的IC 放大器的增益完全相同,然而每个 IC 实际工作在比额定输出低 3dB 的电平上,失真就降低了 6dB 。

低失真是功率倍增放大技术的优点。

但由于采用两个 IC 放大级并联,功率消耗就加倍了,同增益的功率倍增模块的工作电流是推挽放大模块的 2倍, 因而功率倍增模块的散热不容忽视, 下图是商用化的功率倍增模块常采用的放大电路,供参考。

3.砷化镓工艺与硅工艺的差别砷化镓工艺放大模块是近几年才发展起来的,用砷化镓金属场效应管设计的模块具有优良的低噪声特性,同时具有优良的低失真特性, 其不足之处是抗冲击能力比较弱, 静电就能使之损坏, 输出能力有欠缺,主要是在高电平输出时出现硬压缩特性。

为便于读者理解 Si 工艺和 GaAs 工艺,下表从多项技术指标加以比较:关于两种工艺放大模块压缩特性的比较:一个理想的信号经过不同的放大器件,都会有或多或少、不同类型的失真现象。

其压缩波形变化如下图所示:Si 工艺的放大有软压缩, GaAs.MESFET 有硬压缩, 很显然硬压缩现象对信号本身的影响最明显, 即削顶现象, 通过傅立叶变换可以看出, 这样的波形含有很多失真分量, 严重时图像会出现干扰条纹; 而对于数字电视信号来讲,误码率会提高,图像会出现马赛克,甚至数据帧丢失。

硅的软压缩特性要比 GaAs 的硬压缩特性好的多,尤其体现在动态幅度较大的数字信号传输中。

鉴于 GaAs 工艺放大具有优良的低噪声、低失真特性,而同时又有硬压缩的特性,目前 GaAs 技术在放大模块的应用中,为了克服 GaAs 技术的弱点, 发挥其放大优势, 一般都采用 GaAs+Si混合技术, 并不采用单一的 GaAs 工艺构建放大模块。

当然在光接收组件中的前置放大器由于处于小信号放大状态, 可以采用纯 GaAs 工艺放大。

Ga As+Si混合技术通常是在模块的输入级和放大级采用 GaAs 工艺的管芯或贴片放大管,而在模块的输出级采用 Si 材料放大管,这种结构的放大模块具有实出的优点:(1在输入级采用 GaAs 放大管可以降低噪声的引入获得理想的噪声系数Nf 。

(2在放大级采用 GaAs 放大管可以保证模块的线性指标和非线性指标。

(3在输出级采用 Si 材料放大管,可以保证模块的输出能力和抗冲击能力,克服 GaAs 放大管负载能力比较低、比较脆弱的缺陷。

(4 GaAs+Si混合技术可以有效的改善纯GaAs 技术的硬压缩特性,使模块的压缩性能比较平缓, 减少信号失真, 特别对于数字信号的传输可以有效的降低误码率。

实验表明 GaAs MESFET 技术在 46dBMV 时,就会出现拐点,压缩特性急剧变差, CTB 、CSO 指标明显下降, 采用 GaAs+Si混合技术可有效提高模块的输出电平。

二、光接收机的结构及原理。

目前市场上的光接收机主要有两个大的分类:光接收机、光工作站;而光接收机又分为两种:一种是二端口光接收机,另一种是四端口光接收机。

在 HFC 网络光接点的设备中,二端口光接收机占有相当大的比重。

因而此处以两端口光接收机为例介绍其功能及原理。

针对于二端口光接收机是指有 2个主输出端口, 可能还同时具有一个或二个测试端口。

不同品牌的二端口光接收机, 其内部功能及工艺相差较大, 但其基本功能结构是一致的, 常见的二端口光接收机的结构如下图所示:从上图可以看出两端口光接收机主要由:光接收组件、光功率指示、前后级RF 功率放大、频响校正器、正反向增益调节与均衡调节器、回传放大、回传发射组件,输出插件等组成,采用同种上述基本结构的光接收机, 其主要差别在整机的工艺水平、各功能组件的布局安排的差异,任何一台二端口光接收机都能找到上述各功能组件。

鉴于目前 HFC 网络光点的覆盖范围越来越小, AGC 控制已无用武之地,在市场上具有 AGC 功能的二端口光接收机已很少见。

下面分别讲述光接收机各功能组件的原理及功能。

1.光接收组件。

前面已经详细讲述了光接收组件的不同种类及特点。

鉴于光接收组件已完全实现国产化, 在光接收的应用中也只有分离组件与集成一体组件的区别, 下面为集成一体组件与分离组件的差异。

从上面的比较可以看出,集成一体化组件具有明显的优势, 是有线电视技术发展的趋势, 除了一般性指标外, 集成一体化组件兼有温度控制功能。

单从这一功能来说, 在分立组件中由于 PIN 管距离前置放大相对较远,其受前置放大温度的影响相对较轻,温度对 PIN 管的影响的矛盾并不十分突出。

如果集成一体组件中没有温控电路, 由于 PIN 管与前置放大紧密结合,虽然有模块的底座散热条散热, P IN 管的温升仍然比较明显,尤其是组件中配置大电流、高增益的前置放大,温升就越大,目前绝大部分国产组件都没有温控电路,而且有些生产厂家为了寻找卖点, 采用大增益的前置放大器, 导致组件的工作电流较大, 从而使组件的温升变大, 影响 PIN 管的性能。

进口的名牌组件目前已有大部分产品采用温控功能电路, 保证组件的温升对 PIN 管的影响最小。

带温度补偿电路的光接收模块具有明显的优点:组件性能随温度变化小, 噪声系数指标得到较好的改善, 相对于指标的优化,成本就非常低。

为了说明问题,下面对组件有无温控的性能作一对比:目前在高档光接收机中都采用具有温度补偿功能的集成组件,以提高整机的环境适应性。