有线电视网络光纤光接收机研究论文
摘要：本文介绍了有线电视入户型光接收机，由于去掉了多余的放大电路，结构设计简单，使用方便，在保证高效率的功率传输的同时减少了反射，清晰度高、成本低、节能环保。
关键词：入户型光接收机；差分阻抗输入电路；差分放大电路
1研究背景
目前使用的入户型光接收机设计的输入光功率要求较高（一般为-7dBm~+2dBm），光纤到户后由于大量使用光缆，光缆自身的损耗加大，加之工程施工，导致实际入户光功率较低(一般在-7dBm或以下)，从而造成光接收机输出射频信号低于国家广播电视总局GY/T106-1999中规定的系统输出口电平为60dBμV~80dBμV的要求。而且光接收机内安装了可调衰减器，用户可自行调节输出增益，使得非专业人员很难将信号调到合适位置，并且容易把衰减器拧过头而损坏光接收机，从而人为增加系统故障率。目前的光接收机内部采用二级或多级放大电路放大，造成了功率加大、耗电量增加和成本增加，既浪费成本又不节能。本项目设计了一种有线电视网络光纤入户型光接收机，成功解决了上述问题。
2技术研究
本项目主要研发的是一种有线电视网络光纤入户型光接收机，由于改进了匹配电路、去掉了可调衰减器和多余的放大电路，结构设计简单，使用和设备升级方便，在保证高效率的功率传输的同时减少了信号反射，清晰度高且省电，成本低，节能环保，详细方案如下。入户型光接收机是下一代广播电视网络（三网融合）中的主要设备，也是应用数量最大的设备，安装于用户的家中，网络结构图如图1所示。入户型光接收机系统设计方案的构思划分为六个功能块：光电转换功能、阻抗匹配功能、LNA放大功能、防噪声干扰措施、增益控制功能、设备升级功能，下面分别进行简要的介绍。
2.1光电转换功能
光电转换是由光探测器将接收到的入射光转化为电流信号，在CATV光传输系统中对光探测器有如下要求：在系统工作的波段有很高的响应效率，即对工作波段内入射的光信号，光探测器能输出较大的光电流，实际上不同材料对各段波长的响应效率是不同的；有足够的响应度，以保证信号不失真；由于光探测器属于光接收机的最前级，对系统的载噪比影响较大，所以要求选择噪声低、工作频带宽的光探测器；另外还要求光探测器具有可靠性高、寿命长、价格低廉等特点。由于PIN光电二极管是全耗尽型的，具有量子效率高、响应速度快、暗电流小、动态范围大、可靠稳定、价格低廉等优点，本设计方案的光探测器选用了PIN光电二极管。
2.2阻抗匹配功能
在有线电视网络中，阻抗匹配是将不同阻抗的'设备器件统一匹配到75Ω。入户型光接收机的阻抗匹配分为两部分，其一是将光探测器较高的输出阻抗匹配到LNA输入为75Ω的阻抗上，其二是将RF输出口的阻抗匹配到75Ω。由于入户型光接收机接收光功率低而导致其光探测器输出射频信号很微弱，不利于信号传输处理且容易受到各种噪声干扰，选用的阻抗匹配电路是否能将前级微弱的信号功率很好地传输至后级LNA电路尤其重要，本项目光探测器输出至LNA电路输入的阻抗匹配电路为我公司独创。
2.3LNA放大功能
LNA放大器的设计是入户型光接收机的关键部分，LNA放大器的性能在很大程度上决定了整个光接收机的性能。它的输入和输出要求与其前后级电路阻抗匹配良好，从而获得较高的输出增益和较低的相移，降低放大器的噪声系数。PIN光探测器输出的信号到达LNA的接收端时通常很微弱，尤其是入户型光接收机常常工作于低光功率（一般都在-7dBm以下）的情况下，如果采用一般的放大器件放大，由于器件本身噪声系数较高和其他噪声干扰，导致信噪比劣化。为解决上述问题，系统需要设计一个阻抗匹配良好、低噪声、高增益的LNA放大器。本项目LNA采用一级高增益的砷化镓放大器件组成的差分放大器，LNA的输入阻抗匹配电路采用我公司独创的400Ω差分阻抗匹配电路，输出经LC阻抗匹配电路、射频巴伦后连接至输出口，本LNA放大器的实测噪声系数为1.6dB，增益为19dB，完全满足本项目LNA的要求。
2.4防噪声干扰措施
噪声分为外部噪声和内部噪声。外部噪声为自然界的噪声，对于外部噪声，可采用合理的装配、屏蔽等措施，使之减为最小，系统内部噪声包括热噪声、散弹噪声和闪烁噪声，主要由电阻、晶体管、电源变压器等器件和不合理的设计结构产生。本项目的外壳采用厚度为1mm的封闭铝合金外壳，可有效减少外部入侵噪声的干扰。本项目采用了使用外置电源适配器、机内仅用一级LNA放大电路、输出口的阻抗匹配电路为纯LC电路等方法，有效地减少了机内噪声干扰。
2.5增益控制功能
增益控制通常采用两种方法，一种是手动增益控制，即通过调整一个可调电阻的电阻值直接调整输出电平值，从而使输出口输出的信号电平符合实际需要；另一种是自动增益控制，是在前置放大器后接入一个PIN二极管，用光探测器的输出电压信号去控制这个PIN二极管，以获得需要的电平，再进行放大，由于PIN二极管的控制电压是根据光探测器接收光的强弱来确定的，PIN二极管输出的电平是恒定的，使用经过后级放大器后的电平也是恒定的，由于PIN二极管对增益的损耗较大，输出端需要级联多级放大器以补偿被其损耗的增益。通过实际测试，本项目光探测器的输出增益在0dBm时为62dBμV，在-16dBm时为41dBμV，然而通过LNA放大后，输出增益达到60dBμV~81dBμV，符合GY/T106-1996的规定，满足系统要求。
2.6设备升级功能
正在建设和准备建设的光纤到户的系统中，有的广电网络营运商已经实现电视、宽带、电话的三网融合功能，有的暂时只能实现数字电视功能，计划以后升级为三网融合功能。对于还未实现三网融合功能的用户，使用入户型光接收机后，在后期业务的扩展中，怎么实现设备升级十分重要。该技术是按照三网融合光接收机的要求设计的，机内预留了ONU的安装位置，可方便用户后期的升级。入户型光接收机输入光纤信号经光探测器（PIN）光电转换后由400Ω差分阻抗输入低噪声放大器（LNA），然后输出射频数字电视信号经输出匹配后至电视机或机顶盒即可。设备研究所依据的主要技术原理为差分阻抗输入技术和差分放大电路技术。为满足入户型光接收机在要求输入较低光功率（通常在-16dBm~0dBm）的情况下而获得较低的噪声系数和较好的非线性指标，本产品对光接收机PIN光探测器光电转换后采用400Ω差分阻抗输入电路和差分放大电路，由于差分电路对差模的放大能力和对共模的抑制能力均较强，使得上述要求得以实现，具体体现在如下两方面。（1）当差模信号Vid输入（共模信号Vic=0）时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，即：Vi1=-Vi2=Vid/2因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压Vod1、Vod2大小相等、极性相反，此时双端输出电压为：Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod可见差放能有效地放大差模输入信号，能够很容易地识别小信号。（2）当共模信号Vic输入（差模信号Vid=0）时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即：Vi1=Vi2=Vic因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压Voc1、Voc2大小相等、极性相同，此时双端输出电压为：Vo=Voc1-Voc2=0可见差放对共模输入信号具有很强的抑制能力，对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的，从而可以降低整机的噪声系数、提高整机的载噪比。本系统的400Ω差分阻抗输入匹配电路能将探测器输出的高阻抗良好匹配到LNA的输入端，而LNA采用的差分放大电路用高增益、低噪声的砷化镓器件完成，在输入光功率为-16dBm的情况下其射频输出任然能达到60dBμV，光接收机输出MER值仅比输入光发时的MER值劣化7dB[1]；而输入光功率为0dBm时射频输出为81dBμV，光接收机输出MER值仅比输入光发时MER值劣化不到1dB，且在0dBm~16dBm接收时，射频输出口BER值均高于1.0×10-7，使得本系统仅用一级LNA就可完成信号放大功能，无需设计PIN增益调节电路或可调衰减器调节人为增益，既节省成本、减少耗电量，又能提高系统的载噪比、减少故障率，完全符合国家相关标准和用户使用需求。本系统采用1550nm/1310nm光探测器时，可作为电视信号光接收机；采用WDM光探测器时，通过嵌入数据模块（ONU），即为电视信号、数据信号和语音信号三网融合功能的光接收机，实现产品平滑升级，为用户节省成本和资源。
3技术创新点
（1）国内首创采用400Ω差分阻抗输入电路和一级砷化镓差分放大电路作为设备的前置放大器，保证信号实现最大功率传输的同时有效降低系统的噪声系数。（2）设备即插即用，无需人为调节。（3）光信号输入部分，现使用普通1550nm/1310nmPIN光探测器实现单一电视信号传输的用户，将来可根据业务的扩展可升级为WDM的三波长波分复用组件，满足系统今后升级需求。（4）光纤入户型光接收机在设计的输入光功率时（+2dBm~-16dBm），其射频信号输出功率均符合电视接收的标准，用户在使用时不用调节旋钮人为调节射频信号的高低，减少产品的故障率。
参考文献
[1]刘涛,等.有线电视网络FTTH规划、建设与运维[M].中国广播影视出版社,2017(8).
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