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【摘 要】光接收机工作在光纤系统中的各光接收点, 接收光缆传送过来的光信号,并把光信号转换为电信号(实现光电转换O/E) ,输出是RF信号。光接收机由光电检测级、电信号放大级、衰减器、均衡器、AGC电路、输出放大器、电源部分等组成。
【关键词】工作原理；增益调节；故障分析
一、光接收机主要组成部分的工作原理
1.光接收器件原理与特性
光接收器件是光纤传输系统中不可缺少的器件,它是接收输入端口使用的半导体二极管器件,其作用是将输入的光信号变换成输出的电信号,类似于电气通信中的检波器,所以称它为光检测器或光电二极管(PD: Photo D iode), 从PD取出的是与光功率成比例的电流, 也可以用负载电阻把这一电流变成电压。光功率与被检测的电流或电压成比例的关系,说明被检测的光电场强度的平方值与电流成比, 所以可以认为是平方律检波。
光检测器对光接收机的工作速率、灵敏度等特性有重大影响, 因此对光检测器有如下要求:
(1)在系統工作的波段范围内有很高的响应效率,即对工作波段内入射的光信号,光检测器能输出较大的光电流,实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的,在使用光检测器时必须合理选择所用的器件, 能满足系统要求。
(2)有足够的响应度,输出电流与输入光功率是线性关系,以保证信号不失真。
(3)噪声低,频带宽。光检测器在光电变换中引入的噪声应尽量小, 因为光检测器的入射光信号一般相当微弱,又是光接收机的最前级, 对系统的载噪比影响较大。
(4)可靠性高、寿命长、性能稳定,能适应一定的温度等环境条件变化。
光检测器的工作原理是:半导体晶体中的电子可能处于两种状态,一种是围绕原子核旋转的状态,另一种是脱离原子核的束缚而自由运动的状态,该状态还由于电子的自由运动,因而有助于产生导电状态。处于这种状态的电子, 其能量比处于前一种状态的要高。
如图2所示。
由图2可见,能量高的区域称为导带,能量低的区域为价带,处于它们中间的是禁带, 它表示电子在其中不能存在的状态。当光入射半导体接收的光能量大于半导体禁带时,会使半导体原子中价带的电子跃迁到导带,价带因失去电子以后而出现空穴, 所以由光的入射就会产生电子、空穴对,当外部加上电压时,会使这些电子、空穴对移动, 从而取出电流。
光电二极管的基本结构也是P-N结。在P-N结中,在N层当电子向导带跃迁时,失去电子的晶体的原子就要带正电,在P层则空穴移动的轨迹要带负电,因此电子和空穴受到这些电荷的排斥而远离强区,在结区附近出现一个不存在电子和空穴等载流子的称为耗尽层的层, P和N层之间因为带电而产生电位差,其能级就不同,因而在中间形成倾斜状态。当光射入耗尽层而进一步产生电子、空穴对时,由于上述倾斜,电子和空穴将被吸收而分别*在N层和P层,从而形成光电电动势,如果加以反向偏压(正极在N层,负极在P层),电位的倾斜将进一步增大,由光产生的载流子就能作为电流而有效地取出。
2.光接收机的功率放大
在光接收机中,功率放大都采用集成一体化模块,依据信号的放大流程,前面一级放大通常都采用低噪声、推挽放大模块,后面一级都采用功率倍增模块。光接收机模块的选择有多种方式:可采用硅放大模块、GaAs放大模块、进口模块、国产模块等诸多配置,当光接收机在低电平输出时,放大模块的指标对光接收机的整机指标影响不大, 如果光接收机实现高电平输出则放大模块的影响将是主要因素。
3.光接收机的增益调节
光接收机的增益调节都是通过衰减器来实现,在实用化的产品中有两种形式的衰减器, 固定衰减器和可调衰减器。
4.光接收机的均衡调节
不像放大器非有均衡调节不可,光接收机可以不加均衡器,光接收组件解调出来的电信号在整个工作频段内是平坦的,没有斜率,因而也无须调节均衡。
均衡器是有线电视系统一个必不可少的常用器件,它是由电感、电容和电阻构成一个桥T型4端高通网络,通过调整电抗元件可以改变幅频特性的倾斜度,即对低频信号衰减大、高频信号衰减依次减小, 正好和电缆的衰减特性相反,在光接收机应用中主要有两种,即固定均衡器、可调均衡器。(1)固定均衡器由电感、电容和电阻等无源器件组成。固定式均衡器通常是一个桥T型无源4端网络,它克服了可变均衡器桥T型衰减网络的不稳定性,得到广泛应用,其主要优点是电路简单、成本低廉、均衡量固定,靠换用不同均衡量的均衡器实现均衡调节。(2)可调均衡器是在固定均衡器的基础上,用可调衰减网络代替固定衰减网络,并增加阻抗匹配元件而成,可以实现连续均衡量的调整,使用非常方便,在光接收机中,固定均衡器、可调均衡器都有应用。
二、常见故障分析及排除
1.故障现象: 输出电平太低
原因分析:
①入光功率太低②光纤连接头被沾污③+24V电压太低④输出电平测试端接触不良。
①测试输入光功率,在保证指标的前提下提高光发射机输入电平;②断开电源,取下APC光纤连接头,用无绒棉球蘸无水酒精擦拭, 清洁连接头的端面;③测试模块供电电压是否为(24～0.3V);④检查测试端及相关连线是否接好。
2.故障现象:电视图像有雪花,但输出电平正常原因分析:光发射机射频输入电平太低或信号质量不好。
处理过程: 提高光发射机射频输入电平, 改善信号质量。
3.故障现象:电视图像有斜纹原因分析:光发射机射频输入电平太高或信号质量不好。
处理过程: 降低光发射机射频输入电平, 改善信号质量。
4.故障现象:没有输出信号原因分析: 电源不工作; 光接收机没有光信号输入。
处理过程:
①查找电源各接插件是否接触不良, 保险丝是否熔断;②测量输入光接收机的光功率。
【关键词】工作原理；增益调节；故障分析
一、光接收机主要组成部分的工作原理
1.光接收器件原理与特性
光接收器件是光纤传输系统中不可缺少的器件,它是接收输入端口使用的半导体二极管器件,其作用是将输入的光信号变换成输出的电信号,类似于电气通信中的检波器,所以称它为光检测器或光电二极管(PD: Photo D iode), 从PD取出的是与光功率成比例的电流, 也可以用负载电阻把这一电流变成电压。光功率与被检测的电流或电压成比例的关系,说明被检测的光电场强度的平方值与电流成比, 所以可以认为是平方律检波。
光检测器对光接收机的工作速率、灵敏度等特性有重大影响, 因此对光检测器有如下要求:
(1)在系統工作的波段范围内有很高的响应效率,即对工作波段内入射的光信号,光检测器能输出较大的光电流,实际上不同材料对各种波长的光的响应效率是不一样的,在使用光检测器时必须合理选择所用的器件, 能满足系统要求。
(2)有足够的响应度,输出电流与输入光功率是线性关系,以保证信号不失真。
(3)噪声低,频带宽。光检测器在光电变换中引入的噪声应尽量小, 因为光检测器的入射光信号一般相当微弱,又是光接收机的最前级, 对系统的载噪比影响较大。
(4)可靠性高、寿命长、性能稳定,能适应一定的温度等环境条件变化。
光检测器的工作原理是:半导体晶体中的电子可能处于两种状态,一种是围绕原子核旋转的状态,另一种是脱离原子核的束缚而自由运动的状态,该状态还由于电子的自由运动,因而有助于产生导电状态。处于这种状态的电子, 其能量比处于前一种状态的要高。
如图2所示。
由图2可见,能量高的区域称为导带,能量低的区域为价带,处于它们中间的是禁带, 它表示电子在其中不能存在的状态。当光入射半导体接收的光能量大于半导体禁带时,会使半导体原子中价带的电子跃迁到导带,价带因失去电子以后而出现空穴, 所以由光的入射就会产生电子、空穴对,当外部加上电压时,会使这些电子、空穴对移动, 从而取出电流。
光电二极管的基本结构也是P-N结。在P-N结中,在N层当电子向导带跃迁时,失去电子的晶体的原子就要带正电,在P层则空穴移动的轨迹要带负电,因此电子和空穴受到这些电荷的排斥而远离强区,在结区附近出现一个不存在电子和空穴等载流子的称为耗尽层的层, P和N层之间因为带电而产生电位差,其能级就不同,因而在中间形成倾斜状态。当光射入耗尽层而进一步产生电子、空穴对时,由于上述倾斜,电子和空穴将被吸收而分别*在N层和P层,从而形成光电电动势,如果加以反向偏压(正极在N层,负极在P层),电位的倾斜将进一步增大,由光产生的载流子就能作为电流而有效地取出。
2.光接收机的功率放大
在光接收机中,功率放大都采用集成一体化模块,依据信号的放大流程,前面一级放大通常都采用低噪声、推挽放大模块,后面一级都采用功率倍增模块。光接收机模块的选择有多种方式:可采用硅放大模块、GaAs放大模块、进口模块、国产模块等诸多配置,当光接收机在低电平输出时,放大模块的指标对光接收机的整机指标影响不大, 如果光接收机实现高电平输出则放大模块的影响将是主要因素。
3.光接收机的增益调节
光接收机的增益调节都是通过衰减器来实现,在实用化的产品中有两种形式的衰减器, 固定衰减器和可调衰减器。
4.光接收机的均衡调节
不像放大器非有均衡调节不可,光接收机可以不加均衡器,光接收组件解调出来的电信号在整个工作频段内是平坦的,没有斜率,因而也无须调节均衡。
均衡器是有线电视系统一个必不可少的常用器件,它是由电感、电容和电阻构成一个桥T型4端高通网络,通过调整电抗元件可以改变幅频特性的倾斜度,即对低频信号衰减大、高频信号衰减依次减小, 正好和电缆的衰减特性相反,在光接收机应用中主要有两种,即固定均衡器、可调均衡器。(1)固定均衡器由电感、电容和电阻等无源器件组成。固定式均衡器通常是一个桥T型无源4端网络,它克服了可变均衡器桥T型衰减网络的不稳定性,得到广泛应用,其主要优点是电路简单、成本低廉、均衡量固定,靠换用不同均衡量的均衡器实现均衡调节。(2)可调均衡器是在固定均衡器的基础上,用可调衰减网络代替固定衰减网络,并增加阻抗匹配元件而成,可以实现连续均衡量的调整,使用非常方便,在光接收机中,固定均衡器、可调均衡器都有应用。
二、常见故障分析及排除
1.故障现象: 输出电平太低
原因分析:
①入光功率太低②光纤连接头被沾污③+24V电压太低④输出电平测试端接触不良。
①测试输入光功率,在保证指标的前提下提高光发射机输入电平;②断开电源,取下APC光纤连接头,用无绒棉球蘸无水酒精擦拭, 清洁连接头的端面;③测试模块供电电压是否为(24～0.3V);④检查测试端及相关连线是否接好。
2.故障现象:电视图像有雪花,但输出电平正常原因分析:光发射机射频输入电平太低或信号质量不好。
处理过程: 提高光发射机射频输入电平, 改善信号质量。
3.故障现象:电视图像有斜纹原因分析:光发射机射频输入电平太高或信号质量不好。
处理过程: 降低光发射机射频输入电平, 改善信号质量。
4.故障现象:没有输出信号原因分析: 电源不工作; 光接收机没有光信号输入。
处理过程:
①查找电源各接插件是否接触不良, 保险丝是否熔断;②测量输入光接收机的光功率。