光接收機工作原理及其故障排除

光接收機是光纖CATV 傳輸系統中關(guān)鍵設備, 對它的性能和結構應有充分的了解, 目前光纖CATV 中常用的光接收機構成如圖1所示。光接收機工作在光纖系統中的各光接收點(diǎn), 接收光纜傳送過(guò)來(lái)的光信號,并把光信號轉換為電信號(實(shí)現光電轉換O /E ) , 輸出是RF信號。光接收機由光電檢測級、電信號放大級、衰減器、均衡器、AGC 電路、輸出放大器、電源部分等組成。

圖1 光接收機的構成

　　光電檢測器是光接收機的核心部件, 它相當于無(wú)線(xiàn)電通信、廣播中的檢波器, 檢波器是從調幅波中去掉載波高頻信號, 取出有用的低頻信號。光電檢測器是從輸入的光信號中取出有用的電信號(有線(xiàn)電視信號) , 完成光- 電轉換, 能完成O /E轉換的光接收器件稱(chēng)光電檢測器或光電二極管( PD)。光電檢測器輸出的射頻有線(xiàn)電信號送入電信號放大級放大, 之后送至均衡器, 完成對帶寬內( 550MH z、750 MH z、860 MH z的帶寬內)的平坦度調整, 之后送入衰減器, 衰減器完成對帶寬內各頻道幅度的調整, 保證輸出級有合適的輸出電平(即保證光接收機有合適的輸出電平)。輸出放大器輸出信號送入分支器(或分配器) , 之后送到接收機的各輸出口, 從輸出放大級輸出取出部分信號送至AGC 控制電路, 完成AGC控制作用和監測作用。

　　電源部分輸出穩定的24 V 直流電壓, 供給接收的各有源器件。

　　1光接收機主要組成部分的工作原理

　　1. 1 光接收器件原理與特性

　　光接收器件是光纖傳輸系統中不可缺少的器件,它是接收輸入端口使用的半導體二極管器件, 其作用是將輸入的光信號變換成輸出的電信號, 類(lèi)似于電氣通信中的檢波器, 所以稱(chēng)它為光檢測器或光電二極管( PD: Photo D iode), 從PD取出的是與光功率成比例的電流, 也可以用負載電阻把這一電流變成電壓。光功率與被檢測的電流或電壓成比例的關(guān)系, 說(shuō)明被檢測的光電場(chǎng)強度的平方值與電流成比, 所以可以認為是平方律檢波。

　　光檢測器對光接收機的工作速率、靈敏度等特性有重大影響, 因此對光檢測器有如下要求:

　　( 1)在系統工作的波段范圍內有很高的響應效率, 即對工作波段內入射的光信號, 光檢測器能輸出較大的光電流, 實(shí)際上不同材料對各種波長(cháng)的光的響應效率是不一樣的, 在使用光檢測器時(shí)必須合理選擇所用的器件, 才能滿(mǎn)足系統要求。

　　( 2)有足夠的響應度, 輸出電流與輸入光功率是線(xiàn)性關(guān)系, 以保證信號不失真。

　　( 3)噪聲低, 頻帶寬。光檢測器在光電變換中引入的噪聲應盡量小, 因為光檢測器的入射光信號一般相當微弱, 又是光接收機的最前級, 對系統的載噪比影響較大。

　　( 4)可靠性高、壽命長(cháng)、性能穩定, 能適應一定的溫度等環(huán)境條件變化。

　　光檢測器的工作原理是: 半導體晶體中的電子可能處于兩種狀態(tài), 一種是圍繞原子核旋轉的狀態(tài), 另一種是脫離原子核的束縛而自由運動(dòng)的狀態(tài), 該狀態(tài)還由于電子的自由運動(dòng), 因而有助于產(chǎn)生導電狀態(tài)。處于這種狀態(tài)的電子, 其能量比處于前一種狀態(tài)的要高。

　　如圖2所示。

圖2 電子能級的價(jià)帶、導帶和禁帶

　　由圖2可見(jiàn), 能量高的區域稱(chēng)為導帶, 能量低的區域為價(jià)帶, 處于它們中間的是禁帶, 它表示電子在其中不能存在的狀態(tài)。當光入射半導體接收的光能量大于半導體禁帶時(shí), 會(huì )使半導體原子中價(jià)帶的電子躍遷到導帶, 價(jià)帶因失去電子以后而出現空穴, 所以由光的入射就會(huì )產(chǎn)生電子、空穴對, 當外部加上電壓時(shí), 會(huì )使這些電子、空穴對移動(dòng), 從而取出電流。

　　光電二極管的基本結構也是P- N 結。在P - N結中, 在N層當電子向導帶躍遷時(shí), 失去電子的晶體的原子就要帶正電, 在P層則空穴移動(dòng)的軌跡要帶負電, 因此電子和空穴受到這些電荷的排斥而遠離強區,在結區附近出現一個(gè)不存在電子和空穴等載流子的稱(chēng)為耗盡層的層, P和N 層之間因為帶電而產(chǎn)生電位差,其能級就不同, 因而在中間形成傾斜狀態(tài)。當光射入耗盡層而進(jìn)一步產(chǎn)生電子、空穴對時(shí), 由于上述傾斜,電子和空穴將被吸收而分別*在N 層和P層, 從而形成光電電動(dòng)勢, 如果加以反向偏壓(正極在N 層, 負極在P層), 電位的傾斜將進(jìn)一步增大, 由光產(chǎn)生的載流子就能作為電流而有效地取出。

　　1. 2 光接收機的功率放大

　　在光接收機中, 功率放大都采用集成一體化模塊,依據信號的放大流程, 前面一級放大通常都采用低噪聲、推挽放大模塊, 后面一級都采用功率倍增模塊。在光接收機中, 放大模塊的質(zhì)量對光接收機的影響較大,放大模塊的選擇也決定了光接收機的檔次與價(jià)位, 光接收機的輸出電平的設定是由放大模塊的增益決定的。后級功率倍增模塊的增益可選的范圍比較小, 一般增益為18 dB 或20 dB。因而光接收機的RF增益主要由前級推挽放大模塊決定, 其模塊增益從18 dB到30 dB 不等。光接收機模塊的選擇有多種方式: 可采用硅放大模塊、GaA s放大模塊、進(jìn)口模塊、國產(chǎn)模塊等諸多配置, 當光接收機在低電平輸出時(shí), 放大模塊的指標對光接收機的整機指標影響不大, 如果光接收機實(shí)現高電平輸出則放大模塊的影響將是主要因素。

　　1. 3 光接收機的增益調節

　　光接收機的增益調節都是通過(guò)衰減器來(lái)實(shí)現, 在實(shí)用化的產(chǎn)品中有兩種形式的衰減器, 固定衰減器和可調衰減器。固定衰減器是采用不同的固定電阻, 通過(guò)一定的電路形式實(shí)現衰減值的變化, 按具體電路的不同有T 型衰減器、??型衰減器、H型衰減器等多種實(shí)用產(chǎn)品?？烧{式衰減器是用可調電阻代替固定電阻,在一定范圍內實(shí)現無(wú)級調節, 其良好的可調節性使之應用前景一片光明。

　　1. 4 光接收機的均衡調節

　　不像放大器非有均衡調節不可, 光接收機可以不加均衡器, 光接收組件解調出來(lái)的電信號在整個(gè)工作頻段內是平坦的, 沒(méi)有斜率, 因而也無(wú)須調節均衡。設有均衡調節只有一個(gè)作用, 那就是可以實(shí)現光接收機的半傾斜高電平輸出, 提高光接收機的帶負載能力。

　　均衡器是有線(xiàn)電視系統一個(gè)必不可少的常用器件, 它是由電感、電容和電阻構成一個(gè)橋T型4端高通網(wǎng)絡(luò ),通過(guò)調整電抗元件可以改變幅頻特性的傾斜度, 即對低頻信號衰減大、高頻信號衰減依次減小, 正好和電纜的衰減特性相反, 在光接收機應用中主要有兩種, 即固定均衡器、可調均衡器。( 1)固定均衡器由電感、電容和電阻等無(wú)源器件組成。固定式均衡器通常是一個(gè)橋T型無(wú)源4端網(wǎng)絡(luò ), 它克服了可變均衡器橋T 型衰減網(wǎng)絡(luò )的不穩定性, 得到廣泛應用, 其主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低廉、均衡量固定, 靠換用不同均衡量的均衡器實(shí)現均衡調節。( 2)可調均衡器是在固定均衡器的基礎上, 用可調衰減網(wǎng)絡(luò )代替固定衰減網(wǎng)絡(luò ), 并增加阻抗匹配元件而成, 可以實(shí)現連續均衡量的調整, 使用非常方便, 在光接收機中, 固定均衡器、可調均衡器都有應用。

　　2 常見(jiàn)故障分析及排除

　　2. 1 故障現象: 輸出電平太低

　　原因分析:

　?、偃牍夤β侍廷?光纖連接頭被沾污③+ 24V 電壓太低④輸出電平測試端接觸不良處理過(guò)程:

　?、?測試輸入光功率, 在保證指標的前提下提高光發(fā)射機輸入電平;② 斷開(kāi)電源, 取下APC 光纖連接頭, 用無(wú)絨棉球蘸無(wú)水酒精擦拭, 清潔連接頭的端面;③測試模塊供電電壓是否為( 24 ? 0. 3 V );④檢查測試端及相關(guān)連線(xiàn)是否接好。

　　( 2)故障現象: 電視圖像有雪*, 但輸出電平正常原因分析: 光發(fā)射機射頻輸入電平太低或信號質(zhì)量不好。

　　處理過(guò)程: 提高光發(fā)射機射頻輸入電平, 改善信號質(zhì)量。

　　( 3)故障現象: 電視圖像有斜紋原因分析: 光發(fā)射機射頻輸入電平太高或信號質(zhì)量不好。

　　處理過(guò)程: 降低光發(fā)射機射頻輸入電平, 改善信號質(zhì)量。

　　( 4)故障現象: 沒(méi)有輸出信號原因分析: 電源不工作; 光接收機沒(méi)有光信號輸入。

　　處理過(guò)程:

　?、?查找電源各接插件是否接觸不良, 保險絲是否熔斷;② 測量輸入光接收機的光功率。