光接收机工作原理及其故障排除

光接收机是光纤CATV 传输系统中关键设备, 对它的性能和结构应有充分的了解, 目前光纤CATV 中常用的光接收机构成如图1所示。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。

图1 光接收机的构成

　　光电检测器是光接收机的核心部件, 它相当于无线电通信、广播中的检波器, 检波器是从调幅波中去掉载波高频信号, 取出有用的低频信号。光电检测器是从输入的光信号中取出有用的电信号(有线电视信号) , 完成光- 电转换, 能完成O /E转换的光接收器件称光电检测器或光电二极管( PD)。光电检测器输出的射频有线电信号送入电信号放大级放大, 之后送至均衡器, 完成对带宽内( 550MH z、750 MH z、860 MH z的带宽内)的平坦度调整, 之后送入衰减器, 衰减器完成对带宽内各频道幅度的调整, 保证输出级有合适的输出电平(即保证光接收机有合适的输出电平)。输出放大器输出信号送入分支器(或分配器) , 之后送到接收机的各输出口, 从输出放大级输出取出部分信号送至AGC 控制电路, 完成AGC控制作用和监测作用。

　　电源部分输出稳定的24 V 直流电压, 供给接收的各有源器件。

　　1光接收机主要组成部分的工作原理

　　1. 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)在系统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, 才能满足系统要求。

　　( 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。

图2 电子能级的价带、导带和禁带

　　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。

　　1. 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。在光接收机中, 放大模块的质量对光接收机的影响较大,放大模块的选择也决定了光接收机的档次与价位, 光接收机的输出电平的设定是由放大模块的增益决定的。后级功率倍增模块的增益可选的范围比较小, 一般增益为18 dB 或20 dB。因而光接收机的RF增益主要由前级推挽放大模块决定, 其模块增益从18