光接收機(jī)工作原理及其故障排除

光接收機(jī)是光纖CATV 傳輸系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備, 對(duì)它的性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)有充分的了解, 目前光纖CATV 中常用的光接收機(jī)構(gòu)成如圖1所示。光接收機(jī)工作在光纖系統(tǒng)中的各光接收點(diǎn), 接收光纜傳送過來的光信號(hào),并把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換O /E ) , 輸出是RF信號(hào)。光接收機(jī)由光電檢測級(jí)、電信號(hào)放大級(jí)、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(jī)的構(gòu)成

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

　　電源部分輸出穩(wěn)定的24 V 直流電壓, 供給接收的各有源器件。

　　1光接收機(jī)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(tǒng)中不可缺少的器件,它是接收輸入端口使用的半導(dǎo)體二極管器件, 其作用是將輸入的光信號(hào)變換成輸出的電信號(hào), 類似于電氣通信中的檢波器, 所以稱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(fù)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, 說明被檢測的光電場強(qiáng)度的平方值與電流成比, 所以可以認(rèn)為是平方律檢波。

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

　　( 1)在系統(tǒng)工作的波段范圍內(nèi)有很高的響應(yīng)效率, 即對(duì)工作波段內(nèi)入射的光信號(hào), 光檢測器能輸出較大的光電流, 實(shí)際上不同材料對(duì)各種波長的光的響應(yīng)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, 才能滿足系統(tǒng)要求。

　　( 2)有足夠的響應(yīng)度, 輸出電流與輸入光功率是線性關(guān)系, 以保證信號(hào)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(yīng)盡量小, 因?yàn)楣鈾z測器的入射光信號(hào)一般相當(dāng)微弱, 又是光接收機(jī)的最前級(jí), 對(duì)系統(tǒng)的載噪比影響較大。

　　( 4)可靠性高、壽命長、性能穩(wěn)定, 能適應(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)的狀態(tài), 另一種是脫離原子核的束縛而自由運(yùn)動(dòng)的狀態(tài), 該狀態(tài)還由于電子的自由運(yùn)動(dòng), 因而有助于產(chǎn)生導(dǎo)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(jí)的價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶

　　由圖2可見, 能量高的區(qū)域稱為導(dǎo)帶, 能量低的區(qū)域?yàn)閮r(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(dāng)光入射半導(dǎo)體接收的光能量大于半導(dǎo)體禁帶時(shí), 會(huì)使半導(dǎo)體原子中價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶, 價(jià)帶因失去電子以后而出現(xiàn)空穴, 所以由光的入射就會(huì)產(chǎn)生電子、空穴對(duì), 當(dāng)外部加上電壓時(shí), 會(huì)使這些電子、空穴對(duì)移動(dòng), 從而取出電流。

　　光電二極管的基本結(jié)構(gòu)也是P- N 結(jié)。在P - N結(jié)中, 在N層當(dāng)電子向?qū)кS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(fù)電, 因此電子和空穴受到這些電荷的排斥而遠(yuǎn)離強(qiáng)區(qū),在結(jié)區(qū)附近出現(xiàn)一個(gè)不存在電子和空穴等載流子的稱為耗盡層的層, P和N 層之間因?yàn)閹щ姸a(chǎn)生電位差,其能級(jí)就不同, 因而在中間形成傾斜狀態(tài)。當(dāng)光射入耗盡層而進(jìn)一步產(chǎn)生電子、空穴對(duì)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(shì), 如果加以反向偏壓(正極在N 層, 負(fù)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(jī)的功率放大

　　在光接收機(jī)中, 功率放大都采用集成一體化模塊,依據(jù)信號(hào)的放大流程, 前面一級(jí)放大通常都采用低噪聲、推挽放大模塊, 后面一級(jí)都采用功率倍增模塊。在光接收機(jī)中, 放大模塊的質(zhì)量對(duì)光接收機(jī)的影響較大,放大模塊的選擇也決定了光接收機(jī)的檔次與價(jià)位, 光接收機(jī)的輸出電平的設(shè)定是由放大模塊的增益決定的。后級(jí)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(jī)的RF增益主要由前級(jí)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(jī)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(dāng)光接收機(jī)在低電平輸出時(shí), 放大模塊的指標(biāo)對(duì)光接收機(jī)的整機(jī)指標(biāo)影響不大, 如果光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)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(jī)的增益調(diào)節(jié)

　　光接收機(jī)的增益調(diào)節(jié)都是通過衰減器來實(shí)現(xiàn), 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(diào)衰減器。固定衰減器是采用不同的固定電阻, 通過一定的電路形式實(shí)現(xiàn)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{(diào)式衰減器是用可調(diào)電阻代替固定電阻,在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié), 其良好的可調(diào)節(jié)性使之應(yīng)用前景一片光明。

　　1. 4 光接收機(jī)的均衡調(diào)節(jié)

　　不像放大器非有均衡調(diào)節(jié)不可, 光接收機(jī)可以不加均衡器, 光接收組件解調(diào)出來的電信號(hào)在整個(gè)工作頻段內(nèi)是平坦的, 沒有斜率, 因而也無須調(diào)節(jié)均衡。設(shè)有均衡調(diào)節(jié)只有一個(gè)作用, 那就是可以實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)的半傾斜高電平輸出, 提高光接收機(jī)的帶負(fù)載能力。

　　均衡器是有線電視系統(tǒng)一個(gè)必不可少的常用器件, 它是由電感、電容和電阻構(gòu)成一個(gè)橋T型4端高通網(wǎng)絡(luò),通過調(diào)整電抗元件可以改變幅頻特性的傾斜度, 即對(duì)低頻信號(hào)衰減大、高頻信號(hào)衰減依次減小, 正好和電纜的衰減特性相反, 在光接收機(jī)應(yīng)用中主要有兩種, 即固定均衡器、可調(diào)均衡器。( 1)固定均衡器由電感、電容和電阻等無源器件組成。固定式均衡器通常是一個(gè)橋T型無源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(wěn)定性, 得到廣泛應(yīng)用, 其主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低廉、均衡量固定, 靠換用不同均衡量的均衡器實(shí)現(xiàn)均衡調(diào)節(jié)。( 2)可調(diào)均衡器是在固定均衡器的基礎(chǔ)上, 用可調(diào)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(xiàn)連續(xù)均衡量的調(diào)整, 使用非常方便, 在光接收機(jī)中, 固定均衡器、可調(diào)均衡器都有應(yīng)用。

　　2 常見故障分析及排除

　　2. 1 故障現(xiàn)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程:

　?、?測試輸入光功率, 在保證指標(biāo)的前提下提高光發(fā)射機(jī)輸入電平;② 斷開電源, 取下APC 光纖連接頭, 用無絨棉球蘸無水酒精擦拭, 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)連線是否接好。

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

　　處理過程: 提高光發(fā)射機(jī)射頻輸入電平, 改善信號(hào)質(zhì)量。

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

　　處理過程: 降低光發(fā)射機(jī)射頻輸入電平, 改善信號(hào)質(zhì)量。

　　( 4)故障現(xiàn)象: 沒有輸出信號(hào)原因分析: 電源不工作; 光接收機(jī)沒有光信號(hào)輸入。

　　處理過程:

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