5.2.2 掺铒光纤放大器(EDFA)的主要技术因素 在以模拟方式传输的系统中，存在着由于噪声和信号失真等原因而使传输质量下降的问题 。上述 的EDFA应用中，广播电视网络光纤系统性能将会受到什么影响，是值得探讨的技术问题。
5.2.2.1 载噪比 由于EDFA中存在着放大的自发辐射噪声，将对HFC系统的CNR产生影响。CNR随着输 入信号光功率增大而增大。当输入信号较小时，变化速度较快，这是因为相对强度噪声RI N和散弹噪声占主导地位。随着输入信号增大，EDFA发生饱和，相对强度噪声RIN和S- ASE差拍噪声占主导地位。输入信号继续增大，CNR增加很缓慢。
如图21所示，在发送用的激光二极管后连接有EDFA的光增强器系统中，现在考察一 下光信号的噪声，插入光增强器后，与只有激光二极管的指标比较一下。 图21 计算载噪比的模型系统 关于只用激光二极管(LD)的情况，可用下式求出它的载噪比： C/N=(1/2)(mRSP)2 (RIN)B(RSP) 2+2eRSPB+4FkTB/R(12) 这一表达式给出了从LD的输入开始到接收端的预放大器输出为止的载噪比(C/N)。其光 纤传输中的主要噪声源如图22所示。
在采用光增强器时，LD的输出光得到放大，被放大的LD的相对强度噪声(RIN) 中就加上了与EDFA噪声系数相关的噪声，形成总的噪声输出。 噪声计算虽与各种参数值有关，为了方便起见，现 图22 光纤传输中的主要噪声源 将有关参数值设定如下： LD的输出功率P：0 dBm； LD的RIN：-155 dB/Hz； 一个频道的调制度m：5%； EDFA的增益G：18 dB； EDFA的噪声指数F：7 dB； 光接收器件灵敏度RS：0.8 A/W； 光接收器件负载电阻R：1 kΩ； 接收电路的噪声指数Fr：3 dB； 图像信号带宽B：6 MHz(VSB-AM方式)。
此外，还有物理常数的电子电荷e(1.6×10-19C)，玻耳兹曼常数k(1.38×10-23 J·K-1)。载噪比的计算公式如下式所示： C/N=(1/2)(mRSGP)2 (RIN)B(RSGP )2+2eBRSGP(1+FG)+4kTBFR/R(13) 载噪比的计算，是在光源系统接上光纤后，当传输的光信号功率由于衰减降低时，将接 收的光功率值，变换成电信号来计算C/N的。计算结果如图23所示。
图23中，横轴是以左端为起点将光功率以dBm为单位的，纵轴坐标为载噪比计算值。 从图23可以看出有无EDFA的曲线有明显区别。设左端起点为0时，就可直接换算出光的传输 损耗值。 以上所述结果，可以概括为以下两点： ①当只用激光二极管(LD)时，载噪比在传输损耗较小的范围内甚高，但是此值随着光接收功 率的减小，而急剧下降。
图23 采用EDFA对载噪比的影响 ②插入EDFA将发送光功率加以放大后，其输出的载噪比与只用LD时相比会变坏，但在 一定的传输损耗范围内，却几乎不太变小。所以，可根据载噪比的设计值，大幅增加传输损 耗的容限。
当确定某个载噪比指标后，可从图23中两条曲线横轴之差，得出EDFA的系统有效增 益。在载 噪比较低的系统增益，表现为比EDFA增益稍小些的增益，这一现象可以认为是产生噪声的原 因。但在载噪比指标高或在传输损耗小的系统中，就没有必要采用EDFA。 如果使用EDFA时，传输光功率在一个较高值的情况下，载噪比几乎恒定而不能再高时，也可 看成是受到EDFA产生的噪声光的影响。而且，这一数值与EDFA产生的噪声系数有关 。由于它相当于LD的相对强度噪声特性，因此，也称它为EDFA的相对强度噪声。
当采用EDFA时，与只用激光二极管(LD)的光源相比较，有可能做到传输损耗容限相当大的系 统。虽然它的载噪比受到一些制约，但还是能达到50 dB的指标。这也表明可以允许在传输 线路 中间，插入各种光分支器。反之，也可说明要想在广播电视网络光纤传输系统中建立经济的 树枝型网络，采用EDFA的光纤放大器技术是必不可少的。 5.2.2.2 噪声系数NF与信噪比SNR
以上所述，HFC系统对载噪比CNR要求较高(CNR≥51 dB)，而EDFA中存在着放大的自 发辐射噪声ASE，因此，在HFC系统中应用EDFA，将对系统的载噪比产生影响。EDFA的噪声主 要有： ①信号光与自发辐射之间的拍频噪声SP-SP噪声。 ②自发辐射与自发辐射之间产生的拍频噪声S-SP噪声。 ③信号光的散弹噪声。 ④被放大的自发辐射(ASE)的散弹噪声。
当EDFA的增益G很大时，后两种噪声可以忽略。EDFA中起主要作用的是信号光与ASE之 间的差拍噪声。噪声系数NF为： NF=(SNR)in (SNR)out (14) 式中：SNR表示将光信号转换成电信号的信噪比。 HFC系统中应用于同轴电缆的电放大器的噪声系数是按输入有热噪声的信噪比的变化来定义 的 。由于在光的频段几乎没有热噪声，所以在光放大器中的定义方法就要改变。因为，光可看 作由光子组成，所以接收时的噪声是由光子数的涨落带来的，也即以量子噪声为主，而且远 较 热噪声为大。热噪声与信号无关，而量子噪声却是由光信号产生的，这也是两者的不同之处 。量子噪声经光电变换后变为电流的波动，所以表现为电路的散粒噪声(涨落噪声)。 当输入的光平均功率为P(W)，每秒入射的光子数为N，一个光子的能量为hν( h为普朗克常数，ν为光频率)时，则： P=Nhν(15) 图24表示了光检测器光电二极管中，接收光信号时的信噪比示意图。当光检测器光电二极管 的效率是100%时，一个光子可变换成一个电子，hν的功率变为电子的电荷e的流动，以 η表示光检测器光电二极管的效率，则平均电流I0可用下式表示： I0=ηNe(16) 以η=1的理想情况为前提。
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