[科普中国]-混合放大器

混合放大器，是指能把输入信号的电压或功率放大的无线电装置，通常由两种或多种电子管或晶体管、电源变压器等元件组成。用在通信、广播、雷达、电视、自动控制等装置中。

混合放大器在长距离传输中的应用介绍了拉曼放大器(RA)与掺铒光纤放大器(EDFA)组成的混合放大器在10Gbit/s SDH系统中的应用。在160km的G。652光纤线路中，在没有前向纠错(FEC)的情况下，采用混合放大器能够将系统的接收灵敏度提高到 -37.5dBm。将采用混合放大器的系统结构与另外两种系统结构进行比较和分析，指出混合放大器的优越性。1

系统实验10Gbit/s的发射模块和接收模块与2.5Gbit/s有很大的区别：10Gbit/s系统由于色散的限制，只有在甚短程的系统中才会使用直接调制(20km以内)，长程的系统多采用电吸收(EA)调制和外调制。EA调制和外调制具有更低的 频率啁啾，特别是外调制，几乎可以不考虑啁啾的影响。即使采用外调制的模块，由于色度色散的影响，长距离传输(超过80km)时，仍然要色散补偿。试验中采用的发射模块是外调制的模块，码型为非归零(NRZ)码，没有加前向纠错(FEC)。

(1)采用混合放大器的系统结构中，发射模块的出光功率为0.3dBm，色散容限(2dB)1600ps/km，中心波长为1550.1nm。接收模块(PIN)的本征灵敏度为-18dBm，过载点为0dBm。考虑到受激布里渊散射(SBS)的影响，BA输出功率设为11.5dBm。160km G。652光纤的实际损耗为33dB，为了测试系统灵敏度，在两段光纤的中间加上了可调衰减器。考虑到发射机的色散容限，选择补偿100km的DCM。

实验结果：RA增益为11dB时，系统灵敏度为-35.5dBm；RA增益为16dB时，系统灵敏度为-36.5dBm；RA增益为20dB时，系统灵敏度为-37.5dBm。

(2)如果将混合放大器拆开，把EDFA放到DCM之后，接收机之前。

实验结果：RA增益为16dB时，系统灵敏度为-32.5dBm。

(3)将混合放大器拆开后系统结构中的RA用EDFA代替，采用两个EDFA。

实验结果：系统接收灵敏度为-28.2dBm。

实验结果表明，采用混合放大器能够大幅度地提高系统的灵敏度。1

实验结果分析相对混合放大器拆开后系统结构和采用两个EDFA的系统结构而言，采用混合放大器后，系统具有更高的光信噪比(OS-NR)。而采用光放大器做预放的传输系统主要是受OSNR限制，降低线路总的噪声指数是提高系统接收灵敏度的关键。

可以求出混合放大器拆开后系统结构和采用两个EDFA的系统结构中放大器的等效噪声指数，采用混合放大器后的等效噪声指数明显低于另两种方案。因此将RA和EDFA结合起来构成的混合放大器能够最大限度地提高线路的OSNR，进而提高系统的接收灵敏度。1

宽带喇曼EDFA混合放大器的优化设计采用改进的模拟退火算法对Ram an /EDFA混合放大器的增益谱进行了优化，根据EDFA及Ram an的功率传播方程获得了简洁的目标函数。通过对模拟退火算法几个优化环节的改进，使其能够更快速地应用于Ram an /EDFA的多峰值问题的优化设计，可以在短时间内获得最优的放大器参量。2

模拟退火优化算法已有 一些优化算法设计宽平坦增益谱的FRA/EDFA混合放大器，其中绝大部分都是利用遗传算法(GA)优化其带宽。遗传算法是将所求问题的解用二进制数码串表示，然后基于‘’适者生存，优胜劣汰”的进化论基本原则对其进行繁殖、交配、变异等遗传操作。不断淘汰那些较差的解，从而达到寻优目的。相对而言利用模拟退火(SA)进行优化的研究比较少。与前者比较，SA更为简单，且能够在全局范围内进行搜索而不容易落入局部最优解。但是其优化速度受到初始 ‘’温度”影响较大，‘’温度”过高收敛速度很慢反之准确度偏低。采用了改进的模拟退火算法来实现喇曼泵浦源的优化。从两个方面作了改进，一是对SA算法本身进行了改进，比如退火方案、新解的产生机制以及迭代过程；二是针对喇曼放大器的简化模型，提出了新的目标函数。从而使得退火算法的速度大为提高，应用到光纤喇曼放大器的优化问题上取得了比较理想的结果。2

混合放大器的优化设计对于EDFA模型，直接采用快速龙格库塔迭代算法求解其二能级均匀展宽模型；对于FRA模型，在忽略ASE，后向瑞利散射等因素可以得到文献中的简化模型，采用‘’广义损耗系数法”求解速度非常快，无需采用文献中给出‘’两步法”。直接将FRA和EDFA的增益谱进行叠加其效果显然不能令人满意，为了能获得大的带宽和足够平坦的增益谱，需对FRA的增益谱进行整形使之与EDFA的增益谱‘’相配合”。主要是针对四个后向泵浦的喇曼放大器进行优化，固定EDFA的增益谱。只要取得一组合适的泵浦功率及其相应的波长的配置，就可以实现混合放大器的宽频带、高平坦度的增益谱。仿真计算时FRA的参量为：WDM信道间隔为2nm，每信道的输入功率为-30dBm、在80km光纤传输段中的损耗 系数为0.2dB/km;EDFA参量为：前后泵浦均采用1480nm，其中正向泵浦的功率为30mW，反向泵浦功率为60mW，所用掺铒光纤长度6m。掺杂浓度为N0=1.63×1024m-3。优化仿真的目标：在C+L波段70nm的增益带宽上的最大波动小于2dB的平坦增益谱，期望开关增益为15dB。

由于EDFA在1530nm附近的有一个增益峰，这一部分带宽是很难通过少量的抽运源补偿平坦，一般情况下在优化时人们都是考虑1540nm以后的带宽。采用改进的模拟退火算法，用四个后向泵浦成功地平坦了1530nm附近的本征峰，实现了近70nm的平坦增益谱，且最大增益波动小于1.2dB。Raman/EDFA混合增益谱是混合放大器的优化输出谱线，其优化的泵浦波长和功率分别为：1411.56nm(11.29mW)，1440.69nm(399.59mW)，1460.32nm(73.02mW)和1490.17nm(444.12mW)。需要指出的是为了保证总增益谱线的平坦，EDFA的增益不能很高，否则喇曼增益谱的斜率不能很好地匹配EDFA的增益谱斜率。当期望增益值设定为20dB时，优化增益谱曲线的平坦度明显降低，增益波动超过了3dB。因此为了获得更高的增益，在提高EDFA增益的同时喇曼增益谱已经无法补偿EDFA的增益曲线，必须采用平坦滤波器进行辅助。对于带有平坦滤波器的混合放大器的优化思路基本与前面的方法一致，只要将将滤波器的损耗谱函数加入优化目标函数中，一起参加优化即可。文献给出了采用成熟的长周期光纤光栅作为平坦滤波器的透射谱函数及其优化结果。

在相同的仿真条件下，对采用三个后向泵浦的情形也进行了优化。由三泵浦混合放大器增益谱可以看出，虽然增益达到了15dB，增益波动同样小于1.2dB，但是增益带宽只有62.31nm。这充分说明了在相同增益、相同增益波动的情况下，随着泵浦数的增加增益谱带宽也随着增加。三个后向泵浦功率沿传输光纤的分布，可以看出最短波长的功率并非最大，主要原因是本章优化的是混合放大器的增益谱，FRA的增益谱本身并不平坦，而是与EDFA的谱正好形成互补。文献采用遗传算法在3个泵浦时优化得到了60nm的平坦增益带宽，与提出的模拟退火算法优化的结果基本一致。说明提出的方法优化的结果是比较准确的，这就为EDFA/Ram an混合增益谱的优化设计提供了一种新的优化方案。2

多路键混合放大器介绍了键控特技信号的特点，并在此基础上对播出设备一多路键混合放大器进行了较详细的解说。3

键混合放大器键混合放大器是利用台标机、字幕机等产生的键控信号，通过外键的方式进行‘’抠像”与‘’填充”处理的。其本质是：以外键的方式对视频信号进行键控特技处理，并利用键控信号高低电平将视频信号通过高速模拟开关进行选择输出。

播出信号分别通过台标机、字幕机和广告播出机，并利用这些设备的内部锁相电路和混合电路进行键控特技混合叠加，这种方式连接简单，调试容易，可靠性差，在整个信号通道中，只要任何一台设备出了问题，就影响到整个信号播出。

其中的主信号是与同步信号锁相的(包括行场和副载波锁相)，利用台标机，字幕机和广告图标机的‘’抠像”和‘’填充”信号进行键控特技处理，这种方式很好地解决了串联键 控方式存在的问题。作为播出设备，多路键混合放大器具备以下功能：

(1)主信号断电直通功能(BYPASS)。

(2)采用三路外键处理方式，可同时进行底行字幕游动和广告图标，台标叠加处理。

(3)视频信号通道指标满足广电部所规定的播出中心视频混合器的甲级指标。

(4)具备各种检测功能。 包括：主信号在线检测，填充信号与主信号的同步检测(不同步时不许叠加)。

(5)通过对键控信号的处理，使得键控特技的混合层次灵活可选。

(6)具备手动/遥控功能，作为播出设备，通过相应的遥控接口很容易接人自动播出系统。

混合器是利用两位地址对4路输人信号选择输出，其中播出混合器采用4x1高速模拟开关EL441，其主要指标为：80MHz时+2dB的增益、70dB的通道隔离度、直接75Ω的驱动、0.02%的微分增益0.02°的微分相位、 8ns的开关速度、士3V到土15V的工作电压、土5V时最大功耗为160mw，预监混合器则采用普通的模拟开关，把将要叠加的信号通过监看确认无误后，由播出确认键确认播出，从而降低了播出的出错率。

视频信号混合叠加必须满足：视频信号的电平一致，行场相位一致，色相位一致。其中行场与色锁相通过台标机、字幕机、广告机的内部锁相电路实现，而所有的视频信号均经过籍位(籍位电平为零电平)以保证黑白电平一致和避免产生亮度漂移。

为保证播出信号的可靠性，采用了断电直通功能(BY PASS)的旁通继电器 , 当设备出现故障时只须关机，即可保证播出信号不受影响(而只是不能叠加台标时钟与游动字幕)，从而大大保证了播出的可靠性。

主通道尽量简化从而保证播出信号的可靠性和高质量的视频通道指标。3

键控信号处理器‘’键控信号处理器‘’是关系到三路信号能否混合叠加，以及画面层次的灵活可选的关键部分。由于键控信号其峰峰值为IV(P一P)(外接75Ω负载)，为了能进行逻辑判断与比较，则首先通过切割放大的方式将IV(P一P)的信号变为TTL电平。 并与同步比较器送来的判断信号和手动遥控信号进行比较 , 从而得到键控电平的逻辑关系式

AK1=B1·K1·C1·BLK·K0+B1·R1·C1· BLK/K0，

AK2=B2·K2·C2·BLK·K0+B2·R2·C2· BLK/K0，

AK3=B3·K3·C3·BLK·K0+B3·R3·C3· BLK/K0，

以上关系式中，BLK为复合消隐信号，其保证键控开关能在行、场消隐期间将键填充信号通道充分关闭，这样保证对主信号行、场消隐期间的测试信号、 图文信息不受干扰，这也是其它键混合放大器所不具备的。

K0为手动遥控选择电平，手动时K0有效(K0=1) , 遥控时K0无效(K0=0) , K1，K2，K3为手动控制电平，C1，C2，C3为遥控控制电平。

R1，R2，R3为同步比较器送来的三路同步判断电平。当填充信号与主信号同步时有效；不同步时无效。不允许进行混合叠加。

B1，B2，B3为经过切割放大后 , 变为TTL电平的键控信号。

利用键控逻辑表达式AK1, AK2，AK3和采用了分层处理方式(填充1为第一层、填充2为第二层、填充、3为第三层、主信号为最底层)，解决了以往多路键混合放大器混合信号不能重叠的情况，且分层效果由用户通过输人接口灵活选择。3

同步比较器以往的键混合放大器不具备同步比较器，这样容易造成叠加的信号(如台标)不同步时从左向右漂移的现象，严重影响收看效果。为避免出现这种现象，采用同步比较器将不同步的填充信号关闭，从而保证播出信号不受影响。

同步比较器的基本原理为：在一定的时间内播出信号与叠加信号的行相位进行比较，如二者的相位误差始终在1μs范围以内(1μs是比较理想的数值，太小则调试填充信号的行相位较难达到理想值，且由于设备的热稳定性等原因， 容易造成两者的行偏差，从而导致在播出的过程中叠加信号的失落， 太大则对存在行抖动的填充信号比较器作用不明显，这样容易造成对明显存在行抖动的信号仍能播出，从而影响播出效果)，通过行同步计数器经256行计数后产生一脉冲信号送单稳态触发器 , 而单稳态触发器的时间参数大于256行时间，这样得到同步电平(H电平)，容许填充信号进行叠加处理。3

指标测试作为播出设备，键混合放大器的播出通道指标必须满足原广电部视频处理放大器的甲级指标。因而在设计中：主通道尽量简化；采用高指标的箱位与混合芯片；线路板的视频信号走线尽量粗与短，以减少分布电容和电感效应；旁通继电器的屏蔽考虑要减少继电器的高频干扰；播出信号部分要单独供电以提高信噪比；并采用使能信号，即不同步和不要求叠加的信号由使能信号将其关闭，使信号不能送达混合器，以提高信号的隔离度。3

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学