光纖通信課件第四章

1、1 2本章內(nèi)容l 光發(fā)送機(jī)l 光接收機(jī)l 光中繼器l 光線路碼型本章重點(diǎn)l 光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的功能、電路組成和工作原理。l 光通信常用線路碼型。3l 掌握光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的組成框圖及工作原理。l 熟悉光中繼器的組成框圖及工作原理。l 掌握光通信常用的線路碼型。4 光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)統(tǒng)稱為光端機(jī)。光端機(jī)位于電端機(jī)和光纖傳輸線路之間，如圖4-1所示。圖4-1 光纖通信系統(tǒng)組成 光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖（光纜）和光端機(jī)。每一部光端機(jī)又包含光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)兩部分，通信距離長(zhǎng)時(shí)還要加光中繼器。光發(fā)送機(jī)完成E/O轉(zhuǎn)換，光接收機(jī)完成O/E轉(zhuǎn)換，光纖實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸，光中繼器延長(zhǎng)通信距離。 5 作用：是

2、把從電端機(jī)送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，并送入光纖線路進(jìn)行傳輸。對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求： （1）有合適的輸出光功率 光發(fā)送機(jī)的輸出光功率，是指耦合進(jìn)光纖的功率，亦稱入纖功率。光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01mW5mW。 （2）有較好的消光比 消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比。可用下式表示 （4-1） 式中，P11為全“1”碼時(shí)的平均光功率；P00為全“0”碼時(shí)的平均光功率。一般要求EXT10dB。 )dB(lg100011PPEXT 6 （3）調(diào)制特性要好 所謂調(diào)制特性好，是指光源的PI曲線在使用范圍內(nèi)線性特性好，否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。 除此之外，還要

3、求電路盡量簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長(zhǎng)等。7 數(shù)字光發(fā)送機(jī)的基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時(shí)鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等。如圖4-2。圖4-2 數(shù)字光發(fā)送機(jī)原理方框圖8 （1）均衡放大：補(bǔ)償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。 （2）碼型變換：將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼。 （3）復(fù)用：用一個(gè)大傳輸信道同時(shí)傳送多個(gè)低速信號(hào)的過(guò)程。 （4）擾碼：使信號(hào)達(dá)到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時(shí)鐘提取。 （5）時(shí)鐘提?。禾崛CM中的時(shí)鐘信號(hào)，供給其它電路使用。 （6）調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路：完成電/光變換任務(wù)。 （7）光源：產(chǎn)生

4、作為光載波的光信號(hào)。 （8）溫度控制和功率控制： 穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。 （9）其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路：如光源過(guò)流保護(hù)電路、無(wú)光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。9 1光源 光源的作用是產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)，對(duì)光源的要求是： 發(fā)送光波的中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85m、1.31m和1.55m附近。光譜的譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。 電/光轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)送光束方向性好，以提高耦合效率。 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)大的傳輸容量。 器件的溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。 器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。10 2調(diào)制方式 有直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）和間接調(diào)制（外調(diào)制

5、）。 （1）直接調(diào)制 基本概念及調(diào)制原理 直接調(diào)制就是將電信號(hào)直接注入光源，使其輸出的光載波信號(hào)的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，又稱為內(nèi)調(diào)制。 調(diào)制原理如圖4-3所示。 特點(diǎn) 調(diào)制簡(jiǎn)單、損耗小、成本低。但存在波長(zhǎng)(頻率)的抖動(dòng)。11圖4-3 直接光強(qiáng)度數(shù)字調(diào)制原理圖4-4 間接調(diào)制激光器的結(jié)構(gòu)12 （2）間接調(diào)制 基本概念及調(diào)制原理 間接調(diào)制不直接調(diào)制光源，而是利用晶體的電光、磁光和聲光特性對(duì)LD所發(fā)出的光載波進(jìn)行調(diào)制，即光輻射之后再加載調(diào)制電壓，使經(jīng)過(guò)調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，這種調(diào)制方式又稱作外調(diào)制，如圖4-4所示。 特點(diǎn) 調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、損耗大、而且造價(jià)也高。但譜線寬度窄，可以應(yīng)用于2.5

6、Gbit/s的高速大容量傳輸系統(tǒng)之中，而且傳輸距離也超過(guò)300km以上。13 3調(diào)制特性 （1）電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4-5所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級(jí)一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩。張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。 圖4-5 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 14 （2）碼型效應(yīng) 電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過(guò)后的第一個(gè)“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)

7、可能使單個(gè)“”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”，如圖4-6（a）、（b）所示。用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，如圖4-6（c）所示。圖4-6 碼型效應(yīng)15 （1）共發(fā)射極LED驅(qū)動(dòng)電路 圖4-7所示為由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，這種驅(qū)動(dòng)電路主要用于以LED作為光源的數(shù)字光發(fā)射機(jī)。 適用于10 Mbit/s以下的低速率系統(tǒng)。 （2）射極耦合跟隨器LD驅(qū)動(dòng)電路 圖4-8是射極耦合跟隨器LD驅(qū)動(dòng)電路，適合于LD系統(tǒng)使用。這種電路為恒流源，電流噪聲小，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。 （3）反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路 圖4-9是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其控制過(guò)程如下：LDb

8、ARinPDPDLD1)(PIUUUUUP16 圖4-8 射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖 圖4-7 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 17圖4-9 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路18 （4）帶自動(dòng)功率控制的LD驅(qū)動(dòng)電路 更加完善的帶自動(dòng)功率控制（APC）的電路如圖4-10所示。圖4-10 APC電路原理19 1激光器的溫度特性 l 溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過(guò)閾值電流Ith和外微分量子效率d產(chǎn)生，如圖圖4-11（a）和（b）所示。 當(dāng)溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。 l 溫度對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。 即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使

9、輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。如圖4-12所示 “結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。20圖4-11 溫度引起的光功率輸出的變化圖4-12 結(jié)發(fā)熱效應(yīng)21 2光源的自動(dòng)溫度控制（ATC） （1）溫度控制裝置的組成 溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖4-13示出了溫度控制裝置的方框圖。圖4-13 自動(dòng)溫度控制原理方框圖22 （2）自動(dòng)溫度控制（ATC）原理 圖4-14示出ATC電路原理圖。控制過(guò)程可以表示如下：)LD()(R)LD()(TTITT致冷器、熱沉環(huán)境圖4-14 ATC電路原理23 注：溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件老化而

10、產(chǎn)生的輸出功率的變化。 對(duì)于短波長(zhǎng)激光器，一般只需加自動(dòng)功率控制電路即可。 對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，由于其閥值電流隨溫度的漂移較大，因此，一般還需加自動(dòng)溫度控制電路，以使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定。24 光接收機(jī)作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動(dòng)增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。 光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測(cè)器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱光接收機(jī)前端。前端性能是決定光接收機(jī)的主要因素。25 強(qiáng)度調(diào)制直接檢波（IM-DD）的光接收機(jī)方框圖如圖4-15所示，主要包括光電檢

11、測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘恢復(fù)電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制（AGC）電路等。圖4-15 數(shù)字光接收機(jī)方框圖26 1光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器是把光信號(hào)變換為電信號(hào)的關(guān)鍵器件，對(duì)其要求是： 在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光電檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流。 波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖的3個(gè)低損耗窗口兼容。 有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。 產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號(hào)。 光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。 工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)。 功耗和體積小，使用簡(jiǎn)便。27 2放大器 光接收機(jī)的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分。 對(duì)前置放大器要求是較

12、低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益。 前置放大器的的類型目前有3種：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器）。 主放大器一般是多級(jí)放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來(lái)自前置放大器的輸出信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平。并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC），以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)應(yīng)保持恒定輸出。 主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。28 3均衡器 均衡器的作用是對(duì)已畸變(失真)和有碼間干擾的電信號(hào)進(jìn)行均衡補(bǔ)償，減小誤碼率。 4再生電路 再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，由判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成。 5自動(dòng)增益控

13、制（AGC） AGC就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益。作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，使光接收機(jī)的輸出保持恒定。29 光接收機(jī)的噪聲包括光電檢測(cè)器的噪聲和光接收機(jī)的電路噪聲。這些噪聲的分布如圖4-16所示。 l 光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲； l 電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。圖4-16 接收機(jī)的噪聲及其分布30 （1）量子噪聲：是指當(dāng)一個(gè)光電檢測(cè)器受到外界光照，其光子激勵(lì)而產(chǎn)生的光生載流子是隨機(jī)的，從而導(dǎo)致輸出電流的隨機(jī)起伏。這是檢測(cè)器固有的噪聲。 （2）暗電流噪聲 暗電流是指無(wú)光照射時(shí)光電檢測(cè)

14、器中產(chǎn)生的電流。由于激勵(lì)出的暗電流是浮動(dòng)的，就產(chǎn)生了噪聲，稱為暗電流噪聲。 （3）雪崩管倍增噪聲 由于雪崩光電二極管的雪崩倍增作用是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號(hào)的浮動(dòng)，從而引入噪聲。 （4）光接收機(jī)的電路噪聲 主要指前置放大器噪聲，其中包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。31 數(shù)字光接收機(jī)主要指標(biāo)有光接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。 （1）光接收機(jī)的靈敏度 光接收機(jī)的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分貝（dBm）來(lái)表示，即 (4-2) （2）光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件

15、下，接收機(jī)的最低輸入光功率（dBm）和最大允許輸入光功率（dBm）之差（dB）。即 (4-3) )dBm(mW1lg10minRPP )dB(lg1010lg1010lg10minmax3min3maxPPPPD32 （3）自動(dòng)增益控制（AGC） AGC就是利用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 自動(dòng)增益控制（AGC）電路原理框圖如圖4-17所示。圖4-17 自動(dòng)增益控制電路原理框圖33 光信號(hào)在傳輸過(guò)程會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題： 光纖的損耗特性使光信號(hào)的幅度衰減，限制了光信號(hào)的傳輸距離； 光纖的色散特性使光信號(hào)波形失真，造成碼間干擾，使誤碼率增加。 以上兩點(diǎn)不但限制

16、了光信號(hào)的傳輸距離，也限制了光纖的傳輸容量。為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設(shè)置光中繼器。 光中繼器的功能是補(bǔ)償光能量損耗，恢復(fù)信號(hào)脈沖形狀有： 補(bǔ)償衰減的光信號(hào)； 對(duì)畸變失真的信號(hào)波形進(jìn)行整形。 光中繼器主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器），另一種是全光中繼器。34 1光電中繼器的構(gòu)成 傳統(tǒng)的光中繼器采用光電光（O-E-O）轉(zhuǎn)換形式的中繼器。如圖4-18所示。圖4-18 典型的數(shù)字光中繼器原理方框圖 2光電中繼器的結(jié)構(gòu)形式 有的設(shè)在機(jī)房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光纜在電桿上。35 目前全光放大器主要是摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖放大器是一個(gè)直接對(duì)光波實(shí)現(xiàn)放大的有

17、源器件，其工作原理如圖4-19所示。 用摻鉺光纖放大器作中繼器的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)備簡(jiǎn)單，沒(méi)有光電光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，工作頻帶寬。缺點(diǎn)是，光放大器作中繼器時(shí)，對(duì)波形的整形不起作用。圖4-19 摻鉺光纖放大器用作光中繼器的原理框圖36 PCM通信系統(tǒng)中的接口速率和碼型，如表4-1所示。表4-1 PDH接口碼速率與接口碼型 PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適合在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸。為此，在光端機(jī)中必須進(jìn)行碼型變換。 在PDH系統(tǒng)中，常用的線路編碼有分組碼mBnB，1B2B碼（CMI、DMI和雙相碼等）和插入碼， SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼。各種碼的編碼規(guī)律、傳輸速率如表4-2所示。 基 群二

18、 次 群三 次 群四 次 群接口碼速率 (Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI37碼 型碼型變換規(guī)則傳輸速率誤碼監(jiān)測(cè)適用系統(tǒng)1B2B碼CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按編碼規(guī)則檢查PDH雙相碼“1”：10 “0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二個(gè)碼為01，11時(shí)）10（前二個(gè)碼為10，00時(shí)）2fi同上分組碼mBnB在nB碼中選擇不均等值小的碼作公共碼；正負(fù)模式交替nfi /m（1）查禁用碼字（2）利用DRS插入碼mB1P（1）P碼滿足奇校驗(yàn)規(guī)則（2）P碼滿足偶校驗(yàn)規(guī)則(m+1) fi /

19、m奇偶校驗(yàn)mB1C(m+1)fi /m模2和=0mB1H加擾NRZ給輸入NRZ序列加擾fi無(wú)SDH表4-2常用的線路編碼38 1分組碼 分組碼常用mBnB表示，它是把輸入碼流每m比特分成一組，然后把每組編成n比特輸出。每組的m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，因此稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，通常nm，一般選取n=m+1。常用的mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。 最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，它是把原信息碼的“0”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“0”和連“1”的數(shù)目不會(huì)超過(guò)兩個(gè)，例如1001和0110。但是碼速

20、率提高了1倍。 mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。39 2插入碼 插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特（mB）為一組，然后在每組mB碼末尾按一定的規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組新的線路碼流。根據(jù)插入碼的用途不同，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼等。 （1）mB1C碼 mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特（mB）為一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。例如：mB碼100110001101mBlC碼100111010010101040 （2）mB1H碼 mB1H碼是由mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼

21、，并在相應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼（H碼），所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。41mB碼100000001110mBlP碼1000000100101101 （3）mB1P碼 在mBlP碼中，P碼稱為奇偶校驗(yàn)碼，P碼有以下兩種情況。 P碼為奇校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“1”碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，例如： P碼為偶校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“1”碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，例如：mB碼100000001110mBlP碼10010000001

22、1110042 31B2B碼 （1）CMI碼 CMI碼又稱傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼，它是一種1B2B碼。其變換規(guī)則是原碼的“0”碼用“01”碼代替，原碼的“1”碼用“00”或“11”交替代替。 （2）雙相碼 雙相碼又稱分相碼。也是一種1B2B碼。其變換規(guī)則是原碼的“0”碼用“01”碼代替，原碼的“1”碼用“10”代替。 （3）DMI碼 DMI碼又稱不同模式反轉(zhuǎn)碼，它是一種1B2B碼。其變換規(guī)則是原碼的“1”碼用“00”或“11”交替代替。原碼的“0”碼，若前二個(gè)碼為“01”，“11”時(shí)用“01”代替，前二個(gè)碼為“10”，“00”時(shí)用“10”代替。43 4擾碼 SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼，它是利用一定規(guī)則對(duì)信號(hào)碼流