第六章光端機(jī)(發(fā)射和接收)

1、6.1光源與光纖的耦合光源與光纖的耦合 6.2光調(diào)制光調(diào)制 6.3光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 6.4光接收機(jī)光接收機(jī) 6.5光接收機(jī)噪聲分析光接收機(jī)噪聲分析 6.6光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度6.7光中繼器光中繼器 l 從光源發(fā)射出來(lái)的光功率盡可能多地從光源發(fā)射出來(lái)的光功率盡可能多地送入光纖中傳輸，這就是光源與光纖的送入光纖中傳輸，這就是光源與光纖的耦合問(wèn)題。耦合問(wèn)題。l 衡量光源與光纖耦合的質(zhì)量可以用耦合衡量光源與光纖耦合的質(zhì)量可以用耦合效率效率，它定義為，它定義為l =P=PF F/P/PS S (6-1-1) (6-1-1)l式中：式中： P PF F耦合進(jìn)入光纖的光功

2、率耦合進(jìn)入光纖的光功率l P PS S光源發(fā)射的功率。光源發(fā)射的功率。l光源與光纖的耦合效率：光源與光纖的耦合效率：l與光源的類型與光源的類型(LED或或LD)及光纖的類型及光纖的類型(多模光纖或模光纖多模光纖或模光纖)有關(guān)。有關(guān)。lLD與單模光纖的耦合效率較高，可以達(dá)與單模光纖的耦合效率較高，可以達(dá)到到3050%，而，而LED與單模光纖的耦合與單模光纖的耦合效率較低，可能小于效率較低，可能小于1%。 l光源與光纖的耦合方法，光源與光纖的耦合方法，l一般采用下面兩種：一般采用下面兩種：l直接耦合和透鏡耦合直接耦合和透鏡耦合l一個(gè)理想的微透鏡耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)用下列四一個(gè)理想的微透鏡耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)用下列四個(gè)

3、特征：個(gè)特征：l 足夠大的數(shù)值孔徑收集激光輻射足夠大的數(shù)值孔徑收集激光輻射l 焦距完全匹配于激光器和光纖的模式焦距完全匹配于激光器和光纖的模式l 無(wú)球差無(wú)球差l 端面應(yīng)增透鍍覆以消除反射。端面應(yīng)增透鍍覆以消除反射。l要實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問(wèn)題是要實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問(wèn)題是如何將電信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上，如何將電信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上，即需要進(jìn)行光調(diào)制。即需要進(jìn)行光調(diào)制。l根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為：根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為：直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制和間接調(diào)制。 l直接調(diào)制就是將調(diào)制信號(hào)直接作用在光源上，直接調(diào)制就是將調(diào)制信號(hào)直接作用在光源上，把要傳送的

4、信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫葱盘?hào)注入到把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫葱盘?hào)注入到LD或或LED，獲得相應(yīng)的光信號(hào)。這種方法調(diào)制的是，獲得相應(yīng)的光信號(hào)。這種方法調(diào)制的是光源的發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制光源的發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制(IM)。l直接調(diào)制具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，直接調(diào)制具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是光纖通信系統(tǒng)中廣泛采用的調(diào)制方式。是光纖通信系統(tǒng)中廣泛采用的調(diào)制方式。l從調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)說(shuō)，光源的直接調(diào)制又可從調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)說(shuō)，光源的直接調(diào)制又可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制lLD的直接調(diào)制具有許多突出的特點(diǎn)，它在光纖的直接調(diào)制具有許多突出的特點(diǎn)，它在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛。通信系統(tǒng)

5、中應(yīng)用極其廣泛。lLD的調(diào)制特性如下：的調(diào)制特性如下：l(1) (1) 電光延遲電光延遲l(2) (2) 張馳振蕩張馳振蕩l(3) 小信號(hào)輸入的頻率響應(yīng)小信號(hào)輸入的頻率響應(yīng)l(4) (4) 頻率啁啾頻率啁啾l光源內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，光源內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是，在高碼速下將使光源的性能變壞，但是，在高碼速下將使光源的性能變壞，因此需要對(duì)光源的外調(diào)制方式。因此需要對(duì)光源的外調(diào)制方式。l目前使用的外調(diào)制方式有：目前使用的外調(diào)制方式有：l (1) 電光調(diào)制電光調(diào)制l（2）聲光調(diào)制）聲光調(diào)制l （3）磁光調(diào)制）磁光調(diào)制l1對(duì)光發(fā)射機(jī)性能的要求對(duì)光發(fā)射機(jī)性能的要求l 光發(fā)射機(jī)的作

6、用是把電端機(jī)送來(lái)的光發(fā)射機(jī)的作用是把電端機(jī)送來(lái)的電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)送入光纖中傳輸。電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)送入光纖中傳輸。l包括以下方面：包括以下方面：l (1)光源特性光源特性l (2)調(diào)制特性調(diào)制特性l (3)輸出特性輸出特性l目前使用的光發(fā)射機(jī)大多數(shù)是直接調(diào)制目前使用的光發(fā)射機(jī)大多數(shù)是直接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)，它的原理如圖的光發(fā)射機(jī)，它的原理如圖6-3-1所示。所示。l輸入電路由圖輸入電路由圖6-3-3所示電路組成所示電路組成l1 1光接收機(jī)的組成光接收機(jī)的組成l光接收機(jī)的作用是把接收來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)光接收機(jī)的作用是把接收來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉?lái)的電信號(hào)，它的性能的優(yōu)劣直變?yōu)樵瓉?lái)的電信號(hào)，它的性能的優(yōu)劣直接影響

7、整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。接影響整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。l光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，光光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，光接收機(jī)也相應(yīng)的有兩大類，即模擬接收接收機(jī)也相應(yīng)的有兩大類，即模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)。機(jī)和數(shù)字接收機(jī)。l直接檢測(cè)數(shù)字光纖通信接收機(jī)一般由三直接檢測(cè)數(shù)字光纖通信接收機(jī)一般由三個(gè)部分組成，即光接收機(jī)的前端、線性個(gè)部分組成，即光接收機(jī)的前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)。如圖所示：通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)。如圖所示：l光接收機(jī)前端的作用是將光纖線路末端耦合到光接收機(jī)前端的作用是將光纖線路末端耦合到光電檢測(cè)器的光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)變電流，然后光電檢測(cè)器的光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后一級(jí)進(jìn)

8、一步處理。進(jìn)行預(yù)放大，以便后一級(jí)進(jìn)一步處理。l (1) (1) 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器l一般采用一般采用PINPIN光電二極管或光電二極管或APDAPD雪崩光電二極管，雪崩光電二極管，它們性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)光接收機(jī)的性能它們性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)光接收機(jī)的性能l (2) (2) 前置放大器前置放大器l光電檢測(cè)器輸出的光電流是十分微弱的，需要光電檢測(cè)器輸出的光電流是十分微弱的，需要多級(jí)放大器進(jìn)行放大，多級(jí)放大器進(jìn)行放大，多級(jí)放大器的前級(jí)多級(jí)放大器的前級(jí)為前為前置放大器。置放大器。l一臺(tái)性能優(yōu)良的光接收機(jī)，應(yīng)具有無(wú)失真地檢一臺(tái)性能優(yōu)良的光接收機(jī)，應(yīng)具有無(wú)失真地檢測(cè)和恢復(fù)微弱信號(hào)的能力，這首先要求

9、其前端測(cè)和恢復(fù)微弱信號(hào)的能力，這首先要求其前端應(yīng)有低噪聲，高靈敏度和足夠的帶寬。應(yīng)有低噪聲，高靈敏度和足夠的帶寬。l根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)有三種不同根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計(jì)有三種不同的方案：的方案：l (1)低阻抗前端低阻抗前端l(2)高阻抗前端。高阻抗前端。l(3)跨跨(互互)阻抗前端。阻抗前端。l 光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)高增益的主放大器和一個(gè)均衡濾高增益的主放大器和一個(gè)均衡濾波器組成，還應(yīng)包括峰值檢測(cè)和波器組成，還應(yīng)包括峰值檢測(cè)和自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)電路，用來(lái)電路，用來(lái)控制放大器增益。控制放大器增益。l主放大器的作用有兩個(gè)方面：主放大器

10、的作用有兩個(gè)方面：l 將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平。需要的信號(hào)電平。l 它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器，當(dāng)光電檢它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器，當(dāng)光電檢測(cè)器輸出的信號(hào)出現(xiàn)起伏時(shí)，通過(guò)光接收機(jī)的測(cè)器輸出的信號(hào)出現(xiàn)起伏時(shí)，通過(guò)光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制電路對(duì)主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)增益控制電路對(duì)主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號(hào)幅度在一定范圍不受以使主放大器的輸出信號(hào)幅度在一定范圍不受輸入信號(hào)的影響，一般主放大器的峰輸入信號(hào)的影響，一般主放大器的峰-峰值輸峰值輸出是幾伏數(shù)量級(jí)。對(duì)于出是幾伏數(shù)量級(jí)。對(duì)于APD的光接收機(jī)還通過(guò)的光接

11、收機(jī)還通過(guò)控制控制APD的偏壓來(lái)控制雪崩倍增管的雪崩增益。的偏壓來(lái)控制雪崩倍增管的雪崩增益。l 均衡濾波器的作用是均衡波形有利判決。均衡濾波器的作用是均衡波形有利判決。均衡濾波器是必不可少的。均衡濾波器是必不可少的。l 沒(méi)有均衡濾波器將出現(xiàn)這些現(xiàn)象沒(méi)有均衡濾波器將出現(xiàn)這些現(xiàn)象l將會(huì)使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，將會(huì)使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時(shí)造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。嚴(yán)重時(shí)造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。l 有均衡濾波器的波形有均衡濾波器的波形l均衡濾波器是使經(jīng)過(guò)均衡器以后的波形成為有均衡濾波器是使經(jīng)過(guò)均衡器以后的波形成為有利于判決的波形。例如，成為升余弦頻譜脈沖。利于判

12、決的波形。例如，成為升余弦頻譜脈沖。l均衡濾波器是使經(jīng)過(guò)均衡器以后的波形均衡濾波器是使經(jīng)過(guò)均衡器以后的波形成為有利于判決的波形。成為有利于判決的波形。l4數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)l數(shù)據(jù)恢復(fù)電路由判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電數(shù)據(jù)恢復(fù)電路由判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成，如果需要與電端機(jī)接口，還需路組成，如果需要與電端機(jī)接口，還需要解碼、解擾和編碼電路要解碼、解擾和編碼電路l判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路的任務(wù)是把線判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路的任務(wù)是把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。號(hào)。 l5輔助電路輔助電路l光接收機(jī)除上面介紹的若干部分外，還光接收機(jī)除上面介紹的若干部分外，還有一些輔助

13、電路，如：有一些輔助電路，如：l(1)鉗位電路。鉗位電路。 l(2)溫度補(bǔ)償電路。溫度補(bǔ)償電路。 l(3)告警電路。告警電路。l6集成光接收機(jī)集成光接收機(jī)l 光接收機(jī)的組成部件，除了光電二極光接收機(jī)的組成部件，除了光電二極管外，都是標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，采用標(biāo)管外，都是標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路準(zhǔn)集成電路(IC)工藝技術(shù)，很容易集成工藝技術(shù)，很容易集成在同一芯片上，做成集成光接收機(jī)。在同一芯片上，做成集成光接收機(jī)。l 在高比特工作時(shí)，這種集成光接收機(jī)在高比特工作時(shí)，這種集成光接收機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。具有很多優(yōu)點(diǎn)。90年代末用年代末用Si和和GaAs集集成電路工藝已制成帶寬超過(guò)成電路工藝已制成帶

14、寬超過(guò)2GHz的集成的集成光接收機(jī)，現(xiàn)在帶寬超過(guò)光接收機(jī)，現(xiàn)在帶寬超過(guò)10GHz的集成的集成光接收機(jī)也已用于光波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。光接收機(jī)也已用于光波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。l1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)變換特點(diǎn)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)變換特點(diǎn)l 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖怯稍跀?shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖怯伞?”和和“1”組成的二進(jìn)制光脈沖信號(hào)，組成的二進(jìn)制光脈沖信號(hào)，這是一種單極性碼，即光功率在這是一種單極性碼，即光功率在“接接通通”(“1”碼碼)和和“斷開(kāi)斷開(kāi)”(“0”碼碼)兩個(gè)電平兩個(gè)電平上變動(dòng)。上變動(dòng)。l 按照按照“1”碼時(shí)碼元周期碼時(shí)碼元周期T的大小，分的大小，分為歸零碼為歸零碼(RZ碼碼)與非歸零碼與非歸

15、零碼(NRZ碼碼)兩兩種。種。l圖圖6-5-2為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中數(shù)字脈沖為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中數(shù)字脈沖傳輸過(guò)程的變換特點(diǎn)傳輸過(guò)程的變換特點(diǎn)l2光接收機(jī)的噪聲源光接收機(jī)的噪聲源l 光接收機(jī)的噪聲是與信息無(wú)關(guān)的隨機(jī)光接收機(jī)的噪聲是與信息無(wú)關(guān)的隨機(jī)變化量，噪聲源從引入過(guò)程來(lái)分，可分變化量，噪聲源從引入過(guò)程來(lái)分，可分為兩類，即與信號(hào)光電檢測(cè)器有關(guān)的噪為兩類，即與信號(hào)光電檢測(cè)器有關(guān)的噪聲和與光電接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲。聲和與光電接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲。l 與信號(hào)光電檢測(cè)器有關(guān)的噪聲包括：與信號(hào)光電檢測(cè)器有關(guān)的噪聲包括：量子噪聲、雪崩倍增噪聲、暗電流及漏量子噪聲、雪崩倍增噪聲、暗電流及漏電流噪聲和背景噪聲等等

16、。電流噪聲和背景噪聲等等。l 與光接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲包括：放與光接收機(jī)電路有關(guān)的噪聲包括：放大器噪聲、負(fù)載電阻熱噪聲等。大器噪聲、負(fù)載電阻熱噪聲等。 l3噪聲的評(píng)價(jià)方法噪聲的評(píng)價(jià)方法l 噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，是電噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，是電信號(hào)中不需要的成分，它干擾實(shí)際系統(tǒng)信號(hào)中不需要的成分，它干擾實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸和處理，影響和限制了系中信號(hào)的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。統(tǒng)的性能。l(1)噪聲的大小可以用均方值來(lái)表示噪聲的大小可以用均方值來(lái)表示l (2)信噪比信噪比(SNR)l SNR=平均信號(hào)功率平均信號(hào)功率/噪聲功率噪聲功率 l 光接收機(jī)的誤碼率和靈敏度是描述光接收機(jī)的

17、誤碼率和靈敏度是描述光接收機(jī)準(zhǔn)確檢測(cè)光信號(hào)能力的性能指光接收機(jī)準(zhǔn)確檢測(cè)光信號(hào)能力的性能指標(biāo)。標(biāo)。l光接收機(jī)的誤碼率光接收機(jī)的誤碼率BER定義為：定義為：lBER=錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)/傳輸?shù)拇a元總數(shù)傳輸?shù)拇a元總數(shù)l那么光接收機(jī)的誤碼是如何產(chǎn)生的那么光接收機(jī)的誤碼是如何產(chǎn)生的?l如圖如圖6-6-1所示：所示：l若若IID，采樣值為，采樣值為“1”，若，若IID，采樣，采樣值則為值則為“0”。l如果傳輸?shù)男糯a為如果傳輸?shù)男糯a為“1”，可是，可是IID，則，則發(fā)生錯(cuò)誤。發(fā)生錯(cuò)誤。l同樣傳輸?shù)男糯a為同樣傳輸?shù)男糯a為“0”，可是，可是IID，則，則同樣發(fā)生錯(cuò)誤，這兩個(gè)錯(cuò)誤都將引起誤同樣發(fā)生錯(cuò)

18、誤，這兩個(gè)錯(cuò)誤都將引起誤碼。碼。 l2光接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍l光接收機(jī)的靈敏度可以用滿足給定的誤光接收機(jī)的靈敏度可以用滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下而可靠工作所需要的最碼率指標(biāo)條件下而可靠工作所需要的最小平均光功率小平均光功率Pmin來(lái)表示。來(lái)表示。l最小平均光功率最小平均光功率Pmin,在國(guó)際單位制中，在國(guó)際單位制中，它的單位是瓦它的單位是瓦(W)。l工程上，光接收機(jī)的靈敏率常用光功率工程上，光接收機(jī)的靈敏率常用光功率相對(duì)值來(lái)表示，單位是分貝毫瓦相對(duì)值來(lái)表示，單位是分貝毫瓦(dBm)。 l光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍：光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍：l是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)最低輸入光功率接收機(jī)最低輸入光功率Pmin和最大允許光和最大允許光功率功率Pmax的變化范圍。這個(gè)范圍用的變化范圍。這個(gè)范圍用D來(lái)表來(lái)表示，一般在工程上用二者示，一般在工程上用二者(用用dBm描述描