光纖通信課件劉增基第二版第4章

第4章光端機(jī)4.1光發(fā)射機(jī)4.2光接收機(jī)4.3線路編碼

數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能是把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路，電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、幅度、頻率和相位。目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率)調(diào)制。4.1光發(fā)射機(jī)

圖4.1直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理

(a)LED數(shù)字調(diào)制原理；(b)LD的數(shù)字調(diào)制原理圖4.1示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理ttPPIIIth由圖可見:1)對(duì)LD施加了偏置電流Ib。當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。2)LED無需偏置電流，信號(hào)電流直接調(diào)制，輸出光功率P與I是線性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。

4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖4.2所示，主要有光源和電路兩部分。光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。

1.對(duì)光源要求：

(1)發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，即遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。(3)允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。(4)器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。(5)要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。以上各項(xiàng)中，調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性，直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術(shù)指標(biāo)。

2.調(diào)制電路和控制電路直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有：

調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路，采用激光器作光源時(shí)，還有偏置電路。對(duì)調(diào)制電路和控制電路的要求如下：(1)輸出光脈沖的通斷比(全“1”碼平均光功率和全“0”碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù))應(yīng)大于10，以保證足夠的光接收信噪比。

(2)輸入電脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲(電光延遲)時(shí)間，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。

(3)對(duì)激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機(jī)正常工作。(4)應(yīng)采用自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。線路編碼之所以必要，是因?yàn)殡姸藱C(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼，線路編碼的其它原因見4.3節(jié)所述。3.線路編碼電路

4.1.2調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象。這種特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分考慮。

圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形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4.3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。td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，其振蕩頻率fr(=ωr/2π)一般為0.5－2GHz。ωr這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關(guān)。張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。

圖4.4碼型效應(yīng)（a)、(b)碼效應(yīng)波形（c）改善后波形當(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”碼過后的第一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。如圖4.4，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個(gè)脈沖到來前，有較長(zhǎng)的連“0”碼，由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，脈沖較大。“碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是，在脈沖序列中較長(zhǎng)的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c)所示。為了進(jìn)一步了解激光器的調(diào)制特性，應(yīng)求出LD速率方程組的瞬態(tài)解。由此得到的張弛振蕩頻率ωr及其幅度衰減時(shí)間τo和電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為：τo:張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時(shí)間j：注入電流密度jth：閾值電流密度τsp:電子自發(fā)復(fù)合壽命τph:諧振腔內(nèi)光子壽命在典型的激光器中，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，由上式可以看到：(3)電光延遲時(shí)間td與τsp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小(j>jth)。(1)張弛振蕩頻率ωr隨τsp、τph的減小而增加，隨j的增加而增加。這個(gè)振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。(2)張弛振蕩幅度衰減時(shí)間τo與τsp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小。增加注入電流j：（1）有利于提高張弛振蕩頻率ωr，減小其幅度衰減時(shí)間τo（2）減小電光延遲時(shí)間td所以，對(duì)LD施加偏置電流是非常必要的。

2.自脈動(dòng)現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。圖4.5激光器自脈沖動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的往往和LD的P-I曲線的非線性有關(guān)，自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域和P-I曲線扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng)。因此在選擇激光器時(shí)應(yīng)特別注意。

4.1.3調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開關(guān)電路，最常用的是差分電流開關(guān)電路。

圖4.6示出由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，這種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管LED作為光源的光發(fā)射機(jī)。圖4.6共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路數(shù)字信號(hào)Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED。數(shù)字信號(hào)“0”碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng)。更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路。圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，適合于激光器系統(tǒng)使用。圖4.7射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖電流源為由V1和V2組成的差分開關(guān)電路，它提供了恒定的偏置電流。在V2基極上施加直流參考電壓UB，V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓，UB數(shù)字電信號(hào)Uin從V1基極輸入當(dāng)信號(hào)為“0”碼時(shí)，V1基極電位比UB高而搶先導(dǎo)通,V2截止，LD不發(fā)光當(dāng)信號(hào)為“１”碼時(shí)，V1基極電位比UB低，V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光UcV1和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。當(dāng)三極管截止頻率fr≥4.5GHz時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)300Mb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。

由于溫度變化和工作時(shí)間加長(zhǎng)，LD的輸出光功率會(huì)發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定，必須改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖4.7相同，只是由V3支路為L(zhǎng)D提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值Uin的控制。把PD檢測(cè)器的輸出監(jiān)測(cè)電壓UPD、信號(hào)參考電壓Uin和直流參考電壓UR施加到運(yùn)算放大器A1的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制V3基極電壓和偏置電流Ib，其控制過程如下：

PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLD

在反饋電路中引入信號(hào)參考電壓的目的，是使LD的偏置電流Ib不受碼流中“0”碼和“1”碼比例變化的影響。

4.8反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路由V3支路為L(zhǎng)D提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值Uin的控制。圖4.9APC電路原理從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測(cè)器檢測(cè)、運(yùn)算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時(shí)，輸入信號(hào)參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后，送到A3的同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。4.1.4溫度特性和自動(dòng)溫度控制1.激光器的溫度特性激光器的溫度特性在3.1節(jié)已經(jīng)討論過，溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生。圖4.10(a)和(b)分別示出溫度通過閾值電流和外微分量子效率引起的輸出光脈沖的變化：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。

圖4.10溫度引起的光輸出的變化(a)閾值電流變化引起的光輸出的變化；(b)外微分量子效率變化引起的光輸出的變化溫度對(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4.11所示，設(shè)t=0時(shí)電脈沖到來，注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)間t而升高，激光器的閾值電流隨t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨t而減小。當(dāng)t=T時(shí)電流脈沖過后，注入電流從I1減小到I0，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨t而降低，閾值電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。與調(diào)制速率對(duì)激光器瞬態(tài)特性的影響相反，低調(diào)制速率的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯。這是因?yàn)殡S著調(diào)制速率的提高，碼元時(shí)間間隔縮短，使結(jié)區(qū)溫度來不及發(fā)生變化。圖4.11結(jié)發(fā)熱效應(yīng)

2.自動(dòng)溫度控制半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度更加敏感。為保證輸出特性的穩(wěn)定，對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的。溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖4.12示出溫度控制裝置的方框圖。致冷器的冷端和激光器的熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。圖4.12溫度控制方框圖圖4.13示出自動(dòng)溫度控制(ATC)電路原理圖。由R1、R2、R3和熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過電橋把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。運(yùn)算放大器A的差動(dòng)輸入端跨接在電橋的對(duì)端，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。

4.13ATC電路原理

在設(shè)定溫度(例如20℃)時(shí)，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點(diǎn)沒有電位差，傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器A的信號(hào)為零，流過致冷器TEC的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，LD的管芯和熱沉溫度也升高，使具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT的阻值減小，電橋失去平衡。這時(shí)B點(diǎn)的電位低于A點(diǎn)的電位，運(yùn)算放大器A的輸出電壓升高，V的基極電流增大，致冷器TEC的電流也增大致冷端溫度降低，熱沉和管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。這個(gè)控制過程可以表示如下：

T(環(huán)境)→T(LD、熱沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)4.2光接收機(jī)

4.2.1光接收機(jī)基本組成主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。

(1)波長(zhǎng)響應(yīng)要在光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)1.光檢測(cè)器光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。對(duì)光檢測(cè)器的要求如下：(2)響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流(3)噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號(hào)(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗和體積小目前，光檢測(cè)器有：PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。2.放大器

圖4.17光接收機(jī)的前置級(jí)放大電路(a)雙極型晶體管；(b)場(chǎng)效應(yīng)管；(c)跨阻型1)前置放大器：低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇

2)主放大器:一般是多級(jí)放大器。它的作用是:提供足夠的增益，并通過它實(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)保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。3.均衡和再生均衡的目的：是對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)的波形適合于判決,，以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。光接收機(jī)的噪聲：一部分是外部電磁干擾產(chǎn)生的，這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或?yàn)V波加以消除；另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號(hào)檢測(cè)和放大過程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。我們下面要討論的噪聲是指內(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。

4.2.2噪聲特性光接收機(jī)噪聲的主要來源是：前置級(jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。光檢測(cè)器的噪聲前置放大器的噪聲。噪聲等效模型：光檢測(cè)器的量子噪聲，Sq功率譜密度：暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)，Sd功率譜密度ip、R和C分別為光檢測(cè)器的輸出光生電流、偏置電阻和電容放大器分解為理想放大器和等效噪聲電流源〈i20〉和電壓源〈u20〉，其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為SI和SE，Rin是放大器的輸入電阻(a)雙極型晶體管；(b)場(chǎng)效應(yīng)管；(c)跨阻型雙極型晶體管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗低，電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號(hào)脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。

(2)場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗高，噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。

(3)跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。4.2.3誤碼率光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率，BER)，用較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計(jì)算圖4.18計(jì)算誤碼率的示意圖I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。

Im是“１”碼的平均電流，“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布在“１”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；在“0”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I0>D，則可能被誤判為“１”碼光接收機(jī)輸出噪聲的概率分布十分復(fù)雜假設(shè)噪聲電流(或電壓)的瞬時(shí)值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為式中x：噪聲的隨機(jī)取值，其均值為零，方差為σ2。在發(fā)“0”碼時(shí)，平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。這時(shí)沒有光信號(hào)輸入，光檢測(cè)器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流)。由式(4.8)得到發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為發(fā)“0”碼時(shí)，光檢測(cè)器的噪聲功率為0,光接收機(jī)的判決噪聲功率為前置放大器的平均噪聲功率N0＝NA，誤碼率即為I0>D的概率發(fā)“1”碼時(shí)，光檢測(cè)器的平均噪聲功率為ND,光接收機(jī)的判決噪聲功率為前置放大器的平均噪聲功率N1＝NA＋ND，誤碼率即為Im-I1>Im-D或I1-Im<D-Im的概率“0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對(duì)于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認(rèn)為Pe,01=Pe,10時(shí)，可以使誤碼率達(dá)到最小。因此，總誤碼率(BER)可以表示為式中：Q為超擾比。含有信噪比的概念。它還表示在對(duì)“0”碼進(jìn)行取樣判決時(shí)，判決門限D(zhuǎn)超過放大器平均噪聲電流的倍數(shù)。由此可見，只要知道Q值，就可根據(jù)上式的積分求出誤碼率，結(jié)果示于下圖。

圖4.19誤碼率和Q的關(guān)系例如：Q=6,BER≈10-9，Q≈7，BER=10-12。Q越大，BER越小光接收機(jī)靈敏度靈敏度是限定誤碼率或信噪比條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率。表示光接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力理想光接收機(jī)的靈敏度只存在量子噪聲，系統(tǒng)可以檢測(cè)出單個(gè)光子形成的電子－空穴對(duì)所產(chǎn)生的光電流誤碼率為對(duì)于特定的誤碼率，得到光子數(shù)n，帶入光接收機(jī)最小接收功率實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度的影響因素較多，計(jì)算復(fù)雜，可以用限定誤碼率條件下的Q值與接收光功率的關(guān)系來描述4.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。但是簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來如下問題：

(1)在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)，給光接收機(jī)的判決帶來困難。

(2)在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長(zhǎng)串連“１”碼或長(zhǎng)串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。

(3)不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)，不利于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)的維護(hù)。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有：

(a)可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。

(b)能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時(shí)信息豐富。

(c)能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。

4.3.1擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…

但是，擾碼仍具有下列缺點(diǎn)：①不能完全控制長(zhǎng)串連“１”和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn)；②沒有引入冗余，不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)；③信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求，所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。

4.3.2mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，n>m，一般選取n=m+1。

1.mBnB碼編碼原理最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“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)超過兩個(gè)。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個(gè)碼字，變換為4B碼時(shí)，共有(24)16個(gè)碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來代替3B碼。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)使連“０”和連“１”的數(shù)目最少原則來選擇碼表。

表4.23B和4B的碼字“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS):描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特在nB碼的碼字中:用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例:應(yīng)選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。表4.3示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。

表4.3一種3B4B碼表

mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)是：

(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富。(2)高低頻分量較小，信號(hào)頻譜特性較好，基線漂移小。(3)在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測(cè)。

2.編譯碼器有兩種編譯碼電路：一種是組合邏輯電路，就是把整個(gè)編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模專用集成塊，國(guó)外設(shè)備大多采用這種方法；另一種是把設(shè)計(jì)好的碼表全部存儲(chǔ)到一塊只讀存儲(chǔ)器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國(guó)內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。以3B4B碼為例，碼表存儲(chǔ)編碼器的工作原理示于圖4.22。首先把設(shè)計(jì)好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號(hào)碼流通過串-并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲(chǔ)的碼表，輸出與地址對(duì)應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過并-串變換電路，讀出已變換的4B碼流。圖4.22碼表存儲(chǔ)編碼器原理圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=±2時(shí)，從A、B分別送出控制信號(hào)，通過C線決定組別。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時(shí)，把送來的已變換的4B信號(hào)碼流，每4比特并聯(lián)為一組，作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過并-串變換還原為原來的信號(hào)碼流。

4.3.3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)-一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。

1.插入碼的編碼原理

mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)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。補(bǔ)碼插在mB碼的末尾，使連“0”碼和連“1”碼的數(shù)目最少。

mB1C碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例如：

mB碼為：100110001101……mB1C碼為：1001110100101010……C碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測(cè)；同時(shí)改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。

mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，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。

圖4.23mB1C碼的結(jié)構(gòu)常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼為例，它的優(yōu)點(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值?。豢梢詫?shí)現(xiàn)在線誤碼檢測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求。在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗(yàn)碼，其作用和C碼相似，但P碼有以下兩種情況：

(1)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：

mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1000000100101101……

當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼為奇數(shù)時(shí)，則認(rèn)為無誤碼。

(2)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碼為：100000001110……mB1P碼為：1001000000111100……

當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼為偶數(shù)時(shí)，