光纖通信課件劉增基-西安電子科技大學(xué)出版社4

第4章光端機

4.1光發(fā)射機

4.2光接收機

4.3線路編碼返回主目錄第4章光端機

4.1光發(fā)射機

數(shù)字光發(fā)射機的功能是把電端機輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號，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)字電信號對光源進行調(diào)制來實現(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)上成熟并在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(功率)調(diào)制。

圖4.1直接光強數(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

4.1.1光發(fā)射機基本組成數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖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)射機的性能。電路的設(shè)計應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號準(zhǔn)確反映輸入電信號。

1.光源對通信用光源的要求如下：

(1)發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(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。

(5)此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。以上各項中，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)。目前，不同類型的半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)可以滿足不同應(yīng)用場合的要求

2.調(diào)制電路和控制電路

直接光強調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路，采用激光器作光源時，還有偏置電路。對調(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)輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲(電光延遲)時間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延遲時間應(yīng)足夠短，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)射機正常工作。

(4)應(yīng)采用自動功率控制(APC)和自動溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。3.線路編碼電路線路編碼之所以必要，是因為電端機輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?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。

4.1.2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4.3所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(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。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)。圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形td

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，波形失真嚴(yán)重，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時可能使單個“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。

“碼型效應(yīng)”的特點是，在脈沖序列中較長的連“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”補償方法，可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c)所示

圖4.4碼型效應(yīng)（a)、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形為了進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及其幅度衰減時間τo和電光延遲時間td的表達(dá)式為：式中，τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時間，j和jth分別為注入電流密度和閾值電流密度。τsp和τph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，即τspτph。由式(4.1)~式(4.3)可以看到：

(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間τo與τsp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小。(3)電光延遲時間td與τsp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小(j>jth)。由此可見，增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率ωr，減小其幅度衰減時間τo，以及減小電光延遲時間td，因此對LD施加偏置電流是非常必要的。2.自脈動現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。

自脈動現(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)，自脈動發(fā)生的區(qū)域和P-I曲線扭折區(qū)域相對應(yīng)。因此在選擇激光器時應(yīng)特別注意圖4.5激光器自脈沖動現(xiàn)象

4.1.3調(diào)制電路和自動功率控制

數(shù)字信號調(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)動電路，這種簡單的驅(qū)動電路主要用于以發(fā)光二極管[WTBZ]LED作為光源的光發(fā)射機。這種驅(qū)動電路適用于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4.6共發(fā)射極驅(qū)動電路

圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動電路，適合于激光器系統(tǒng)使用。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。當(dāng)三極管截止頻率fr≥4.5GHz時，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，這種電路的缺點是動態(tài)范圍小，功耗較大。圖4.7射極耦合LD驅(qū)動電路圖

由于溫度變化和工作時間加長，LD的輸出光功率會發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定，必須改進電路設(shè)計。圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路，

在反饋電路中引入信號參考電壓的目的，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。

一個更加完善的自動功率控制(APC)電路如圖4.9所示。從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測器檢測、運算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時，輸入信號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輸出光脈沖的另一個影響是“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)”?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。

與調(diào)制速率對激光器瞬態(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。這是因為隨著調(diào)制速率的提高，碼元時間間隔縮短，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.自動溫度控制

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。運算放大器A的差動輸入端跨接在電橋的對端，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，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點沒有電位差，傳輸?shù)竭\算放大器A的信號為零，流過致冷器TEC的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，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B點的電位低于A點的電位，運算放大器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)ATC的致冷器和熱敏電阻以及APC的PIN-PD封裝在LD管殼內(nèi)構(gòu)成的組件如圖4.18所示。4.2光接收機

4.2.1光接收機基本組成

直接強度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖示于圖4.14，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。

圖4.14數(shù)字光接收機方框圖

1.光檢測器

光檢測器是光接收機實現(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的靈敏度。對光檢測器的要求如下：

(1)波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；(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；

(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。

2.放大器

前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。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(參看4.2.2節(jié))。

主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號保持恒定。

主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。

3.均衡和再生

均衡的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。

再生電路包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。

4.光電集成接收機圖4.14中除光檢測器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過2GHz，甚至達(dá)到10GHz。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測器在內(nèi)的全部元件。這樣的完全集成對于GaAs接收機(即工作在短波長的接收機)是比較容易的，而且早已得到實現(xiàn)。然而，對于工作在1.3~1.6μm波長的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機。在1991年試驗成功的單路InGaAsOEIC接收機，其運行速率達(dá)5Gb/s。InGaAsOEIC接收機也可以用混合法實現(xiàn)。如圖4.15所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在InP基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。圖4.15光電集成接收機

4.2.2噪聲特性光接收機的噪聲有兩部分：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濾波加以消除；另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計與制造盡可能減小，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)生的隨機噪聲。光接收機噪聲的主要來源是光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。

圖4.16示出光接收機的噪聲等效模型，由光檢測器和放大器兩部分組成。圖中〈i2q〉和〈i2d〉分別為光檢測器的量子噪聲和暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)，其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為Sq和Sd。ip、R和C分別為光檢測器的輸出光生電流、偏置電阻和電容(結(jié)電容和其他電容)。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。

圖4.16光接收機的噪聲等效模型場效應(yīng)管(FET)前置放大器跨阻型前置放大器-雙極型晶體管跨阻型前置放大器-場效應(yīng)管光檢測器等效噪聲特性請參看3.2節(jié)的內(nèi)容。

放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型，根據(jù)放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計算。常用三種類型前置放大電路示于圖4.17，其輸出的等效噪聲功率NA為：雙極型晶體管(BJT)前置放大器三種類型前置放大器的比較：

(1)雙極型晶體管前置放大器的主要特點是輸入阻抗低，電路時間常數(shù)RC小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。

(2)場效應(yīng)管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高，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)點是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。

圖4.17光接收機的前置級放大電路(a)雙極型晶體管；(b)場效應(yīng)管；(c)跨阻型

4.2.3誤碼率

光接收機對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)，用較長時間間隔內(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)來計算。如圖4.18所示，I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。Im是“１”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2。圖4.18計算誤碼率的示意圖

在“１”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；

在“0”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I0>D，則可能被誤判為“１”碼。

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。

一般假設(shè)光接收機輸出噪聲電流(或電壓)的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為

式中x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值，其均值為零，方差為σ2。

在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設(shè)了噪聲的概率分布后，現(xiàn)在可以分別計算“0”碼和“１”碼的誤碼率了。

在發(fā)“0”碼時，平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率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

根據(jù)誤碼率的定義，把“0”碼誤判為“1”碼的概率，應(yīng)等于I0值超過D值的概率，即式中x=I0/

在發(fā)“1”碼時，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為D，則只要取樣值Im-I1>Im-D或I1-Im<D-Im，就可能把“１”碼誤判為“0”碼。所以，把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：式中y=(I1-Im)/。

“0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認(rèn)為Pe,01=Pe,10時，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=Q=

Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對“0”碼進行取樣判決時，判決門限值D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)式(4.12)的積分求出誤碼率，結(jié)果示于圖4.19。例如：Q=6,BER≈10-9，Q≈7，BER=10-12。圖4.19誤碼率和Q的關(guān)系

4.2.4靈敏度靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定義是，在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm為單位。由定義得到

Pr=10lg(4.14)

靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。那么，理想光接收機的靈敏度可以達(dá)到多少?影響光接收機的靈敏度有哪些因素?

1.理想光接收機的靈敏度

假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機稱為理想光接收機。它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。

首先考慮理想光接收機的誤碼率。當(dāng)光檢測器沒有光輸入時，放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為“１”碼的概率為0，即Pe,01=0。產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。這個概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe,10=exp(-n)，n為一個碼元的平均光子數(shù)。當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，誤碼率為Pe=(4.15)Pe,01+Pe,10=exp(-n)

現(xiàn)在考慮理想光接收機的靈敏度。設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb，一個碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機所需最小平均接收功率為〈P〉min=

式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)，f=c/λ，f、λ分別為光頻率和光波長，c為真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb為傳輸速率；并考慮光/電轉(zhuǎn)換時的量子效率為η。把這些關(guān)系代入式(4.16)，得到理想光接收機靈敏度當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，誤碼率為Pr=10lg(4.17)

對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe≤10-9，根據(jù)式(4.15)得到n≥21。這表明至少要有21個光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時誤碼率小于或等于10-9。設(shè)η=0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)，計算出的不同λ和不同fb的Pr值列于表4.1。這是光接收機可能達(dá)到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。由表4.1我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關(guān)系。

2.實際光接收機的靈敏度超擾比Q與入射光功率的關(guān)系

在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號的光功率P0=0，輸出光電流I0=0

在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號的光功率P1和光電流I1的關(guān)系為I1=gρP1=2gρ〈P〉式中，g為APD倍增因子(對于PINPD，g=1)，ρ為光檢測器的響應(yīng)度

〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率

在放大器輸出端“１”碼的平均電流Im=I1A，A為放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到

Q=(4.19)給定Q值，便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，N1=NA+ND

式中，NA是前置放大器的平均噪聲功率，如式(4.4)~式(4.7)所示；ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率，ND=〈i2q〉A(chǔ)2，〈i2q〉為均方量子噪聲電流，如式(3.22)和式(3.26)所示。對于PIN光電二極管，ND<<NA，g=1，式(4.20)可以簡化為

〈P〉min=式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率。這樣計算光接收機的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒有考慮下列因素：波形引起的碼間干擾的影響；均衡器頻率特性的影響；光檢測器暗電流和信號含直流光的影響。這些使靈敏度降低的影響，一般不能忽略。圖4.20典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關(guān)系的關(guān)系圖中誤碼率限定為1×10-9，假設(shè)光檢測器量子效率η=0.5，附加噪聲系數(shù)x=0.4，暗電流id=1nA，滾降因子β=1，相對脈沖展寬σ/T=0.3。由圖可見，在限定誤碼率的條件下，決定光接收機靈敏度的主要因素是傳輸速率和光檢測器、前置放大器的特性，特別是噪聲特性。4.21實測誤碼率與平均接收光功率

4.2.5自動增益控制和動態(tài)范圍放大器是一個普通的寬帶高增益放大器，由于前置放大器輸出信號幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。

主放大器一般由多級放大器級聯(lián)構(gòu)成，其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平Im。Im=IP1A，利用式(4.18)得到

A=(4.22)式中，g為APD倍增因子，ρ為光檢測器的響應(yīng)度，〈P〉為“0”碼和“1”碼的平均光功率。

主放大器的另一個功能是實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使光接收機具有一定的動態(tài)范圍，以保證在入射光強度變化時輸出電流基本恒定。

動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。根據(jù)定義DR=10lg(4.23)

動態(tài)范圍是光接收機性能的另一個重要指標(biāo)，它表示光接收機接收強光的能力，數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。

AGC一般采用直流運算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實現(xiàn)。對于APD光接收機，AGC控制光檢測器的偏壓和放大器的輸出；對于PIN光接收機，AGC只控制放大器的輸出。4.3線路編碼

在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機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，因此必須進行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。但是簡單的二電平碼會帶來如下問題：

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

(2)在隨機碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時誤差。(3)不能實現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有：

(1)能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、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的靈敏度。

(2)能給光接收機提供足夠的定時信息。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，保證定時信息豐富。

(3)能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信。但對高速光纖通信系統(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?，在系統(tǒng)光發(fā)射機的調(diào)制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應(yīng)地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應(yīng)的前饋移位寄存器實現(xiàn)。

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：①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)；

②沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監(jiān)測；③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。

因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，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碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內(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。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

1.mBnB碼編碼原理最簡單的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)目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內(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個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。

設(shè)計者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變?yōu)?B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。

表4.23B和4B的碼字

作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字?jǐn)?shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個碼字“１”碼的數(shù)目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼，則WDS為負(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。

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

我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下：

5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。當(dāng)然禁用WDS=±4和±6的碼字。表4.4示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負(fù)組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點是：

(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富。

(2)高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，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。

mBnB碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。

2.編譯碼器有兩種編譯碼電路：一種是組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在