第四章：線路編碼教材

4.3線路編碼加擾二進制碼1B2B碼mBnB碼插入比特碼單極性與雙極性信號簡單的二電平碼會帶來如下問題：

?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。

?

不能實現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務)的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護。

?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。接收機的單個輸入脈沖接收機的單個輸出脈沖進入接收機的“1”比特序列接收機輸出的“1”比特序列判決閾值基線漂移圖8.8傳輸長連NRZ“1”碼時引起的接收機基線漂移效應

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)耐该餍裕唧w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)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。

加擾二進制碼擾碼改變了“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備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。1B2B碼1B2B是最簡單的mBnB碼，常用的有三種編碼類型：1、CMI碼：“1”：11、00交替使用“0”：用01代替例子時鐘信號2、曼徹斯特碼：“1”：10代替

“0”：01代替最大的連“０”和連“１”的數(shù)目不會超過兩個，但是在相同時隙內，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。

3、DMI碼：“1”：11、00代替“0”：01、10代替時鐘信號mBnB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。

mBnB碼是一種提高信號傳輸速率的編碼方法

碼字數(shù)字和（WDS）：nB碼組的單個碼字中將0作為-1，1作為+1計算出的代數(shù)和，即為碼字數(shù)字和。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；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。

1、mBnB碼分類按WDS分類：A：零不均等碼：叫做均等mBnB碼（n>=m+2）碼組內0、1的個數(shù)相等。（誤碼校驗方便）例如：6B8BB：1不均等碼：m比特碼只占用n比特碼中不均等為-1的碼字。（0多，節(jié)省光功率）。例如：5B7BC：平衡不均等碼：需要用兩種模式。

2B3B5B6B

mBnB編碼原則：

1、盡可能選擇d

絕對值小的碼字

2、禁止用d

絕對值最大的碼字

3、選擇連0、1少的碼字（正負模式交替使用）碼速提高率H=n-m/n*100%2、3B4B碼

輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字，變換為4B碼時

數(shù)字3B4B方式1負模式方式2正模式012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101一、列出mB和nB的狀態(tài)表二、算出nB各種狀態(tài)的d值三、選出d絕對值最小的nB四、在d絕對值次小的正負模式并找出其中連0、1少的交替使用五、其他沒有選用的為禁用字

3、5B6B碼5B碼有32個碼字6B碼共有64個碼字，其中d=0有20個，d=±2有30個，共有20個|d|最小的碼字可選。由于變換為6B碼時需32個碼字，要在選出12對正負模式，正組和負組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。

4、mBnB碼是一種分組碼，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)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)間通信的設備中，不宜用這種碼型。

插入比特碼1、構造：輸入的信息序列以m比特為一組，每組后面插入一比特冗余比特，碼速變?yōu)閙/m+12、根據(jù)用途不同，分為三種：

(1)mB1Ci

mB碼為：100110001101……mB1C1碼為：1001110100101010……C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測；同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。(2)mB1PP碼為奇校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“1”碼的個數(shù)為奇數(shù)，例如：

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

當檢測得m+1個碼內“１”碼為奇數(shù)時，則認為無誤碼?？梢越鉀Q長的連0、1在線實現(xiàn)誤碼監(jiān)測什么時候不能解決長連1？P碼為偶校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“１”碼的個數(shù)為偶數(shù)，例如：

mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1001000000111100……

當檢測得m+1個碼內“１”碼為偶數(shù)時，則認為無誤碼。

可以解決長的連1在線實現(xiàn)誤碼監(jiān)測不能解決長連0？（3）mB1H插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：一：C碼，它是第m位碼的補碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；二：L碼，用于區(qū)間通信；三：G碼，用于幀同步、公務、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的傳輸。

常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。mBLmBCmBGC以4B1H碼為例，它的優(yōu)點是碼速提高不大，誤碼增值??；可以實現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。缺點是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求?；仡櫍?、適合光纖系統(tǒng)的幾種線路編碼2、各種線路編碼的編碼方式3、各種編碼的特點第八章：光發(fā)射機與光接收機光纖光發(fā)射器音頻到數(shù)字電信號轉換器數(shù)字電信號到音頻轉換器光檢測器8.1光發(fā)射機光纖通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖枪庑盘?，所以要將電信號轉化為光信號，即需要光源。LD:用于長距離，高速率的系統(tǒng)LED：短距離，低容量的系統(tǒng)或是模擬系統(tǒng)對光源有一些要求（第四章）(1)發(fā)射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應在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/光轉換效率要高，即要求在足夠低的驅動電流下，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)允許的調制速率要高或響應速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。(4)器件應能在常溫下以連續(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。

LDLED各自特點：

LDLED1.輸出功率較大（幾到幾十mW）輸出功率較小（1-2mW）2.帶寬大，調制速率高----小-----低3.相干光非相干光4.與光纖耦合度高耦合度低5.光譜窄圖光譜較寬6.制造工藝難度大成本高難度小7.P-I曲線線性好圖

I小時，P-I曲線線性好圖

I大時，功率趨于飽和8.需要APC、ATC控制，有Ith

溫度特性好，無需溫度控制9.有模式噪聲無模式噪聲10.工作壽命短，可靠性一般工作壽命長，可靠性高波長、通信容量、模式、及通信距離之間的關系短波長0.85μ

m

短距離，小容量

多模光纖長波長1.31μm

單模光纖中距離，中容量長波長1.55μm

超長距離，超大容量單模光纖（零色散光纖）長距離，大容量一、發(fā)射機框圖1、光發(fā)射機主要由調制電路和控制電路組成的輸入電路驅動電路光調制器光源保護報警偏置電路APCATC電信號光信號2、光發(fā)射機個部分作用輸入電路：驅動電路：光源：光調制器：自動偏置：APC、ATC：保護報警：將PCM脈沖信號轉變?yōu)镹RZ/RZ碼a調制電路：給光源加一直流偏置（直接）b恒定電流：使光源輸出連續(xù)光波（間接）電光轉換調制光源輸出的連續(xù)波加直流偏置，穩(wěn)定光功率穩(wěn)定光功率和工作溫度監(jiān)測和報警光源的工作狀態(tài)二、光波的調制光波的調制：在光纖通信系統(tǒng)中，把隨信息變化的電信號加到光載波上，是光載波按信息的變化而變化。電信號的調制：調幅、調頻、調相…光信號的調制：調幅、調頻、調相…等多種調制方式但是在光頻段多采用強度調制方式。1、調制方式從調制方式與光源的關系來分：強度調制分為：a、直接調制:電信號直接調制光源的偏置電流b、間接調制:基于電光、聲光、磁光。。效應，光信號通過調制器實現(xiàn)對光載波的調制用LD作光源的發(fā)射機框圖輸入電路驅動電路光源保護報警偏置電路APCATC電信號光信號直接調制輸入電路驅動電路光調制器光源保護報警偏置電路APCATC電信號光信號間接調制用LED作光源的發(fā)射機框圖輸入電路驅動電路光源偏置電路電信號光信號用LED作光源采用直接強度調制的方式：即通過改變LED的注入電流調制輸出光功率2、從調制信號的形式來分:a.數(shù)字調制：主要指PCM脈碼調制，先將連續(xù)的模擬信號進行抽樣、量化、編碼，轉化成一組二進制脈沖代碼，對光信號進行通斷控制（直接和間接調制）

模擬基帶信號直接調制光源用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號調制副載波b.模擬調制：LED輸出光功率PIDIDIIB二極管電流1、LED的模擬直接調制原理三、LED的驅動電路連續(xù)的模擬信號疊加在直流偏置電流上適當選擇電流偏置的大小，是靜態(tài)工作點位于LED特性曲線的中點,減小光信號的非線性失真。調制深度m=Im/IBIm:調制電流幅值IB:偏置電流幅值LED的模擬驅動與偏置電路共發(fā)射極驅動電路

C濾除直流,U通過R1、R2：為三極管提供偏置電壓晶體管工作在甲類狀態(tài)，調整基極偏置，使晶體管工作在線性區(qū)，并使靜態(tài)集電極電流

IB=Im/mR和鍺二極管：與LED并聯(lián)起到分流作用，擴大驅動電流范圍，提高LED的線性UCRLEDUinVR1R22、LED的數(shù)字直接調制原理信號電流為單向二進制數(shù)字信號，用單向脈沖電流的0、1控制LED的發(fā)光與否輸入電路驅動電路光源調制后的光信號I調制信號PLED的數(shù)字驅動與偏置電路UCR2LEDC1R1UinVR3共發(fā)射極驅動電路

碼速不高時，不需要偏置電路碼速高時，需要偏置電路幾種典型的驅動電路：a.共射級驅動電路b.低阻抗電路c.發(fā)射級耦合開關式驅動電路四、LD的驅動電路1、LD的直接調制原理模擬調制數(shù)字調制Ith電光延遲：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。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應碼型效應：

td與數(shù)字調制的碼元持續(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，嚴重時可能使單個“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應”。張弛振蕩：當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。2、驅動條件的選擇及調制電流的選擇A、偏置電流的選擇（1）加大直流偏置電流，使其逼近IthLD幾個納米c/2nL:100～200GHzfIBLDfLD無/有偏置時的脈沖瞬態(tài)波形和光譜減小電光延遲時間、抑制張弛振蕩較小的調制電流可獲得足夠的光功率減小碼型效應“碼型效應”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，調制速率越高，這種效應越明顯。用適當?shù)摹斑^調制”補償方法，可以消除碼型效應增加注入電流i，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。（a)、(b)碼型效應波形；（c）改善后波形電光延遲還會產(chǎn)生碼型效應。當電光延遲時間與數(shù)字調制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，會使后一個光脈沖幅度受到前一個脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱為“碼型效應”，如下圖(a)、(b)所示。考慮在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調制時，第一個脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減，如果調制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，就會使第二個脈沖到來之時，前一個電流脈沖注入的電子并沒有完全復合消失，此時有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會增大。消除碼型效應最簡單的方法就是增加直流偏置電流。當激光器偏置在閾值附近時，脈沖持續(xù)時間和脈沖過后有源區(qū)內電子密度變化不大，電子存儲的時間大大減小，碼型效應就可得到抑制。還可以采用在每一個正脈沖后跟一個負脈沖的雙脈沖信號進行調制的方法，張弛振蕩頻率ωr及其幅度衰減時間τo和電光延遲時間td的表達式為：τo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)復合壽命和諧振腔內光子壽命。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j的增加而增加。

(2)張弛振蕩幅度衰減時間τo隨j的增加而減小。

(3)電光延遲時間td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ld-02。

EXT>10dBIB=(0.85~0.9)Ith“0”碼—熒光區(qū)“1”碼—激光區(qū)（2）加大直流偏置電流會使激光器的消光比惡化。消光比：激光器在全“1”碼時發(fā)送的光功率P1與全“0”碼時發(fā)送的光功率P0之比(光脈沖通斷比)B、調制電流的選擇（3）驅動脈沖電流的峰-峰值Im取值范圍：Im+IB=(1.2~1.3)Ith以避免結發(fā)熱效應和碼型效應結發(fā)熱：閾值和輸出光功率隨結溫的變化。穩(wěn)態(tài)：輸出特性曲線隨溫度變化（長時間的）瞬態(tài)：在一個脈沖持續(xù)時間內的變化穩(wěn)態(tài)P和IthT瞬態(tài)結發(fā)熱效應及調制失真結論：偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張弛振蕩、碼型效應、激光器的消光比等各方面的情況。且激光器的電阻較小，所以激光器的偏置電路應為高阻恒