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1、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,光端機：光發(fā)射機、光接收機。 本章介紹內容：數(shù)字光發(fā)射機和數(shù)字光接收機的基本組成、工作特性、和主要電路。,4.1光發(fā)射機 1，數(shù)字光發(fā)射機的功能：把電端機輸出的數(shù)字基帶電信號轉換為光信號，并用耦合技術有效注入光纖線路。 2，電/光轉換是用承載信息的數(shù)字電信號對光源進行調制來實現(xiàn)的。 3，調制分為直接調制和外調制兩種方式。受調制的光源特性參數(shù)有功率、 幅度、頻率和相位。目前技術上成熟并在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應用的是直接光強(功率)調制。,思考： 如何使光信號來反映電信號所攜帶的信息？ 圖4.1示出激光器(L

2、D)和發(fā)光二極管(LED)直接光強數(shù)字調制原理，對LD施加了偏置電流Ib。由圖可見，當激光器的驅動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅動電流I基本上是線性關系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號反映輸入電信號。,圖 4.1直接光強數(shù)字調制原理 (a) LED數(shù)字調制原理； (b) LD的數(shù)字調制原理,4.1.1光發(fā)射機基本組成 數(shù)字光發(fā)射機結構組成：光源、相關電路。 光源功能：實現(xiàn)電/光轉換。 說明：光源在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能。電路的設計應以光源為依據(jù)，使輸出光信號準確反映輸入電信號。 1. 光源 對通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致

3、，即中心波長應在0.85 m、 1.31 m和1.55 m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。,以上各項中，調制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性，直接影響光纖

4、通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術指標。目前，不同類型的半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)可以滿足不同應用場合的要求。 2. 調制電路和控制電路 直接光強調制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調制電路、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遠大于開通延遲(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足夠短，以便在高速率調制下，輸出的光脈沖能準確再現(xiàn)輸入電

5、脈沖的波形。 （3） 對激光器應施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機正常工作。 (4) 應采用自動功率控制(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調制特性 高速調制（高頻率調制下）導致的不良后果： 1，電光延遲。2，張弛振蕩。3，自脈沖現(xiàn)象。 1. 電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象 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

6、，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。 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(=r/2)一般為0.52 GHz。 回顧：振蕩頻率與哪些因素相關？（加分）,圖 4.3 光脈沖瞬態(tài)響應波形,思考：如何抑制和減小張弛振蕩和電光延遲？ 碼型效應：電光延遲要產(chǎn)生碼型效應。當電光延遲時間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“”碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為“碼型效應”。 如何抑制和消除碼型效應呢？ 1，限制最高調制速率 2，用適當?shù)摹斑^調制”補償方法,圖4.4

7、 碼型效應 （a) 、(b)碼效應波形；（c）改善后波形,進一步探究激光器的調制特性 從以下三個數(shù)學等式入手，進一步考察激光器的調制特性。 1. 2. 3. 其中， r：張弛振蕩頻率.o:幅度衰減時間，td:電光延遲時間. j和jth分別為注入電流密度和閾值電流密度.sp和ph分別為電子自發(fā)復合壽命和諧振腔內光子壽命。,我們的目的: 1,提高張弛振蕩的頻率r 2,降低幅度衰減時間o 3,降低電光延遲時間td 所以：我們要增加注入電流j，可以： 1，提高張弛振蕩頻率r 2，減小其幅度衰減時間o 3，減小電光延遲時間td 結論：對 LD施加偏置電流，才能增加注入電流j。,2. 自脈動現(xiàn)象 某些激光

8、器在脈沖調制甚至直流驅動下，當注入電流達到某個范圍時，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，如下圖所示。 自脈動頻率可達2GHz，嚴重影響LD的高速調制特性。,自脈沖現(xiàn)象的原因： 自脈動現(xiàn)象是激光器內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，自脈動發(fā)生的區(qū)域和P - I曲線扭折區(qū)域相對應。因此在選擇激光器時應特別注意。,4.1.3調制電路和自動功率控制 數(shù)字信號調制電路應采用電流開關電路， 最常用的是差分電流開關電路。 共發(fā)射極驅動電路：是由三極管組成。這種簡單的驅動電路主要用于以發(fā)光二極管LED作為光源的光發(fā)射機。 工作原理：數(shù)字信號Uin

9、從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅動LED。數(shù)字信號“0”碼和“1”碼對應于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對輸出光信號幅度的要求確定。 應用場合：這種驅動電路適用于10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應采用差分電流開關電路。,圖 4.6 共發(fā)射極驅動電路,射極耦合驅動電路：適合于激光器系統(tǒng)使用。 工作原理：電流源為由V1和V2組成的差分開關電路。 當信號為“0”碼時，V1基極電位比UB高而搶先導通，V2截止， LD不發(fā)光；反之，當信號為“”碼時，V1基極電位比UB低， V2搶先導通，驅動LD發(fā)光。 優(yōu)點：（1）V1和V2處于輪流截止和非飽和導通狀態(tài)，有利于提高調制速率。（如：

10、當三極管截止頻率fr4.5 GHz時，這種電路的調制速率可達300 Mb/s。） （2）射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小， 缺點： 動態(tài)范圍小，功耗較大。,圖 4.7 射極耦合LD驅動電路圖,改進后的LD驅動電路： 改進原因：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， 必須改進電路設計。工作原理： PLDUPD(UPD+ +UR)UA1IbPLD,4.8 反饋穩(wěn)定LD驅動電路,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

11、經(jīng)A2比較放大后，送到A3的同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源調節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。,圖 4.9 APC電路原理,4.1.4溫度特性和自動溫度控制 1. 激光器的溫度特性 回顧：激光器的溫度特性： 1，激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因： （1）激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大。 （2）外微分量子效率d隨溫度升高而減小。 直接導致后果：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“結發(fā)熱效應”。 定義：由于調制電流的作用，引起激光器結區(qū)溫度

12、的變化，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應稱為“結發(fā)熱效應”。 具體原理：溫度t 閥值電流Ith 輸出光脈沖的幅度 導致結果： “結發(fā)熱效應”將引起調制失真。 可喜之處：與調制速率對激光器瞬態(tài)特性的影響相反，低調制速率的“結發(fā)熱效應”更加明顯。這是因為隨著調制速率的提高，碼元時間間隔縮短，使結區(qū)溫度來不及發(fā)生變化。,圖 4.11 結發(fā)熱效應,2. 自動溫度控制 溫度控制的必要性:半導體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長波長半導體激光器對溫度更加敏感。為保證輸出特性的穩(wěn)定，對激光器進行溫度控制是十分必要的. 溫度控制裝置的組成：由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成， 圖4.12示出溫度控制

13、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，用以改變三極管V的基極電流。 T(環(huán)境)T(LD、熱沉)RTI(致冷器)T(LD),4.13 ATC電路原理,4.2 光接收機,數(shù)字光接收機的功能：把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號轉換為電信號，并放大處理，恢復為

14、原始的數(shù)字碼流。 數(shù)字光接收機最主要的性能指標： 靈敏度、動態(tài)范圍。靈敏度和誤碼率密切相關，主要取決于光檢測器的性能和相關電路的設計。 4.2.1光接收機基本組成 直接強度調制、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,對光檢測器的要求： (1) 波長響應要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 響應度要高， 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)

15、 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)應用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。 對放大器的要求： 1，對前置放大器的要求：由于噪聲影響光接收機的靈敏度，故要求選擇噪聲低的放大器類型。,2，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)，

16、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 采用集成技術，把單個的電子器件集成在同一芯片上，組成光電集成接收機。 優(yōu)點：適合高傳輸速率的需求。 現(xiàn)實應用：單片光接收機即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件。 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)。,4.2.2噪聲特性 光接收機的噪聲有兩部分：外部電磁干擾的噪聲（不足為患）， 信號檢測和放大過程中引入

17、的內部隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設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部產(chǎn)生的隨機噪聲。 光接收機噪聲的主要來源：光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。主放大器引入的噪聲可以忽略不計。,圖 4.16 光接收機的噪聲等效模型,光檢測器的噪聲分析已經(jīng)學過，噪聲的大小主要是由光電二極管的材料和結構決定的。 前置放大電路的噪聲與我們選擇的放大器類型相關，因此，我們對三種類型的前置放大器進行比較。 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

18、效應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) 場效應管； (c) 跨阻型,4.2.3誤碼率 誤碼率定義：由于噪聲的存在，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。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，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。 若D為判決門限值，N0為前置放大器產(chǎn)生

19、的平均噪聲功率，ND為光檢測器產(chǎn)生的平均噪聲功率， Im為1碼的平均電流，令N1= N0+ ND， 則Q為超擾比（信噪比），,圖 4.18 計算誤碼率的示意圖,則有： Q=,Q=,Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。 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，結果示于圖4.19。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。,圖4.19 誤碼率和的關系,4.2.4靈敏度 靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標。 定義： 在保證通信質量(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Pmin，并以dBm為單位。由定義得到 Pr=10lg (4.14

20、) 靈敏度表示光接收機調整到最佳狀態(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到多少? 影響光接收機的靈敏度有哪些因素?,現(xiàn)在考慮理想光接收機的靈敏度。設傳輸?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,Pmin=,式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結果，h=6.62810-34Js為普朗克常數(shù)，f=c/，f、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/電轉換時的量子效率為。把這些關系代入式(4

21、.16)， 得到理想光接收機靈敏度,Pr= 10 lg (4.17) 表4.1。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，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系。,4.2.5自動增益控制和動態(tài)范圍 主放大器的功能： 1，提供足夠的增益 2，實現(xiàn)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。 增益 A= (4.22) 式中，g為APD倍增因子，為光檢測器的響應度，P為“0”碼和“1”碼的平均光功率。,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

22、Pmax和所需最小平均接收光功率Pmin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，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)范圍一般應大于15 dB。,4.3線路編碼,碼型變換的原因：電端機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼，但是光源不可能發(fā)射負光脈沖，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蟆?簡單的二進制二電平碼：數(shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用，即“有光脈沖”表示“”碼， “無光脈沖”表示“0”碼。但是會產(chǎn)生一下問題： (1) 在碼流中，出現(xiàn)“”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)

23、， 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“”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)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。因而應盡可能減少連“”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

24、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。,4.3.1擾碼 擾碼定義：為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機的調制器前， 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。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。 擾碼優(yōu)點：改變了“”碼與“0”碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。 例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 擾碼缺點：, 不能完全控制長串連“”和長串連“0”序列的出現(xiàn)； 沒有引入冗

25、余， 不能進行在線誤碼監(jiān)測； 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。,4.3.2mBnB碼 mBnB碼：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)， nm，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，

26、即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。,在相同時隙內，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。 設計者應根據(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“”；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,“碼字數(shù)字和”(WDS)：目的是描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。即如果整個碼字“”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。 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，應選擇WDS=0和WDS