光纤通信课件第四章

1、1 2本章内容l 光发送机l 光接收机l 光中继器l 光线路码型本章重点l 光发送机和光接收机的功能、电路组成和工作原理。l 光通信常用线路码型。3l 掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理。l 熟悉光中继器的组成框图及工作原理。l 掌握光通信常用的线路码型。4 光发送机与光接收机统称为光端机。光端机位于电端机和光纤传输线路之间，如图4-1所示。图4-1 光纤通信系统组成 光纤通信系统主要包括光纤（光缆）和光端机。每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分，通信距离长时还要加光中继器。光发送机完成E/O转换，光接收机完成O/E转换，光纤实现光信号的传输，光中继器延长通信距离。 5 作用：是

2、把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。对光发送机的要求： （1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW5mW。 （2）有较好的消光比 消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示 （4-1） 式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。一般要求EXT10dB。 )dB(lg100011PPEXT 6 （3）调制特性要好 所谓调制特性好，是指光源的PI曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。 除此之外，还要

3、求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。7 数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图4-2。图4-2 数字光发送机原理方框图8 （1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。 （2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。 （3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。 （4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。 （5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。 （6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。 （7）光源：产生

4、作为光载波的光信号。 （8）温度控制和功率控制： 稳定工作温度和输出的平均光功率。 （9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。9 1光源 光源的作用是产生作为光载波的光信号，对光源的要求是： 发送光波的中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大的传输容量。 器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。10 2调制方式 有直接调制（内调制）和间接调制（外调制

5、）。 （1）直接调制 基本概念及调制原理 直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。 调制原理如图4-3所示。 特点 调制简单、损耗小、成本低。但存在波长(频率)的抖动。11图4-3 直接光强度数字调制原理图4-4 间接调制激光器的结构12 （2）间接调制 基本概念及调制原理 间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制，如图4-4所示。 特点 调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄，可以应用于2.5

6、Gbit/s的高速大容量传输系统之中，而且传输距离也超过300km以上。13 3调制特性 （1）电光延迟和张弛振荡现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图4-5所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。 图4-5 光脉冲瞬态响应波形 14 （2）码型效应 电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时

7、可能使单个“”码丢失，这种现象称为“码型效应”，如图4-6（a）、（b）所示。用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应，如图4-6（c）所示。图4-6 码型效应15 （1）共发射极LED驱动电路 图4-7所示为由三极管组成的共发射极驱动电路，这种驱动电路主要用于以LED作为光源的数字光发射机。 适用于10 Mbit/s以下的低速率系统。 （2）射极耦合跟随器LD驱动电路 图4-8是射极耦合跟随器LD驱动电路，适合于LD系统使用。这种电路为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。 （3）反馈稳定LD驱动电路 图4-9是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控制过程如下：LDb

8、ARinPDPDLD1)(PIUUUUUP16 图4-8 射极耦合LD驱动电路图 图4-7 共发射极驱动电路 17图4-9 反馈稳定LD驱动电路18 （4）带自动功率控制的LD驱动电路 更加完善的带自动功率控制（APC）的电路如图4-10所示。图4-10 APC电路原理19 1激光器的温度特性 l 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率d产生，如图图4-11（a）和（b）所示。 当温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。 l 温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。 即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使

9、输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。如图4-12所示 “结发热效应”将引起调制失真。20图4-11 温度引起的光功率输出的变化图4-12 结发热效应21 2光源的自动温度控制（ATC） （1）温度控制装置的组成 温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4-13示出了温度控制装置的方框图。图4-13 自动温度控制原理方框图22 （2）自动温度控制（ATC）原理 图4-14示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：)LD()(R)LD()(TTITT致冷器、热沉环境图4-14 ATC电路原理23 注：温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不能控制由于器件老化而

10、产生的输出功率的变化。 对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。 对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。24 光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。25 强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图4-15所示，主要包括光电检

11、测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。图4-15 数字光接收机方框图26 1光电检测器 光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是： 在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。 波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。 产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。 光电转换线性好，保真度高。 工作性能稳定，可靠性高，寿命长。 功耗和体积小，使用简便。27 2放大器 光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。 对前置放大器要求是较

12、低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。 主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。28 3均衡器 均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。 4再生电路 再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。 5自动增益控

13、制（AGC） AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。29 光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。这些噪声的分布如图4-16所示。 l 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声； l 电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。图4-16 接收机的噪声及其分布30 （1）量子噪声：是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。 （2）暗电流噪声 暗电流是指无光照射时光电检测

14、器中产生的电流。由于激励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。 （3）雪崩管倍增噪声 由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。 （4）光接收机的电路噪声 主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。31 数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。 （1）光接收机的灵敏度 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 (4-2) （2）光接收机的动态范围 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件

15、下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即 (4-3) )dBm(mW1lg10minRPP )dB(lg1010lg1010lg10minmax3min3maxPPPPD32 （3）自动增益控制（AGC） AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。 自动增益控制（AGC）电路原理框图如图4-17所示。图4-17 自动增益控制电路原理框图33 光信号在传输过程会出现两个问题： 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离； 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。 以上两点不但限制

16、了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。 光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有： 补偿衰减的光信号； 对畸变失真的信号波形进行整形。 光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器），另一种是全光中继器。34 1光电中继器的构成 传统的光中继器采用光电光（O-E-O）转换形式的中继器。如图4-18所示。图4-18 典型的数字光中继器原理方框图 2光电中继器的结构形式 有的设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。35 目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有

17、源器件，其工作原理如图4-19所示。 用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光电光的转换过程，工作频带宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。图4-19 掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图36 PCM通信系统中的接口速率和码型，如表4-1所示。表4-1 PDH接口码速率与接口码型 PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此，在光端机中必须进行码型变换。 在PDH系统中，常用的线路编码有分组码mBnB，1B2B码（CMI、DMI和双相码等）和插入码， SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。各种码的编码规律、传输速率如表4-2所示。 基 群二

18、 次 群三 次 群四 次 群接口码速率 (Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口码型HDB3HDB3HDB3CMI37码 型码型变换规则传输速率误码监测适用系统1B2B码CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按编码规则检查PDH双相码“1”：10 “0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二个码为01，11时）10（前二个码为10，00时）2fi同上分组码mBnB在nB码中选择不均等值小的码作公共码；正负模式交替nfi /m（1）查禁用码字（2）利用DRS插入码mB1P（1）P码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则(m+1) fi /

19、m奇偶校验mB1C(m+1)fi /m模2和=0mB1H加扰NRZ给输入NRZ序列加扰fi无SDH表4-2常用的线路编码38 1分组码 分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常nm，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。 最简单的mBnB码是1B2B码，它是把原信息码的“0”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“0”和连“1”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是码速

20、率提高了1倍。 mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。39 2插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m+1个码为一组新的线路码流。根据插入码的用途不同，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码等。 （1）mB1C码 mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补码称为C码，所以称为mB1C码。例如：mB码100110001101mBlC码100111010010101040 （2）mB1H码 mB1H码是由mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码

21、，并在相应的码位上插入一个混合码（H码），所以称为mB1H码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。41mB码100000001110mBlP码1000000100101101 （3）mB1P码 在mBlP码中，P码称为奇偶校验码，P码有以下两种情况。 P码为奇校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数，例如： P码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为偶数，例如：mB码100000001110mBlP码10010000001

22、1110042 31B2B码 （1）CMI码 CMI码又称传号反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。 （2）双相码 双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“10”代替。 （3）DMI码 DMI码又称不同模式反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。原码的“0”码，若前二个码为“01”，“11”时用“01”代替，前二个码为“10”，“00”时用“10”代替。43 4扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，它是利用一定规则对信号码流