光纤通信第4章

1、 第第 4 章章 光端机光端机 4.1 光发射机光发射机 4.2 光接收机光接收机 4.3 线路编码线路编码返回主目录 光端机：光发射机、光接收机。 本章介绍内容：数字光发射机和数字光接收机的基本组成、工作特性、和主要电路。4.1光发射机光发射机1，数字光发射机的功能：把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。2，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。3，调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强(功率)调制。 思考： 如何使光信号来反映电信号所携

2、带的信息？图4.1示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调制原理，对LD施加了偏置电流Ib。由图可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。 图 4.1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理 4.1.1光发射机基本组成光发射机基本组成数字光发射机结构组成：光源、相关电路。光源功能：实现电/光转换。说明：光源在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。 1. 光源光源对通信用光源的要求如下： (

3、1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。光谱单色性要好， 即谱线宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。 (2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下， 有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 (3) 允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的大传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。 (5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 以上各项中，调制速率、谱

4、线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求。 2. 调制电路和控制电路调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。 (2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间， 光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟

5、时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。 （3） 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。 (4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)， 以保证输出光功率有足够的稳定性。 3. 线路编码电路线路编码电路 线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.3节所述。 4.1.2调制特性调制特性高速调制（高频率调制下）导致的不良后果：1，电光延迟。2，张弛振荡。3，自脉冲现象。 1. 电光

6、延迟和张弛振荡现象电光延迟和张弛振荡现象 电光延迟：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。 张弛振荡：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，其振荡频率fr(=r/2)一般为0.52 GHz。回顾：振荡频率与哪些因素相关？（加分） 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 思考：如何抑制和减小张弛振荡和电光延迟？ 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，严重时可能使单个“”码丢失， 这种现象称为“码型效

7、应”。 如何抑制和消除码型效应呢？如何抑制和消除码型效应呢？1，限制最高调制速率，限制最高调制速率2，用适当的，用适当的“过调制过调制”补偿方法补偿方法 图4.4 码型效应（a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形电脉冲光脉冲2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12 进一步探究激光器的调制特性从以下三个数学等式入手，进一步考察激光器的调制特性。1.2.3.其中， r：张弛振荡频率.o:幅度衰减时间，td:电光延迟时间. j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度.sp和ph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjln我们的

8、目的:1,提高提高张弛振荡的频率r 2,降低降低幅度衰减时间o3,降低降低电光延迟时间td所以：我们要增加注入电流j，可以：1，提高张弛振荡频率r2，减小其幅度衰减时间o3，减小电光延迟时间td结论：对 LD施加偏置电流，才能增加注入电流j。2. 自脉动现象自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如下图所示。 自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。 电脉冲光脉冲 自脉冲现象的原因： 自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的， 往往和LD的P - I曲线的非线性有关，自脉动发生的区

9、域和P - I曲线扭折区域相对应。因此在选择激光器时应特别注意。 4.1.3调制电路和自动功率控制调制电路和自动功率控制 数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的是差分电流开关电路。 共发射极驱动电路：是由三极管组成。这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。工作原理：数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED。数字信号“0”码和“1”码对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。应用场合：这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。 图 4.6 共发射极驱动电路 UCR2LEDC

10、1R1UinV射极耦合驱动电路：适合于激光器系统使用。工作原理：电流源为由V1和V2组成的差分开关电路。 当信号为“0”码时，V1基极电位比UB高而抢先导通，V2截止， LD不发光；反之，当信号为“”码时，V1基极电位比UB低， V2抢先导通，驱动LD发光。优点：（1）V1和V2处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。（如：当三极管截止频率fr4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达300 Mb/s。） （2）射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，缺点： 动态范围小，功耗较大。 图 4.7 射极耦合LD驱动电路图 V2V1Ib电流源Io UEUinLD 改进后的LD驱动电路：改进原因：由

11、于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。工作原理： PLDUPD(UPD+ +UR)UA1IbPLD inU 4.8 反馈稳定LD驱动电路V2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin 一个更加完善的自动功率控制(APC)电路如图4.9所示。从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。 图 4.9 APC电路

12、原理 V2V1信号参考UinA1A2A3PD直流参考 U UV3IbLD 4.1.4温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制 1. 激光器的温度特性激光器的温度特性 回顾：激光器的温度特性：1，激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： （1）激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大。（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。直接导致后果：输出光脉冲幅度下降。 图 4.10温度引起的光输出的变化(a) 阈值电流变化引起的光输出的变化； (b) 外微分量子效率变化引起的光输出的变化 温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。定义：由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的

13、形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。具体原理：温度t 阀值电流Ith 输出光脉冲的幅度导致结果： “结发热效应”将引起调制失真。可喜之处：与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的“结发热效应”更加明显。这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。 图 4.11 结发热效应 电流脉冲光脉冲t0t TI1I0 2. 自动温度控制自动温度控制 温度控制的必要性:半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的. 温度控制装置的组成：由致冷器、热敏电阻和控制电路组成， 图4.1

14、2示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。 图 4.12 温度控制方框图 激光器致冷器热敏电阻控制电路热导 图4.13示出自动温度控制(ATC)电路原理图。由R1、R2、 R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。 T(环境)T(LD、热沉)RTI(致冷器)T(LD) 4.13 ATC电路原理 AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UV

15、4.2 光接收机光接收机 数字光接收机的功能：把经光纤传输后幅度被衰减、数字光接收机的功能：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱波形被展宽的微弱光信号光信号转换为转换为电信号电信号，并放大处理，并放大处理，恢复为原始的数字码流。恢复为原始的数字码流。数字光接收机最主要的性能指标：数字光接收机最主要的性能指标： 灵敏度、动态范灵敏度、动态范围围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器的性能和相关电路的设计。的性能和相关电路的设计。 4.2.1光接收机基本组成光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14，主要包

16、括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。 图 4.14 数字光接收机方框图 光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号 对光检测器的要求： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 对放大器的要求

17、： 1，对前置放大器的要求：由于噪声影响光接收机的灵敏度，故要求选择噪声低的放大器类型。 2，主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益， 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， 输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡的目的是：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。 再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波

18、形进行取样判决，以得到原发送的码流。 4. 光电集成接收机光电集成接收机采用集成技术，把单个的电子器件集成在同一芯片上，组成光电集成接收机。优点：适合高传输速率的需求。现实应用：单片光接收机即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易的，而且早已得到实现。光检测器电路部分GaAs基片N-InP基片P-接触片N-接触片 4.2.2噪声特性噪声特性 光接收机的噪声有两部分：外部电磁干扰的噪声（不足为患）， 信号检测和放大过程中引入的内部随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，

19、 一般不可能完全消除。我们下面要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。 光接收机噪声的主要来源：光检测器的噪声和前置放大器的噪声。主放大器引入的噪声可以忽略不计。 图 4.16 光接收机的噪声等效模型 放大器Rin0SISECRSddSqqip放大器光电检测器0 光检测器的噪声分析已经学过，噪声的大小主要是由光电二极管的材料和结构决定的。 前置放大电路的噪声与我们选择的放大器类型相关，因此，我们对三种类型的前置放大器进行比较。 三种类型前置放大器的比较： (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) 场效

20、应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。 图 4.17光接收机的前置级放大电路 (a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型 偏压(a)偏压(b)偏压(c)Rf 4.2.3误码率误码率 误码率定义：由于噪声的存在，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。

21、 若D为判决门限值，N0为前置放大器产生的平均噪声功率，ND为光检测器产生的平均噪声功率， Im为1码的平均电流，令N1= N0+ ND， 则Q为超扰比（信噪比），图 4.18 计算误码率的示意图 tIsImI1(t)I0(t)判决门限D0则有： Q= 10NDINDm Q= 10NNIm Q称为超扰比，含有信噪比的概念。 由此可见，只要知道Q值，就可根据式(4.12) 的积分求出误码率，结果示于图4.19。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。 1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q误码率 图4.1

22、9 误码率和的关系 4.2.4灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。定义： 在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下， 光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到 Pr=10lg (4.14) 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。 那么，理想光接收机的灵敏度可以达到多少? 影响光接收机的灵敏度有哪些因素? )(10)min(3dBmwP 现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb， 一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需

23、最小平均接收功率为 Pmin= bbdTnhfTE22 式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果，h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率和光波长，c为真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb为传输速率； 并考虑光/电转换时的量子效率为。把这些关系代入式(4.16)， 得到理想光接收机灵敏度 Pr= 10 lg (4.17)表4.1。这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。由表 4.1 我们明显看到了灵敏度与光波长和传输速率的关系。 2bnhcf 4.2.5自动增益控制和动态范围自动增益控制和动态范围 主放大器的功能：1

24、，提供足够的增益2，实现实现自动增益控制(AGC)，使光接收机具有一定的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。 增益 A= (4.22)式中，g为APD倍增因子，为光检测器的响应度，P为“0”码和“1”码的平均光功率。 pgIm2 动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率Pmax和所需最小平均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。根据定义 DR=10lg (4.23) 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB。 )(minmaxdBpp4.3线路编码线路编码 码型变

25、换的原因：电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码，但是光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。 简单的二进制二电平码：数字光纤通信系统普遍采用，即“有光脉冲”表示“”码， “无光脉冲”表示“0”码。但是会产生一下问题： (1) 在码流中，出现“”码和“0”码的个数是随机变化的， 因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)， 给光接收机的判决带来困难。 (2) 在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。 (3) 不能实现在线(不中断业务)的误码检测， 不利于长途通信系统的维护。

26、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有： (1) 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰， 有利于提高光接收机的灵敏度。 (2) 能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀， 保证定时信息丰富。 (3) 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。 4.3.1扰码扰码 扰码定义：为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前， 需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变

27、换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。 扰码优点：改变了“”码与“0”码的分布， 从而改善了码流的一些特性。 例如： 扰码前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 扰码缺点： 不能完全控制长串连“”和长串连“0”序列的出现； 没有引入冗余， 不能进行在线误码监测； 信号频谱中接近于直流的分量较大， 不能解决基线漂移。 因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求， 所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。 4.3.2mBnB码码 mBnB码：把输入的

28、二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数， nm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。 1. mBnB码编码原理码编码原理 最简单的mBnB码是1B2B码，即曼彻斯特码，这就是把原码的“”变换为“01”， 把“1”变换为“10”。 在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特， 码速提高了1倍。 以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有(23)8个码字， 变换为4B码时， 共有(

29、24)16个码字，见表4.2。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。 设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“”；在3B码中有2个“1”， 变为4B码时补1个“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字， 称为禁字，例如0000和1111。 表 4.23B和4B的码字 “码字数字和”(WDS)：目的是描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。即如果整个码字“”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码， 则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。例如：对于0111，WDS=+2；对于0001， WDS=-2；对于0011，WDS=0