光纤通信刘增基课件第4章

1、 第第 4 4 章章 光端机光端机 4.1 4.1 光发射机光发射机 4.2 4.2 光接收机光接收机 4.3 4.3 线路编码线路编码返回主目录第第 4 4 章光端机章光端机4.14.1光发射机光发射机功能：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。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。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。 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

2、，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。 LEDLD图 4.1直接光强数字调制原理 4.1.14.1.1光发射机基本组成光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，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. 1. 光源光源 对通信用光源的要求： (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致（波长：0.85 m、 1.31 m和1.55 m）。光谱单色性要好。 (2) 电/

3、光转换效率要高，且线性良好。发射光束的方向性好，远场的辐射角小。 (3) 允许的调制速率高或响应速度快。 (4) 器件温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。 (5) 器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 2. 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、线路编码电路和偏置电路。 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

4、迟时间应足够短，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. 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。 4.1.24.1.2调制特性调制特性 半导体激光器在高速脉冲调制下，会出现许多复杂的瞬态半导体激光器在高速脉冲调制

5、下，会出现许多复杂的瞬态现象，如常见的现象，如常见的电光延迟电光延迟、 张弛振荡张弛振荡和和自脉动现象自脉动现象。这些现。这些现象严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要象严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。给予充分考虑。 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 1. 1. 电光延迟和张弛振荡现象电光延迟和张弛振荡现象输出光脉冲和注入电流脉冲之输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称间存在一个初始延迟时间，称为为电光延迟时间电光延迟时间t td d，其数量级，其数量级一般为一般为nsns。当电流脉冲注入激光器后，输当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲

6、会出现幅度逐渐衰减出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，的振荡， 称为张弛振荡称为张弛振荡，其，其振荡频率振荡频率f fr r(=(=r r/2)/2)一般为一般为0.52 GHz0.52 GHz。光脉冲电脉冲tdr 张弛振荡和电光延迟通信系统的影响（限制调制速率）：张弛振荡和电光延迟通信系统的影响（限制调制速率）： （1 1）当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，）当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。调制频率应低于张弛振荡频率。 （2 2）

7、电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间）电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间t td d与数字与数字调制的码元持续时间调制的码元持续时间T/2T/2为相同数量级时，会使为相同数量级时，会使“0”0”码过后的码过后的第一个第一个“1 1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失，码丢失， 这种现象称为这种现象称为“码型效应码型效应”。 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如图如图4.44.4，在两个接连出现的，在两个接连出现的“1”1”码中，第一个

8、脉冲到来码中，第一个脉冲到来前，有较长的连前，有较长的连“0”0”码，码， 由由于电光延迟时间长和光脉冲上于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。升时间的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，此电光延迟时间短， 脉冲较脉冲较大。大。“码型效应码型效应”的特点是，的特点是， 在脉冲序列中较长的连在脉冲序列中较长的连“0”0”码后出现的码后出现的“1”1”码，其脉冲码，其脉冲明显变小，而且连明显变小，而且连“0”0”码数码数目越多

9、，调制速率越高，这种目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的效应越明显。用适当的“过调过调制制”补偿方法，可以消除码型补偿方法，可以消除码型效应，见图效应，见图4.4(c)4.4(c)所示。所示。 张弛振荡频率张弛振荡频率r r及其幅度衰减时间及其幅度衰减时间o o和电光延迟时间和电光延迟时间t td d的表的表达式为：达式为： 21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjln式中，式中，o o是张弛振荡幅度衰减到初始值的是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e1/e的时间，的时间，j j和和j jthth分分别为注入电流密度和阈值电流密度。别为注入电流密度和阈值电流密度。s

10、psp和和phph分别为电子自发分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，spsp1010- -9 9s, s, phph1010-12-12s s，即，即spspphph。由式由式(4.1)(4.1)式式(4.3)(4.3)可以看到：可以看到： (1) (1) 张弛振荡频率张弛振荡频率r r随随spsp、phph的减小而增加，随的减小而增加，随j j的增加的增加而增加。这个振荡频率决定了而增加。这个振荡频率决定了LDLD的最高调制频率。的最高调制频率。 (2) (2) 张弛振荡幅度衰减时间张弛振荡幅度衰减时间o o与与spsp为

11、相同数量级，并随为相同数量级，并随j j的增加而减小。的增加而减小。 (3) (3) 电光延迟时间电光延迟时间t td d与与spsp为相同数量级，并随为相同数量级，并随j j的增加而减的增加而减小小(jj(jjthth) )。 由此可见，由此可见，增加注入电流增加注入电流j j，有利于提高张弛振荡频率，有利于提高张弛振荡频率r r，减小其幅度衰减时间减小其幅度衰减时间o o，以及减小电光延迟时间，以及减小电光延迟时间t td d，因此对，因此对LDLD施加偏置电流是非常必要的。施加偏置电流是非常必要的。 2. 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，当注入电流达到某些

12、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，由于激光器内部不均匀增益或不均匀吸收，在某个范围时，由于激光器内部不均匀增益或不均匀吸收，在P P - I- I曲线扭折区域，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这曲线扭折区域，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，如图种现象称为自脉动现象，如图4.54.5所示。自脉动频率可达所示。自脉动频率可达2GHz2GHz，严重影响严重影响LDLD的高速调制特性。的高速调制特性。 电 脉冲光 脉冲图4.5 激光器自脉冲动现象4.1.34.1.3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数字信号调制电路应

13、采用电流开关电路电流开关电路， 最常用的是差最常用的是差分电流开关电路。分电流开关电路。 数字信号数字信号U Uinin从三极管从三极管V V的基极输入，的基极输入，通过集电极的电流驱动通过集电极的电流驱动LEDLED。数字。数字信号信号“0”0”码和码和“1”1”码对应于码对应于V V的的截止和饱和状态，电流的大小根据截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。这对输出光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于种驱动电路适用于10 Mb/s10 Mb/s以下的以下的低速率系统，更高速率系统应采用低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。差分电流开关电路。UCR2LEDC1R

14、1UinV图图 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 图图4.74.7是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由源为由V V1 1和和V V2 2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在在V V2 2基极上施加直流参考电压基极上施加直流参考电压U UB B， 数字数字电信号电信号U Uinin从从V V1 1基极输入。基极输入。 当信号为当信号为“0”0”码时，码时，V V1 1基极电位比基极电位比U UB B高而抢先导通，高而抢先导通，V V2 2截止，截止， LDLD不

15、发光；反之，当信号为不发光；反之，当信号为“”码时，码时，V V1 1基极电位比基极电位比U UB B低，低， V2V2抢抢先导通，驱动先导通，驱动LDLD发光。发光。V V1 1和和V V2 2处于轮流处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率制速率。当三极管截止频率f fr r4.5 4.5 GHzGHz时，这种电路的调制速率可达时，这种电路的调制速率可达300 300 Mb/sMb/s。射极耦合电路为恒流源，电流噪。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。功耗较大。

16、 V2V1Ib电流源Io UEUinLD图 4.7 射极耦合LD驱动电路图 UB图图4.84.8是利用反馈电流是利用反馈电流使输出光功率稳定的使输出光功率稳定的LDLD驱动电路，其主体和图驱动电路，其主体和图4.74.7相同，只是由相同，只是由V V3 3支支路为路为LDLD提供的偏置电流提供的偏置电流I Ib b受到激光器背向输出受到激光器背向输出光平均功率和输入数字光平均功率和输入数字信号均值信号均值U Uinin的控制。的控制。 在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LDLD的偏置电流的偏置电流I Ib b不不受码流中受码流中“0”0”码和码和“

17、1”1”码比例变化的影响。码比例变化的影响。 inUPLDUPD(UPD+ +UR)UA1 IbPLDV2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin把把PDPD检测器的输出监测电压检测器的输出监测电压U UPDPD、信号参考电压、信号参考电压U Uinin和直流参考电压和直流参考电压U UR R施施加到运算放大器加到运算放大器A A1 1的反相输入端，经放大后，控制的反相输入端，经放大后，控制V V3 3基极电压和偏置基极电压和偏置电流电流I Ib b，其控制过程如下：，其控制过程如下：4.8 反馈稳定LD驱动电路 一个更加完善的自动功率控制

18、一个更加完善的自动功率控制(APC)(APC)电路如图电路如图4.94.9所示。从所示。从LDLD背向输出背向输出的光功率，经的光功率，经PDPD检测器检测、运算放大器检测器检测、运算放大器A A1 1放大后送到比较器放大后送到比较器A A3 3的反相输入的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A A2 2比较放大后，送到比较放大后，送到A A3 3的同的同相输入端。相输入端。A A3 3和和V V3 3组成直流恒流源调节组成直流恒流源调节LDLD的偏流，使输出光功率稳定。的偏流，使输出光功率稳定。 V2V1信号参考UinA1A2A3PD直

19、流参考 U UV3IbLD图 4.9 APC电路原理 4.1.44.1.4温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制1. 1. 激光器的温度特性激光器的温度特性 激光器的温度特性在激光器的温度特性在3.13.1节已经讨论过，温度对激光器输节已经讨论过，温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流出光功率的影响主要通过阈值电流I Ithth和外微分量子效率和外微分量子效率d d产产生。图生。图4.10(a)4.10(a)和和(b)(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高，阈值电流增加，外温度升

20、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微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。 (a)(b)20C20C70C25CPIPI 由于激光器结区温度的变化使得输出光脉冲的形状发生变由于激光器结区温度的变化使得输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为化，这种效应称为“结发热效应结发热效应”。温度对输出光脉冲的另一个影响是温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应结发热效应”。如图如图4.114.11所示：所示：（1 1）设）设t=0t=0时，时， 注入电流为注入电流为I I1 1，由于，由于电流的热效应，温度随时间电流的热效应，温度随时间t t而升高，而升高，激光器的阈值电流随激光器的

21、阈值电流随t t而增大，使输出而增大，使输出光脉冲的幅度随光脉冲的幅度随t t而减小。而减小。（2 2）当）当t=Tt=T时，注入电流从时，注入电流从I I1 1减小到减小到I I0 0，电流散发的热量减少，结区温度，电流散发的热量减少，结区温度随随t t而降低，阈值电流减小，使输出光而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。脉冲的幅度增大。电流脉冲光脉冲t0t TI1I0低调制速率的低调制速率的“结发热效应结发热效应”更加明显。将引起调制失真。更加明显。将引起调制失真。图 4.11 结发热效应 2. 2. 自动温度控制自动温度控制 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，温度控

22、制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成， 图图4.124.12示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的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。出特性保持恒定。 图图 4.12 温度控制方框图温度控制方框图 激光器致冷器热敏电阻控制电路热导 图图4.134.13示出自动温度控制示出自动温度控制(ATC)(ATC)电路原理图。由电路原理图。由R R1

23、 1、R R2 2、 R R3 3和热敏电阻和热敏电阻RTRT组成组成“换能换能”电桥，通过电桥把温度的变化转电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器换为电量的变化。运算放大器A A的差动输入端跨接在电桥的对的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管端，用以改变三极管V V的基极电流。的基极电流。 AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UVT(环境) T(LD、热沉)RTI(致冷器)T(LD) 4.13 ATC电路原理 4.2 4.2 光接收机光接收机4.2.14.2.1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

24、示于直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图图4.144.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、，主要包括光检测器、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时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)(AGC)电路。电路。 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 图图 4.14 数字光接收机方框图数字光接收机方框图 1. 1. 光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光光检测器是光接收机实现光/ /电转换的关键器件，其性电转换的关键器件，其性能特别是能特别是响应度和噪声响应度和噪声直接影响

25、光接收机的灵敏度。对光检直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：测器的要求如下： (1) (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m(0.85 m、 1.31 m1.31 m和和1.55 m)1.55 m)兼容；兼容； (2) (2) 响应度要高，响应度要高， 在一定的接收光功率下，在一定的接收光功率下， 能产生最大能产生最大的光电流；的光电流； (3) (3) 噪声要尽可能低，噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；能接收极微弱的光信号； (4) (4) 性能稳定，性能稳定， 可靠性高，可靠性高， 寿命长，寿命长， 功耗和体积小。功耗和体积小。 目前，

26、适合于光纤通信系统应用的光检测器有目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PINPIN光电光电二极管和雪崩光电二极管二极管和雪崩光电二极管(APD)(APD)。2. 2. 放大器放大器 前置放大器：前置放大器：要为低噪声放大器要为低噪声放大器。 主放大器：一般是多级放大器，它的作用是提供足够的主放大器：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增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)(AGC)，以使输入光信号在，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。一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和主放大器和AGCAGC决定着光接收机的动态范围。决定着光

27、接收机的动态范围。 3. 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡器：目的是对放大器出来的已产生畸变均衡器：目的是对放大器出来的已产生畸变( (失真失真) )的电信的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。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，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。

28、 4.2.24.2.2噪声特性噪声特性光接收机的噪声有两部分：光接收机的噪声有两部分：（1 1）外部电磁干扰噪声外部电磁干扰噪声。 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；滤波加以消除；（2 2）光接收机内部噪声光接收机内部噪声。这部分噪声是在信号检测和放大过。这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。造尽可能减小，一般不可能完全消除。主要讨论内部产生的随机噪声。主要讨论内部产生的随机噪声。 图图4.164.16示出光接收机的噪声等

29、效模型，其噪声来源分为两部分：示出光接收机的噪声等效模型，其噪声来源分为两部分：（1 1）由光检测器产生。包括光检测器的量子噪声电流）由光检测器产生。包括光检测器的量子噪声电流i i2 2q q和暗和暗电流噪声电流噪声i i2 2d d电流。电流。（2 2）由放大器产生。包括等效噪声电流源）由放大器产生。包括等效噪声电流源i i2 20 0和电压源和电压源u u2 20 0放大器Rin0SISECRSddSqqip放大器光电检测器0图图 4.16 光接收机的噪声等效模型光接收机的噪声等效模型 4. 4. 光电集成接收机光电集成接收机为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收为了适合

30、高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用机，即用“光电集成电路光电集成电路(OEIC)(OEIC)技术技术”在同一芯片上集成包括在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。光检测器在内的全部元件。工作在短波长的接收机比较容易集成，对于工作在工作在短波长的接收机比较容易集成，对于工作在1.31.6 m1.31.6 m长长波长的接收机系统集成，传输数率达不到实用的要求（波长的接收机系统集成，传输数率达不到实用的要求（5Gb/s5Gb/s）。）。光 检 测 器电 路 部 分GaAs基 片N-InP基 片P-接 触 片N-接 触 片 放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型。常用三放大

31、器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型。常用三种类型前置放大电路示于图种类型前置放大电路示于图4.174.17。三种类型前置放大器的比较：三种类型前置放大器的比较： (1) (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间电路时间常数常数RCRC小于信号脉冲宽度小于信号脉冲宽度T T，因而，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪声小，高频噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统特性较差，适用于低

32、速率传输系统。 (3) (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是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改善了带宽特性和动态范围，并，并具有良好的噪声特性。具有良好的噪声特性。 偏压(a)偏压(b)偏压(c)Rf(a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型 4.2.34.2.3误码率误码率误码误码：把发射的：把发射的“0”0”码误判为码误判为“1”1”码，或把码，或把“1”1”码误判为码误判为“0”0”码。码。误码率误码率：光接收机对码元误判的概率称为误码率：光接收机对码元误判的概率称为误码率( (在在二元制的情况下，等于误比特率，二元制的情况下，等于误比特率，BER)B

33、ER)， 用较长时间间隔内，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。示。 图 4.18 计算误码率的示意图 tIsImI1(t)I0(t)判决门限D0码元被误判的概率，可以用噪声电流码元被误判的概率，可以用噪声电流( (压压) )的概率密度函数来计算。如图的概率密度函数来计算。如图4.184.18所示，所示，I I1 1是是“1”1”码的电流，码的电流，I I0 0是是“0”0”码的电流。码的电流。 I Im m是是“”码的平码的平均电流，而均电流，而“0”0”码的平均电流为码的平均电流为0 0。D D为

34、判决门限值，一般取为判决门限值，一般取D=ID=Im m/2/2。在。在“”码时，如果在取样时刻带有噪码时，如果在取样时刻带有噪声的电流声的电流I I1 1DDD，则可能被误判，则可能被误判为为“”码。要确定误码率，不仅要码。要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布。声的概率分布。 光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般假设噪声电光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般假设噪声电流流( (或电压或电压) )的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为2exp21)(22xxf 式中式中x x是代表噪声这一

35、高斯随机变量的取值，是代表噪声这一高斯随机变量的取值， 其均值为其均值为零，方差为零，方差为2 2。 (4.8)2exp21)(02000NINIf 在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，声的概率分布后， 现在可以分别计算现在可以分别计算“0”码和码和“”码的误码的误码率了。码率了。 在发在发“0”码时码时， 平均噪声功率平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器为前置放大器的平均噪声功率。的平均噪声功率。 这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流略去暗电流)

36、。由式得到发。由式得到发“0”码的条件下噪声的概率码的条件下噪声的概率密度函数为密度函数为 根据误码率的定义，把根据误码率的定义，把“0”码误判为码误判为“1”码的概率，码的概率， 应应等于等于I0值超过值超过D值的概率，即值的概率，即00200012exp21,dININPDedxxxND2exp210/2式中x=I0/0N 在发在发“1”码时码时，平均噪声功率，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为器输出端光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为，判决门限值仍为D，则只要取样值，则只要取样值Im-

37、I1Im-D或或I1-ImD-Im，就可能把，就可能把“”码误判为码误判为“0”码。所以，把码。所以，把“1”码码误判为误判为“0”码的概率为：码的概率为： )(2)(exp21,1121101mIDmeIIdNIINPmdyyPNIDem2exp21,1/ )(201式中y=(I1-Im)/ 。 N式中 Q= 10NDINDmQ= 10NNIm Q Q称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”0”码进行取样判决时，判决门限值码进行取样判决时，判决门限值D D超过放大器平均噪声电流超过放大器平均噪声电流 的倍数。的倍数。 “0”“0”码和码和“1

38、”1”码的误码率一般是不相等的，但对于码的误码率一般是不相等的，但对于“0”0”码码和和“1”1”码等概率的码流而言，一般认为码等概率的码流而言，一般认为Pe,01Pe,01=P=Pe e, , 10 10时，可以使时，可以使误码率达到最小。因此，总误码率误码率达到最小。因此，总误码率(BER)(BER)可以表示为可以表示为dxxPQe2exp212N（4.12）1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q误码率 图4.19 误码率和Q的关系由此可见，只要知道由此可见，只要知道Q Q值，值，就可根据式就可根据式(4.12) (4

39、.12) 的积的积分求出误码率，结果示于分求出误码率，结果示于图图4.194.19。例如：。例如：Q=6, BER10Q=6, BER10-9-9Q7Q7， BER=10BER=10-12-12。 4.2.44.2.4灵敏度灵敏度灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度灵敏度P Pr r： 在保证通信质量在保证通信质量( (限定误码率或信噪比限定误码率或信噪比) )的条件下，的条件下， 光接收机所需的最小平均接收光功率光接收机所需的最小平均接收光功率P Pminmin，并以，并以dBmdBm为单为单位。由定义得到位。由定义得到 P Pr r=10lg (4

40、.14)=10lg (4.14) 灵敏度表示光接收机调整到灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。)(10)min(3dBmwP1. 1. 理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子可以检测出单个光子形成的电子 - - 空穴对所产生的光电流，空穴对所产生的光电流， 这种接收机称为这种接收机称为理想光接收机理想光接收机。其灵敏度只受到

41、光检测器的量其灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制。子噪声的限制。 首先考虑理想光接收机的误码率。当光检测器没有光输入首先考虑理想光接收机的误码率。当光检测器没有光输入时，时， 放大器就完全没有电流输出，因此放大器就完全没有电流输出，因此“0”0”码误判为码误判为“”码的概率为码的概率为0 0，即，即P Pe, 01e, 01=0=0。产生误码的惟一可能就是当一个光。产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。 这个概率，即这个概率，即“1”1”码误判为码误判为“0”0”码的概率码的概率P Pe,

42、 10e, 10=exp(-n)=exp(-n)，n n为一个码元的平均光子数。当为一个码元的平均光子数。当“0”0”码和码和“1”1”码等概率出现时，码等概率出现时，误码率为误码率为 Pe= (4.15) 21Pe, 01+ Pe, 10= exp(-n) 2121 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，那么光接收机所需最小平均接收功率为 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/f

43、b，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Pmin= bbdTnhfTE22(4.16)Pr= 10 lg (4.17)2bnhcf 对于数字光纤通信系统，一般要求误码率对于数字光纤通信系统，一般要求误码率P Pe e10-910-9，根，根据式据式(4.15)(4.15)得到得到n21n21。这表明至少要有。这表明至少要有2121个光子产生的光电个光子产生的光电流，流， 才能保证判决时误码率小于或等于才能保证判决时误码率小于或等于1010-9-9。设。设=0.7=0.7，并，并把相关的常数代入式把相关的常数代入式(4.17)(

44、4.17)，计算出的不同，计算出的不同和不同和不同f fb b的的P Pr r值值列于表列于表4.14.1。这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限。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。由表值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。由表 4.1 4.1 我们我们明显看到了灵敏度与光波长和传输速率的关系。明显看到了灵敏度与光波长和传输速率的关系。 2. 2. 实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度 影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂，影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂， 这里只作简要介绍。利用误码率的公式这里只作简要介绍

45、。利用误码率的公式(4.12)(4.12)、(4.13)(4.13)可以计可以计算最小平均接收光功率。为此，应建立超扰比算最小平均接收光功率。为此，应建立超扰比Q Q与入射光功率与入射光功率的关系。在发的关系。在发“0”0”码的情况下，入射信号的光功率码的情况下，入射信号的光功率P P0 0=0=0，输，输出光电流出光电流I I0 0=0=0。在发。在发“1”1”码的情况下，入射信号的光功率码的情况下，入射信号的光功率P P1 1和和光电流光电流I I1 1的关系为的关系为 I I1 1=gP=gP1 1=2g=2gP P 式中，式中，g g为为APDAPD倍增因子倍增因子( (对于对于PIN

46、PDPINPD，g=1)g=1)，为光检测器的为光检测器的响应度，响应度，P P=(P1+P0)/2=(P1+P0)/2为为“0”0”码和码和“”码的平均光功码的平均光功率。率。 在放大器输出端在放大器输出端“”码的平均电流码的平均电流I Im m=I=I1 1A A，A A为放大器为放大器增益，利用式增益，利用式(4.13)(4.13)和式和式(4.18)(4.18)得到得到 Q= (4.19)Q= (4.19)给定给定Q Q值，值， 便得到限定误码率的最小平均接收光功率便得到限定误码率的最小平均接收光功率102NNApgAgNNQP2)(10min式中，式中，N N0 0和和N N1 1分

47、别为传输分别为传输“0”0”码和码和“1”1”码时的平均噪声功率。码时的平均噪声功率。如前所述，在略去暗电流的情况下，如前所述，在略去暗电流的情况下， N N0 0=N=NA A , , N N1 1=N=NA A+N+ND D 式中，式中，N NA A是前置放大器的平均噪声功率，如式是前置放大器的平均噪声功率，如式(4.4)(4.4)式式(4.7)(4.7)所示；所示；N ND D是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率N ND D= =i i2q2qA2A2，i i2q2q为均方量子噪声电流，如式为均方量子噪声电流，如式(3.22)(3.22)和和式式(

48、3.26)(3.26)所示。所示。 对于对于PINPIN光电二极管，光电二极管，N ND Dmnm，一般选取一般选取n=m+1n=m+1。mBnBmBnB码有码有1B2B1B2B、3B4B3B4B、5B6B5B6B、 8B9B8B9B、 17B18B17B18B等等。等等。 1. mBnB1. mBnB码编码原理码编码原理 (1) 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”。 因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特， 码速提高了1倍。 (2)3B4B码，输入的原始码流3B码，共有(

49、23)8个码字， 变换为4B码时，共有(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 WDS(WDS(码字数字和码字数字和) )：在：在nBnB码的码字中，用码的码字中，用“-1”-1”代表代表“0”0”码，码， 用用“

50、+1”+1”代表代表“”码，整个码字的代数和即为码，整个码字的代数和即为WDSWDS。 作用：作用：用来引入描述码字的均匀性用来引入描述码字的均匀性。如果整个码字如果整个码字“”码的数目多于码的数目多于“0”0”码，则码，则WDSWDS为正；如为正；如果果“0”0”码的数目多于码的数目多于“1”1”码，码， 则则WDSWDS为负；如果为负；如果“0”0”码和码和“1”1”码的数目相等，则码的数目相等，则WDSWDS为为0 0。例如：对于。例如：对于01110111，WDS=+2WDS=+2；对于对于00010001，WDS=-2WDS=-2；对于；对于00110011，WDS=0WDS=0。

51、nBnB码的选择原则是：尽可能选择码的选择原则是：尽可能选择|WDS|WDS|最小的码字，最小的码字， 禁禁止使用止使用|WDS|WDS|最大的码字。以最大的码字。以3B4B3B4B为例，应选择为例，应选择WDS=0WDS=0和和WDS=WDS=2 2的码字，的码字， 禁止使用禁止使用WDS=WDS=4 4的码字。表的码字。表4.3 4.3 示出根据示出根据这个规则编制的一种这个规则编制的一种3B4B3B4B码表，表中正组和负组交替使用。码表，表中正组和负组交替使用。 表表 4.3 一种一种3B4B码表码表 我国我国3 3次群和次群和4 4次群光纤通信系统最常用的线路码型是次群光纤通信系统最常

52、用的线路码型是5B6B5B6B码，码，5B5B码共有码共有(2(25 5)32)32个码字，变换个码字，变换6B6B码时共有码时共有(2(26 6)64)64个码个码字。其编码规则如下：字。其编码规则如下： （1 1）选用其中）选用其中5050个个|WDS|WDS|最小的码字。即最小的码字。即2020个个WDS=0WDS=0，1515个个WDS=+2WDS=+2和和1515个个WDS=-2WDS=-2。（2 2）为减少连）为减少连“”和连和连“0”0”的数目，的数目， 删去：删去： 000011000011、 110000110000、 001111001111和和111100111100。表

53、表4.44.4示出根据这个规则编制的一种示出根据这个规则编制的一种5B6B5B6B码表，正组和负组交码表，正组和负组交替使用。替使用。 表中正组选用表中正组选用2020个个WDS=0WDS=0和和1212个个WDS=+2WDS=+2，负组选用，负组选用2020个个WDS=0WDS=0和和1212个个WDS=-2WDS=-2。 mBnB mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。定某种码表。mBnBmBnB码的特点是：码的特点是： (1) (1) 码流中码流中“0”0”和和“1”1”码的概率相等，码的概率相等， 连连“0”0”

54、和连和连“1”1”的数目较少，定时信息丰富。的数目较少，定时信息丰富。 (2) (2) 高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小。高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小。 (3) (3) 在码流中引入一定的冗余码，在码流中引入一定的冗余码， 便于在线误码检测。便于在线误码检测。 mBnBmBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。因此，在要求码的缺点是传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。种码型。 2. 2. 编译码器编译码器 有两种编译码电路：有两种编译码电路：（1 1）组合逻辑

55、电路。就是把整个编译码器都集成在一小块芯）组合逻辑电路。就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方法；法；（2 2）把设计好的码表全部存储到一块只读存储器）把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PROM)(PROM)内而内而构成，国内设备一般采用这种方法。构成，国内设备一般采用这种方法。 图 4.22 码表存储编码器原理 并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并组别变换ABC变前时钟已变换的输出4B码流变换时钟待变换输入信号码流以以3B4B3B4B码为例，首先把设计好码为例，首先把设计好的

56、码表存入的码表存入PROMPROM内，待变换的内，待变换的信号码流通过串信号码流通过串 - - 并变换电并变换电路变为路变为3 3比特一组的码比特一组的码b b1 1、b b2 2、b b3 3，并行输出作为，并行输出作为PROMPROM的地址的地址码，在地址码作用下，码，在地址码作用下，PROMPROM根根据存储的码表，据存储的码表， 输出与地址输出与地址对应的并行对应的并行4B4B码，再经过并码，再经过并 - - 串变换电路，读出已变换的串变换电路，读出已变换的4B4B码流。码流。 图中图中A A、B B、C C三条线为组别控制控制线，当三条线为组别控制控制线，当WDS=WDS=2 2时，

57、时， 从从A A、B B分别送出控制信号，分别送出控制信号， 通过通过C C线决定组别。线决定组别。 译码器与编码器基本相同，只是除去组别控制部分。译码器与编码器基本相同，只是除去组别控制部分。 译译码时，把送来的已变换的码时，把送来的已变换的4B4B信号码流，每信号码流，每4 4比特并联为一组，比特并联为一组， 作为作为PROMPROM的地址，然后读出的地址，然后读出3B3B码，再经过并码，再经过并 - - 串变换还原为串变换还原为原来的信号码流。原来的信号码流。 其他的其他的mBnBmBnB码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度有所区别而已。有所区别而

58、已。 4.3.34.3.3插入码插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB) 一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。 1. 1. 插入码的编码原理插入码的编码原理 mB1C码：把原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码（反码），这个补码称为C码，所以称为mB1C码。补码插在mB码的末尾，连“0”码和连“1”码的数目最少。 mB1C mB1C码的结构如图，例如：码的结构如图，例如： mBmB码为：码为：100 110 001 101100 110 001 101mB1CmB1C码为：码为：1001 1101 0010 10101001 1101 0010 1010C C码的作用是引入冗余码，可以进行在线误码率监测；码的作用是引入冗余码，可以进行在线误码率监测； 同时同时改善了改善了“0”0”码和码和“1”1”码的分布，有利于定时提取。码的分布，有利于定时提取。 mB1