第四章：线路编码

1、单 极 性 信 号正 值010110110光 信 号正 值01011负 值0110电 信 号双 极 性 信 号单极性与双极性信号单极性与双极性信号简单的二电平码会带来如下问题：简单的二电平码会带来如下问题： 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。 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。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随机波动(基线漂移基线漂移)， 给光接收机的判决带来困难。接收机的单个输入脉冲接收机的单个输出脉冲进入接收机的“1”比特序列

2、接收机输出的“1”比特序列判决阈值基线漂移图8.8 传输长连NRZ “1”码时引起的接收机基线漂移效应 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：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

3、系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。 扰码改变了“”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 但是， 扰码仍具有下列缺点： 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。 1B2B是最简单的mBnB码，常用的有三种编码类型：1、CMI码：“1” ：

4、11、00交替使用 “0” ：用01代替例子2、曼彻斯特码：“1” ：10代替 “0” ：01代替最大的连最大的连“”和连和连“”的数目不会超过两个，的数目不会超过两个，但是在相同时隙内，传输但是在相同时隙内，传输1比特变为传输比特变为传输2比特，比特， 码速提高了码速提高了1倍。倍。 3、DMI码：“1” ：11、00代替 “0” ：01、10代替 mBnB mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有组，每组有m m个二进制码，记为个二进制码，记为mBmB，称为一个码字，称为一个码字，然后把一个码字变换为然后把一个码字变换为n n个二进制码，记为个二进

5、制码，记为nBnB，并，并在同一个时隙内输出。这种码型是把在同一个时隙内输出。这种码型是把mBmB变换为变换为nBnB，所以称为所以称为mBnBmBnB码，其中码，其中m m和和n n都是正整数，都是正整数， nmnm，一，一般选取般选取n=m+1n=m+1。mBnBmBnB码有码有1B2B1B2B、3B4B3B4B、5B6B5B6B、 8B9B8B9B、 17B18B17B18B等等。等等。 mBnBmBnB码是一种提高信号传输速率的编码方法码是一种提高信号传输速率的编码方法 （WDSWDS） ： nBnB码组的单个码码组的单个码字中将字中将0 0 作为作为-1-1，1 1作为作为+1+1计

6、算出的代数和，计算出的代数和，即为即为 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；如果为正；如果“0”0”码的数目多于码的数目多于“1”1”码，码， 则则WDSWDS为负；为负；如果如果“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：。例如：对于对于01110111，WDS=+2WDS=+2；对于；对于00010001， WDS=-2WDS=-2；对于；对于00110011，WDS=0WDS=0。 1 1、 mBnBmBnB码分类码分类按按WDSWDS分类：分类：A A：叫做均等：叫做均等mBnBmBn

7、B码（码（ n=m+2n=m+2）码）码组内组内0 0、1 1的个数相等。（误码校验方便）的个数相等。（误码校验方便） 例如：例如：6B8B6B8BB B：m m比特码只占用比特码只占用n n比特码中不均等比特码中不均等为为-1-1的码字。（的码字。（0 0多，节省光功率）。多，节省光功率）。 例如：例如：5B7B5B7BC C：需要用两种模式。：需要用两种模式。 2B3B 5B6B2B3B 5B6B mBnBmBnB编码原则：编码原则： 1 1、尽可能选择、尽可能选择 d d 绝对值小的码字绝对值小的码字 2 2、禁止用、禁止用d d 绝对值最大的码字绝对值最大的码字 3 3、选择连、选择连

8、0 0、1 1少的码字（正负模式交替使用）少的码字（正负模式交替使用）码速提高率码速提高率 H= n-m/n H= n-m/n * *100%100%数字3B4B方式1负模式方式2正模式012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101 3 3、5B6B5B6B码码5B5B码有码有3232个码字个码字6B6B码共有码共有6464个码字，其中个码字，其中d=0d=0有有2020个，个，d=d=2 2有有3030个，个，共有共有2020个个|d|d|最小的码

9、字可最小的码字可选。由于变换为选。由于变换为6B6B码时需码时需3232个码字，要在选出个码字，要在选出1212对正负对正负模式，正组和负组交替使用。模式，正组和负组交替使用。 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。 4、mBnB码是一种分组码，可以根据传输特性的要求确码是一种分组码，可以根据传输特性的要求确定某种码表。定某种码表。mBnB码的特点是：码的特点是： (1) 码流中码流中“0”和和“1”码的概率相等，码的概率相等， 连连“0”和连

10、和连“1”的数目较少，定时信息丰富。的数目较少，定时信息丰富。 (2) 信号频谱特性较好，基线漂移小。信号频谱特性较好，基线漂移小。 (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。 mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。因此，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，不宜用这种码型。中，不宜用这种码型。 1 1、构造：输入的信息序列以、构造：输入的信息序列以m m比特为一组，每组比特为一组，每组后面插入一比特冗余比特，码速变为后面插入一比特冗余比特，

11、码速变为m/m+1 m/m+1 2 2、根据用途不同，分为三种、根据用途不同，分为三种： (1) mB1Ci mB码为： 100 110 001 101 mB1C1码为： 1001 1101 0010 1010mBCmBCmBCCC 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； 同同时改善了时改善了“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。(2) mB1PP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： mB码为： 100 000 001 110 mB1P码为： 1000 000

12、1 0010 1101 当检测得m+1个码内“”码为奇数时，则认为无误码。P P码为偶校验码时，其插入规律是使码为偶校验码时，其插入规律是使m+1m+1个码内个码内“”码的个数为偶数，例如：码的个数为偶数，例如： mBmB码为：码为： 100 000 001 110100 000 001 110 mB1PmB1P码为：码为： 1001 0000 0011 11001001 0000 0011 1100 当检测得当检测得m+1m+1个码内个码内“”码为偶数时，码为偶数时， 则认为无误码。则认为无误码。 （3）mB1H插入的插入的H码可以根据不同用途分为三类：码可以根据不同用途分为三类： 一：一：

13、C码，它是第码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；位码的补码，用于在线误码率监测； 二：二：L码，用于区间通信；码，用于区间通信； 三：三：G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。 mBmBCmBC 以以4B1H4B1H码为例，它的优点是码速提高不大，码为例，它的优点是码速提高不大，误码增值小；误码增值小； 可以实现在线误码检测、区间通可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。缺点是码流的频谱特性不如信和辅助信息传输。缺点是码流的频谱特性不如mBnBmBnB码。但在扰码后再进行码。但在扰码后再进行4B1H4B1H变换，变换， 可以

14、满可以满足通信系统的要求。足通信系统的要求。光纤光发射器音频到数字电信号转换器数字电信号到音频转换器光检测器 光纤通信系统中传输的是光信号，所以要将电信号转光纤通信系统中传输的是光信号，所以要将电信号转化为光信号，即需要光源。化为光信号，即需要光源。LD:用于长距离，高速率的系统用于长距离，高速率的系统LED：短距离，低容量的系统或是模拟系统：短距离，低容量的系统或是模拟系统对光源有一些要求对光源有一些要求（第四章（第四章）(1) 发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致，即中心一致，即中心波长应在波长应在0.85 m、 1.31 m和和1.55 m附近。光谱单色性

15、附近。光谱单色性要好，要好， 即谱线宽度要窄，即谱线宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。以减小光纤色散对带宽的限制。(2) 电电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，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。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，允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的以满足系统的大传输容量的要求大传输容量的要求。(4

16、) 器件应能在常温下以连续波方式工作，器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定要求温度稳定性好，性好， 可靠性高，寿命长。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，价此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。格便宜。 LD LED各自特点： LD LED1.输出功率较大（几到几十输出功率较大（几到几十mW） 输出功率较小（输出功率较小（1-2mW）2.带宽大，调制速率高带宽大，调制速率高 -小小-低低3.相干光相干光 非相干光非相干光4.与光纤耦合度高与光纤耦合度高 耦合度低耦合度低5.光谱窄光谱窄 图图 光谱较宽光谱较宽6.制造工艺难度大制造

17、工艺难度大 成本高成本高 难度小难度小 7.P-I曲线线性好曲线线性好 图图 I小时，小时， P-I曲线线性好曲线线性好 图图 I大时，功率趋于饱和大时，功率趋于饱和8.需要需要APC、ATC控制，有控制，有Ith 温度特性好，无需温度控制温度特性好，无需温度控制9.有模式噪声有模式噪声 无模式噪声无模式噪声10.工作寿命短，可靠性一般工作寿命短，可靠性一般 工作寿命长，可靠性高工作寿命长，可靠性高波长、通信容量、模式、及通信距离之间的关系波长、通信容量、模式、及通信距离之间的关系 短波长短波长 0.85 m 短距离，小容量短距离，小容量 多模光纤多模光纤长波长长波长 1.31 m 单模光纤单

18、模光纤中距离，中容量中距离，中容量长波长长波长 1.55 m 超长距离，超大容量超长距离，超大容量 单模光纤（零色散光纤）单模光纤（零色散光纤）长距离，大容量长距离，大容量输入电路输入电路驱动电路驱动电路光调制器光调制器光源光源保护报警保护报警偏置电路偏置电路APCATC电信号电信号光信号光信号光波的调制：在光纤通信系统中，把随信息变化的电信光波的调制：在光纤通信系统中，把随信息变化的电信 号加到光载波上，是光载波按信息的变化而变化。号加到光载波上，是光载波按信息的变化而变化。电信号的调制：调幅、调频、调相电信号的调制：调幅、调频、调相光信号的调制：调幅、调频、调相光信号的调制：调幅、调频、调

19、相等多种调制方式等多种调制方式但是在光频段多采用强度调制方式。但是在光频段多采用强度调制方式。强度调制分为：强度调制分为：a、直接调制、直接调制:电信号直接调制光源的偏置电流电信号直接调制光源的偏置电流b、间接调制、间接调制:基于电光、声光、磁光。效应，光信号基于电光、声光、磁光。效应，光信号通过调制器实现对光载波的调制通过调制器实现对光载波的调制输入电路输入电路驱动电路驱动电路光源光源保护报警保护报警偏置电路偏置电路APCATC电信号电信号光信号光信号直接调直接调制制输入电路输入电路驱动电路驱动电路光调制器光调制器光源光源保护报警保护报警偏置电路偏置电路APCATC电信号电信号光信号光信号间

20、接调间接调制制输入电路输入电路驱动电路驱动电路光源光源偏置电路偏置电路电信号电信号光信号光信号用用LEDLED作光源采用直接强度调制的方式：即通过改变作光源采用直接强度调制的方式：即通过改变LEDLED的注入电流调制输出光功率的注入电流调制输出光功率a.a.数字调制：主要指数字调制：主要指PCMPCM脉码调制，先将连续的模拟信号进行脉码调制，先将连续的模拟信号进行 抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码， 对光信号进行通断控制（直接和间接调制）对光信号进行通断控制（直接和间接调制） 模拟基带信号直接调制光源模拟基带信号直接调制光源用连续或脉冲的射

21、频波作副载波，模拟用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号调制副载波基带信号调制副载波b.b.模拟调制：模拟调制：LED输出光功率PIDIDIIB二极管电流1、LED的模拟直接调制原理的模拟直接调制原理 连续的模拟信号叠加连续的模拟信号叠加在直流偏置电流上适当在直流偏置电流上适当选择电流偏置的大小，选择电流偏置的大小，是静态工作点位于是静态工作点位于LED特性曲线的中点特性曲线的中点,减小光减小光信号的非线性失真。信号的非线性失真。调制深度调制深度m=Im/IBIm:调制电流幅值调制电流幅值IB:偏置电流幅值偏置电流幅值LED的模拟驱动与偏置电路的模拟驱动与偏置电路共发射极驱动电路共发射极驱

22、动电路 C 滤除直流滤除直流, U通过通过R1、R2：为三极管提：为三极管提供偏置电压供偏置电压 晶体管工作在甲类状态，调晶体管工作在甲类状态，调整基极偏置，使晶体管工作在线整基极偏置，使晶体管工作在线性区，并使静态集电极电流性区，并使静态集电极电流 IB =Im/ mR和锗二极管：与和锗二极管：与LED并联起到分并联起到分流作用，扩大驱动电流范围，提流作用，扩大驱动电流范围，提高高LED的线性的线性UCRLEDUinVR1R22、LED的数字直接调制原理的数字直接调制原理信号电流为单向二进信号电流为单向二进制数字信号，用单向制数字信号，用单向脉冲电流的脉冲电流的0、1控制控制LED的发光与否

23、的发光与否输入电路输入电路驱动电路驱动电路光源光源调制后的光信号调制后的光信号I调制信号调制信号PLED的数字驱动与偏置电路的数字驱动与偏置电路UCR2LEDC1R1UinVR3共发射极驱动电路共发射极驱动电路 码速不高时，不需要偏置电路码速不高时，不需要偏置电路码速高时，需要偏置电路码速高时，需要偏置电路几种典型的驱动电路：几种典型的驱动电路：a.共射级驱动电路共射级驱动电路b.低阻抗电路低阻抗电路c.发射级耦合开关式驱发射级耦合开关式驱动电路动电路1、LD的直接调制原理的直接调制原理模拟调制模拟调制数字调制数字调制Ith输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在

24、一个初始延迟时间，称为电光延迟时间始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为，其数量级一般为ns。电光延迟要产生码型效应电光延迟要产生码型效应 td与数字调制的码元持续时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量为相同数量级时，会使级时，会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失，码丢失， 这种现象称这种现象称为为“码型效应码型效应”。 当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲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，会出现幅度逐渐衰减的振荡， 称为张弛振荡，其振称为张弛振荡，其

25、振荡频率荡频率fr(=r/2)一般为一般为0.52 GHz。（1）加大直流偏置电流，使其逼近）加大直流偏置电流，使其逼近IthLD几个纳米c/2 nL :100200 GHzfIBLDfLD无无/有偏置时的脉冲瞬态波形和光谱有偏置时的脉冲瞬态波形和光谱“码型效应码型效应”的特点是，的特点是， 在脉在脉冲序列中较长的连冲序列中较长的连“0”码后码后出现的出现的“1”码，其脉冲明显码，其脉冲明显变小，而且连变小，而且连“0”码数目越码数目越多，调制速率越高，这种效多，调制速率越高，这种效应越明显。应越明显。增加注入电流增加注入电流i i，有利于提高张弛振荡频率，有利于提高张弛振荡频率rr，减小其幅

26、度衰减时间减小其幅度衰减时间oo，以及减小电光延迟，以及减小电光延迟时间时间tdtd，因此对，因此对LDLD施加偏置电流是非常必要施加偏置电流是非常必要的。的。（a) a) 、(b)(b)码型效应波形；（码型效应波形；（c c）改善后波形）改善后波形电光延迟还会产生码型效应。 当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响，这种影响现象称为“码型效应码型效应”，如下图 (a)、(b)所示。考虑在两个接连出现的考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时，码脉冲调制时，第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式衰第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数

27、形式衰减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，此时有源区电子密度较高，电子并没有完全复合消失，此时有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就会增因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就会增大大。消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电增加直流偏置电流流。当激光器偏置在阈值附近时，脉冲持续时间和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应就可得到抑制。 还可以采用在每一个正脉冲后跟一个

28、负脉冲的双双脉冲信号脉冲信号进行调制的方法，张弛振荡频率张弛振荡频率r及其幅度衰减时间及其幅度衰减时间o和电光延迟时间和电光延迟时间td的表达式为的表达式为： 21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjlno幅度衰减到初始值的幅度衰减到初始值的1/e的时间的时间j和和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。分别为注入电流密度和阈值电流密度。sp和和ph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型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，的激光器中，sp10-9s,ph10-12s，即，即spph。由式(4.1)式(4.3)可以看到： (1) 张弛振荡频

29、率r随j的增加而增加增加而增加。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间o随j的增加而减小增加而减小。 (3) 电光延迟时间td随j的增加而减小增加而减小(jjth)。 由此可见由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率r，减小其幅度衰减时间o，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的ld-02。 （2）加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。消光比：激光器在全消光比：激光器在全“1”码时发送的光功率码时发送的光功率P1与全与全“0”码时发送的光功率码时发送的光功率P0之比之比(光脉冲通断比光脉冲通断比)01lg10ppEXT （3 3）

30、驱动脉冲电流的峰）驱动脉冲电流的峰- -峰值峰值I Im m取值范围：取值范围：I Im m+I+IB B=(1.2 =(1.2 1.3)I 1.3)Ithth以避免结发热效应和码型效应以避免结发热效应和码型效应阈值和输出光功率随结温的变化。阈值和输出光功率随结温的变化。稳态：输出特性曲线随温度变化（长时间的）瞬态：在一个脉冲持续时间内的变化稳态P和和IthT瞬态结发热效应及调制失真电 流 脉 冲光 脉 冲t 0t TI1I0（4）异质结激光器的散粒噪声在异质处出现最大值APC有很多种方法：有很多种方法：一、自动跟踪偏置电流，使一、自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态偏置在最佳状态二、峰值功率和平均功率的自动控制二、峰值功率和平均功率的自动控制三、三、P-I曲线效率控制法曲线效率控制法直接检测光功率控制偏置电流直接检测光功率控制偏置电流:利用激光器组件中的利用激光器组件中的PIN，检测激光器背向输出的光功率大小。检测激光器背向输出的光功率大小。V2V1信号参考UinA1A2A3PD直流参考 U UV3IbLD 从从LD背向输出的光功率，经背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考