光纤通信课件刘增基第二版第4章

1、第第4 4章章 光端机光端机 第第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 第第4 4章章 光端机光端机 数字光发射机的数字光发射机的功能是把功能是把电端机输出的数字基带电端机输出的数字基带电信号转电信号转换为光信号换为光信号，并用耦合技术，并用耦合技术有效注入光纤线路有效注入光纤线路，电，电/ /光转换是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。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。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、受调制的光源特性参

2、数有功率、 幅度、频率和相位。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光强( (功率功率) )调制。调制。 4.14.1光发射机光发射机第第4 4章章 光端机光端机 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 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ttPPIIIth第第4 4章章 光端机光端机 由图可见由图可见: :1)1)对对LDLD施加了偏置电流施加了偏置电流IbIb。当激光器的驱动电流大于阈值电流。当激光器的驱动电流大于阈值

3、电流IthIth时，输出光功率时，输出光功率P P和驱动电流和驱动电流I I基本上是线性关系，输出光基本上是线性关系，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。功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。2)LED无需偏置电流，信号电流直接调制，输出光功率无需偏置电流，信号电流直接调制，输出光功率P P与与I I是是线性关系，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。映输入电信号。第第4 4章章 光端机光端机 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数字光发射机的

4、方框图如图4.24.2所示，主要有光源和电路所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电两部分。光源是实现电/ /光转换的关键器件，在很大程度上决光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。定着光发射机的性能。电路的设计电路的设计应以光源为依据，应以光源为依据，使输出使输出光信号准确反映输入电信号。光信号准确反映输入电信号。 第第4 4章章 光端机光端机 1. 1. 对光源要求：对光源要求： (1) (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 m0.85 m、 1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55

5、m附近。光谱单色性附近。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) (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。发射光束的方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。间的耦合效率。 第第4 4章章 光端机光端机 (3) (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

6、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) (4) 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) (5) 要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。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，以上各项中，调制速率调制速率、谱线宽度谱线宽度、输出光功率输出光功率和和光束方向光束方向性性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是是光源光源最重要的技术指标最重要的技术指标。 第第4 4章章

7、光端机光端机 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：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调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，采用激光器作光源时，还有偏置电路。还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下：对调制电路和控制电路的要求如下：(1) (1) 输出光脉冲的输出光脉冲的通断比通断比( (全全“1”1”码平均光功率和全码平均光功率和全“0”0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数码平均光功率的比值，或消光比的倒数) )应应大于大于1010，以保证以保证足够的光接收信噪比。足够的光接收信噪

8、比。 第第4 4章章 光端机光端机 (2) (2) 输入电脉冲的宽度应远大于开通延迟输入电脉冲的宽度应远大于开通延迟( (电光延迟电光延迟) )时间，时间， 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。波形。 (3) (3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速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。率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。 (4) (4) 应采用自动功率控制应采用自动功率控制(APC)(APC)和自动温度控制和自动温度控制(ATC)(A

9、TC)， 以以保证输出光功率有足够的稳定性。保证输出光功率有足够的稳定性。 第第4 4章章 光端机光端机 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为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.34.3节节所述。所述。 3. 3. 线路编码电路线路编码电路第第4 4章章 光端机光端机 4.1.24.1.2调制特性调制特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲半导体激光

10、器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、电光延迟、 张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动现象。这种特性严重限制现象。这种特性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。充分考虑。 第第4 4章章 光端机光端机 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半导体激光器在高速脉冲半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图响应波形如图4.34.3所示。所示

11、。输出光脉冲和注入电流脉输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间时间，称为电光延迟时间tdtd，其数量级一般为，其数量级一般为nsns。td当电流脉冲注入激光器后，当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，渐衰减的振荡， 称为张弛振荡，称为张弛振荡，其振荡频率其振荡频率frfr(=r/2)(=r/2)一般为一般为0.50.52 GHz2 GHz。r第第4 4章章 光端机光端机 这些特性与激光器有这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关

12、。内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。 张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使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。最高调制频率应低于张弛振荡频率。第第4 4章章 光端机光端机 图图4.4 4.4 码型效应码型效应（a) a) 、(b)(b)码效应波形（码效应波形（c c）改善后波形）改善后波形电 脉 冲光 脉 冲2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)1 2当

13、电光延迟时间当电光延迟时间tdtd与数字调制的码与数字调制的码元持续时间元持续时间T/2T/2为相同数量级时，会为相同数量级时，会使使“0”0”码过后的第一个码过后的第一个“1 1码的脉码的脉冲冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个使单个“”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”。电光延迟要产生码型效应。电光延迟要产生码型效应。第第4 4章章 光端机光端机 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，第一个脉冲到来前，码中，第一个脉冲到来前，有较长的连有较长的连“0”0”码，码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时

14、间由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。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的影响，因此脉冲变小。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失，有的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，迟时间短， 脉冲较大。脉冲较大。 “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”码后出码后出现的现的“1”1”码，其脉冲明显变小，而且连码，其脉冲明显变小，而且连“0”0”码数目越多，调码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制过调制”补偿

15、方法，补偿方法， 可以消除码型效应，见图可以消除码型效应，见图4.4(c)4.4(c)所示。所示。第第4 4章章 光端机光端机 为了进一步了解激光器的调制特性，应求出为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LDLD速率方程组的瞬速率方程组的瞬态解。由此得到的张弛态解。由此得到的张弛振荡频率振荡频率rr及其幅度衰减时间及其幅度衰减时间oo和电和电光延迟时间光延迟时间tdtd的表达式为：的表达式为： 21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjln o o: :张弛振荡幅度衰减到初始值的张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e1/e的时间的时间j j：注入电流密度：注入电流密度j jtht

16、h：阈值电流密度：阈值电流密度 sp sp: :电子自发复合寿命电子自发复合寿命 ph: ph:谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命第第4 4章章 光端机光端机 在典型的激光器中，在典型的激光器中，spsp1010-9-9s,s,phph1010-12-12s s，由上式可以看到：由上式可以看到： (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的增加而的增加而 减小减小(jj(jjthth) )。(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

17、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为相同数量级，并随为相同数量级，并随j j 的的增加而减小。增加而减小。 第第4 4章章 光端机光端机 增加注入电流增加注入电流j j：（1 1）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（2 2）减小电光延迟时间减小电光延迟时间tdtd所以，对所以，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，当注入电流达到某个

18、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，范围时，输出光脉冲出现持续输出光脉冲出现持续等幅等幅的的高频振荡高频振荡，这种现象称为，这种现象称为自脉动自脉动现象，如图现象，如图4.54.5所示。所示。 自脉动频率可达自脉动频率可达2GHz2GHz，严重影响，严重影响LDLD的高速调制特性。的高速调制特性。 第第4 4章章 光端机光端机 电脉冲光脉冲图4.5 激光器自脉冲动现象 自脉动现象是激光器内部自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收不均匀增益或不均匀吸收产生的产生的 往往和往往和LDLD的的P - IP - I曲线曲线的非线性有关，自脉动发的非线性有关，自脉动发生的

19、区域和生的区域和P - IP - I曲线扭折曲线扭折区域相对应。因此在选择区域相对应。因此在选择激光器时应特别注意。激光器时应特别注意。 第第4 4章章 光端机光端机 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电流开关电路，数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的是差分电最常用的是差分电流开关电路。流开关电路。 图图4.64.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管动电路主要用于以发光二极管LEDLED作为光源的光发射机。作为光源的光发射机。第第4 4章章 光端

20、机光端机 图图 4.6 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 UCR2LEDC1R1UinV数字信号数字信号UinUin从三极管从三极管V V的基极的基极输入，通过集电极的电流驱动输入，通过集电极的电流驱动LEDLED。数字信号。数字信号“0”0”码和码和“1”1”码对应于码对应于V V的截止和饱和状态，的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。幅度的要求确定。这种驱动电路适用于这种驱动电路适用于10 Mb/s10 Mb/s以下的以下的低速率系统。低速率系统。更高速率系统应采用差分电流开关电路。更高速率系统应采用差分电流开关电路。 第第4 4章章

21、 光端机光端机 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。是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。图图 4.7 4.7 射极耦射极耦合合LD LD 驱动电路图驱动电路图 电流源为由电流源为由V V1 1和和V V2 2组成的差分开关组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。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， V2V2集电极的电压取决于集电极的电压取决于LDLD的正向电压，的正向电压，U UB B数字电信号数字电信号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

22、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不发光不发光当信号为当信号为“”码时，码时，V V1 1基极电位比基极电位比U UB B低，低， V2V2抢先导通，驱动抢先导通，驱动LDLD发光发光V2V1Ib电流源Io UEUinLDUc第第4 4章章 光端机光端机 V V1 1和和V V2 2处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率当三极管截止频率f fr r4.5 GHz4.5 GHz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 Mb/s3

23、00 Mb/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，这种电路声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。的缺点是动态范围小，功耗较大。 第第4 4章章 光端机光端机 由于温度变化和工作时间加长，由于温度变化和工作时间加长，LDLD的输出光功率会发生的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。图必须改进电路设计。图4.84.8是利用反馈电流使输出光功率稳定的是利用反馈电流使输出光功率稳定的LDLD驱动电路，其主体驱动电路，其主体和图和图4.74.7相同，只是相同，只是由由V V3 3支路为支路为LDLD提供的偏置电

24、流提供的偏置电流IbIb受到激光受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值器背向输出光平均功率和输入数字信号均值UinUin的控制的控制。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UinUin和直流参考电压和直流参考电压U UR R施加到运算放大器施加到运算放大器A A1 1的反相输入端，经的反相输入端，经放大后，控制放大后，控制V V3 3基极基极电压和偏置电流电压和偏置电流IbIb，其控制过程如下：，其控制过程如下： PLDUPD(UPD+ +UR)UA1IbPLD inU 在反馈电路中引入信号参考电压的目在反馈电路中引入信号参考电

25、压的目的，是使的，是使LDLD的偏置电的偏置电流流IbIb不受码流中不受码流中“0”0”码和码和“1”1”码比例变化的影响。码比例变化的影响。 第第4 4章章 光端机光端机 4.8 4.8 反馈稳定反馈稳定LDLD驱动电路驱动电路V2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin由由V V3 3支路为支路为LDLD提供的偏置提供的偏置电流电流IbIb受到激光器背向输受到激光器背向输出光平均功率和输入数字出光平均功率和输入数字信号均值信号均值UinUin的控制。的控制。第第4 4章章 光端机光端机 图 4.9 APC电路原理 V2V1信号参考Uin

26、A1A2A3PD直流参考 U UV3IbLD从从LDLD背向输出的光功率，经背向输出的光功率，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放大后放大后送到比较器送到比较器A A3 3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经考电压经A A2 2比较放大后，送到比较放大后，送到A A3 3的同相输入端。的同相输入端。A A3 3和和V V3 3组成直流恒组成直流恒流源调流源调节节LDLD的偏流，使输出光功率稳定。的偏流，使输出光功率稳定。 第第4 4章章 光端机光端机 4.1.44.1.4温度特性和自动温度控制温度特性和

27、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，温度对激光器输出光节已经讨论过，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产生。产生。图图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效率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：温度升高，阈值电流增加，外微分引起的输出光脉冲的变化：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。量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。 第第4 4

28、章章 光端机光端机 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 第第4 4章章 光端机光端机 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”：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，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应结发热效应”。如图。如图4.114.11所示，设所示，设t=0t=0时电脉冲到来，时电脉冲到来， 注入注入电流为电

29、流为I I1 1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间度随时间t t而升高，激光器的阈值电流随而升高，激光器的阈值电流随t t而增大，使输出光脉而增大，使输出光脉冲的幅度随冲的幅度随t t而减小。当而减小。当t=Tt=T时电流脉冲过后，注入电流从时电流脉冲过后，注入电流从I I1 1减减小到小到I I0 0，电流散发的热量减少，结区温度随，电流散发的热量减少，结区温度随t t而降低，阈值电而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。流减小，使输出光脉冲的幅度增大。“结发热效应结发热效应”将引起调将引起调制失真。制失真。 与调制速率

30、对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的“结发热效应结发热效应”更加明显。这是更加明显。这是因为随着调制速率的提高，码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。元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。 第第4 4章章 光端机光端机 图 4.11 结发热效应 电流脉冲光脉冲t0t TI1I0第第4 4章章 光端机光端机 2. 2. 自动温度控制自动温度控制 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，对激光器体激光

31、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。进行温度控制是十分必要的。 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热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。特性保持恒定。 第第4 4章章 光端机光端机

32、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第第4 4章章 光端机光端机 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 1、R R2 2、 R R3 3和和热敏电阻热敏电阻RTRT组成组成“换能换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器电量的变化。运算放大器A A的差动输入的差动输入端跨接在电桥的对端，端跨接在电桥的对端，用以改变三极管用以改变三极管V V的基极电流。的基极电流。 4.13 ATC电路原理 AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R

33、3BA UV第第4 4章章 光端机光端机 在设定温度在设定温度( (例如例如20 )20 )时，调节时，调节R3R3使电桥平衡，使电桥平衡，A A、B B两两点没有电位差，传输到运算放大器点没有电位差，传输到运算放大器A A的信号为零，流过致冷器的信号为零，流过致冷器TECTEC的电流也为零。当环境温度升高时，的电流也为零。当环境温度升高时，LDLD的管芯和热沉温度的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RTRT的阻值减小，电桥失的阻值减小，电桥失去平衡。这时去平衡。这时B B点的电位低于点的电位低于A A点的电位，运算放大器点的电位，运算放大器A

34、A的输出的输出电压升高，电压升高，V V的基极电流增大，致冷器的基极电流增大，致冷器TECTEC的电流也增大的电流也增大 致冷致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。这个控制过程可以表示如下：这个控制过程可以表示如下： T(环境)T(LD、热沉) RT I(致冷器) T(LD) 第第4 4章章 光端机光端机 4.2 光接收机光接收机4.2.1光接收机基本组成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

35、(AGC)电路。第第4 4章章 光端机光端机 (1) 波长响应要在光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)1. 1. 光检测器光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件。其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：(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，光检测器有：PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。第第4 4章章 光端机光端机 2. 2. 放大器放大器 图 4.17光接收机的前置级放大电路(a) 双极

36、型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型 偏压(a)偏压(b)偏压(c)Rf1) 前置放大器：低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择第第4 4章章 光端机光端机 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. 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,，以消除码间干扰，减小

37、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，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。 第第4 4章章 光端机光端机 光接收机的噪声：一部分是外部电磁干扰产生的， 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，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造尽可能减小， 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。 4.2.24.2.2噪声特性噪声特性第第4 4章章 光端机光端机 光接收机噪声的主要来源是：前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪

38、比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。 光检测器的噪声 前置放大器的噪声。第第4 4章章 光端机光端机 放大器Rin0SISECRSddSqqip放大器光电检测器0噪声等效模型：光检测器的量子噪声， Sq功率谱密度：暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)， Sd功率谱密度2d2qiiip、R和C分别为光检测器的输出光生电流、偏置电阻和电容放大器分解为理想放大器和等效噪声电流源i20和电压源u20，其相应的功率谱密度分别表示为SI和SE，Rin是放大器的输入电阻第第4 4章章 光端机光端机 (a) 双极型晶体管； (b) 场效

39、应管； (c) 跨阻型 偏压(a)偏压(b)偏压(c)Rf(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。 第第4 4章章 光端机光端机 4.2.34.2.3误码率误码率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码元被误判

40、的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算第第4 4章章 光端机光端机 图 4.18 计算误码率的示意图 tIsImI1(t)I0(t)判决门限D0I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im是“”码的平均电流，“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布1.在“”码时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可能被误判为“”码第第4 4章章 光端机光端机 光接收机输出噪声的概率分布十分复杂假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为2exp21)(22xxf式中x：噪声的随机取值， 其均值

41、为零，方差为2。 在发“0”码时， 平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。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)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的概率密度函数为 2exp21)(02000NINIf第第4 4章章 光端机光端机 发“0”码时，光检测器的噪声功率为0,光接收机的判决噪声功率为前置放大器的平均噪声功率N0NA，误码率即为I0 D的概率0020001,2exp21dININPDe00202exp21NIxdxxND，发“1”码时，光检测器的平均噪声功率为ND,光接收机的判决噪声功率为前置放大器的平均噪声功率N1NAND ，误码率即

42、为Im-I1 Im-D或I1-Im m，一般选取n=m+1。 1. mBnB1. 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”。 第第4 4章章 光端机光端机 因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个。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。 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(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。 设计者应根据使连“”和连“”的数目最少原则来选择

43、码表。第第4 4章章 光端机光端机 表 4.23B和4B的码字 第第4 4章章 光端机光端机 “码字数字和”(WDS):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在nB码的码字中:用“-1”代表“0”码， 用“+1”代表“”码，整个码字的代数和即为WDS。nB码的选择原则是：尽可能选择|WDS|最小的码字， 禁止使用|WDS|最大的码字。 以3B4B为例:应选择WDS=0和WDS=2的码字， 禁止使用WDS=4的码字。表4.3 示出根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正组和负组交替使用。 第第4 4章章 光端机光端机 表表 4.3 一种一种3B4B码表码表 第第4 4章章

44、光端机光端机 mBnB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。mBnB码的特点是： (1) 码流中“0”和“1”码的概率相等， 连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富。 (2) 高低频分量较小，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， 便于在线误码检测。 第第4 4章章 光端机光端机 2. 2. 编译码器编译码器 有两种编译码电路：一种是组合逻辑电路，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法；另一种是把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PROM)内而构成，国内设备一般采用这种方法。 以3B4

45、B码为例，码表存储编码器的工作原理示于图4.22。 首先把设计好的码表存入PROM内，待变换的信号码流通过串 - 并变换电路变为3比特一组的码b1、b2、b3，并行输出作为PROM的地址码，在地址码作用下，PROM根据存储的码表， 输出与地址对应的并行4B码，再经过并 - 串变换电路，读出已变换的4B码流。 第第4 4章章 光端机光端机 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第第4 4章章 光端机光端机 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W

46、DS=WDS=2 2时，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 - - 串变换还原串变换还原为原来的信号码流。为原来的信号码流。 第第4 4章章 光端机光端机 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

47、(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码的编码原理是，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，这个补码称为C码， 所以称为mB1C码。补码插在mB码的末尾，使连“0”码和连“1”码的数目最少。 第第4 4章章 光端机光端机 mB1C码的结构如图4.23所示，例如： mB码为：100 110 001 101 mB1C码为： 1001 1101 0010 1010 C码的作用是引入冗余码，可以

48、进行在线误码率监测； 同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。 mB1H码是mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，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。 第第4 4章章 光端机光端机 图 4.23 mB1C码的结构mBCmBCmBCC第第4 4章章 光端机光端机 常用的插入码是mB1H码，有1B1H码、4B1H码和8B1H码。以4B1H码为例，它的优点是码速提高不大，误码

49、增值小； 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mBnB码。但在扰码后再进行4B1H变换， 可以满足通信系统的要求。 在mB1P码中，P码称为奇偶校验码， 其作用和C码相似， 但P码有以下两种情况： (1) 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： 第第4 4章章 光端机光端机 mB码为： 100 000 001 110 mB1P码为： 1000 0001 0010 1101 当检测得m+1个码内“”码为奇数时，则认为无误码。 (2) P码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内“”码的个数为偶数，例如： m B码为：100 000 001 110 mB1P码为： 1001 0000 0011 1100 当检测得m+1个码内“”码为偶数时， 则认为无误码。 第第4 4章章 光端机光端机 第第4 4章章 光端机光端机 线路编码小结线路编码小结电信号是双极性码，而光信号只能用电信号是双极性码，而光信号只能用“有光脉冲有光脉冲”和和“没有光脉冲没有光脉冲”来表示二进来表示二进制二电平码制二电平码 “1”和和“0”码，因此电信号要经过码型转换后再进行光信号发送码，因此电信号要经过码型转换后再进行光信号发送简单的二电平码带来的问题简单的二电平码带来