第六章光端机(发射和接收)

1、6.1光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合 6.2光调制光调制 6.3光发射机光发射机 6.4光接收机光接收机 6.5光接收机噪声分析光接收机噪声分析 6.6光接收机的误码率和接收灵敏度光接收机的误码率和接收灵敏度6.7光中继器光中继器 l 从光源发射出来的光功率尽可能多地从光源发射出来的光功率尽可能多地送入光纤中传输，这就是光源与光纤的送入光纤中传输，这就是光源与光纤的耦合问题。耦合问题。l 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合效率效率，它定义为，它定义为l =P=PF F/P/PS S (6-1-1) (6-1-1)l式中：式中： P PF F耦合进入光纤的光功

2、率耦合进入光纤的光功率l P PS S光源发射的功率。光源发射的功率。l光源与光纤的耦合效率：光源与光纤的耦合效率：l与光源的类型与光源的类型(LED或或LD)及光纤的类型及光纤的类型(多模光纤或模光纤多模光纤或模光纤)有关。有关。lLD与单模光纤的耦合效率较高，可以达与单模光纤的耦合效率较高，可以达到到3050%，而，而LED与单模光纤的耦合与单模光纤的耦合效率较低，可能小于效率较低，可能小于1%。 l光源与光纤的耦合方法，光源与光纤的耦合方法，l一般采用下面两种：一般采用下面两种：l直接耦合和透镜耦合直接耦合和透镜耦合l一个理想的微透镜耦合结构应用下列四一个理想的微透镜耦合结构应用下列四个

3、特征：个特征：l 足够大的数值孔径收集激光辐射足够大的数值孔径收集激光辐射l 焦距完全匹配于激光器和光纤的模式焦距完全匹配于激光器和光纤的模式l 无球差无球差l 端面应增透镀覆以消除反射。端面应增透镀覆以消除反射。l要实现光纤通信，首先要解决的问题是要实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的发射光束上，如何将电信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。即需要进行光调制。l根据调制与光源的关系，光调制可分为：根据调制与光源的关系，光调制可分为：直接调制和间接调制。直接调制和间接调制。 l直接调制就是将调制信号直接作用在光源上，直接调制就是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的

4、信息转变为电源信号注入到把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或或LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是，获得相应的光信号。这种方法调制的是光源的发光强度调制光源的发光强度调制(IM)。l直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信系统中广泛采用的调制方式。是光纤通信系统中广泛采用的调制方式。l从调制信号的形式来说，光源的直接调制又可从调制信号的形式来说，光源的直接调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制分为模拟信号调制和数字信号调制lLD的直接调制具有许多突出的特点，它在光纤的直接调制具有许多突出的特点，它在光纤通信系统中应用极其广泛。通信系统

5、中应用极其广泛。lLD的调制特性如下：的调制特性如下：l(1) (1) 电光延迟电光延迟l(2) (2) 张驰振荡张驰振荡l(3) 小信号输入的频率响应小信号输入的频率响应l(4) (4) 频率啁啾频率啁啾l光源内调制的优点是电路简单容易实现，光源内调制的优点是电路简单容易实现，但是，在高码速下将使光源的性能变坏，但是，在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光源的外调制方式。因此需要对光源的外调制方式。l目前使用的外调制方式有：目前使用的外调制方式有：l (1) 电光调制电光调制l（2）声光调制）声光调制l （3）磁光调制）磁光调制l1对光发射机性能的要求对光发射机性能的要求l 光发射机的作

6、用是把电端机送来的光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入光纤中传输。电信号变为光信号送入光纤中传输。l包括以下方面：包括以下方面：l (1)光源特性光源特性l (2)调制特性调制特性l (3)输出特性输出特性l目前使用的光发射机大多数是直接调制目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发射机，它的原理如图的光发射机，它的原理如图6-3-1所示。所示。l输入电路由图输入电路由图6-3-3所示电路组成所示电路组成l1 1光接收机的组成光接收机的组成l光接收机的作用是把接收来的光信号转光接收机的作用是把接收来的光信号转变为原来的电信号，它的性能的优劣直变为原来的电信号，它的性能的优劣直接影响

7、整个光纤通信系统的性能。接影响整个光纤通信系统的性能。l光纤通信系统有模拟和数字两大类，光光纤通信系统有模拟和数字两大类，光接收机也相应的有两大类，即模拟接收接收机也相应的有两大类，即模拟接收机和数字接收机。机和数字接收机。l直接检测数字光纤通信接收机一般由三直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复。如图所示：通道和数据恢复。如图所示：l光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进

8、一步处理。进行预放大，以便后一级进一步处理。l (1) (1) 光电检测器光电检测器l一般采用一般采用PINPIN光电二极管或光电二极管或APDAPD雪崩光电二极管，雪崩光电二极管，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能l (2) (2) 前置放大器前置放大器l光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要多级放大器进行放大，多级放大器进行放大，多级放大器的前级多级放大器的前级为前为前置放大器。置放大器。l一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先要求

9、其前端测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。l根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：的方案：l (1)低阻抗前端低阻抗前端l(2)高阻抗前端。高阻抗前端。l(3)跨跨(互互)阻抗前端。阻抗前端。l 光接收机的线性通道由一个光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制自动增益控制(AGC)电路，用来电路，用来控制放大器增益。控制放大器增益。l主放大器的作用有两个方面：主放大器

10、的作用有两个方面：l 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。需要的信号电平。l 它还是一个增益可调节的放大器，当光电检它还是一个增益可调节的放大器，当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的峰输入信号的影响，一般主放大器的峰-峰值输峰值输出是几伏数量级。对于出是几伏数量级。对于APD的光接收机还通过的光接

11、收机还通过控制控制APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。l 均衡滤波器的作用是均衡波形有利判决。均衡滤波器的作用是均衡波形有利判决。均衡滤波器是必不可少的。均衡滤波器是必不可少的。l 没有均衡滤波器将出现这些现象没有均衡滤波器将出现这些现象l将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。严重时造成判决电路误判，产生误码。l 有均衡滤波器的波形有均衡滤波器的波形l均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。利于判

12、决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。l均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。成为有利于判决的波形。l4数据恢复数据恢复l数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路要解码、解扰和编码电路l判决电路和时钟恢复电路的任务是把线判决电路和时钟恢复电路的任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。号。 l5辅助电路辅助电路l光接收机除上面介绍的若干部分外，还光接收机除上面介绍的若干部分外，还有一些辅助

13、电路，如：有一些辅助电路，如：l(1)钳位电路。钳位电路。 l(2)温度补偿电路。温度补偿电路。 l(3)告警电路。告警电路。l6集成光接收机集成光接收机l 光接收机的组成部件，除了光电二极光接收机的组成部件，除了光电二极管外，都是标准的电子元器件，采用标管外，都是标准的电子元器件，采用标准集成电路准集成电路(IC)工艺技术，很容易集成工艺技术，很容易集成在同一芯片上，做成集成光接收机。在同一芯片上，做成集成光接收机。l 在高比特工作时，这种集成光接收机在高比特工作时，这种集成光接收机具有很多优点。具有很多优点。90年代末用年代末用Si和和GaAs集集成电路工艺已制成带宽超过成电路工艺已制成带

14、宽超过2GHz的集成的集成光接收机，现在带宽超过光接收机，现在带宽超过10GHz的集成的集成光接收机也已用于光波实验系统。光接收机也已用于光波实验系统。l1数字光纤通信系统的信号变换特点数字光纤通信系统的信号变换特点l 在数字光纤通信系统中，传输的是由在数字光纤通信系统中，传输的是由“0”和和“1”组成的二进制光脉冲信号，组成的二进制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在这是一种单极性码，即光功率在“接接通通”(“1”码码)和和“断开断开”(“0”码码)两个电平两个电平上变动。上变动。l 按照按照“1”码时码元周期码时码元周期T的大小，分的大小，分为归零码为归零码(RZ码码)与非归零码与非归

15、零码(NRZ码码)两两种。种。l图图6-5-2为数字光纤通信系统中数字脉冲为数字光纤通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点传输过程的变换特点l2光接收机的噪声源光接收机的噪声源l 光接收机的噪声是与信息无关的随机光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引入过程来分，可分变化量，噪声源从引入过程来分，可分为两类，即与信号光电检测器有关的噪为两类，即与信号光电检测器有关的噪声和与光电接收机电路有关的噪声。声和与光电接收机电路有关的噪声。l 与信号光电检测器有关的噪声包括：与信号光电检测器有关的噪声包括：量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等等

16、。电流噪声和背景噪声等等。l 与光接收机电路有关的噪声包括：放与光接收机电路有关的噪声包括：放大器噪声、负载电阻热噪声等。大器噪声、负载电阻热噪声等。 l3噪声的评价方法噪声的评价方法l 噪声是一种随机性的起伏量，是电噪声是一种随机性的起伏量，是电信号中不需要的成分，它干扰实际系统信号中不需要的成分，它干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。统的性能。l(1)噪声的大小可以用均方值来表示噪声的大小可以用均方值来表示l (2)信噪比信噪比(SNR)l SNR=平均信号功率平均信号功率/噪声功率噪声功率 l 光接收机的误码率和灵敏度是描述光接收机的

17、误码率和灵敏度是描述光接收机准确检测光信号能力的性能指光接收机准确检测光信号能力的性能指标。标。l光接收机的误码率光接收机的误码率BER定义为：定义为：lBER=错误接收的码元数错误接收的码元数/传输的码元总数传输的码元总数l那么光接收机的误码是如何产生的那么光接收机的误码是如何产生的?l如图如图6-6-1所示：所示：l若若IID，采样值为，采样值为“1”，若，若IID，采样，采样值则为值则为“0”。l如果传输的信码为如果传输的信码为“1”，可是，可是IID，则，则发生错误。发生错误。l同样传输的信码为同样传输的信码为“0”，可是，可是IID，则，则同样发生错误，这两个错误都将引起误同样发生错

18、误，这两个错误都将引起误码。码。 l2光接收机的灵敏度和动态范围光接收机的灵敏度和动态范围l光接收机的灵敏度可以用满足给定的误光接收机的灵敏度可以用满足给定的误码率指标条件下而可靠工作所需要的最码率指标条件下而可靠工作所需要的最小平均光功率小平均光功率Pmin来表示。来表示。l最小平均光功率最小平均光功率Pmin,在国际单位制中，在国际单位制中，它的单位是瓦它的单位是瓦(W)。l工程上，光接收机的灵敏率常用光功率工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦相对值来表示，单位是分贝毫瓦(dBm)。 l光接收机的动态范围：光接收机的动态范围：l是在保证系统的误码率指标要求下，光是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光和最大允许光功率功率Pmax的变化范围。这个范围用的变化范围。这个范围用D来表来表示，一般在工程上用二者示，一般在工程上用二者(用用dBm描述描