光通信复习及53050课件

第4章光端机

4.1光发射机

4.2光接收机

4.3线路编码4.1光发射机

•数字光发射机的功能:

•电端机输出的数字基带电信号转换为光信号

•用耦合技术注入光纤线路

•用数字电信号对光源进行调制

•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

输出光信号pItIin输入电信号pI（a）

LED数字调制原理输出光信号输入电信号IinIthIb(b)

LD的数字调制原理

•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，输出光信号反映输入电信号输入接口驱动电路光源光调制器电信号输入光信号输出图4.2数字光发射机方框图保护电路自动偏置1.光源

对通信用光源的要求如下(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0.85μm、1.31μm和1.55μm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。(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

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，要变换为适合于光纤传输的单极性码。双极性码：双极性一般指的是用正、负电平脉冲代表0、1单极性码：一般情况下是指单极性非归零，即0、1分别由脉冲的有无来代表。4.1.2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、张弛振荡和自脉动现象。这些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充分考虑。

图4.3光脉冲瞬态响应波形

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。

2.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，如图4.5所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。电脉冲光脉冲图4.5激光器自脉冲动现象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,自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应。

图4.6共发射极驱动电路

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。这种驱动电路适用于10Mb/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4.7是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压UB，V1集电极的电压取决于LD的正向电压，数字电信号Uin从V1基极输入。当信号为“0”码时，UB基极电位比V1高而抢先导通，V1截止，LD不发光；反之，当信号为“１”码时，UB基极电位比V1低，V1抢先导通，驱动LD发光。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。当三极管截止频率fr≥4.5GHz时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。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，功耗较大。

图4.7射极耦合LD驱动电路图

参考电压UB把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压和直流参考电压UR施加到运算放大器A1的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流Ib，其控制过程如下：PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLD

图

4.8反馈稳定LD驱动电路+U

在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。图4.9APC电路原理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。PPII

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20。C25。C20。C70。C

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“结发热效应”。I1I0t=0t=T图4.11结发热效应电流脉冲光脉冲如图4.11所示，设t=0时电脉冲到来，注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到I0，电流散发的热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。

“结发热效应”将引起调制失真。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4.12温度控制方框图激光器致冷器热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻目前，微致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应（就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量）制成的电偶来实现致冷的用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达30~40℃。为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达±0.5℃。从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。ATC电路主要由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。

在设定温度(例如20℃)时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。

这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。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)ATC的致冷器和热敏电阻以及APC的PIN-PD封装在LD管壳内构成的组件。4.2光接收机4.2.1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1.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：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)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)。2.放大器前置放大器应是低噪声放大器，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(参看4.2.2节)。

主放大器一般是多级放大器，它的作用是：

（1）提供足够的增益（2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，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

均衡的目的：

•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

4.光电集成接收机图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。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。对于工作在1.3~1.6μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。在1991年试验成功的单路InGaAsOEIC接收机，其运行速率达5Gb/s。InGaAsOEIC接收机也可以用混合法实现。如图4.15所示，电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。图4.15光电集成接收机

4.2.2噪声特性光接收机的噪声有两部分：

外部电磁干扰产生

这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；

内部产生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是:光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，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。图4.16光接收机的噪声等效模型图4.16示出光接收机的噪声等效模型，由光检测器和放大器两部分组成。p157

〈iq2〉光检测器的量子噪声功率谱密度分别表示为Sq

〈id2〉暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)，其相应的功率谱密度Sdip

光检测器的输出光生电流R光检测器的偏置电阻和C光检测器的电容(结电容和其他电容)

放大器分解为:

理想放大器相应的功率谱密度SI

等效噪声电流源〈i02〉相应的功率谱密度SE

电压源〈u02〉，相应的功率谱密度Rin放大器的输入电阻。光检测器等效噪声特性请参看3.2节的内容。放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图4.17，其输出的等效噪声功率NA为：

场效应管(FET)前置放大器(4.5)(4.4)双极型晶体管(BJT)前置放大器跨阻型前置放大器-双极型晶体管

(4.6)跨阻型前置放大器-场效应管(4.7)

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。

4.2.3误码率

由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，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。码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。Im是“１”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。图4.18计算误码率的示意图在“１”码时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1<D，则可能被误判为“0”码；在“0”码时，如果在取样时刻带有噪声的电流I0>D，则可能被误判为“１”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，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为:式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为σ2。(4.8)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，现在可以分别计算“0”码和“１”码的误码率了。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:(4.9)根据误码率的定义，把“0”码误判为“1”码的概率，应等于I0值超过D值的概率，即式中x=I0/在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND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I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1>Im-D或I1-Im<D-Im，就可能把“１”码误判为“0”码。(4.10a)(I0>D)(4.10b)式中y=(I1-Im)/。“0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率的码流而言，一般认为Pe,01=Pe,10时，可以使误码率达到最小。(4.11a)(Im-I1)>(Im-D)(4.11b)把“1”码误判为“0”码的概率为：因此，总误码率(BER)可以表示为：(4.12)式中Q=(4.13a)Q=(4.13b)Q称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流的倍数。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,BER≈10-9，Q≈7，BER=10-12。图4.19误码率和Q的关系4.3线路编码在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。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。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。简单的二电平码会带来如下问题：

•在码流中，出现“１”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。

•在随机码流中，容易出现长串连“１”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。

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“１”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。扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。扰码改变了“１”码与“0”码的分布，从而改善了码流的一些特性。例如：扰码前：1100000011000…扰码后：1101110110011…①不能完全控制长串连“１”和长串连“0”序列的出现②没有引入冗余，不能进行在线误码监测；③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。扰码有下列缺点：

4.3.2mBnB码

mBnB码是把输入的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，n>m，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

1.mBnB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“０”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“０”和连“１”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。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“１”；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。01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表4.23B和4B的码字

作为普遍规则，引入“码字数字和”(WDS)来描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。所谓“码字数字和”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“１”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。

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。线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表4.3一种3B4B码表我国3次群和4次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B码，其编码规则如下：5B码共有(25)32个码字，变换6B码时共有(26)64个码字，其中WDS=0有20个，WDS=±2有15个，WDS=-2有15个，共有50个|WDS|最小的码字可供选择。由于变换为6B码时只需32个码字，为减少连“１”和连“0”的数目，删去：000011、110000、001111和111100。当然禁用WDS=±4和±6的码字。表4.4示出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正组和负组交替使用。表中正组选用20个WDS=0和12个WDS=+2，负组选用20个WDS=0和12个WDS=-2。线路码（6B）信号码（5B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125续表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。mBnB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，不宜用这种码型。

2.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。

•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3B4B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。图4.22码表存储编码器原理图中A、B、C三条线为组别控制控制线，当WDS=±2时，从A、B分别送出控制信号，通过C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。译码时，把送来的已变换的4B信号码流，每4比特并联为一组，作为PROM的地址，然后读出3B码，再经过并-串变换还原为原来的信号码流。其他的mBnB码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度有所区别而已。

4.3.3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.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，连“0”码和连“1”码的数目最少。mB1C码的结构如图4.23所示，例如：mB码为：100110001101……mB1C码为：1001110100101010……C码的作用是引入冗余码，可以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：