光发送机与光接收机

光发送机与光接收机第1页，课件共53页，创作于2023年2月6.1调制信号的格式为了有利于信息在信道中传输和接收时便于处理，我们往往先对数字信号进行编码，再对光信号进行调制。光信号除了可调制光载波信号的幅度、频率、相位外，还可调制光强。由于光强不同于电信号的电压或电流有正值与负值，它只有正值（即光强或光功率没有负值），因此称它为单极性信号，而电压信号称为双极性信号。第2页，课件共53页，创作于2023年2月

6.1.1单极性与双极性单极性信号是二电平信号，它在零与正电平之间摆动。单极性信号可以看成是用电或光信号表示的开关信号。在光纤通信中，单极性信号也称为开关键控。它与双极性信号的最大区别是，传送线路上产生的直流分量DC不为零。双极性信号由于在正电平与负电平之间交替变化，因此在传输线路上产生的DC分量为零。单极性与双极性信号的编码如图6.1所示。第3页，课件共53页，创作于2023年2月图6.1单极性与双极性信号第4页，课件共53页，创作于2023年2月

6.1.2归零(RZ)与不归零(NRZ)

光纤通信中常用的调制方案为开关键控，这种调制方案中编码“1”表示对应比特周期内有一光脉冲或光源LD或LED处于开状态，编码“0”表示对应的比特周期内无光脉冲或光源LD或LED处于关状态。光脉冲的宽度为比特周期的持续时间。对于一个1Gb/s的数据速率，光脉冲时间宽度为1ns。编码既可以采用直接将光源调谐在开或关两种状态的方法来完成，也可以用数字比特通过外调制器方法来完成，下面将具体介绍。第5页，课件共53页，创作于2023年2月

开关键控调制可以采用许多信号格式，最常用的为NRZ、RZ和短脉冲三种格式。NRZ称为不归零码，编码“1”对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期，“0”对应无光脉冲出现。如果是连续两个“1”比特，则光脉冲持续两个比特周期。RZ码称为归零码，“1”比特对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期的一半，“0”对应无光脉冲出现。短脉冲是由RZ变化而来的，其“1”比特对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期的很小一部分，“0”对应无光脉冲出现。它们的信号格式如图6.2所示。第6页，课件共53页，创作于2023年2月图6.2开关键控数据调制格式第7页，课件共53页，创作于2023年2月

NRZ码与其他格式相比，其主要优点是占据的频带宽度窄，只是RZ码的一半，缺点是当出现长连“1”或“0”时，光脉冲没有“有”和“无”的交替变化，这对于接收时对比特时钟的提取是不利的。RZ码克服了这个问题，解决了连“1”的问题，但长连“0”问题仍然存在。第8页，课件共53页，创作于2023年2月以上所有格式都存在直流分量DC波动即不平衡问题。开关键控调制方案获得DC平衡是很重要的，这使得接收时设计判决阈值变得容易，有利于数字处理的恢复。为了保证光信号有足够的交替变化和提供DC平衡，系统中常采用扰码和分组码方案。第9页，课件共53页，创作于2023年2月

6.1.3扰码扰码是一个比特流与另一个比特流的一到一的映射，即将一个待发送的数据比特流在发送之前一对一地映射为另一比特流。在发送端，扰码器将输入的比特流与经过仔细挑选的另一个比特流进行异或运算，另一比特流序列的选取原则是应尽量使输出比特的长连“1”或“0”出现的概率尽可能地小。第10页，课件共53页，创作于2023年2月在接收端通过解扰器，使其输出的码流中将原比特流恢复出来。扰码最大的优点是不占用额外的带宽，缺点是并不能保证DC平衡，也不能保证序列中不出现长连“1”或“0”。但扰码中出现长连“1”或“0”和不平衡的概率是很小的，只要认真选取映射关系就能保证这一点。第11页，课件共53页，创作于2023年2月

6.1.4线路码（5B/6B、8B/10B）另一个解决DC不平衡的方法是采用分组码，有许多不同类型的分组码。二进制的线性分组码的一种形式为：将k个比特变换成n个比特，然后再发送出去，接收端将n比特再映射成原来的k个比特。分组码经过设计可使DC平衡，能提供足够多的信号交替变化。这种分组码的典型例子是（8，10）、（5，6）,表示为8B10B，5B6B。第12页，课件共53页，创作于2023年2月分组码提高了速率，因而占用了额外的带宽，对于4B5B，则k=4，n=5，意味着原来的1Gb/s比特率在编码之后增加到1.25Gb/s，就是说要多付出25%的带宽开销。第13页，课件共53页，创作于2023年2月6.2直接调制IM光发送机

直接强度调制是光纤通信中最简单、最经济、最容易实现的调制方式，适用于半导体激光器LD和发光二极管LED，这是因为它们的输出功率与注入电流成正比（LD阈值以上），只需通过改变注入电流就可实现光强度调制。光功率的变化能够响应注入电流信号的高速变化。第14页，课件共53页，创作于2023年2月

6.2.1模拟调制所谓模拟信号的直接调制，就是让LED或LD的注入电流跟随输入的模拟量变化，从而使LED或LD的输出光功率跟随模拟信号变化，如图6.3所示。第15页，课件共53页，创作于2023年2月图6.3LED和LD的模拟调制第16页，课件共53页，创作于2023年2月

6.2.2数字调制数据信号的光强度调制原理如图6.4所示。第17页，课件共53页，创作于2023年2月图6.4数字IM调制原理第18页，课件共53页，创作于2023年2月6.3外调制

6.3.1电折射调制器电折射调制器利用了晶体材料的电光效应，常用的晶体材料有：铌酸锂晶体（LiNbO3）、钽酸锂晶体（LiTaO3）和砷化镓（GaAs）。第19页，课件共53页，创作于2023年2月电光效应是指由外加电压引起的晶体的非线性效应，具体讲是指晶体的折射率发生了变化。当晶体的折射率与外加电场幅度成正比时，称为线性电光效应，即普克尔效应；当晶体的折射率与外加电场的幅度平方成正比变化时，称为克尔效应。电光调制主要采用普克尔效应。最基本的电折射调制器是电光相位调制器，它是构成其他类型的调制器如电光幅度、电光强度、电光频率、电光偏振等的基础。电光相位调制器的基本原理框图如图6.5所示。

第20页，课件共53页，创作于2023年2月图6.5电光相位调制器的基本原理框图第21页，课件共53页，创作于2023年2月当一个Asin(ωt+Φ0)的光波入射到电光调制器（Z=0），经过长度为L的外电场作用区后，输出光场(Z=L)即已调光波为Asin(ωt+Φ0+ΔΦ)，相位变化因子ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。

两个电光相位调制器组合后便可以构成一个电光强度调制器。这是因为两个调相光波在相互叠加输出时发生了干涉，当两个光波的相位同相时光强最大，当两个光波的相位反相时光强最小，从而实现了外加电压控制光强的开和关的目标。第22页，课件共53页，创作于2023年2月

6.3.2M-Z型调制器

M-Z型调制器是由一个Y型分路器、两个相位调制器和Y型合路器组成的，其结构如图6.6所示。相位调制器就是上述的电折射调制器。输入光信号被Y型分路器分成完全相同的两部分，两个部分之一受到相位调制，然后两部分再由Y型合路器耦合起来。按照信号之间的相位差，两路信号在Y型合路器的输出产生相消和相长干涉，就得到了“通”和“断”的信号。

第23页，课件共53页，创作于2023年2月图6.6M-Z型调制器第24页，课件共53页，创作于2023年2月

6.3.3ASK/PSK/FSK方式

振幅键控ASK是用电的比特流（调制频率）直接调制光载波信号强度的技术。对其值为“1”的比特，光载波具有最大的振幅；对其值为“0”的比特，光载波具有最小的振幅。对于单极性信号，ASK也称为开关键控。ASK采用的编码有RZ和NRZ两种类型。第25页，课件共53页，创作于2023年2月

ASK方式能够用于IM/DD系统，但是要直接调制半导体激光器时，信号的相位也会偏移。在IM/DD检测时相位偏移不重要，因为相位信息不起作用，但是它对检测是有影响的。第26页，课件共53页，创作于2023年2月相移键控PSK调制光束，所有比特的频率和幅度不变。对于二进制PSK，相位是0°和180°。

PSK是使用电折射调制器的外调制来实现的，当有外加电压时，相位差用下式表示：（6.1）

式中，δm正比于所加电压，Lm是施加电压让折射率改变的长度。第27页，课件共53页，创作于2023年2月频移键控FSK是调制光载波的频率，光载波的频率改变为Δf，f+Δf对应逻辑“1”，f-Δf对应逻辑“0”。FSK是两个状态（开与关）的数字调频FM技术。第28页，课件共53页，创作于2023年2月实现调频的器件是DFB半导体激光器。当注入电流改变时，它们输出光波的频率发生偏移。小的注入电流变化（1mA）就会使光波的频率改变约1GHz。DFB激光器是高调制效率、高调制速率的很好的相干FSK光源。第29页，课件共53页，创作于2023年2月6.4光接收机目前，IM/DD系统的解调方案的框图如图6.9所示,它属于非相干解调。光检测器接收光信号并将其转换成与光功率成正比的光生电流信号，前置放大器将微弱的电流信号放大到所需的电平电流信号。如果是数字信号，还要送后续的判决电路完成数字信号的再生，具体的电路形式由不同的编码和调制方案决定。光放大器放置在光检测器前作为前置光放大器。必要时可在前置光放大器前加光滤波器，用来选择所需的通道信号。第30页，课件共53页，创作于2023年2月图6.9数字光接收机（DD解调）框图第31页，课件共53页，创作于2023年2月

6.4.1理想的数字光接收机从原理上讲，解调过程是相当简单的，接收机根据比特周期内有光还是无光来判定是“1”比特还是“0”比特，如果有光出现，则对应“1”比特发送，如果无光出现，则对应“0”比特发送，这就是所谓的直接检测DD。第32页，课件共53页，创作于2023年2月光功率为P的光信号到达光检测器时，可以看成是平均速率为P/hfc的光子流，h为普朗克常数，h=6.63×10-34J/Hz(焦耳/赫兹)，fc为光波频率，hfc为单个光子的能量。该光子流是一满足泊松分布的随机过程。第33页，课件共53页，创作于2023年2月对于这种简单的接收机，发送“0”比特时是不会误码的，只有发送“1”比特时才会误码，因为发送“1”比特期间没有光子被检测到就判定为“0”比特发送，有光子被检测到就判定为“1”比特。第34页，课件共53页，创作于2023年2月因此，没有接收到任何光子的概率，设“0”和“1”是等概的，则理想光接收机的误码率为参数B为比特速率，M=P/hfcB，为“1”比特期间接收的平均光子数，这就是理想光接收机的误码率，也称为量子极限条件下的误码率。为了达到10-12的误码率，则每个比特的平均光子数M=27。第35页，课件共53页，创作于2023年2月

6.4.2实际的光接收机在实际的直接检测接收机中，光信号在光检测器上被转变为光生电流的同时，还附加有额外的噪声信号。第36页，课件共53页，创作于2023年2月

6.4.3前置电放大器噪声在接收机的光检测器之后，为了将微弱的电流信号进行低噪声放大，通常需要一个前置放大器。前置放大器中采用的元器件(如电阻)会产生热噪声，由于放大器的放大，输入端的热噪声在输出端得到了增强。第37页，课件共53页，创作于2023年2月

6.4.4光放大器噪声简单的直接检测接收机的性能主要受接收机中热噪声的限制，这可以通过在光检测器前采用光放大器来改善。光放大器提供了光输入信号的功率，但不幸的是，在放大光信号的同时，放大的自发辐射作为一种噪声也出现在输出端。第38页，课件共53页，创作于2023年2月

6.4.5误码率理想光接收机有一定的误码率，实际的光接收机的误码率还涉及到各种不同的噪声影响。接收机通过对光生电流进行取样，从而判决每个比特周期发送的是“0”还是“1”。由于噪声电流的存在,接收机有可能做出错误的判决，因而导致了误码。实际上，接收机灵敏度还与比特率有关。第39页，课件共53页，创作于2023年2月图6.12接收机灵敏度与比特率的关系曲线第40页，课件共53页，创作于2023年2月实际中，在放大器和光检测器之间采用了光滤波器，降低了各种噪声，但也限制了系统的带宽。对于一个实际的前放接收机，其灵敏度为每比特几百个光子数；而对于不采用光放大器的简单的PIN光接收机，其灵敏度为每比特几千个光子。第41页，课件共53页，创作于2023年2月6.5相干接收由以上分析可知，简单的直接检测光接收机由于受噪声限制，不可能获得很高的灵敏度，这可以通过在光接收机前面采用一个光放大器来改善，另一个提高灵敏度的方法是相干检测接收机。相干检测的主要思想是将另一个本振光信号，即所谓的本振激光与信号进行混合来提高信号的功率。第42页，课件共53页，创作于2023年2月在光通信中，相干检测包括采用本振与光信号混频。一个典型的相干光检测系统的框图如图6.13所示。其中，本振Lo是一个优质的激光器，用它来产生本振光。本振光和光线路来的光信号在光耦合器中混合，然后一起投射到光检测器PIN中相干混频，混频后的差频信号经后接信号处理系统处理后进行判决。由于光信号在常规光纤线路中传输时，其相位和偏振面会发生缓慢的变化，因此为了使本振光和光信号的相位和偏振面一致，可利用光锁相环来跟踪相位的变化，通过偏振控制器来调整偏振，如图6.13中所示的偏振控制器。第43页，课件共53页，创作于2023年2月图6.13相干光波检测系统框图第44页，课件共53页，创作于2023年2月光相干检测和无线电相干接收技术一样，也有外差和零差两种，在式(6.33)中，当ωS=ωL时，即无中频，这时光相干检测为零差检测;当ωS≠ωL时，有中频ωIF=ωS-ωL，这时光相干检测为外差检测。由于接收机检测的输出信号电流IS随本振光功率PL增大而增大，即得到所谓的“本振增益”，所以相干检测系统光接收机的灵敏度较高，比直接检测可提高10～25dB。第45页，课件共53页，创作于2023年2月检测器的输出电流不仅与被检测信号强度或功率有关，还与光载波的相位或频率有关，这说明不仅可以用光信号的强度传递信息，还有可能通过调制光载波的相位或频率来传递信息。而在直接检测技术中不允许进行频率或相位的调制，所有有关信号的相位和频率的信息都丢失了。第46页，课件共53页，创作于2023年2月与IM-DD光波系统相比，干检测系统主要优点是：

(1)光接收机的灵敏度高，比直接检测高10～25dB，可大大延长无中继传输距离（在1550nm波长可延长至100km）；

(2)相干检测选择性高，可用于信道间隔小到1～10GHz的光频多路复用技术，实现多信道复用，有效使用光纤带宽。此外，相干传输也有利于提高系统抗非线性效应的能力。第47页，课件共53页，创作于2023年2月在如图6.13所示的相干检测系统框图中，光的接收技术主要是指零差或外差接收技术，主要包括本振激光器、光耦合器、光偏振控制以及检测器PIN等。光偏振控制技术是相干检测系统的特有技术。当接收机本振光的