光纤通信中的光发射机与光接收机

-----光发送机与光接收机第四章通信学院工程技术教研室光端机的性能指标；

光纤通信系统基本构成；光端机的组成及工作原理；PDH、SDH两种传输体制；主要内容掌握发射机和接收机的性能指标掌握光纤通信系统基本构成；掌握发射机和接收机的框图和工作原理理解PDH、SDH两种传输体制。教学重点4.2线路编码4.5光-电-光中继器的原理4.1光发射机原理4.3光发射机的主要技术指标4.4数字接收机的组成及技术指标4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成

光纤通信系统、主要由光发送设备、光接收机设备、光传输设备组成。光发送设备和光接收机设备常称为光发射机和光接收机，两者合在一起为光端机。

光发射机作用：把电端机输出的数字基带信号对光源进行直接光强度调制转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制实现。4.1光发射机原理4.1光发射机原理一、光发射机框图扰码线路编码调制电路光源背向光监测码型变换均衡放大输入码型变换电路APCAPC光发送电路时钟提取告警检测

图1光发射机的组成框图电信号光信号

数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。HDB3码NRZ码加扰的NRZ码二、光发射机原理

光发射机的作用是将从复用设备送来的HDB3信码变换成NRZ码，接着将NRZ码编为适合在光缆线路上传输的码型，最后在进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤。4.1光发射机原理

（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。（2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。（3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号。（4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概出现，利于时钟提取。（5）时钟提取：提取PCM时钟信号，供给其它电路使用。（6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。（7）光源：产生作为光载波的光信号。（8）温度控制和功率控制：稳定工作温度和输出平均光功率。（9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。4.2线路编码4.5光-电-光中继器的原理4.1光发射机原理4.3光发射机的主要技术指标4.4数字接收机的组成及技术指标4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成PCM通信系统中的接口速率和码型，如表1所示。表1 PDH接口码速率与接口码型

PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此，在光端机中必须进行码型变换。在PDH系统中，常用的线路编码有分组码mBnB，1B2B码（CMI、DMI和双相码等）和插入码，SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。各种码的编码规律、传输速率如表2所示。基

群二

次

群三

次

群四

次

群接口码速率

(Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口码型HDB3HDB3HDB3CMI4.2光线路编码码

型码型变换规则传输速率误码监测适用系统1B2B码CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按编码规则检查PDH双相码“1”：10

“0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二个码为01，11时）10（前二个码为10，00时）2fi同上分组码mBnB在nB码中选择不均等值小的码作公共码；正负模式交替nfi/m（1）查禁用码字（2）利用DRS插入码mB1P（1）P码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则(m+1)fi/m奇偶校验mB1C(m+1)fi/m模2和=0mB1H加扰NRZ给输入NRZ序列加扰fi无SDH表2 常用的线路编码4.2光线路编码

一、分组码分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常n＞m，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。最简单的mBnB码是1B2B码，它是把原信息码的“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。但是码速率提高了1倍。

mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。4.2光线路编码

二、插入码插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m+1个码为一组新的线路码流。根据插入码的用途不同，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码等。（1）mB1C码

mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每m比特（mB）为一组，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。例如：mB码100110001101…mBlC码1001110100101010…4.2光线路编码

（2）mB1H码

mB1H码是由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。4.2光线路编码mB码100000001110…mBlP码1000000100101101…

（3）mB1P码在mBlP码中，P码称为奇偶校验码，P码有以下两种情况。①P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：②P码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为偶数，例如：mB码100000001110…mBlP码1001000000111100…4.2光线路编码三、1B2B码（1）CMI码

CMI码又称传号反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。（2）双相码双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“10”代替。

4.2光线路编码（3）DMI码

DMI码又称不同模式反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。原码的“0”码，若前二个码为“01”，“11”时用“01”代替，前二个码为“10”，“00”时用“10”代替。4.2光线路编码四、扰码

加扰的NRZ码：SDH光纤通信系统中广泛使用。

形成方法：是利用一定规则对信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”和“1”出现的概率相同，因此码流中不会出现长连“0”或长连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。

信号序列扰乱方法有：用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加，这样就能把任何输入信号序列变换为随机序列，但完全随机的序列不能再现。用伪随机序列代替完全随机序列进行扰码与解扰。

4.2光线路编码图3

扰乱器与解扰器的构成4.2光线路编码4.2线路编码4.5光-电-光中继器的原理4.1光发射机原理4.3光发射机的主要技术指标4.4数字接收机的组成及技术指标4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成4.3光发射机的主要指标

光发射机的平均输出光功率衡量光发射机的输出能力，测量平均输出光功率的仪表是光功率计，光功率单位是dBm。一、光发射机的平均输出光功率4.3光发射机的主要指标

消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示

式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。二、消光比（EXT）4.2线路编码4.5光-电-光中继器的原理4.1光发射机原理4.3光发射机的主要技术指标4.4数字接收机的组成及技术指标4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成

光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。4.4数字接收机的组成及技术指标一、作用

强度调制—直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图4所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。图4数字光接收机方框图（动画）二、框图4.4数字接收机的组成及技术指标1．光电检测器光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是：①在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。②波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。③有足够高的响应速度和足够的工作带宽。④产生的附加噪声尽可能低，能够接收极微弱的光信号。⑤光电转换线性好，保真度高。⑥工作性能稳定，可靠性高，寿命长。⑦功耗和体积小，使用简便。三、各部件功能4.4数字接收机的组成及技术指标2．放大器光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。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，输出电信号应保持恒定输出。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。4.4数字接收机的组成及技术指标3．均衡器均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。

4．再生电路再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。

5．自动增益控制（AGC）

AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。4.4数字接收机的组成及技术指标AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。自动增益控制（AGC）电路原理框图如5所示。图5自动增益控制电路原理框图1、光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即

(4-2)

4.4数字接收机的组成及技术指标四、主要技术指标

数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。

2、光接收机的动态范围4.2线路编码4.5光-电-光中继器的原理4.1光发射机原理4.3光发射机的主要技术指标4.4数字接收机的组成及技术指标4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成

光信号在传输过程会出现两个问题：①光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；②光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。4.5光-电-光中继器的原理光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有：①补偿衰减的光信号；②对畸变失真的信号波形进行整形。光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继），一种是全光中继器。

一、光电中继器的构成传统的光中继器采用光—电—光（O-E-O）转换形式的中继器。如图6所示。图6典型的数字光中继器原理方框图二、光电中继器的结构形式有的设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。4.5光-电-光中继器的原理

目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，其工作原理如图7所示。用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光—电—光的转换过程，工作频带宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。图7掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图（动画）4.5光-电-光中继器的原理4.2线路编码4.5光-电-光中继器的原理4.1光发射机原理4.3光发射机的主要技术指标4.4数字接收机的组成及技术指标4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成光纤通信系统有PDH(准同步，PlesiochronousDigitalHierarchy)系统、SDH(同步)系统和DWDM系统。4.6PDH传输体制及长途光缆系统的构成图8PDH光缆通信系统的组成一、传输体制PDH数字光缆通信系统由PCM基群复用设备、高次群数字复用设、光端机、光中继机和光缆等部分组成。PCM基群复用设备的主要作用足对话音信号进行取样、量化、编码，然后将30个话路进行复接，组成基群帧结构，速率为2048kb／s，在接收端则进行相反的处理。高次群数字复用设备包括二次群复用设备、三次群复用设备、四次群复用设备等。其主要作用是将低次群复接组成高次群。例如．将4个标称速率为2048kb/s

实际速率为2048kb/s，偏差为的支路信号，曾先进行正码速调整，都调到2112kb／s．即让4个支路速率都达到同步后．再复接组成8448kb／s的二次群。在接收端则进行相反的变换。光端机的主要作用是：首先将从复用设备送来的信码进行变换，变成NRZ码；然后进行线路编码，编为适合于光缆线路上传输的码型；再进行电／光转换，将电信号转换为光信号。在接收端，则进行相反的变换。光缆的作用是传送信息。二、系统构成及作用

光中继机的作用是进行均衡、判决、再生，以延长传输距离。在光中继机中要进行光／电／光变换，先将从光缆送来的光信号变为电信号，然后对电信号进行处理，处理完成后又将电信号转换成光信号，送往下一段光缆继续传送(当然，如果使用光纤放大器，就不必进行光／电／光变换了)。PDH系列有两种制式，一种是以1544kb／s为第一级比特率而构成的，另一种是以2048kb/s为第一级比特构成的。我国使用后一种制式，其基群、二次群、三次群、四次群的速率依次为2048kbps、8448kbps、34368kbps、139264kbps，话务容量为30、120、480、1920路。三、PDH系列有两种制式图27所示的是PDH光缆通信系统的一例。图中MUX1—基群复用设备；MUX3—三次群复用设备；MUX2—二次群复用设备；MUX1-3—三次群跳群复用设备MUX4—四次群复用设备；0LT2—二次群光端机；OLT3—三次群光端机；OLT4一四次群光端机；接口0—音频或64kb／s接口；接口1—2048kb／s接口；接口2—8448kb／s接口；接口3—34368kb／s接口；接口4—139264kb／s接口；四、PDHC长途光缆通信系统的构成图9PDH光缆通信系统举例S点—光接口。S点是紧靠着光发送机的话动连接器盾的参考点，是光发送机与光缆线路之间的互连点；R点—光接口。R点是紧靠着光接收机的活动连接器前的参考点，是光接收机与光缆线路之间的互连点；REG一光中继机。复用设备机架间连线使用同轴线，接口1、接口2、接口3的码型为HDB3码，接口4的码型为CMI码。1、二次群光缆通信系统的组成

由图可见，由MUX1、MUX2、OLT2、光缆、光中继机等就可组成二次群光缆通信系统。接口1、接口2为电接口，S和R点为光接口。系统的传输容量为120路。2、三次群光缆通信系统的组成