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国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 光源l e d 与l d 的性能比较9 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：垂墨盔王造蝗发二堡搓盐煎遮盐 学位论文作者签名：垂窒盔日期：加莎年j j 月2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借闵；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：亟叁盘王出i 堑发二雠盐鳗遮进 学位论文作者签名：查窒查日期：协晒年，f 月1 ；甘 作者指导教师签名： 盘) 2 遮! i 1日期：铷口了年r ，月，；日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 光纤通信系统 1 ，1 1 光纤通信概述 光纤通信是指利用光波作为信息的载波信号并通过光导纤维来传递信息的通 信方式。光纤通信中的光波工作在电磁波频谱图中的近红外区域，其主要工作波 长在0 8 um 1 8um 之间。当前对电信系统的主要要求是更大的运载能力，电信 系统的运载能力与其带宽成f 比，而带宽与载体的频率成正比，光纤通信系统的 信息载体采用光一所有可能信号中具有最高频率的载体，这也正是光纤通信系统 具有最高的运载信息能力及它们之所以成为现代电信关键技术的原因。 根据信息论理论，任何一种通信系统都是由三要素组成：信源、信道和信宿。 相对应的，光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。在 通信系统中，发送信息端叫信源，接收端叫信宿。信源的信号通过调制通过电缆 和电磁波发送到信宿端，在信宿端将接收信号解调实现信号的恢复，从而完成信 号的传输。光纤通信是在信源端需要将电信号转化为光信号，通过光纤传输到信 宿端，再将光信号转化为原始的电信号的一个过程。实现光纤通信除了需要将传 统多样的电信号转换为光信号的装置，还需要有传输光信号的介质以及将光信号 转换为电信号的装置。所以在光纤通信中有三个主要的技术问题：便于应用且性能 优良的光源：能长距离传输光信号的传输介质：灵敏地接收光信号并能把光信号转 化为电信号的光检测器。因而一个基本的光纤通信系统组成也可归纳为三大要素： 光发送端机、光纤光缆和光接收端机。 1 1 2 光纤通信的特点及应用范围 由于光纤通信是利用光导纤维传输光信号来实现通信的，因此比起其他通信方 式有其明显的优越性，光纤具有传输容量大，传输损耗小、重量轻、抗电磁干扰 的一系列的优点： 1 、传输容量大 光是频率极高的电磁波，以它来作为信号的载体可传输极宽的信号频谱。光纤 通信系统的传输容量取决于光纤特性、光源特性和调制特性，目前，光纤通信系 统中使用的是s i0 2 材料的光纤。根据s i 0 ：光纤的损耗一波长特性曲线，单模光纤有 着极宽的频带宽度。光纤的色散特性是决定光纤通信系统带宽的因素之一，通过 设计，石英光纤在 = 1 3 l o m 处具有零色散特性，因此单模光纤都具有几十g h z k m 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光发射模块 2 1 光发射端功能 光发射机“”是数字光纤通信系统中的三大组成部分之一。其功能是将电脉冲信 号转换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形 从光源器件的尾纤发送出去。在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是 光频载波，通过调制，使其载荷信息，一般采用直接强度调制的方式。 光发送机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路等构成，其核心是光源及 驱动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号( 如p c m 脉冲) 进行整形，变 换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出 的连续光波。为了稳定输出的平均光功率，通常要设置一个自动功率控制电路。 光发射端原理框图如图所示： 2 2 1 光源 图2 1 光发射模块电路框图 2 2 光发射端关键技术 光纤通信系统传输的是光信号，作为光纤通信系统的光源，便成为重要的器 件之一。它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在 光纤传输线中传送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光 器件，应满足以下要求： ( 1 ) 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率； ( 2 ) 光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即o 8 5 um 、1 3 lum 和1 5 5 um ( 3 ) 可以进行光强度调制； ( 4 ) 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波 长稳定性和光谱稳定性； 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 5 ) 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离； ( 6 ) 温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。 能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管。最常用的半导体发光器件是 发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 。前者可用于短距离、低容量或模拟系统，其 成本低、可靠性高：后者适用于长距离、高速率的系统，两者的性能比较： 激光二极管发光二极管 1 输出光功率较大，几m w 到几十m w 。输出光功率较小，一般仅l m w 到2 m w 。 2 调制速率高，几百姗z 到几十g h z 。调制速率低，几十到2 0 0 m h z 。 3 带宽大，光束方向性强，发散度小。带宽小，方向性差，发散度大。 4 与光纤的耦合效率高，高达8 0 以上。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。 5 光谱较窄。光谱较宽。 6 在要求光功率较稳定时，需要a p c可在较宽的温度范围内正常工作。 7 输出特性曲线的线性度较好在大电流下易饱和。 表2 1 光源l e d 与l d 的性能比较 根据l e d 和l d 的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便 于应用。考虑到在本光纤通信系统所需的无中继传输距离是5 0 公里，传输距离较 长，因而选用入纤光功率大的l d 作为系统光源，其特性曲线如图： |。一f 盘! 讯n n n ，。 + 。翱 l 广一 i 。一 r 一 4 _ - i ：| - 啼 图2 2 激光器的输出功率与温度、老化特性的关系 由图可见，l d 的输出特性受环境温度变化和老化效应的影响变化较大，这些变 化主要表现在l d 闽值电流和微分量子效率的变化上，随着温度的升高，l d 阈值电 流增加，微分量子效率下降，温度越高，曲线效率就变得越小，即l d 的电光转换 效率越小。如果在图中所示的l d 驱动电流( 直流偏置电流加调制电流) 不变的条 件下，其输出光脉冲下降的幅度已经超出准许范围，这在具体的应用中，很可能 发生中断。如果l d 的驱动电流由于具体应用的要求本来就很小时，则l d 因环境 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 温度变化就可能发不出激光而根本无法维持正常的通信工作。 针对以上情况，为了稳定l d 的输出光功率不变，简单有效的控制方法是调整 驱动l d 的直流偏置电流，即当阈值电流发生变化时，其直流偏置电流随即发生相 应的变化，以保证在l d 的调制电流不变的条件下，保持l d 的输出光功率恒定不 变。通过调整l d 的直流偏置电流从而达到稳定其输出光功率恒定不变的自动光功 率控制的方法很多，目前在光纤通信系统中普遍采用平均光功率反馈控制法，这 种控制方法比较简单。而且其控制效果也比较好。具体原理和控制电路在以后章 节将详细介绍。 2 2 2 光源的调制 在光纤通信中，我们必须把电信号转变成光信号，这样才能在光纤上传播。 在光纤通信系统中，信息由l e d 或l d 发出的光波所携带，光波就是载波，把信息 加载到光波上的过程就是调制。经调制后的光波经过光纤传送至接收端，进行光 解调，还原出原来的信号，光源调制“1 可以分为直接调制和问接调制。 1 、光源的直接调制 直接调制是直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数( 光强、频率等) ， 使光源发出的光载波功率大小在时间上随着驱动电流变化而变化，也称为强度调 制，简称i m 。这种调制方式只适用于半导体激光器和半导体发光二极管。这是因 为发光二极管和激光器的输出功率( 对激光器来说，是指阈值以上的线性部分) 基本上与注入电流成f 比，而且电流的变化转换为光频调制也是线性的，所以可 以通过注入电流来实现光强度调制。在数字光纤通信系统中，数字信号的强度调 制，主要的调制方式是由二进制p c m 数字信号“1 ”码、“o ”码对光源器件进行强 度调制，对光载波功率进行通断键控，其原理图如下： 图2 3 l d 光源的直接调制原理图 第l o 页 国防科学技术人学石j f 究生院学位论文 2 、间接调制 间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光 辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器，也使用于其他类型的激光器。 间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成后加载调制信号。它是在激光 器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些 物理特性发生相应的变化，当由光源发出的激光通过它时，得到调制。在高码速 率强度调制一直接检波的光纤通信系统或外差光纤通信系统中，一般采用对光源 的外调制方式。 直接调制方法虽然电路简单容易实现，仅用于中低速率光纤通信系统中。在 高速率下采用这种调制方法时，将使光源的性能变坏。例如，使光源的动态谱线 增宽，造成光传输时色散增加，导致在光纤中所传脉冲波形展宽，结果限制了光 纤的传输容量。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能， 尤其适合于高速率下运用。本课题数字信号调制速率为几m | i z ，因此光源调制方式 采用直接调制方式。 2 2 3 光发送端机电路原理 光发射部分由偏置控制电路给激光源提供偏置电流，数据信号进入高速缓冲 器整形后，形成调制电流，驱动激光源输出光信号，完成数据发射。调节偏置电 流和调制电流可以控制光发送模块的消光比和输出功率稳定，称之为a p c 自动功率 控制电路。光源的驱动部分和自动功率控制部分是光端机的核心部分，它们决定 着光发射机的输出光信号的有无及输出光功率的稳定与否。驱动电路和自动功率 控制电路是整个通信系统电路设计的关键，是决定系统性能优劣的首要因素。 1 、驱动电路原理”1 驱动电路的作用是将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源 的输出上。l d 是闽值器件，驱动电路应能对l d 同时提供偏置电流和随信号而变化 的调制电流。光发射端机性能指标要求如下： ( 1 ) 输出光功率必须保持恒定，要求在环境温度变化或l d 器件老化的过程中， 其输出光功率保持不变，或者其变化幅度在数字光纤工程设计指标要求的范围内， 以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。 ( 2 ) 光发送机发送的光脉冲的消光比应尽可能大，以免接收机的光接收灵敏 度受到损害。 光源在直接强度调制下，由于考虑一定的偏置电流，使的无信号脉冲时仍会 有一定的输出功率。这种残留的光将在接收机中产生噪声。消光比定义为激光器 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在全“1 ”码时发射的功率与全“o ”码时发射的功率之比，即： pp e 柙1 _ 竺i 或e y 丁= 1 0 l g 竺i & o。压。 光源的消光比将直接影响接受机的灵敏度，为不使接收机的灵敏度明显下降， 消光比一般应大于1 0 ( 1 0 d b ) 。 ( 3 ) 光脉冲的响应时间及开通延迟时间必须远小于每个码元的时隙，以便使 光脉冲成为传输数字信号的准确重现。 当调制速率较高时，l d 的开通延迟会引起光脉冲波形的失真，劣化数字光纤 通信系统的传输质量。所谓开通延迟是l d 的一种高速调制效应，是指l d 在接通阶 跃脉冲电流以后，受激发光与电流脉冲之间的延迟。当输出某一光功率时，调制 电流幅度越小，l d 电一光响应就越快。 ( 4 ) 输出光脉冲无张弛振荡和自脉动 l d 的张弛振荡频率不仅与其有源区内的电子寿命、谐振腔内的光子寿命以及 阈值电流有关，而且与直流偏置电流成正比变化。l d 的张弛振荡频率可以认为是 l d 的调制截止频率，从电路应用上考虑，可以以利用提高l d 驱动电路中的直流偏 置电流来提升l d 的张弛振荡频率使其高于l d 实际的调制频率，从而避免张弛振 荡的出现。 为了减少光脉冲的张驰振荡现象，必须先加偏置电流，后加上调制电流脉冲， 偏置电流的大小，直接影响l d 的高速调制性质，选择偏置电流的要求是： ( 1 ) 加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张驰 振荡得到一定程度的控制。 ( 2 ) 当激光器偏置在阂值附近时，较小的调制脉冲电流能得到足够的输出光脉冲， 厶和，。+ ，。的值相差不大，从而可以减小码型效应和结发热效应的影响。 ( 3 ) 太大或太小的偏置电流会使消光比恶化。 综上，从l d 调制特性上来考虑，提高l d 驱动中的直流偏置电流，。对各方面都 有利。但这样做会恶化l d 输出光脉冲的消光比，影响数字通信系统中数字光接收 机的光接收灵敏度，因此应从其系统总体设计需要进行综合考虑。根据l d 的调制 速率不同，在低速率调制时， 。可以小一些，即，。比厶偏小的幅度大一点；而 在高速调制 块的前置放大、限幅放大动电路是射? _ 及 孥粒颧勘射裁编 x 里堕型兰垫查奎兰竺塑生堕兰垡丝奎 图2 4 射极电流开关驱动电路 射极耦合电流开关驱动电路如图，工作于开关状态的正、五通过射极电阻尼耦 合形成电流开关，正的基极上加上固定的参考电压k ，正的基极上加上调制信号 。当 时，互导通，电流通路为r 。一五一足，没有驱动电流流过激光器 l d 。当 k 时，正导通，电流通路为l d 一疋：五一咒。这两个管子流过的电 流大小相同的，只是随着。的变化而轮换分别通过。当l 导通时，驱动电流流过 激光器l d ，发出激光。 2 、光功率控制电路原理 由l d 的p i 特性可知，l d 的闽值电流随温度升高和管子的老化而提高。如果 加在l d 上的驱动电流，。+ 厶不变，则会使l d 的输出光功率下降。如果l d 的驱动电 流由于具体应用的要求决定本来就较小时，则l d 因环境温度的变化或老化就可能 发不出激光而根本无法维持正常的通信工作。因为信号电流，不会变，所以要保 持原有的输出光功率就必须增大偏置电流。 针对以上情况，为了稳定l d 的输出光功率不变，调整驱动l d 的直流偏置电流， 即当l d 的阈值电流发生变化时，其直流偏置电流随及发生相应的变化，以保证在 l d 的调制电流 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 为了简化电路，在实验室研发阶段，省却了自动功率控制电路。 2 3 光发射模块的性能指标 2 3 1 平均发送光功率 l 、标称比特率 是指传输码速率，对于光发送部分是可接收输入电调制信号的码速率；对于 光接收部分是指可以接收输入光的传输码速率。 2 、平均发送光功率 光发射模块在所规定比特率的电调制信号的调制下正常工作时的平均发送光 功率。对带有尾纤的激光二极管来说，平均发送光功率即为光纤末端发射出的光 功率，定义为只。光输出功率的单位为m w ，一般把d b 作为平均发送光功率单位： d 日m = 1 0 1 9 【最( ) 】 平均发送光功率与光源类型、标称波长、传输容量、光纤类型有关，而且对 于一个实际的光纤通信系统，发送光功率越大，通信距离就越长。对于本课题而 言，要求传输速率为几m b p s ，标称波长为1 3 1 0 n m ，无中继传输数字信号5 0 公里， 而在低速光纤传输系统中，限制传输距离的仅为光纤的损耗，因此，采用l d 光源时， 光发射模块的平均输出光功率要大于等于o d b m 。 2 3 2 消光比 在数据光传输系统中，在传输数字信号过程中，发“o ”码时，光发射模块应无 光功率输出。但是，实际的光发射模块由于光源器件本身的问题以及直流偏置，致 使发“0 ”码时也有微弱的光输出，由理论分析可见，这种情况将使接收机的灵敏度 下降，描述光发射机上述这种性能的指标，就是消光比e x t 。 一全”1 ”码平均输出光功率 全”o ”码平均输出光功率 l d 预偏置下的光是一种无用信号，它的存在降低了信噪比因此消光比“” 的大小在一定程度上反映了光发射信号信噪比根据数字信号误码率统计特性分 析，信噪比越小，则误码率越大，i t u t 规定长距离传输时，消光比为1 0 d b ，其它 情况下为8 2 d b 。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章光接收模块 3 1 光接收模块的功能及总体方案设计框图 3 1 _ 1 光接收模块的功能 数字光接收模块在数字光纤通信系统中的作用是将经光纤传输后衰减变形的 微弱光脉冲信号通过光电探测器转换为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡与 定时后，再还原成为标准的数字脉冲信号。 光接收模块必须有足够的带宽以保证对输入光信号脉冲作出正确反应。传输 的码速越高，要求的带宽越宽。光接收模块电路末端的均衡滤波器和放大器配合， 以提供升余弦脉冲和限制噪声，从而使光接收模块能获得较低的误码率和较高的 接收灵敏度。 3 1 2 总体方案设计框图 光接收模块的总体方案设计框图如图所示它由光电探测器、前置放大器，主 放大器、自动增益控制电路( a g c ) 、均衡器与时钟恢复电路、判决器及串并转换 电路所组成。 图3 1光接收模块总体方案设计框图 在接收机中，首先由光电探测器将由光发送机送出的经光纤线路传输后的微 弱的光信号转变为电信号。光电探测器的输出信号电流很小，必须由低噪声、宽 频带的前置放大器进行放大。光电探测器和前置放大器构成光接收机前端，其噪 声性能将是决定接受灵敏度的主要因素。主放大器与均衡器构成接收机的线形通 道。其作用是对信号进行高增益的放大并对经传输和放大后的失真信号进行补偿、 整形、提高信噪比，减少误码率，使输出的脉冲适合判决的要求。定时判决与时 钟提取电路的作用是从收到的带有噪声和畸变的波形中识别信码“1 ”和“0 ”， 然后由再生电路重新产生和发端一样的数字脉冲序列。为了使光接收机输出保持 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 恒定，采用了自动增益控制( a g c ) 电路，它是由峰值检波、直流放大和控制电路 组成。串并转换电路的功能是将经判决器判决再生后的串行数据信号转换成并行 数据信号，以便进行存储和进一步的处理。如果在发射端进行了线路编码( 或扰 码) ，那么，在接收端需要有响应的译码( 或解扰) 电路。 3 2 1 光电探测器 3 2 光接收模块关键技术 光电探测器。“可以用p i n 或a p d ，p i n 光电二极管具有好的光电转换线度， 只需要1 0 一2 0 v 偏压即可工作，不需要偏压控制。a p d 需要几十至2 0 0 v 偏压，由于 温度变化对增益影响大，故需对偏压进行控制或者温度补偿；p i n 光电二极管不能 使原信号发生倍增，而a p d 能够使原信号光电流倍增，从而使接受模块的探测灵 敏度增加，但噪声电流也放大，引入新的噪声成分。为了简化光接收模块的电路， 一般采用p i n 光电二极管作为光电探测器。 光纤通信系统对光电检测器的要求包括： ( 1 ) 对光纤通信系统光信号的工作波长有较高的响应度或灵敏度。 ( 2 ) 响应速度要快，要求光电检测器有足够快的响应速度或足够宽的带宽，使光电 检测器尽可能没有失真或小失真地将接收到的光脉冲信号转变为电脉冲信号。 ( 3 ) 引入的附加噪声要小。光信号经过长距离传输后到达接收端，由于各种衰耗， 信号己变的十分微弱，噪声已相对较大，所以光电检测器引入的噪声电流应越小 越好。因为在光电转换过程中引入的附加噪声都必然会被后面的放大电路放大而 不可能被消除。如果噪声电流大到可以与光电转换输出电流相比拟时，信号被噪 声所淹没，接收机无法从噪声电流与信号电流的混杂中正确的判决再生出有用的 信号，就会发生失真。所以光电转换过程引入的噪声大小，直接决定光接收机的 性能指标。噪声的主要来源是暗电流产生的散粒噪声、倍增噪声、量子噪声和信 号起伏噪声等。在设计和使用时应尽可能把噪声降到最小，从而提高信噪比。 ( 4 ) 温度特性要好。其它的要求还有体积要小、寿命要长、对电源要求低，以及要 稳定、可靠、便宜。 对两种检测器p i n 和a p d 比较可知，p i n 的电路简单，温度稳定性好，而且可 以提供足够的接收灵敏度，为了简化光接收模块的电路，一般采用p i n 光电二极 管作为光电探测器。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 2 前置放大器 在光接收机中，影响信噪比比的主要因素是光电转换器的噪声和前置放大器的 噪声，光电探测器的输出信号很微弱，前置放大器的作用是把光电探测器的输出 作一定程度的放大。前置放大器做为信号放大的第一级，其噪声对接收机灵敏度 影响较大，前置放大器性能和功能将直接影响到光接收机的设计和性能指标。通 常采用降低前置放大器的噪声来提高光接收机的动态范围。前置放大器。4 6 ”1 的 电路类型主要有三种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻型前置放大 器。 1 、低阻抗前置放大器 低阻抗前置放大器是一种最基本的放大器电路，如图所示它的第一级是双极 型晶体管( b j t ) 放大器。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r c 小于信号脉冲宽度t ，因而码间干扰小。但噪声较大，灵敏度差，实际 中很少采用。 l ： l ：4 叫骞扪 f i 寰tl i 图3 2 低阻抗前置放大器 这种前置放大器从频带的要求出发选择偏置电阻，使之满足： b 二一 ( 3 1 ) 1 2 万b c ， 其中坼为等效输入电阻，g 是总输入电容。这种电路的特点是线路简单， 且动态范围大。但是，这种前置放大器的噪声较大，灵敏度差，实际中应用较少。 2 、高阻抗前置放大器 高阻抗前置放大器电路如图所示，高阻型前置放大器的第一级为输入阻抗 大、噪声小的场效应晶体管( f e t ) 放大器。为了降低前端电路的噪声，提高接收 机的灵敏度，应尽量加大偏置电阻。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 3 高阻抗前置放大器 在高阻抗前置放大器中，由于其输入阻抗高，输入电路的时间常数大，因此 高阻抗前置放大器的带宽较窄、动态范围较小。这样在高速信号下，信号脉冲会 产生严重失真；为使由高阻抗前置放大器构成的数字光接收机的输出波形有利于 定时判决而需采用复杂的均衡网络，因而这种电路只适用于中低速率传输系统。 ( 3 ) 跨阻型前置放大器“1 跨阻型前置放大器实际上是电压并联负反馈放大器，如图所示这种跨阻型放 大器的偏置电阻r 和反馈电阻r ，的值可以取得很大，从而使电阻的热噪声大为减 小。这是一种性能优良的电流一电压转换器，具有频带宽、噪声低、动态范围大 的优点，在目前光纤通信中得到了广泛应用。 r 图3 4 跨阻抗前置放大器 考虑其频率特性，上截止频率为： 厶2 去 z ， 置是跨阻型放大器的等效输入电阻，为： r = 嵩月，“嵩 。， 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a 是放大器的增益，也即跨阻型放大器的输入电阻很小，它是通过牺牲一部分 增益，使放大器的频带得到明显改善。对这种放大器，偏置电阻和反馈电阻的值 可以取得很大，从而使电阻的热噪声大为减小。同时由于负反馈的作用，在考虑 串联电压噪声源时，足= 胄，i i 咒0 碍置，因此前置放大器的噪声也是很低的。 3 2 3 主放大器 主放大器是一个高增益的宽带放大器，它放大来自前置放大器输出的小信号电 压一般情况下，通过主放大器放大的信号基本上是无失真的前置放大器的输出信 号，为了判决电平的需要，主放大器输出电压为卜3 伏( 峰一峰值) 。对于不同输 入光功率信号，其放大增益可以通过a g c ( 自动增益控制) 调整得到不同大小的数 值，从而保证其输出电平幅度不变主放大器的作用有两个方面： 1 、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。 2 、主放大器本身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输入信号的影响。 3 2 4 均衡器 在光纤通信系统中，由于光纤线路和光接收机的频带是有限的，当发送信号 为脉冲函数时，接收机输出的信号波形将产生上升缓慢、下降拖尾较长的失真， 使前后码元在波形上相互重迭而产生码间于扰，引起波形失真，造成误码，降低 光接收机的灵敏度。如图： 图3 5 导致码问干扰的光信号脉冲展宽 均衡低通滤波的作用是对主放输出的失真数字脉冲进行整形，将输出波形均 衡成具有升余弦波频谱函数特性，做到判决时无码间干扰。均衡器将波形进行修 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 正，成为判决电路容易识别的波形。滤波器的作用是滤除已被均衡的接收信号中 的噪声，进一步把接收信号变成具有升余弦频谱波形。，尽管还有拖尾，但在所 有判决时刻，拖尾都过零点，基本消除码间干扰。 在对数字光接收机放大器的传输函数或输出函数的归一化处理的要求中，规 定其输出函数必须是具有升余弦频谱的函数，这种输出波形在判决时刻的瞬时值 最大，而在邻近其它码元的判决时刻都为零，没有码间干扰。与之对应的输出波 形表示如下： ( r ) =s i n t c o s c 争， 对于升余弦频谱的波形： ，= 仨 升余弦波函数为； 日( 国) = 孚【l 一( 竽) ：】 66 ( 3 4 ) f = 0 ( 3 5 ) f = 露丁( 七o ) t 。悱半 扣s i n 刍( ；删】尘悱翌s ， o 学h ， 。 其中瓦为一个码元所占的时间( 时隙) ，为衰降因子。 7 釉。点黜 q“ 霉 。眨一一 烈舞 矛， 弋1 敞 图3 6 升余弦频谱的波形图3 7 升余弦波函数 3 2 5 判决再生与时钟提取”- ”，“3 光检测器产生的电信号在经过放大和滤波以后，判决电路就把每个时隙中的 信号与称为阈电平的某个参考电压进行比较。如果接收到的信号电平比阂电平大， 国防科学技术大学研究生院学位论文 影响接收模块灵敏度的主要因素是噪声，表现为信噪比。信噪比越大，表明 接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。光接收模块灵敏度是系统性能的综合 反映，除了上述接收机模块本身的特性以外，接收信号的波形也对灵敏度产生影 响，而接收信号的波形主要由光发送端的消光比和光纤的色散来决定。光接收模 块灵敏度还与传输信号的码速有关，码速越高，接收灵敏度就越差。这就影响了 高速传输系统的传播距离。即速率越高，接收模块灵敏度越差，传播距离就越短。 3 3 3 动态范围 光接收模块前置放大器输出的信号一般较弱，不能满足幅度判决的要求，因 此还必须加以放大。在实际光纤通信系统中，光接收模块的输入信号将随具体的 使用条件而变化。造成这种变化的原因，可能是由于温度变化引起了光纤损耗的 变化，也可能是由于一个标准化设计的光接收模块，使用在不同的系统中，光源 的强弱不同，光纤传输距离也不同。这样，光接收模块接收光功率就不可能一样。 为了使光接收模块正常工作，接收信号不能太弱，否则会造成过大的误码率。 但接收信号也不能太强，否则会使接收模块放大器过载，而造成失真。因此光接 收模块正常工作时，接收光信号的强度应该有一个范围。 把光接收模块在保证一定的比特误码率条件下，所能接收的最大光功率( 用d b m 来 描述) 与最小光功率( 用d b m 来描述) 之差，称作光接收模块的动态范围d 。，即： p 喀= 1 0 1 9 争( 曲) 一般希望光接收模块的动态范围越大越好，实际中一般为1 6 2 0 d b 。 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章远程水下光收发模块的具体设计与实现 4 1 引言 数字光纤通信系统包括光发射机、光接收机以及传输光路，光发射机和光接 收机，是光纤传输系统的重要部件。前两章己重点阐述了光发射电路和光接收电 路的原理结构，本章重点介绍光发射部分和光接收部分的具体电路设计，完成低 传输速率、1 3 1 0 n m 发射波长的光收发一体模块的整体设计，包括原理电路、电路 制板、接口设计、光接口性能指标测试等，同时能够将数字信号经光纤线路无中 继传输5 0 公里。光收发模块设计框图如下： 图4 1 光收发一体模块电路设计框图 4 2 光发射电路的实现 光源的驱动部分和自动功率控制部分是光端机的核心部分，它们决定着光发 射机的输出光信号的有无及输出光功率的稳定与否。驱动电路和自动功率控制电 路是整个通信系统电路设计的关键，是决定系统性能优劣的首要因素。 4 2 1 光源及驱动电路n 1 ，”，“1 本课题所设计的光纤数字传输系统，需满足的要求为低速率、远距离。因此 光端机中光发射模块的光源选用半导体激光二极管( d f bl d ) ，相应的调制方式采 用强度直接调制，用数字电脉冲信号驱动激光二极管发光，完成模块电光转换过 程。水下光发射模块正常工作时，温度变化不大，可以保持稳定的发射光脉冲消 光比，因而为了简化电路，相应的a t c 电路和a p c 电路可不选用。 一、激光光源参数指标 波长 阈值电流 = 1 3 1 0 n m 厶= 2 0 m a ( + 2 5 。c ) 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 2 2 激光驱动器与激光二极管的接口 在光纤收发器中，激光二极管的性能和工作状态对整个系统的性能的影响是很 大的，因而激光驱动器与激光二极管的接口“3 3 设计是光纤通信设计中的关键。 驱动器和激光管之间用直流耦合的方式连接是一种简单的接口方式。当电源 电压降到+ 3 3 v 时驱动器的电压余量不足以使驱动器快速切换( “电压余量”指供 电电压v c c 与电路上压降和的差) 。含有激光二极管电路的电压余量的计算必须考 虑激光器的压降和激光器封装造成的寄生电感上的暂态压降和阻尼电阻r 。上的 压降。如图所示： 图4 3 激光驱动器与激光二极管的接口设计图 驱动器和激光管的连接性能取决于两者的距离如果距离小于几毫米，不必用 传输线，尽可能减少寄生因素。引线和激光管封装连线电感造成的感性负载可能 需要电阻( r ，) 和电容( c ，) 组成的r c 分流网络来补偿。r c 分流网络的目的是为 了消除寄生电感，从而保持纯电阻性负载，减少过冲和振铃。串联阻尼电阻( r 。) 有两个作用既抑制了导致输出失真的反射，又建立了一个稳定的负载。另外偏置 电感应直接连接到激光管的阴极，这样r 。就不会在驱动器的偏置级引起电压余量 问题。 4 3 光接收电路的实现 发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形 被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱信号，并放大、再生成原传输 的信号。对强度调制的数字信号，在接收端采用直接检测方式( 叩) 。 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在工程上，光接收机一般选用组件，即p i n 、放大器、均衡、a g c 均集成在一 起。对于本课题，因为所传信号最高才为几m b p s 所以仅选择带前置放大的组件即 可。对于光纤通信来说，这么低的信号速率是不需要均衡和自动增益控制电路的， 这样只要再设计一个主放大器就能恢复出信号来。 4 3 1 光电探测器 因p i n 的电路简单，温度稳定性好，而且可以提供足够的接收灵敏度，所以选 用p i n 光电检测器。本系统选用p i n 光电二极管特性参数如下：， 1 、光谱响应范围：五= 9 0 0 1 7 0 0 n m 2 、响应度见 响应度是表征光电转换效率高低的物理量，是指光电检测器的平均输出电流 r i r ，与其平均入射光功率p 0 之比，即：吃= 詈( a w ) ，系统所选用的光电探测 1 0 器响应度为o 9 0 a w ( = 1 3 u m ) 。 3 、响应线性饱和功率：4 m w 线形度是指探测器的输出光电流与输入光功率成比例的程度和范围。 4 、响应时问：，= 2 5 舢 光电检测器的响应时间是指从它接收到光子的时间起到它能够有光生电流输 出的这段时间。 5 、暗电流：j 。= 5 以 衡量光接收机性能好坏的一个重要标准是信噪比，光接收机噪声【1 2 2 1 主要来 源于光电检测器及其后面的前置放大器。就光电检测器而言，产生噪声的原因之 一是其暗电流的起伏。暗电流是指光电检测器在无光照射时产生的电流。它主要 是由热激发而产生的载流子引起的。暗电流与温度有关，温度越高，暗电流越大。 4 3 2 互阻前置放大器 一、互阻前置放大器的功能及要求 p i n 光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号，然后将电流信号送到一个 互阻前置放大器( t i a ) 。互阻前置放大器负责将电流信号转换为电压信号并且尽 量减小噪声和其它的干扰。转换后的单端电压接着被t i a 放大并转换为差分信号 ( 一般情况下) ，以满足高性能接收器的要求。t i a 应该既能承受高过载，又具有高 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 互阻放大器 输入引脚上的信号电流流入高增益放大器的相加节点；通过电阻r 。的并联反 馈将该输入电流转换成电压，而肖特基二极管用来大输入电流的输入信号，如图 所示： 埔n i t h d e w ”e 伐玎跚t s l 蝴址疆饿矗l 8 a 盯张l t 沾脯e 辩醐s 图4 5 输入人电流信号钳位 ( 2 ) 电压放大器 电压放大器提供额外增益，并将互阻放大器的单端输出转换成差分信号。 ( 3 ) 输出缓冲器 输出缓冲器设计用来驱动o u t + 与o u t 一之间的2 0 0 q 差分负载。为使电源噪 声减小，m a x 3 6 5 7 应端接差分负载。 ( 4 ) 消直流电路 消直流电路利用低频反馈来消除输入信号中的直流成分，此特性可使输入 信号位于互阻放大器线形范围中央，从面降低脉宽失真。如图所示： 删蛐e 嗽i t 瀚悯约d 耪畦 公公、 v 瀚耐t 硐? b 0 e 甾辩e a 捕n 洲 图4 6m a x 3 6 5 7 内部消直流电路波形不意图 消直流电路是在内部进行补偿，不需要外接电容。此电路可使具有5 0 符号密度的数据流的脉宽失真最小。将f i l t 引脚接地可禁用消直流电路，标准工 作模式下必须采用消直流电路。消直流电流从输入中拉出，并会产生噪声，对于 很少或完全没有直流成分的低电平信号，噪声增加并不明显，但直流成分较大的 输入信号会增加放大器的噪声。 2 、具体电路 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 如图所示，姒x 3 6 5 7 前端接一个p i n 光电二极管，后端通过和v c c 相连的r 。， 为光电二极管提供正偏置电压图中i n 是来自p i n 光电二极管的输入信号：v c c 采 用+ 3 3 v ：g n d 接地：o u t + 和o u t 一是差分信号输出端 斟 4 3 3 主放大器 图4 7 光探测前端具体电路设计 一、主放大器的功能与要求 主放大器是一个高增益的宽带限幅放大器，它放大来自前置放大器输出的小信 号电压，通过前级限幅放大器将互阻前置放大器输出的信号放大到后级判决电路 所需要的信号电平。一般情况下，通过主放大器放大的信号基本上是无失真的前 置放大器的输出信号，为了判决电平的需要，主放大器输出电压为卜3 伏( 峰一峰 值) 。对于不同输入光功率信号，其放大增益可以通过a g c 调整得到不同大小的数 值，从而保证其输出电平幅度不变主放大器的作用有两个方面： 1 、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。 2 、主放大器本身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输入信号的影响。 二、限幅放大器集成电路m a x 3 9 6 9 l 、概述 m a x 3 9 6 9 是一款提供p e c l 数据输出的限幅放大器，非常适合低成本光接收器 应用。它具有1 m v p p 输入灵敏度，集成功率检测器用来检测输入信号功率。它具 有接收信号强度指示器( r s s i ) ，产生功率等级的模拟指示。信号强度还可以通过 互补的t t l 信号丢失( l o s ) 输出和p e c l 信号检测( s d ) 输出指示，这两个输出表示 第3 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 相对于可编程门限的功率等级。可以调节门限，检测低至2 7 m v p p 的信号幅值。 当信号低于设定门限时，静噪功能可禁止数据输出切换，将信号保持在己知状态。 2 、芯片工作原理图 m a x 3 9 6 9 包含一系列限幅放大器、功率检测器、失调校准、数据静噪电路、用 于l o s 输出的t t l 缓冲器、以及用于信号检测( s d ) 和数据输出的p e c l 输出缓冲器 等。功能框图见图所示： 咻 帆 锄u b 棚 嬲 【o s 蕊 图4 8 主放大器m “3 9 6 9 内部结构框图 ( 1 ) 增益级和失调校准 多级限幅放大器能够获得大约6 5 d b 的小信号组合增益。这个较大的增益使放 大器容易受到信号通道上小直流失调的影响。为了校准直流失调，放大器使用一 个内部反馈回路进行直流自动归零。对直流失调进行校准，能够改善限幅放大器 的接收灵敏度和功率检测器精度。失调校准针对占空比为5 0 的数据流进行了优 化。其它的平均占空比会导致信号脉宽失真增加以及灵敏度降低。当输入信号低 于3 0 m v 。时，失调校准电路对输入信号占空比的变化不大敏感。为了保证失调校 准回路正常工作，数据输入必须采用交流耦合。 ( 2 ) 功率检测器 每一级放大器都有一个对数f w d ，表示输入信号功率的r m s 。所有的f w d 输出 在f i l t e r 引脚累加，此引脚信号通过一个外接于f i l t e r 和v c c 引脚之间的电容 ( c 。r ) 进行滤波。f i l t e r 信号产生r s s i 输出电压( v r 。) ，该输出电压与用分 贝表示的输入信号功率成正比。当l o s 为低电平时，v r 。可用下面的公式近似计 算：v r s s i ( v ) 21 2 v + o 5 l o g ( v m ) 其中v 。为用m v p ，表示的数据输入电压。r s s i 输出通常接一个a d 转换器以实 第3 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 现诊断监视。如不需要此功能，则该引脚可以悬空。 ( 3 ) 信号强度比较器 用一个比较器来指示输入信号强度与用户设定门限的比较结果。比较器一个 输入端接r s s i 输出，另一输入端接门限电压( v 。) ，该值由外部设定，作为信号强 度指示的门限电压。当输入信号强度高于门限时，s d 输出高电平，l o s 输出低电 平。同样，当信号强度低于门限时，s d 输出低电平，l o s 输出高电平。 ( 4 ) 静噪功能 当输入信号功率低于设定门限时，静噪功能能够禁止数据输出，强制o u t 一 端输出低电平，o u t + 端输出高电平。将s q u e l c h 引脚接地或悬空禁止静噪功能， 接v c c 则使能静噪功能。 ( 5 ) p e c l 输出 数据输出( o u t + ，o u t 一) 和信号检测输出( s d ) 均为参考于电源的p e c l 输出，要 实现正常工作，两个数据输出必须端接，但s d 输出如果不用可以悬空。 ( 6 ) t t l 输出 l o s 输出( l o s ，l o s ) 采用集电级开路、肖特基箝位、e s d 保护、t t l 兼容输出。 正常工作时l o s 输出端需外接上拉电阻，推荐使用4 7 k q 至1 0 k d 的电阻。如不需 要l o s 输出，则该引脚可以悬空。 3 、具体电路实现 如图所示，限幅放大器雌x 3 9 6 9 是一个高增益的宽带限幅放大器，它放大来 自前置放大器m a x 3 6 5 7 输出的小信号电压，通过前级限幅放大器将互阻前置放大 器输出的信号放大到后级判决电路所需要的信号电平。因为本课题所传输信号最 高才为几m b p s ，所以仅选择前置放大器和主放大器就能恢复出信号来。对于光纤 通信来说，这么低的信号速率是不需要均衡和自动增益控制电路的。 n 图4 9 光接收电路设计原理图 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 4p e c l 接口电路 p e c l 1 ”( p o s i t i v ee m i t t e r c o u p l e dl o g i c ) 是由e c l 标准发展而来的。 ( e m i t t e r c o u p l e dl o g i c ) 即发射耦合逻辑，是一种采用一5 2 v 对地电压实现的 电流开关型逻辑电路，开关速度较高，使用于高速数字电路中。p e c l 被称为带偏 置的发射极耦合逻辑，它仍采用标准的e c l 电平元件，但电源供电取代了e c l 中 的负电源，通过施加十5 v 对地的电压实现。p e c l 信号的摆幅相对e c l 要小，且由 于采用正电源供电，因此更适合于高速数据的连接。 4 4 1p e c l 接口输出结构 p e c l 电路的输出结构如图所示，包含一个差分对管和一对射随器。输出射随器 工作在正电源范围内，其电流始终存在，这样有利于提高开关速度。标准的输出 负载是接5 0 q 电阻至v c c 一2 v 的电平上，在这种负载条件下，o u t + 与o u t 一的静态电 平典型值为v c c 一1 3 v ，o u t + 与o u t 一输出电流为1 4 j 1 1