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1 第4章光端机 2 本章内容和重点 光发送机 光接收机 线路码型本章重点 光发送机和光接收机的功能 电路组成和工作原理 光通信常用线路码型 第4章光端机 3 学习本章目的和要求 掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理 熟悉光中继器的组成框图及工作原理 掌握光通信常用的线路码型 第4章光端机 4 信源 将用户原始信息转换为基带电信号 电发射机 将基带信号转换为适合信道传输的信号 包括数模转换多路复用 光发射机 将电信号转换为适合光纤传输的光信号 光纤通信系统组成 信源 电发射机 光发射机 光接收机 电接收机 信宿 300 3400Hz模拟基带电信号 已调光信号 PCM基群或高次群电信号 PCM基群或高次群电信号 300 3400Hz的基带信号 第4章光端机 5 光端机在光纤通信系统中的作用 光发射端机 将来自电端机的数字电信号经过码型变换 调制 以一定的耦合技术注入光纤中传输 光接收端机 将从光纤中收到光信号进行光电转换 经放大再生还原为原来的电信号 第4章光端机 6 4 1光发射机 作用 是把从电端机送来的电信号转变成光信号 并送入光纤线路进行传输 对光发送机的要求 1 有合适的输出光功率光发送机的输出光功率 是指耦合进光纤的功率 亦称入纤功率 光源应有合适的光功率输出 一般为0 01mW 5mW 2 有较好的通断比通断比的定义为全 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 7 4 1光发送机 3 调制特性要好所谓调制特性好 是指光源的P I曲线在使用范围内线性特性好 否则在调制后将产生非线性失真 除此之外 还要求电路尽量简单 成本低 稳定性好 光源寿命长等 8 输入接口 将电端机送来到HDB3码变换为普通二进制码 线路编码 将普通二进制码变换为适合在光纤链路上传输的码型 调制电路 为光源提供调制电流 控制电路 主要是APC电路 ATC电路 光源保护电路等 光源 一般为发光二极管或半导体激光器 实现光电转换 4 1 1光发射机的基本组成及功能 9 1 光发射机对光源的要求 1 发射波长应当与光纤的低损耗窗口相一致 且光谱宽度窄 2 电光效率高 线形好 方向性好 3 响应速度高 4 工作寿命长 稳定度高 体积小重量轻 4 1 1光发射机的基本组成及功能 10 2 调制和控制电路的要求 1 输出光脉冲的消光比足够大 2 输出的光脉冲宽度应当足够大 以克服电光延迟 3 应有足够的偏置电压 以抑制高速调制下的张弛现象 4 发光的应足够稳定 4 1 1光发射机的基本组成及功能 11 光强度调制 以信号去改变光的功率大小 1 调制方式 4 1 2光源的调制 12 内调制 直接调制 直接用电信号去驱动光源 成熟的调制方式 设备简单 但有啁啾 不利于高速调制 LED调制 I P I P LD调制 直接光调制图 偏置电流 4 1 2光源的调制 13 外调制 利用外调制器对激光器输出直流光信号进行调制 激光 电信号 激光器 直流驱动电路 光信号 解决了啁啾现象 适于高速数字信号 SDH SONET 模拟CATV 军事雷达等 并且可进行幅度 相位 频率调制 但对光源和光调制器要求很高 4 1 2光源的调制 14 间接调制 外调制 作用 电光调制 普科尔 克尔 效应 晶体的折射率与外加电场幅度成线性 非线性 变化 声光调制 声光效应 被介质中弹性波衍射的光波的强度 频率 方向等都随超声场变化 利用声光晶体 磁光调制 法拉第效应 外加磁场引起线偏振光偏振方向旋转 4 1 2光源的调制 15 1 电光调制 线性电光效应 光强 强度调制频率 频率调制相位 相位调制基本原理是利用电光晶体的电光效应 当外加电场变化时 将引起它们的折射率随之变化 4 1 2光源的调制 16 2 声光调制 工作原理 当调制信号变化时 由于压电效应 使压电晶体产生振动形成超声波 这个声波引起声光介质的密度发生变化 使介质的折射率跟着变化 从而形成光强随之变化 结果使光波受到调制 4 1 2光源的调制 17 3 磁光调制 4 1 2光源的调制 工作原理 利用法拉第效应得到的一种光外调制 入射光信号经过起偏器 使入射光变为偏振光 偏振光通过磁棒时 其偏振方向随绕在磁棒上的线圈的调制信号而变化 当偏振方向与后面的检偏器方向垂直时 输出光强最小 从而使输出光强随调制信号变化 实现了光的外调制 18 2 影响调制的因素 内调制存在的问题 电光延迟 张弛振荡 自脉动 1 电光延迟 激光器的输出光信号滞后于电信号的现象 原因 有源区的电子密度必须增加到一定的阈值才会有光出来 影响 出现码型效应 限制调制速度 4 1 2光源的调制 19 4 1 2光源的调制 码型效应电光延迟要产生码型效应 当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T 2为相同数量级时 会使 0 码过后的第一个 1 码的脉冲宽度变窄 幅度减小 严重时可能使单个 码丢失 这种现象称为 码型效应 如图 a b 所示 用适当的 过调制 补偿方法 可以消除码型效应 如图 c 所示 20 2 张弛振荡 当电脉冲注入激光器后 输出光脉冲顶部有一个幅度逐渐衰减的振荡 影响 当调制速度接近张弛振荡的频率时 容易产生误判 影响了调制的速度 原因 光子激发与电子注入的时间延迟 通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡 4 1 2光源的调制 21 3 自脉动现象 有些激光器再脉冲调制下或直流驱动下 当注入电流足够大时 输出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡 影响调制速度 4 1 2光源的调制 22 4 1 3调制电路及自动功率控制 1 共发射极LED驱动电路下图所示为由三极管组成的共发射极驱动电路 这种驱动电路主要用于以LED作为光源的数字光发射机 适用于10Mbit s以下的低速率系统 23 4 1 3调制电路及自动功率控制 2 射极耦合跟随器LD驱动电路下图是射极耦合跟随器LD驱动电路 适合于LD系统使用 这种电路为恒流源 电流噪声小 缺点是动态范围小 功耗较大 UB 24 4 1 3调制电路及自动功率控制 3 反馈稳定LD驱动电路下图是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路 其控制过程如下 25 4 1 3调制电路及自动功率控制 4 带自动功率控制的LD驱动电路更加完善的带自动功率控制 APC 的电路如图所示 图4 10APC电路原理 26 4 1 4温度特性及自动温度控制 1 激光器的温度特性 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率 d产生 如图 a 和 b 所示 当温度升高 阈值电流增加 外微分量子效率减小 输出光脉冲幅度下降 温度对输出光脉冲的另一个影响是 结发热效应 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 如图所示 结发热效应 将引起调制失真 27 4 1 4温度特性及自动温度控制 温度引起的光功率输出的变化 结发热效应 28 4 1 4温度特性及自动温度控制 2 光源的自动温度控制 ATC 1 温度控制装置的组成温度控制装置由致冷器 热敏电阻和控制电路组成 图示出了温度控制装置的方框图 自动温度控制原理方框图 29 4 1 4温度特性及自动温度控制 2 自动温度控制 ATC 原理下图示出ATC电路原理图 控制过程可以表示如下 ATC电路原理 30 4 1 4温度特性及自动温度控制 注 温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变化 不能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化 对于短波长激光器 一般只需加自动功率控制电路即可 对于长波长激光器 由于其阀值电流随温度的漂移较大 因此 一般还需加自动温度控制电路 以使输出光功率达到稳定 31 4 2数字光接收机 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 32 4 2 1光接收机的基本组成 强度调制 直接检波 IM DD 的光接收机方框图如图所示 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 数字光接收机方框图 33 光检测器 将线路中的光信号转换为电信号 1 响应波长与光纤的工作窗口相匹配 2 响应度高 3 噪声尽可能小 4 性能稳定 偏压控制 提供光电检测器的反向偏压 34 前置放大器由于该放大器与光电检测器相连故称为前置放大器 在一般的光纤通信系统中 经光电检测器输出的光电流是十分微弱的 为了保证通信质量 显然 必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大 但是多级放大在放大过程中会引入噪声 故 对多级放大器的前级就有特殊的要求 他应是低噪声 高增益的 具体放大器类型如上图所示 35 主放大器有两个方面 将前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平 他还是一个增益可调节的放大器 当光电检测器输入的信号出现起伏时 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内不受输入信号的影响 一般主放大器的峰值输出是几伏数量级 36 AGC电路 控制主放大器的放大倍数 以输出恒定幅度的电信号 均衡器 没有均衡器将出现的问题 若无均衡器 信号在经过前几级的器件后 将会产生严重的拖尾现象 将会使前 后码原的波型重叠 产生码间干扰 严重时造成判决电路误判 产生误码 37 均衡前 t 均衡后 均衡器的作用 它的作用是使经过均衡器以后的波形成有利于判决的波形 经过均衡以后的波形 在本码判决时刻 波形的瞬时值应为最大值 而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零 这样 即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾 但是这个拖尾在关键时刻为零 从而不干扰对邻码的判决 38 时钟提取和判决电路 通过时钟提取电路提取发送时钟 按时钟信号将均衡器中出来的畸变信号恢复为0 1信号 39 4 2 2光接收机的噪声特性 光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声 这些噪声的分布如图所示 光电检测器的噪声包括量子噪声 暗电流噪声 漏电流噪声和APD的倍增噪声 电路噪声主要是前置放大器的噪声 前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声 接收机的噪声及其分布 40 4 2 2光接收机的噪声特性 1 量子噪声 是指当一个光电检测器受到外界光照 其光子激励而产生的光生载流子是随机的 从而导致输出电流的随机起伏 这是检测器固有的噪声 2 暗电流噪声暗电流是指无光照射时光电检测器中产生的电流 由于激励出的暗电流是浮动的 就产生了噪声 称为暗电流噪声 3 雪崩管倍增噪声由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的 这种随机性 必然要引起雪崩管输出信号的浮动 从而引入噪声 4 光接收机的电路噪声主要指前置放大器噪声 其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声 41 4 2 3光接收机的主要指标 数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围 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 2 光接收机的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 即 42 4 2 3光接收机的主要指标 3 自动增益控制 AGC 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 电路原理框图如图所示 自动增益控制电路原理框图 43 一 编码原因PCM通信系统中的接口速率和码型 如下表所示 电端机 0 1 1 光端机 0 1 双极性码 单级性码 4 3光线路编码 44 双极性与单极性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OOK 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 最大值会达到正电平的一半 单极性与双极性信号的编码如图所示 45 图单极性与双极性信号 46 简单的二进制编码的问题 1 0 1码随机变化 因而直流分量随机变化 影响了判决电平 2 随机码流中容易出现常串连0和连1 使同步提取困难 3 没有误码检测能力 所以必须重新编码 编码的要求怎么样 4 3光线路编码 思考 简单的二进制码是否可行 47 二 光线路编码的要求 1 限制带宽 减少功率谱中的高频和低频分量 以减少直流分量的变化 有利于电平判决 减少误码 2 避免长的连0和连1 有利于定时信息的提取 3 能提供一定的冗余码 冗余码用于平衡码流或者误码检测或公务通信 4 3光线路编码 48 4 3光线路编码 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 传输速率如下表所示 49 4 3光线路编码 表4 1常用的线路编码 50 4 3光线路编码 1 分组码 mBnB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 即曼彻斯特码 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 51 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 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 4 3光线路编码 52 53 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 码 整个码字的代数和即为WDS 如果整个码字 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 4 3光线路编码 54 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 4 3光线路编码 55 4 3光线路编码 56 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 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 4 3光线路编码 57 58 59 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 4 3光线路编码 60 4 3光线路编码 2 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 61 4 3光线路编码 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 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 图 62 4 3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 63 4 3光线路编码 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 P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 当检测得m 1个码内 1 码为奇数时 则认为无误码 P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 当检测得m 1个码内 l 码为偶数时 则认为无误码 64 3 1B2B码伪双极性码 CMI和DMI 也是一种字变换型码 也可以认为它们是1B2B码 这种码保留了电缆数字传输中常用的双极性码的优点 用两个比特数字脉冲表示双极性码中的一个码字 1 码时以00和11相互交替 从而使码流中 0 和 l 均等 消除直流基线的起伏 连 0 数和连 l 数被限制在2或3 同时也可以自检误码 这种码型的缺点是冗余度大 仅在基群和二次群系统中使用 4 3光线路编码 65 4 3光线路编码 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 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 66 4 3光线路编码 4 扰码SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码 它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 出现的概率尽量相同 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 67 为保证传输的透明性 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 码与 0 码的分布 从而改善了码流的些特性 例如 扰码前 1100000011000 扰码后 1101110110011 4 3光线路编码 68 不能完全控制长串连 和长串连 0 序列的出现 没有引入冗余 不能进行在线误码监测 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 69 4 3光线路编码 表常用的线路编码 70 小结 1 光发射机与光接收机统称为光端机 光发射机实现E O 光接收机实现O E转换 2 数字光发射机基本组成包括 码型变换 光源 光源的调制 驱动 电路 光源的控制电路 ATC和APC 及光源的监测和保护电路等 3 对光源进行强度调制的方法分为两类 即内调制 直接调制 和外调制 间接调