机械毕业设计100一种TDM多路复用光端机的设计

密 级 公开 学 号 20011207 毕 业 设 计（论 文） 一种 TDM 多路复用 光端机的设计 院（系、部）： 信息工程学院 姓 名： 魏 星 年 级： 2001级 专 业： 通信工程 指导教师： 张 宁 教师职称： 副教授 2005 年 6 月 15 日北京一种 TDM 多路复用光端机的设计 I 摘 要 21 世纪被称为信息化时代，现代科学技术的核心是信息科学。知识经济和经济全球化必然依靠国际范围的信息网络化，显然，海量信息的高速传输是它的技术基础。利用光的奇异特性，由玻璃或塑料制成并以光波形式传播信息的光纤无疑是通信介质的最佳选择。 本设计是通过设计一种时分多路复用光端机，完成对模拟（话音）信号的光纤传输。本文首先介绍了光纤通信的基本概念、特点、发展趋势及光纤通信系统，接着对多路复用技术进行了较为全面地论述，主要研究了光发射机、光接收机、以及光中继器的组成和工作原理，并以电话光纤传输为例，研究并分析话音模拟信号是如何通过光纤进行模拟和数字传输的， 重点是通过实验直观的了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程并掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理。 设计主要分为三个部分。第一，对光纤通信系统的每一个组成部分深入了解，理解各个部分以及元器件的工作原理；第二，按照设计要求，以时分多路复用为例对时分多路复用数字电话系统进行具体研究；最后，仔细完成电话光纤传输系统实验。 关键词： 光端机，时分复用，光纤传输 一种 TDM 多路复用光端机的设计 II Abstract Known as information age in the 21st century, the core of the modern science and technology is information science. Knowledge economy and economic globalization must depend on the information networking of the international range; obviously, the high-speed transmission of magnanimity information is its technological foundation. Utilizing all strange characteristic, the optic fiber that is made of glass or the plastics and propagates information in the form of light wave is undoubtedly the best choice of the communication medium. The optical fiber transmission of simulate (voice) signal by designing a optical transmitter and receiver for time division multiplex is completed. At the first the basic conception, characteristic, developed trend and the composition are introduced. Then multiplexing technology and operation principle of optical repeaters else are explained and take telephone optical fiber transmission for example, analyzing how to transmit analogue and digital signal by optical fiber. The key point is focus on whole working process and of telephone pronounces signal by optical fiber transmission and the operation principle of analogue and digital telephone. The thesis is divided into three parts mainly. First, every component to the optical fiber communication system is understood deeply. Understand the operation principle of each part and components. Second, according to the designing requirement, take time division multiplex for example; the digital telephone system of the time division multiplex is designed. Finally, the experiment of telephone optical fiber transmission system is achieved carefully. Key words: Optical transmitter and receiver， Time division multiplex， Optical fiber transmission一种 TDM 多路复用光端机的设计 III 目 录 第一章 前 言 .1 1.1 光纤通信发展状况.1 1.2 光纤通信系统.1 1.3 光端机的概念及分类.2 1.4 多路复用光端机设计的目的和设计思路.3 第二章 多路复用技术 .5 2.1 多路复用的概念及分类.5 2.2 多路复用的原理.5 2.3 时分多路复用（ TDM） .5 第三章 光端机 .8 3.1 光发射机.8 3.2 光接收机.22 3.3 光中继器.28 第四章 数字电话光纤传输 .30 4.1 时分多路数字电话通信系统.30 4.2 数字电话系统帧结构和传码率.31 第五章 电话光纤 TDM 多路复用系统设计 .34 5.1 设计目的和内容.34 5.2 设计所需器件介绍.34 5.3 实验原理.38 5.4 各模块功能具体说明.40 5.5 实验结论.52 第六章 结论与展望 .54 参考文献 .55 致谢 .56 声明 .57 一种 TDM 多路复用光端机的设计 1 第一章 前 言 1.1 光纤通信发展状况 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。光纤通信技术是近 30 年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。 1966 年，英籍华人高锟 (CKKao)预见利用玻璃可以制成衰减为 20dB/km 的通信光导纤维 (简称光纤 )。当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达 l000dB/km 左右。1970 年，美国康宁公司首先研制成衰减为 20dB/km 的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。 光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。 为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。 CKKao 早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。另一方面，玻璃内的 OH 离子对衰减也有严重的影响。到了 1976 年，人们设法降低 OH 含量后发现低衰减的长波长窗口有：1.31 m、 1.55 m。 1980 年，光纤衰减已降低到 0.2dB/km (1.55 m)，接近理论值。这样，使得进行长距离的光纤通信成为可能。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器。应运而生的光纤成缆，光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术日臻成熟。这都为光纤光缆作为新的通信传输媒介奠定了良好的基础。 总之，无论在深度和广度方面，国际光纤市场将呈现竞争日趋激烈，开放程度逐步增加的局面。这些趋势都将对光纤通信在下世纪的发展产生重要作用4。 1.2 光纤通信系统 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图像、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有 0.85、 1.31 和 1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器 EDFA 等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图像、数据等信息。图 1-1 是光通信系统图。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 2 数据源 光发射机和调制器 光纤 光接收机 图 1-1 光纤通信系统 光纤通信系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。目前采用比较多的一种基本方式，即是强度调制 -直接检波（ IM/DD）的光纤数字通信系统，这种系统的原理方框图如图 1-2 所示。 LD APD (LED) (PIN) 光端机(接收) 光端机(发送) 前置放大判决 放大 均衡电端机 电端机 光纤 图 1-2 光纤数字通信系统 光纤通信系统由五个部分组成：光发送机、光接收机、光纤或光缆、光中继器、光纤连接器或耦合器等无源器件8。 1.3 光端机的概念及分类 作为一个完整的光纤通信系统，无疑光端机是它的重要组成部分。细分起来在光的发送端应包括：光源（即器件是怎样会发光的）、光源的调制（即怎样将需要传输的信号载在光波上）、以及光发射机的构成。在光的接收这一端，应包括完成光电转换作用的光电检测器、光接收机等。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 3 1.4 多路复用光端机设计的目的和设计思路 1.4.1 多路复用光端机设计目的 本设计的目的是如何将语音信号通过光纤由一端传送至另一端， 如果两端的距离在一定的范围内，则这两端只需一根光纤通过一些无源连接器件连接即可，如果两端的距离在几百甚至上万公里的范围， 则必须要考虑信号传输中由于各种原因带来的损耗，这就要涉及到光中继器。然而要进行光纤传输的信号需要一定的条件，在传输前需要将语音信号调制成适合传输的码型送至信道，在发送端要经过放大、低通滤波器、采样、量化、编码，在接收端要经过再生、群路译码、抽样、低通滤波器、放大器输出，图 1-3 示出了一个 PCM 时分多路复用数字电话系统得组成方框图1。 n 3 2 发 1 分路 PAM PCM 二线 四线信道 PAM PCM 2 分路 2 收 3 n 放大 抽样 群路编码 码型变换 放大 抽样 群路译码 再生 低通滤波器 低通滤波器 图 1-3 PCM 数字电话系统方框图 1.4.2 多路复用光端机设计思路 本设计分为三个部分，第一部分作为以传输光信号为基础的光端机的设计，需要对光纤通信系统的每一个组成部分深入了解， 理解各个部分以及元器件的工作原理，比如光发射机中是如何对光源进行调制的、如何进行电光转换的等，光接收机中的光电二极管（ PIN）和雪崩二极管（ APD）的区别、作用和工作原理，以及是如何进行光电转换的等；第二部分针对本设计的要求，以时分多路复用为例具一种 TDM 多路复用光端机的设计 4 体对时分多路复用数字电话系统进行研究， 之中需要学习时分复用数字电话系统的组成、帧结构和传码率等；第三部分仔细完成电话光纤传输系统实验，详细描述实验过程，达到了解电话及语音信号通过光纤传输的全过程的目的，从而掌握模拟电话、数字电话光纤传输的工作原理。认真完成以上三个部分将会达到本次设计的目的和研究意义。 这就是整个设计的总体思路，也是本次设计的核心。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 5 第二章 多路复用技术 2.1 多路复用的概念及分类 在数据通信系统或计算机网络系统中， 传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，或使多个信号沿同一信道传输而互不干扰，这就是所谓的多路复用技术 (Multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输， 在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用5。 多路复用技术可以分为频分多路复用（ FDMA）、波分多路复用（ WDMA）、码分多路复用（ CDMA）、时分多路复用（ TDMA）几种。后面将具体对时分多路复用技术进行研究。 2.2 多路复用的原理 多路复用技术的基本原理是： 多路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的已调制信号，然后进入传输媒质传送到对方，在对方再用解调（反调制）技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。频分、波分、码分和时分多路复用的原理是各不相同的，多有各自的特点7。 2.3 时分多路复用（ TDM） 时分多路复用的英文全称是（ Time Division Multiplexing），多用于数字通信，如 PCM 通信。 时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。图 2-1 为时分多路复用示意图，各路信号经低通滤波器将频带限制在 3400Hz 以下，然后加到快速电子旋转开关 (称分配器 )开关不断重复地作匀速旋转，每旋转一周的时间等于一个抽样周期 T，这样就做到对每一路信号一种 TDM 多路复用光端机的设计 6 每隔周期 T 时间抽样一次。由此可见，发端分配器不仅起到抽样的作用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到 PCM 编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道。在收端将这些从发送端送来的各路信码依次解码，还原后的PAM 信号，由收端分配器旋转开关 K2 依次接通每一路信号，再经低通平滑，重建成话音信号。由此可见收端的分配器起到时分复用的分路作用，所以收端分配器又叫分路门。 抽 样 分路门 1 路 (合路门) 1 路2 路 2 路分配器发端 分配器收端 N 路 n 路K2 K1 信号 1 量化编码信道解码信号 2 信号 2 信号 1 信号 n 信号 2 nullnullnullnull nullnullnullnull图 2-1 时分多路复用原理图 对于多路复用通信系统来说，除了传送多路话音信号外，还要传送各路信令信号，为了节省信道，都是让信令信号与话音信号在同一信通中传输，在时分复用系统中，信令信号是以数字信号形式，插在信码流中进行传输的。 在多路复用系统中，把多路复用中用最小容量的话路集合称为基群。比如频分复用的载波通信，基群是由 12 个话路组合而成。在时分复用的 PCM 通信系统中，基群又称为一次群，有两种制式：一种是 PCM30/32 制式，由采用 A 律 13 折线压扩编码的 30 个话路组合而成，另一种是 PCM24 制式，由采用律 15 折线压扩编码的 24 个话路组合而成。 为保证正常通信，收、发端旋转开关 K1 、 K2 必须同频同相。同频是指 K1 、K2 的旋转速度要完全相同，同相指的是发端旋转开关 K1 连接第一路信号时，收端旋转开关 K2 也必须连接第一路，否则收端将收不到本路信号，为此要求收、发双方必须保持严格的同步。时分复用后的数码流示意图如图 2-2 所示： 一种 TDM 多路复用光端机的设计 7 一帧（125 微秒） 信道 1 信道 2 信道 3 信道 n 1 0 一次采样 8bit 数据 图 2-2 时分复用后形成的数码流示意图 时分复用通信中的同步技术包括位同步 (时钟同步 )和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。为了达到收、发端频率同频、同相，在设计传输码型时，一般要考虑传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分。这样，接收端从接收到PCM 码中提取出发端时钟频率来控制收端时钟，就可做到位同步。 帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。 为了建立收、发系统的帧同步，需要在每一帧 (或几帧 )中的固定位置插入具有特定码型的帧同步码。这样，只要收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而能正确区分出发端送来的各路信号2。一种 TDM 多路复用光端机的设计 8 第三章 光端机 3.1 光发射机 3.1.1 光发射机的组成 在光纤通信系统中， 必须将电信号经过发射机变换为光信号耦合进光纤才能传输到接收端。因此，光发射机是系统的重要组成部分。光纤数字通信系统中的光发射机组成框图如图 3-1 所示。 光发射机主要由光源、 驱动电路和一些辅助电路组成。辅助电路主要有自动功率控制 (APC)、自动温度控制 (ATC)和各种保护电路等。与模拟系统中的光发射机组成相比， 除了都有一个驱动电路和光源外， 它还多了扰码、线路编码和控制电路等部分。下面分别对这几部分作简要介绍3。 （ ATC） 来自电端机 （ APC） 均放 编码时钟 扰码解码HDB3自动功率控制光源 调制光纤 警告输出 光检测 自动温度控制 图 3-1 光发射机原理方框图 1均衡放大 由 PCM 端机送来的3HDB 码流，经过电缆的传输产生了衰减和畸变。所以，在上述信号进入发射机时，首先要经过均衡和放大，以补偿衰减的电平、均衡畸变的波形。 2解码 由于 PCM 系统传输的码型是3HDB 码，这种码型是双极性的（ +1， 0， -1），而在光纤通信系统里，由于光源可用有光和无光与“ 0”，“ 1”两个码对应，一般一种 TDM 多路复用光端机的设计 9 不容易与 +1， 0， -1 对应，这样，信号从 PCM 端机送到光发射机后，需要将3HDB这种双极性码变为单极性的“ 0”，“ 1”码，这就要有解码电路来完成。 3扰码 若信码流中出现长“ 0”和长“ 1”的情况，将给提取时钟信号带来困难，为了避免出现这种长“ 0”和长“ 1”的情况，就要在解码之后加一个扰码电路，以达到有规律的“破坏”“ 0”和长“ 1”码流。当然，经过光纤传输以后，在接收端还要加一个与扰码相反的解扰电路，恢复信码流原来的状况。 4时钟 由于解码和扰码过程都需要时钟信号作依据 （时间参考） ， 故在均衡放大之后，由时钟电路取出 PCM 中的时钟信号供给解码、扰码、编码电路用。 5编码 经过解码、 扰码的信码流经调制为光脉冲后， 虽然从理论上可以在光纤上传输，但从实用的角度来看，为了便于不间断进行误码检测，克服直流分量的波动，以至于便于区间通信联络等功能，在实际的光纤通信系统中，还要对经解码、扰码的信码流再进行编码以满足上述要求。 6调制（驱动） 经过编码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制， 让光源发出的光强跟随经过编码后的信码流变化，形成相应的光脉冲送入光纤。 3.1.2 PCM 编码原理 由前面分析已知， 模拟信息源输出的模拟信号需经抽样和量化后得到输出电平序列 )kT(msq，才可以将每一个量化电平用编码方式传输。所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。 将模拟信号抽样量化，然后使以量化值变换成代码，称之为脉冲编码调制（ PCM）。图 3-2 和表 3-1 给出了脉冲编码调制的一个实例。假设模拟信号 m(t)的最大值 4V)t(m Iw1“1” PAM sI Is时，出“ 1”码；反之出“ 0”码。由于在 13 折线法中用了 7 位二进代码来代表段落和段内码，所以一种 TDM 多路复用光端机的设计 19 对一个输入信号的抽样值需要进行 7 次比较。 每次所需的标准电流wI 均由本地译码电路提供9。 4 PCM 译码器 常用译码器大致可分为三种类型： 电阻网络型、 级联型、 级联网络混合型等，现主要对电阻网络型译码器加以研究。如图 3-8 所示： + 放大器 PCM 写入脉冲 调幅 - 脉冲输出存入控制恒流源 寄存读出7/11 变换电路记忆 电路 读出脉冲极性控制图 3-8 电阻网络型译码器 电阻网络型译码器与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同。从原理上说，两者都是用来译码，但编码器中的译码，只译出信号的幅度，不译出极性；而接收端的译码器在译出信号幅度值的同时，还要恢复出信号的极性。 其记忆电路用来将接收的串行码变为并行码，故又称为“串 /并变换”电路。7/11 变换电路用来将表示信号幅度的 7 位非线性码转变为 11 位线性码。极性控制电路用来恢复译码后的脉冲极性。 寄存读出电路把寄存的信号在一定时刻并行输出到恒流源中的译码逻辑电路上去，是产生所需要的各种逻辑控制脉冲。这些逻辑控制脉冲加到恒流源的控制开关上，从而驱动权值电路产生译码输出。 3.1.3 光发射机的光调制技术 要实现光纤通信，首先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。 调制后的光波经过光纤信道送至接收端、 由光接收机鉴别出它的变化，再现出原来的信息， 这个过程称为光解调。 调制和解调是光纤通信系统的重要内容。 1光源调制方式 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。直接调制方法仅适用于半导体光源（ LD 和 LED），这种方法是把要传送的信息转变为电流一种 TDM 多路复用光端机的设计 20 信号注入 LD 或 LED，从而获得相应的光信号，所以是采用电源调制方法。直接调制后的光波电场振幅的平方与调制信号成一定比例关系，是一种光强度调制（ IM）的方法。 间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其它类型的激光器。间接调制中常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时，得到调制。对某些类型的激光器，间接调制也可以采用内调制的方法，即在激光器的谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制调制元件的物理性质，将改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性以实现调制17。 2光源直接调制原理 直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信中常采用的调制方式，但只适用于半导体激光器和发光二极管，这是因为发光二极管和半导体激光器的输出光功率 (对激光器来说， 是指阈值以上线性部分 )基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性， 所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。 从调制信号的形式来说，光调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如话音、电视等信号）对光源进行调制，图3-9 就是对发光二极管进行模拟调制的原理图。如图所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。模拟调制电路，应是电流放大电路，图 3-10 所示为一个最简单的模拟调制电路图。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 21 P LED 0I V1VccVout图 3-9 模拟调制原理 图 3-10 简单的模拟调制电路 在光纤通信中，数字调制主要是指 PCM 编码调制。脉冲编码调制是先将连续的模拟信号通过采样、 量化和编码， 转换成一组二进制脉冲代码， 用矩形脉冲的有、无 (“ 1”码和“ 0”码 )来表示信号，图 3-11 和图 3-12 分别给出了 LED 和 LD 数字调制原理。 P P I 0I I Im图 3-11 LED 数字调制原理 图 3-12 LD 数字调制原理 一种 TDM 多路复用光端机的设计 22 由于激光器光源的非线性比较严重， 所以目前模拟光纤通信系统仅仅用于对线性要求较低的地方， 要实现大容量的频分复用还比较困难， 仅在一些小系统中使用。对一些容量较大、 通信距离长的系统， 多采用对半导体激光器进行数字调制的方式。 3.2 光接收机 3.2.1 光接收机的组成 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光信号，并放大、再生成原信号。 对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测 (DD)方式时，光接收机的主要组成如图 3-13 所示。 光纤 光信号 输出 至电端机 电信号 光电 检测器均衡器前置 放大器解码主放 大器 自动增益控制电路偏压控制 解扰 时钟 恢复电路判决器编码 图 3-13 数字光纤通信光接收机方框图 在光接收机中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过程是由光电检测器 (光电二极管或雪崩光电二极管 )来完成的。光电检测器把光信号转换成电流信号送入前置放大器。 前置放大器的噪声对整个放大器的输出噪声影响甚大，因此，它应该是精心设计和制作的低噪声放大器。主放大器的作用除提供足够的增益外，它的增益还受 AGC 电路控制，传输出信号的幅度在一定的范围内不受输入信号幅度的影响。均衡滤波器的作用是保证判决时不存在码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发射端进行了线路编码 (或扰乱 )，那么，在接收端需要有相应的译码 (或解扰 )电路11。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 23 3.3.2 光电检测器 1半导体的光电效应 半导体材料的光电效应是指如下情况：光照射到半导体的 P-N 结上，若光子能量足够大， 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量， 从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，它们总起来又称作光生载流子。 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，如图3-14(a)所示，从而在电阻 R 上有信号电压输出，这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用，所谓负偏压是指 P 接负， N 接正。 图 3-14(b)是 P-N 结及其附近的能带分布图，要注意的是能带的高、低是以电子 (负电荷 )的电位能为根据的，电位越负能带越高。 外加电场方向 内建电场方向 光电子 P N P 导带底 N 耗尽层 光空穴 价带顶 - + R 耗尽层 Eg禁带(a) (b) 图 3-14 半导体材料的光电效应 由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽层的加宽，由前面的讨论还可看出：由于光子的能量为 hf ，半导体光电材料的禁带宽度为gE ，那么，当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然，必须满足如下关系，即 gEhf （ 3-5） 一种 TDM 多路复用光端机的设计 24 由于fc= ，故可写为 gcEhc=（ 3-6） 这就是说，只有波长c 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故c称为截止波长；对应的频率称为截止频率cf 。 还应指出， 若仔细来说， 上面讨论的光电效应， 在 P-N 结区实际存在两个过程：一是光子被材料吸收，产生光电子空穴对，另一则是所产生的光电子空穴对又可能被复合掉。 2 PIN 光电二极管 虽说利用上述光电效应可以制造出简单的 PIN 结光电二极管，但是，仔细研究将会发现，在 P-N 结中，由于有内建电场的作用（内建电场使耗尽层的能带形成一个“斜坡”位垒），使光电子和光空穴的运动速度加快，从而，使光电流能快速地跟着光信号变化，即响应速度快，然而，在耗尽层以外产生的光电子和光空穴由于没有内建电场的加速作用， 运动速度慢， 因而响应速度低， 而且容易被复合掉，使光电转换效率差，这是人们所不希望的。 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，显然，适当加大耗尽层宽度是有利的，为此在制造时，在 P 型材料和 N 型材料之间加一层轻掺杂的 N 型材料，称为 I（ Intrinsic，本征的 )层，如图 3-15 所示，由于是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层。 另外，为了降低 p-N 结两端的接触电阻，以便与外电路联接，将两端的材料做成重掺杂的+P 层和+N 层，这种结构的光电二级管称为 PIN 光电二极管，制造这种晶体管的本征材料可以是 Si 或 InGaAs， 通过掺杂后形成 P 型材料和 N 型材料， PIN光电二极管的结构示意如图 3-16 所示。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 25 P+I(N 型轻掺杂 ) N+ 耗尽层 金属接触 (电极 ) 光子 增透膜 (抗反射膜 ) R - + P+P+ 光电子 I(N) N+ N+光空穴 电极 图 3-15 PIN 光电二极管能带图和构成示意图 图 3-16 PIN 光电二极管结构示意图 3雪崩二极管 在长途光纤通信系统中，仅有毫瓦数量级的光功率从光发射机输出，经过几十公里光纤的传输衰减，到达光接收机处的光信号将变得十分微弱，在接收端如果采用 PIN 光电二极管，那么，所输出的光电流仅几个 nA，为了能使数字光接收机的判决电路正常工作，就需要采用多级放大，但放大器同时也将引入噪声，从而使光接收机的信噪比降低，接收机的灵敏度也随之降低。 如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，显然，就能克服 PIN 光电二极管的上述缺点，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称 APD（ Avalanche Photo Diode）。 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，是在二极管的 P-N 结上加高反向电压 (一般为几十伏或几百伏 )形成的，此时在结区形成一个强电场，在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对，新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对，如此循环下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内部即获得了倍增。 雪崩光电二极管的结构及其工作原理 目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二极管结构形式有保护环型和拉通 (又称通达 )型。前者是在制作时淀积一层环形的 N 型材料，以防止在高反压时使 P-N 结一种 TDM 多路复用光端机的设计 26 边缘产生雪崩击穿，下面主要介绍拉通型雪崩光电二极管 (RAPD)，它的结构示意图和电场分布如图 3-17 所示，其中： 抗反射膜 光子 金属电极 N+P (P) P+P+ (b) )(P P N+ 金属电极 高场区 （ a） (c) 图 3-17 雪崩光电二极管的结构和能带示意图 图 (a)是纵向剖面的结构示意图； 图 (b)是将纵向剖面顺时针转 90的示意图； 图 (c)是它的电场强度随位置的分布图； 由图 (b)可见，它仍然是一个 P-N 结的结构形式，只不过其中的 P 型材料是由三部分构成，光子从 P+层射入，进入 I 层后，在这里，材料吸收了光能并产生了初级电子空穴对，这时，光电子在 I 层被耗尽层的较弱的电场加速，移向 P-N 结，当光电子运动到高场区时，受到强电场的加速作用出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达 N+层，空穴被 P+层吸收， P+之所以做成高掺杂，是为了减小接触电阻以利与电极相连。 由图 (c)还可以看出，它的耗尽层从结区一直拉通列 I 层与 P+层相接的范围内，在整个范围内电场增加较小，这样，这种 RAPD 器件就将电场分为两部分，一部分是使光生载流子逐渐加速的较低的电场，另一部分是产生雪崩倍增效应的高电场区，这种电场分布有利于降低工作电压。 雪崩光电二极管具有雪崩倍增效应这个有利方面。但是，由于雪崩倍增效应的随机性， 会带来它的不利的方面， 这就是这种随机性将引入噪声， 如果不采用 APD，一种 TDM 多路复用光端机的设计 27 则必然要采用多级电的放大器，显然，这也要引入噪声，两者相比，还是采用 APD较为有利。 雪崩光电二极管随使用的材料不同有： Si-APD（工作在短波长区）； Ge-APD，InGaAs-APD 等（工作在长波长区）12。 3.2.3 均衡电路 在数字光纤通信系统中， 送到发送光端机进行调制的数字信号是一系列矩形脉冲，由信号分析知道，理想的矩形脉冲具有无穷的带宽，这种脉冲从发送光端机输出后要经过光纤、光电检测器、放大器等部件，这些部件的带宽却是有限的因此，矩形脉冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，这样，从接收机主放大器输出的脉冲形状将不再会是矩形的了，将可能出现很长的拖尾，如图 3-18 所示，这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰。严重时，造成判决电路误判，产生误码。 h(t) 均衡前接收到的脉冲波形 t h(t) t -3TB -2TB -TB 0 TB 2TB 3TB 邻码判决时刻 均衡后的脉冲波形 本码判决时刻 图 3-18 单个脉冲均衡前后波形的比较 均衡器的作用是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，例如，成为一种 TDM 多路复用光端机的设计 28 升余弦频谱脉冲，具体来说，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，即使经过均衡以后的输出波形仍有拖尾， 但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决，这种情况可从图中明显地看出。 3.3 光中继器 光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输一定距离后， 由于光纤损耗和色散等的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减、波形出现畸变，这就限制了光脉冲信号在光纤中的传输距离。为此，在远距离光纤通信系统中，为了补偿光信号的衰减、对失真的脉冲波形进行整形，必须间隔一定距离设置光中继器。 光中继器一般由光电检测器、判决再生电路和光调制器组成，即光电光继方式。最简单的光中继器原理如图 3-19 所示。 光 光 光接收部分电信号光电 检测器 主放大 自动增益控制均衡 时钟 提取 自动功率控制光源 前置 放大器 判决调制电路(APC)(AGC)光发射部分图 3-19 光中继器原理图 作为一个实用的光中继器，为了便于维护，显然还应具有公务、监控、告警等功能，有些功能更多的中继器（机）还有区间通信的功能。另外，实际上使用的中继器应有两套收、发设备分别用于两个传输方向。故实际的光中继器框图如图 3-20所示。 一种 TDM 多路复用光端机的设计 29 光接收部分 光发射部分 光发射部分 光接收部分 告 警 公务 通信 电 源 监 控 区间 通信 图 3-20 实际光中继器方框图 与其它通信系统一样，监控系统是光纤通信系统中必不可少的组成部分。 1监测的内容 在光纤数字通信系统中误码率是否满足指标要求； 各个光中继器是否有故障； 接收光功率是否满足指标要求。 环境的温度、湿度是否在要求的范围内等等； 2控制的内容 当光纤通信系统中的主用系统出现故障时，监控系统发出自动倒换指令，遥控装