光纤通信课程设计直接光强激光调制的数字光发射机设计.doc

课程设计光纤课程设计报告班 级： 通信08-4班 姓 名： 学 号： 08060304 指导教师： 成 绩： 电子与信息工程学院通信工程系直接光强激光调制的数字光发射机设计1. 光发射机 1.1光发射机概念 光发射机的功能是把输入的电信号转换成光信号，并用耦合技术吧把信号的最大限度的注入光线路。 1.2数字光发射机的功能电端机输出的数字基带电信号转换为光信号；用耦合技术注入光纤线路；用数字电信号对光源进行调制：调制分为直接调制和外调制两种方式。1.3. 光发送机的基本组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。1.3.1均衡放大补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。1.3.2码型变换将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。 1.3.3复用用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。1.3.4扰码使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。1.3.5时钟提取提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。1.3.6调制（驱动）电路完成电/光变换任务。1.3.7光源产生作为光载波的光信号。1.3.8温度控制和功率控制 稳定工作温度和输出的平均光功率。1.3.9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。2 光调制原理2.1.光调制作用 把随发送数据变化的电信号加到光上去，使光随数据的变化而以一定规律变化，这一过程就叫做光的调制。调制后的光束就是光信号。2.2 光调制方式分类2.2.1 按照光源与调制信号的关系分类 根据光源与调制信号的关系，可以将光源的调制方式分为直接（或内部）调制方式和间接(或外部)调制方式。2.2.2直接调制 基本概念及调制原理 直接调制就是将调制信号（电信号）直接施加在光源上，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。 特点：调制简单、损耗小、成本低。但存在波长(频率)的抖动。 2.1直接光强度数字调制原理2.23按照已调制信号的性质分类 根据已调制信号的性质，可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。 模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号，这种调制方式主要包括强度调制(Intensity Modulation，IM)方式、振幅调制(Amplitude Modulation，AM)方式、双边带抑制载波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)调制方式、单边带(Single Sideband，SSB)调制方式及残余边带(Vestigial Sideband，VSB)调制方式。2.2.4数字调制方式数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括幅移键控(Amplitude-shifted Keying，ASK)调制方式、频移键控(Frequency-shifted Keying，FSK)调制方式及相移键控(Phase-shifted Keying，PSK)调制方式等。2.3已调制信号表达式由于其他调制方式应用极少，因此我们在这里仅仅给出用电场表示的、常用强度调制方式的已调制信号表达式：eT（t）=KT*m（t）1/2*cos（cx（t）+0） 式中：KT为与发送光功率有关的正常数；m为调制系数(0m1)；x(t)为归一化幅度的调制信号波形；c为光载波角频率，0为初相位。2.4 调制特性2.2.1电光延迟和张弛振荡现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图2.2所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。2.2光脉冲瞬态响应波形 2.2.2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2.3（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2.3（c）所示。2.3码型效应3光发送机的指标3.1 光发送机的指标光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。包括平均发送光功率及其稳定度、光功率发射和耦合效率、消光比等。3.1.1 平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源“尾纤”的平均输出光功率。3.1.2 耦合效率耦合效率用来度量在光源发射的全部光功率中，能耦合进光纤的光功率比例。耦合效率定义为：偶和效率=PF/PS式中，PF为耦合进光纤的功率，PS为光源发射的功率。发射效率取决于光源连接的光纤类型和耦合的实现过程。3.1.3消光比消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示： EX=最大平均发射功率/最小平均发射功率3.2对光发送机的要求（1）有合适的输出光功率 光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW5mW。（2）有较好的消光比 一般要求EX10dB。（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。（4）其他 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。4 驱动电路和辅助电路4.1 驱动电路4.1.1 对驱动电路的要求一个优良的驱动电路应该满足以下条件：(1) 能够提供较大的、稳定的驱动电流；(2) 有足够快的响应速度，最好大于光源的驱动速度；(3) 保证光源具有稳定的输出特性。4.1. 2. 驱动电路的工作原理（1）共发射极LED驱动电路能够满足上述要求的、最简单的驱动电路是共发射极驱动电路，如图4.1所示。4.1共射极驱动电路共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为“0”时，晶体三极管VT处于截止状态，LED中没有电流流过，因此LED不发光；当输入数据信号为“1”时，晶体三极管VT工作于饱和状态，LED中有较大的电流流过，所以LED发光。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10 Mbit/s以下的低速率系统。（2）射极耦合跟随器LD驱动电路 图4.2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。 4.2射极耦合LD驱动电路图（3）反馈稳定LD驱动电路 图4.3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： 4.3反馈稳定LD驱动电路4.2辅助电路4.2.1. 自动功率控制电路(1) 自动功率控制电路的分类 能够完成自动功率控制功能的电路很多，主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路。在光发送机中，光电反馈控制电路应用最多。(2) 自动功率控制电路的工作原理 图4.4所示是一个典型LD自动功率控制电路，其自动功率控制电路的工作原理如下所述：当由于温度原因使LD输出光功率降低时，流过PD(通常为PINPD)的电流减小，A1放大器反向输入端电位增大，A1放大器输出端电位降低(即A2放大器反向输入端电位降低)。4.4典型的APC电路4.2.2 自动温度控制电路从前面的内容可以知道，LD的输出特性与温度有着密切的关系。为了保证光发送机具有稳定的输出特性，对LD的温度特性进行控制是非常必要的，而且对LD的温度控制也是保护LD的一项关键措施。（1）光源的自动温度控制（ATC） 温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4.5示出了温度控制装置的方框图。4.5自动温度控制原理方框图（2）自动温度控制（ATC）原理ATC电路主要由R1、R2、 R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。 4.6ATC电路原理4.3. 其他保护、监测电路 （1）LD保护电路：使激光器的偏流慢启动，以防损坏激光器。 （2）无光告警电路 （3）激光器寿命告警电路5 光纤线路耦合从多种类型的发光光源将光功率发射进一个特定的光纤。它与光源的尺寸、辐射强度和光功率的角分布、光纤的数字孔径、光纤的纤芯尺寸、光纤的折射率均有关系。可以通过透镜来提高光源-光纤的耦合效率。通过光源供应商提供的“跳线”或“尾纤”，将光功率从一根光纤耦合进另一根光纤。它与光纤位置偏差、不同的纤芯尺寸、光纤的数字孔径、光纤的折射率剖面有关系。5.1改善耦合的透镜结构对于给定的光纤端面，如果光源的面积大于光纤端面，则最终耦合入纤的功率可以达到最大值；如果光源的面积小于光纤端面，则耦合效果要大打折扣。一种增大发射面的办法就是在光源和光纤中使用透镜。6 总结通过本次直接光强激光调制的数字光发射机设计，使我更加深刻的理解了数字发射记得工作原理和电路的组成以及发射机的功能。怎样设计发射机使其正常乃至最好的运行，采用直接数字调制使信号低损耗，高功率，低成本的把电信号转为光信号；怎样消除电光延迟要产生码型效应；驱动电路和辅助电路的电路设计等等。通过详细的设计和了解能有了深刻的理解。把我整体的设计思想，然后将所需的部件详细设计，从而实现直接数字发射机工作和运行。最后还要考虑的怎样实现调制好的光信号可以通过光纤得到有效地传送到光纤上 ，这就涉及到有效耦合。这次课程设计自己也确实进一步学习了理论知识，对以前的理论知识有了更系统的认识，也提高了自己的理论技能和操作能力，得到了很好的提高，扩充了知识面，为以后的工作学习进一步打下的良好的基础。参考文献 1张筱华，石方文.通信英语.北京：北京邮电大学出版社，2004.262 2徐澄圻.21世纪通信发展趋