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.ppt

1、第四章光终端，2，本章内容和重点，本章内容光发射器光接收器光线路代码型本章重点光发射器和光接收器的功能，电路构成和工作原理。 光通信常用的线路代码类型。 第四章学习光终端，3，本章的目的和要求，掌握光发射机和光接收机的结构框图和工作原理。 熟悉光中继器的结构框图和工作原理。 掌握光通信中常用的线路代码类型。 第4章光端机，第4、第4章光端机，光发送机和光接收机总称为光端机。 如图4-1中所示，光学终端处于电终端和光纤传输路径之间。 图4-1光纤通信系统配置、光纤通信系统主要包括光纤(光缆)和收发器。 每个光端终端机包含光发送器和光接收器两个部分，通信距离长的话必须添加光中继器。 光发送器完成E/O转换，光接收器完成O/E转换，光纤实现光信号的传输，并且光中继器延长了通信距离。 另外，5、4.1光发送机发挥将从电动机发送来的电信号转换为光信号，传送到光纤线路的功能。 (1)具有适当输出光功率的光发送器的输出光功率是耦合到光纤的功率，也称为光纤功率。 光源需要适当的光输出，一般为0.01mW5mW。 (2)具有更好消光比的消光比的定义是全“1”码平均发射光功率与全“0”码平均发射光功率之比。 在(4-1)式中，能够用下式表示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EXT10dB。 (3)调制特性好是指光源的pi曲线在使用范围内线性特性好，否则会在调制后产生非线性失真。 此外，还要求电路尽可能简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。 7，7，4.1.1光发送机的基本结构，数字光发送机的基本结构是均衡放大、码型转换、复用、加扰码、时钟提取、光源、光源调制电路、光源控制电路(ATC和APC )、光源的监视和保护电路等。 图4-2。 图4-2数字光发送机的原理框图，8，8，4.1.1光发送机的基本结构，(1)均衡放大：补偿因电缆传输引起的衰减和失真。 (2)代码型变换：将HDB3代码或者CMI代码变化为NRZ代码。 (3)复用：在一个大的传输信道上同时传输多个低速信号的过程。 (4)加扰码：出现信号达到“0”、“1”等的概率，有利于时钟提取。 (5)时钟提取：提取PCM中的时钟信号，并提供给其他电路使用。 (6)调制(驱动)电路：完成电光转换任务。 (7)光源：产生作为光载流子的光信号。 (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。 (9)其他保护监视电路：光源过电流保护电路、无光警报电路、LD偏置(寿命)警报等。 9、9、9,4.1.2光源的调制、1 .光源的作用是产生作为光载波的光信号，所以对光源的要求发送光波的中心波长必须在0.85m、1.31m和1.55m附近。 应当减小光谱的光谱宽度以减小由于光纤的分散而引起的带宽限制。 电光转换效率高，发送光束方向性好，提高耦合效率。 如果允许的调制速度高或响应速度快，则满足系统的大传输容量。 器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 器件小巧轻便，安装方便，价格便宜。 10、4.1.2光源的调制，2 .调制方式有直接调制(内部调制)和间接调制(外部调制)。 (1)直接调制直接调制基本概念和调制原理，也称为内部调制，因为将电信号直接注入光源，根据调制信号的变化使输出的光载波信号的强度变化。 调制原理如图4-3所示。 特征调制简单，损失小，成本低。 有波长(频率)的抖动。11，4.1.2光源的调制，图4-3直接光强度数字调制原理，图4-4间接调制激光器的结构，12，4.1.2光源的调制，(2)间接调制基本概念和调制原理间接调制光源，而不是直接调制LD发出的光载波即，在发射了光后施加调制电压以调制调制后的光载波的方式，如图4-4所示，也称为调制方式。 特征调制系统复杂，损失大，而且成本也高。 但是，频谱宽度窄，2.5千兆比特/s的高速大容量传输系统，传输距离也超过300km以上。 13、4.1.3调制电路和自动功率控制，(1)发射器LED驱动电路图4-7表示由晶体管构成的发射器驱动电路，该驱动电路主要用于以LED为光源的数字光发送机。 适用于10Mbit/s以下的低速率系统。 (2)发射极耦合从动件LD驱动电路图4-8是发射极耦合从动件LD驱动电路，适用于LD系统。 该电路是恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗大。 (3)反馈稳定LD驱动电路图4-9是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控制步骤为：14，4.1.3调制电路及自动功率控制，图4-8发射极耦合LD驱动电路图，图4-7发射极驱动电路，15，15 图4-9反馈稳定LD驱动电路、16 4.1.3调制电路和自动功率控制，(4)带自动功率控制的LD驱动电路更完善的带自动功率控制(APC )电路如图4-10所示。 图4-10APC电路原理，17，4.1.4温度特性和自动温度控制，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由阈值电流Ith和外微分量化效率d产生，如图4-11(a )和(b )所示。 温度上升时，阈值电流增加，外微分量子效率减少，输出光脉冲宽度下降。 温度输出光脉冲的另一个影响是“发热效果”。 即使周围温度不变化，激光器接合部的温度也会随着调制电流而变化，输出光脉冲的形状也会发生变化，这种情况称为“接合热效应”。 如图4-12所示，“发热效果”引起调制失真。 18、4.1.4温度特性和自动温度控制、图4-11温度引起的光功率输出的变化、图4-12结发热效果、19、4.1.4温度特性和自动温度控制、2 .光源的自动温度控制(ATC)(1)温度控制装置的构成温度控制装置由冷却器、热敏电阻和控制电路构成图4-13自动温度控制原理框图，20、4-14温度特性和自动温度控制，(2)自动温度控制(ATC )电路图4-14示出ATC电路的电路图。 控制过程可以表示为：图4-14ATC电路原理，21，4.1.4温度特性和自动温度控制，注：温度控制只能控制由温度变化引起的输出光功率的变化，不能控制由器件劣化引起的输出功率的变化。 对于短波长激光器，一般可以添加自动功率控制电路。 在长波长激光器中，其阈值电流根据温度而变化较大，因此为了稳定输出光功率，一般需要追加自动温度控制电路。 另外，22、4.2数字光接收机、光接收机发挥将光纤传输后的振幅衰减，将波形失真微弱的光信号变换为电信号，在放大、整形、再生电信号后，生成与发送侧相同的电信号，输入到接收侧，在自动增益控制电路(AGC )中确保稳定的输出的作用。 光接收机的关键设备是半导体光电检测器，与接收机的前置放大器一起被称为光接收机的前端。 前端性能是决定光接收机的主要因素。、23、4.2.1光接收机的基本结构、强度调制-直接检波(IM-DD )的光接收机框图如图4-15所示，主要是光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、采样判定器和自动增益控制(AGC )电路、图4-15数字光接收机的框图，24，4.2.1光接收机的基本结构，1 .光电检测器是将光信号转换成电信号的重要设备，其要求对系统的工作波长具有足够高的响应度，即一定的入射光功率，可以进行光电检测波长响应与光纤的三个低损耗窗兼容。 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。 请尽量降低产生的附加噪声，以接收微弱的光信号。 光电转换线性好，保真度高。 工作性能稳定，可靠性高，寿命长。 功耗和体积小，使用方便。25，4.2.1光接收机的基本配置，2 .放大器光接收机的放大器包含前置放大器和主放大器两部分。 前置放大器需要低噪声、宽带和高增益。 前置放大器的类型现在有低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器、跨阻抗前置放大器(跨导前置放大器)三种。 主放大器通常是多级放大器，具有提供主要足够高的增益，将来自前置放大器的输出信号放大至判断电路所需要的信号电平的功能。 另外，当输入光信号在一定范围内变化的情况下，以输出电信号保持一定的输出的方式实现自动增益控制(AGC )。 主放大器和AGC确定光接收器的动态范围。26、4.2.1光接收机的基本配置，3 .均衡器的作用是均衡补偿具有失真(失真)和码间干扰的电信号，以降低差错率。 4 .再现电路的再现电路的作用是将放大器输出的馀弦波形恢复为数字信号，由此由判定器和时钟再现电路构成。 5 .自动增益控制(AGC)AGC以反馈环路控制主放大器的增益。 作用是增加光接收机的动态范围并保持光接收机的输出恒定。27、4.2.2光接收机的噪声特性，光接收机的噪声包括光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4-16所示。 光电检测器的噪声包括量化噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、APD的倍增噪声在内的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和晶体管模块内部噪声。图4-16接收器的噪声及其分布、28、4.2.2光接收器的噪声特性、(1)量化噪声：如果一个光电检测器接收到来自外部的光，则由光子激发产生的光载波随机地引起输出电流的随机波动。 这是检测器固有的噪声。 (2)暗电流是指在未照射光时由光检测器产生的电流。 由于被激发的暗电流是浮动的，因此会产生被称为暗电流噪声的噪声。 (3)雪崩管倍增噪声因雪崩光电二极管的雪崩倍增作用而随机，该随机性必然引起雪崩管输出信号的浮动，导入噪声。 (4)光接收器的电路噪声主要指前置放大器噪声，包含电阻热噪声和晶体管部件内部噪声。 29、4.2.3光接收机的主要指标，数字光接收机的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，在系统满足预定的差错率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin(mW )。 以常用的毫瓦分贝(dBm )表示，即，(4-2)(2)光接收器的动态范围光接收器的动态范围为接收器的最低输入光功率(dBm )和最大可允许输入光功率(dBm )，且保证系统错误率指标即，(4-3)、30，4.2.3是光接收机的主要指标，(3)自动增益控制(AGC)AGC使用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加光接收机的动态范围。 自动增益控制(AGC )电路的原理框图如图4-17所示。图4-17自动增益控制电路的原理框图，31、4.3光中继器，光信号在传输过程中发生两个问题：光纤的损耗特性使光信号的振幅衰减，限制光信号的传输距离光纤的色散特性使光信号波形失真，引起码间干扰，增加错误率以上两点不仅限制了光信号的传输距离，还限制了光纤的传输容量。 为了增加光纤的通信距离和通信容量，有必要设置光转发器。 光中继器的功能是补偿光能损失，恢复信号脉冲形状是补偿衰减的光信号对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(光中继器)，另一种是全光中继器。32、4.3.1光电中继器，1 .构成光电中继器的传统光中继器采用光-电-光(O-E-O )转换形式的中继器。 如图4图18所示。图4-18的典型数字光中继器的原理框图，2 .光中继器的结构形式有设置在机械室的，也有箱形和壶型的，也有地下和虚构的光缆嵌入在电线杆上的。 33，4.3.2全光中继器，目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。 掺铒光纤放大器是直接放大光波的有源元件，其工作原理如图4-19所示。 以掺铒光纤放大器为中继器的优点是设备简单，没有光电光转换过程，具有工作带宽。 缺点是当光放大器用作中继器时，光放大器不能作为波形的整形。图4-19将掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图、34、4.4光线路编码、PCM通信系统中的接口速率和符号类型如表4-1所示。 表4-1PDH接口码率和接口码型PCM系统中的这些码型不适合在数字光纤通信系统中传输。 因此，在光端终端机上必须进行码型变换。 在PDH系统中，常用的线路代码是包码mBnB、1B2B码(CMI、DMI、二相码等)和插入码，在SDH光纤通信系统中广泛使用加扰的NRZ码。 各种代码的编码规则、传输速度如表4-2所示。35、4.4光线路代码、表4-2中经常使用的线路代码、36、4.4光线路代码、1 .分组代码的分组代码由mBnB表示，该分组代码将输入码流按m位分组，每组组织成n位每组的m个二进制码标记为mB，变换为n个二进制码，标记为nB，所以称为mBnB码，这里，m和n为正整数，通常在nm，一般选择n=m 1。 典型的mBnB码可以是1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B，等等。 最简单的mBnB代码是1B2B代码，将原始信息代码的“0”转换为“01”，将“1”转换为“10”。 因此，最大的连“0”和连“1”的数量如1001和0110那样不超过2个。 码率翻了一倍。 mBnB码的缺点在于传输辅助信号困难。37、4.4光线路编码，2 .插入码插入码是以m位(mB )对输入的二进制代码流进行分组，然后以一定规则在各组的mB码的末尾插入码而将m 1码分组的新的线路代码流。 根据插入代码的用途，可以分为mB1C代码、mB1H代码、mB1P代码等。 (1)mB1C码的编码原理是通过将原始代码流按m位(mB )分组，在分组mB码的末尾插入1位的补数，来将该补数称为c码，所以称为mB1C码。 举例来说，38、4.4光路代码是(2)mB1H码mB1H码是从mB1C码发展起来的，若减去mB1C码中的一部分c码，则在对应的码位中插入混合码(h码)，因此是mB1