光纤通信课件刘增基_西安电子科技大学出版社4

1、 第第 4 章章 光端机光端机 4.1 光发射机光发射机 4.2 光接收机光接收机 4.3 线路编码线路编码 返回主目录 第第 4 章光端机章光端机 4.1光发射机光发射机 数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转电端机输出的数字基带电信号转 换为光信号换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是 用承载信息的数字电信号对光源进行调制用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。 调制调制分为直接调制直接调制和外调制外调制两种方式。 受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。 目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接 光强(功

2、率)调制。 图 4.1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理 4.1.1光发射机基本组成光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路 两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决 定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出 光信号准确反映输入电信号。 1. 光源光源 对通信用光源的要求如下： (1) 发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致一致，即中 心波长应在0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。光谱单色性 要好， 即谱线宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。 (2)

3、 电电/光转换效率要高光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下， 有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的 方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光 纤之间的耦合效率。 (3) 允许的调制速率要高或响应速度要快允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的 大传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定 性好， 可靠性高，寿命长。 (5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格体积小，重量轻，安装使用方便，价格 便宜便宜。 以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方 向性，直接影响光纤通信系

4、统的传输容量和传输距离，是光源 最重要的技术指标。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发 光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求 2. 调制电路和控制电路调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路调制电路、控制控制 电路电路和线路编码电路线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的通断比输出光脉冲的通断比(全全“1”码平均光功率和全码平均光功率和全“0”码码 平均光功率的比值，或消光比的倒数平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于应大于10，以保证足够 的光接收信噪比。 (2)

5、输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟电光延迟)时间，时间， 光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便 在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形 (3) 对激光器应施加足够的偏置电流对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率 调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。 (4) 应采用自动功率控制应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制和自动温度控制(ATC)， 以 保证输出光功率有足够的稳定性。 3. 线路编码电路线路编码电路 线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信

6、号是适 合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换 为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.3节所 述。 4.1.2调制特性调制特性 1. 电光延迟和张弛振荡现象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4.3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，其振荡频率 fr(=r/2)一般为0.52 GHz。 这些特性与激光器有源区的电子自 发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注 入

7、电流初始偏差量有关。 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 td 张弛振荡和电光延迟的张弛振荡和电光延迟的后果后果是限制调制速率限制调制速率。当最高调制 频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽 样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张 弛振荡频率。 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“码型效应码型效应”。 “码型效应”的特点是， 在脉冲序列中较长的连“0”码后出 现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多

8、，调制 速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制过调制”补偿方法，补偿方法， 可以消除码型效应可以消除码型效应，见图4.4(c) 所示 图4.4 码型效应 （a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形 电脉冲 光脉冲 2 ns5 ns2 ns (a)(b)(c) 12 为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程 组的瞬态解。由此得到的张弛振荡频率r及其幅度衰减时间o 和电光延迟时间td的表达式为： 式中，o是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分 别为注入电流密度和阈值电流密度。sp和ph分别为电子自发 复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，sp10-9s, p

9、h10-12s，即spph。由式(4.1)式(4.3)可以看到： 21 )1( 1 thphsp j j w j jth spo 2 th spd jj j ln (1) 张弛振荡频率r随sp、ph的减小而增加，随j的增加而 增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间o与sp为相同数量级，并随j的 增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与sp为相同数量级，并随j的增加而减 小(jjth)。 由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率r， 减小其幅度衰减时间o，以及减小电光延迟时间td，因此对LD 施加偏置电流是非常必要的。 1 2 1 (1) spphth

10、 j w j 2 th osp j j ln dsp th j jj 2. 自脉动现象自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到 某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象 称为自脉动现象，如图4.5所示。 自脉动频率可达2GHz，严重 影响LD的高速调制特性。 自脉动现象是激光器内部不均匀增自脉动现象是激光器内部不均匀增 益或不均匀吸收产生的益或不均匀吸收产生的， 往往和LD的P - I曲线的非线性有关，自脉动发生的区 域和P - I曲线扭折区域相对应。因此在 选择激光器时应特别注意 电脉 冲 光脉 冲 图4.5 激光器自脉冲动现象 4.1.3调制电路和自动功

11、率控制调制电路和自动功率控制 数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的是差 分电流开关电路。 图4.6示出由三极管组成的 共发射极驱动电路，这种简单的 驱动电路主要用于以发光二极管 WTBZLED作为光源的光发射 机。这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，更高速 率系统应采用差分电流开关电路差分电流开关电路。 UC R2 LED C1 R1 Uin V 图 4.6 共发射极驱动电路 图4.7是常用的射极耦合 驱动电路，适合于激光器系统 使用。电流源为由V1和V2组成 的差分开关电路，它提供了恒 定的偏置电流。当三极管截止 频率fr4.5 GHz时，这种电路 的调制速率可达30

12、0 Mb/s。射 极耦合电路为恒流源，电流噪 声小，这种电路的缺点缺点是动态 范围小，功耗较大。 V2V1 Ib 电流源 Io UE Uin LD 图 4.7 射极耦合LD驱动电路图 由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生 变化。为保证输出光功率的稳定，必须改进电路设计。图4.8 是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路， 在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置 电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。 V2 V1 电流源Io Uin U V3 A1 C Ib Rf 信号参考 UR 输出监测 PD 检测器 LD UB1 UA1 Uin 一个更加完善的自动

13、功率控制(APC)电路如图4.9所示。从 LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大 后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直 流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组 成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。 V2 V 1 信号参考 Uin A1 A2 A3 PD 直流参考 U U V 3 Ib LD 4.1.4温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制 1. 激光器的温度特性激光器的温度特性 激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，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。 图4.10(a)和(b

14、)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引 起的输出光脉冲的变化：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。 图 4.10温度引起的光输出的变化 (a) 阈值电流变化引起的光输出的变化； (b) 外微分量子效率变化引 起的光输出的变化 电流脉冲 光脉冲 t0t T I1 I0 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”。“结发热效应结发热效应”将引起调制失真将引起调制失真。 与调制速率对激光器瞬态特 性的影响相反，低调制速率的 “结发热效应

15、”更加明显。这是 因为随着调制速率的提高，码元 时间间隔缩短，使结区温度来不 及发生变化。 图 4.11 结发热效应 2. 自动温度控制自动温度控制 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成， 图4.12示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的 热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并 把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输 出特性保持恒定。 激光器 致冷器 热敏电阻控制电路 热导 图 4.12 温度控制方框图 图4.13示出自动温度控制(ATC)电路原理图。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

16、。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。 A R4 TEC t RT LD PIN 2468 1357 U R1 R2 R3 BA U V 4.13 ATC电路原理 在设定温度(例如20 )时，调节R3使电桥平衡，A、B两 点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器 TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温 度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电 桥失去平衡。这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的 输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大 致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒

17、定。这个控制过程可以表示如下： T(环境)T(LD、热沉)RTI(致冷器)T(LD) ATC的致冷器和热敏电阻以及APC的PIN-PD封装在LD管 壳内构成的组件如图4.18所示。 4.2 光接收机光接收机 4.2.1光接收机基本组成光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于 图4.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。 光检测器 偏压控制 前置放大器 AGC 电路 均衡器判决器 时钟 提取 再生码流 主放大器 光信号 图 4.14 数字光接收机方框图 1

18、. 光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件电转换的关键器件，其 性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、1.31 m 和1.55 m)兼容； (2) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最 大的光电流； (3) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。 目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光 电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 2. 放大器放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的 灵敏

19、度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有 三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)。 主放大器一般是多级放大器，它的作用作用是提供足够的增益， 并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范 围内变化时，输出电信号保持恒定。 。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡的目的均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生 畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决 (一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减 小误码率。 再生电路再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能功能是从放 大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地 对码元波形

20、进行取样判决，以得到原发送的码流。 4. 光电集成接收机光电集成接收机 图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件， 很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。 不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工 作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光 接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成 包括光检测器在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs接 收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易的，而且早已得到 实现。 然而然而，对于工作在1.31.6 m波长的系统，人们需要

21、基 于InP的OEIC接收机。在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC 接收机，其运行速率达5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图4.15所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两 个部分通过接触片连接在一起。 光 检 测 器 电 路 部 分 GaAs基 片 N-InP基 片 P-接 触 片N-接 触 片 图 4.15 光电集成接收机 4.2.2噪声特性噪声特性 光接收机的噪声有两部分： 一部分是外部电磁干扰产生外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通 过屏蔽或滤波加以消除； 另一部分是内部产生内部产生的，这部分噪声是在信号检测

22、和放大 过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与 制造尽可能减小，一般不可能完全消除。 我们下面要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。光接收 机噪声的主要来源主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。 图4.16示出光接收机的噪声等效模型， 由光检测器和放大 器两部分组成。图中i2q和i2d分别为光检测器的量子噪 声和暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)， 其相应 的功率谱密度分别表示为Sq和Sd。ip、R和C分别为光检测器的 输出光生电流、偏置电阻和电容(结电容和其他电容)。放大器 分解为理想放大器和等效噪声电流源i20和电压源u20， 其相应的功率谱密度分别表示为SI

23、和SE，Rin是放大器的输入电 阻。 放 大 器 Rin 0 SI SE CR Sd d Sq q ip 放大器光电检测器 0 图 4.16 光接收机的噪声等效模型 场效应管(FET)前置放大器 22 2 2 2 3 )2(8 . 2 284 BA g CkT BA Rg KT R KT N mm A 跨阻型前置放大器 - 双极型晶体管 22 22 2 3 2)2()( 2 / 4 BA eIc CkT BA eIc RR KT N f A 跨阻型前置放大器 - 场效应管 光检测器等效噪声特性请参看3.2节的内容。 22 22 22 3 2)2()( )/( )(2 BA eIC CkT BA

24、 IcRR KTeIc R KT N m A 放大器噪声特性放大器噪声特性取决于取决于所采用的前置放大器类型所采用的前置放大器类型， 根据放 大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置 放大电路示于图4.17， 其输出的等效噪声功率NA为：双极型 晶体管(BJT)前置放大器 三种类型前置放大器的比较： (1) 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RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用 于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪声 小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性

25、和动 态范围，并具有良好的噪声特性。 图 4.17光接收机的前置级放大电路 (a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型 偏压 (a) 偏压 (b) 偏压 (c) Rf 4.2.3误码率误码率 光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下， 等于误比特率，BER)，用较长时间间隔内，在传输的码流中， 误判的码元数和接收的总码元数的比值比值来表示。 码元被误判的概率，码元被误判的概率， 可以用噪声电流可以用噪声电流(压压)的概的概 率密度函数来计算率密度函数来计算。如 图4.18所示，I1是“1”码 的电流，I0是“0”码的电 流。 Im是“”码的平 均电流，而“0”码的平

26、 均电流为0。D为判决门 限值，一般取D=Im/2。 t Is Im I1(t) I0(t) 判决门限D 0 图 4.18 计算误码率的示意图 在“”码时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可 能被误判为“”码。 要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道 噪声的概率分布。 一般假设光接收机输出噪声电流(或电压)的瞬时值服从高高 斯分布斯分布，其概率密度函数为 2 exp 2 1 )( 2 2 x xf 式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值， 其均值为 零，方差为2。 2 exp 2 1 )( 0 2 0 0 0 N I N If 在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪

27、 声的概率分布后， 现在可以分别计算“0”码和“”码的误 码率了。 在发“0”码时， 平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器 的平均噪声功率。 这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率 ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的 概率密度函数为 根据误码率的定义，把“0”码误判为“1”码的概率， 应 等于I0值超过D值的概率，即 0 0 2 0 0 01 2 exp 2 1 ,dI N I N P D e dx x x ND 2 exp 2 1 0 / 2 式中x=I0/ 0 N 在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大 器输出端光检测器的平均噪声

28、功率。这时噪声电流的幅度为 I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-ImD- Im，就可能把“”码误判为“0”码。所以，把“1”码误判为 “0”码的概率为： )( 2 )( exp 2 1 , 1 1 2 1 1 01m ID m e IId N II N P m dy y P NID e m 2 exp 2 1 , 1 / )( 2 01 式中y=(I1-Im)/ 。 “0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0” 码和“1”码等概率的码流而言，一般认为Pe, 01=Pe, 10时，可 以使误码率达到最小。因此，总误码率(BER)可以表示为 N dx x

29、P Q e 2 exp 2 1 2 式中 Q= 10 N DI N D m Q= 10 NN Im Q称为超扰比称为超扰比，含有信噪比的概念。 它还表示在对“0”码进行取样判决时， 判决门限值D超过放大器平均噪声电流 的倍数。 由此可见，只要知道Q值，就可根据 式(4.12) 的积分求出误码率，结果示于图 4.19。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。 dx x P Q e 2 exp 2 1 2 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 4.555.566.5 77.5 Q 误码率 图4.19 误码率和Q的关系

30、 4.2.4灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度灵敏度Pr的定 义是，在保证通信质量在保证通信质量(限定误码率或信噪比限定误码率或信噪比)的条件下，光接的条件下，光接 收机所需的最小平均接收光功率收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。 由定义得到 Pr=10lg (4.14) 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱 光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。 那么，理想光接收机的灵敏度可以达到多少? 影响光接收机的 灵敏度有哪些因素? )( 10 )min( 3 dBm wP 1. 理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 假设光检测

31、器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统 可以检测出单个光子形成的电子 - 空穴对所产生的光电流， 这 种接收机称为理想光接收机理想光接收机。 ，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要 有光信号输入，就有量子噪声存在。 首先考虑理想光接收机的误码率。 当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，因 此“0”码误判为“”码的概率为0，即Pe, 01=0。 产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没 有产生光电流，放大器没有电流输出。这个概率，即“1”码误 判为“0”码的概率Pe, 10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。 当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为 Pe

32、= (4.15) 2 1 2 1 2 1 Pe, 01+ Pe, 10= exp(-n) 现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是非归零码 (NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb， 一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功光接收机所需最小平均接收功 率率为 Pmin= 22 d bb Enhf TT 式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果， h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率 和光波长，c为真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb为传输速率； 并考虑光/电转换时的量子效率为。把这些关系代入式(4.16)， 得到理想光接收

33、机灵敏度当“0”码和“1”码等概率出现时， 误码率为 Pr= 10 lg (4.17) 2 b nhcf 对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe10-9，根据 式(4.15)得到n21。这表明至少要有表明至少要有21个光子产生的光电流，个光子产生的光电流， 才能保证判决时误码率小于或等于才能保证判决时误码率小于或等于10-9。设=0.7，并把相关的 常数代入式(4.17)， 计算出的不同和不同fb的Pr值列于表4.1。 这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪 声决定的，所以称为量子极限声决定的，所以称为量子极限。由表 4.

34、1 我们明显看到了灵敏 度与光波长和传输速率的关系。 2. 实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度 超扰比Q与入射光功率的关系 在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流 I0=0 在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流I1的关 系为 I1=gP1=2gP 式中，g为APD倍增因子(对于PINPD，g=1)，为光检测器的响 应度 P=(P1+P0)/2为“0”码和“”码的平均光功率 在放大器输出端“”码的平均电流Im=I1A，A为放大器 增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到 Q= (4.19) 给定Q值， 便得到限定误码率的最小平均接收光功率 10 2 N

35、N Apg Ag NNQ P 2 )( 10 min 式中，N0和N1分别为传输“0”码和“1”码时的平均噪声功率。 如前所述，在略去暗电流的情况下， N1=NA+ND 式中，NA是前置放大器的平均噪声功率，如式(4.4)式 (4.7)所示；ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率， ND=i2qA2，i2q为均方量子噪声电流，如式(3.22)和式 (3.26)所示。 对于PIN光电二极管，ND m，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。 1. mBnB码编码原理码编码原理 最简单的mBnB码是1B2B码，即曼彻斯特码，这就是把原 码的

36、“”变换为“01”， 把“1”变换为“10”。 因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个， 例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比 特， 码速提高了1倍。 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

37、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。 表 4.23B和4B的码字 作为普遍规则，引入“码字数字和码字数字和”(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。 。 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。 nB码的选择原则码的选择原则是：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W

38、DS=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。 表表 4.3 一种一种3B4B码表码表 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。

39、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。 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。 2. 编译码

40、器编译码器 有两种编译码电路： 一种是组合逻辑电路，就是把整个编译码器都集成在一小 块芯片上，组成一个大规模专用集成块， 国外设备大多采用 这种方法； 另一种是把设计好的码表全部存储到一块只读存储器 (PROM)内而构成，国内设备一般采用这种方法。 图 4.22 码表存储编码器编码器原理 并串 PROM B1B2B3B4 b1b2b3 串并 组别 变换 A B C 变前时钟 已变换的输出4B码流 变换时钟 待变换输入 信号码流 设计好的码表 存入PROM内 图中A、B、C三条 线为组别控制控制 线，当WDS=2 时， 从A、B分别 送出控制信号， 通过C线决定组别。 译码器译码器与编码器编码器基本相同，只是除去组别控制部 分。 译码时，把送来的已变换的4B信号码流，每 4比特