光纤通信课件

1、1 2 光发送机与光接收机统称为光端机。光端机位于光发送机与光接收机统称为光端机。光端机位于电端机和光纤传输线路之间。电端机和光纤传输线路之间。图图4-1 光纤通信系统组成光纤通信系统组成3本章主要内容n光发送机n光接收机n光纤通信线路编码4把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤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。线路进行传输。 包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和和APC）及光源的监测和保护电路等。）及光源的监测和保护电路等

2、。作用：作用：数字光发送机的基本组成：数字光发送机的基本组成：5图图4-2 数字光发送机原理方框图数字光发送机原理方框图补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变将将HDB3码或码或CMI码变化为码变化为NRZ码码用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程使信号达到使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取等概率出现，利于时钟提取提取提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用中的时钟信号，供给其它电路使用完成电完成电/光变换任务光变换任务6 （1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰

3、减和畸变。 （2）码型变换：将）码型变换：将HDB3码或码或CMI码变化为码变化为NRZ码。码。 （3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。 （4）扰码：使信号达到）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。等概率出现，利于时钟提取。 （5）时钟提取：提取）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。中的时钟信号，供给其它电路使用。 （6）调制（驱动）电路：完成电）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。光变换任务。 （7）光源：产生作为光载波的光信号。）光源：产生作为光载波的光信号。 （8）温度控制和功率控

4、制：）温度控制和功率控制： 稳定工作温度和输出的平均光功率。稳定工作温度和输出的平均光功率。 （9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、路、LD偏流（寿命）告警等。偏流（寿命）告警等。7 1光源光源 光源的作用是产生作为光载波的光信号，对光源的要求是：光源的作用是产生作为光载波的光信号，对光源的要求是： 发送光波的中心波长应在发送光波的中心波长应在0.85m、1.31m和和1.55m附附近。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。近。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 电电/光转换效率高，发送光束方向性

5、好，以提高耦合效率。光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大的传输允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大的传输容量。容量。 器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。8 2调制电路和控制电路调制电路和控制电路 对调制电路和控制电路的要求有：对调制电路和控制电路的要求有： （1）输出光脉冲的通断比大于）输出光脉冲的通断比大于10，以保证足够的光接收信噪比，以保证足够的光接收信噪比 （2）光脉冲宽度大于电光延迟的

6、时间，光脉冲的上升时间、下）光脉冲宽度大于电光延迟的时间，光脉冲的上升时间、下降时间以及延迟时间要足够短，能工作在高频下。降时间以及延迟时间要足够短，能工作在高频下。 （3）足够的偏置电流，抑制张弛振荡。）足够的偏置电流，抑制张弛振荡。 （4）采用自动温度控制电路和自动功率控制电路，保证输出光）采用自动温度控制电路和自动功率控制电路，保证输出光功率的稳定性。功率的稳定性。9 3线路编码电路线路编码电路 电端机输出的数字信号是适合电缆线传输的电端机输出的数字信号是适合电缆线传输的双极性码，而光源不能发射负的光脉冲，所以要双极性码，而光源不能发射负的光脉冲，所以要变换为适合在光纤中传输的单极性码。

7、变换为适合在光纤中传输的单极性码。10 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，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，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输。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出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为荡，称为张弛振荡张弛振荡。张弛振荡和电。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。光

8、延迟的后果是限制调制速率。 图图4-3 光脉冲瞬态响应波形光脉冲瞬态响应波形 11 （2）码型效应）码型效应 当电光延迟时间当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量为相同数量级时，会使级时，会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个小，严重时可能使单个“”码丢失，这种现象称为码丢失，这种现象称为“码型效码型效应应”。图图4-4 码型效应码型效应122. 自脉冲现象自脉冲现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当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

9、出线持续注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出线持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉冲现象。等幅的高频振荡，这种现象称为自脉冲现象。 自脉冲现象产生的原因通常是激光器内部不自脉冲现象产生的原因通常是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收。均匀增益或不均匀吸收。13 （1）共发射极）共发射极LED驱动电路驱动电路 图图4-6所示为由三极管组成的共发射极驱动电路，这种驱动电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路主要用于以LED作为光源的数字光发射机。作为光源的数字光发射机。 适用于适用于10 Mbit/s以下的低速率系统。以下的低速率系统。 （2）射极耦合）射极耦合LD驱动电路驱动

10、电路 图图4-7是射极耦合是射极耦合LD驱动电路，适合于驱动电路，适合于LD系统使用。这种电路系统使用。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。为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。 （3）反馈稳定）反馈稳定LD驱动电路驱动电路 图图4-8是利用反馈电流使输出光功率稳定的是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控驱动电路，其控制过程如下：制过程如下：LDbARinPDPDLD1)(PIUUUUUP14 图图4-7 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 图图4-6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 15图图4-8反馈稳定反馈稳定LD驱动电路驱动电路16

11、1激光器的温度特性激光器的温度特性 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和外微和外微分量子效率分量子效率d产生，如图图产生，如图图4-9（a）和（）和（b）所示。）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。冲幅度下降。 温度对输出光脉冲的另一个影响是温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应结发热效应”。 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

12、，这种效应称为度的变化，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”。如图。如图4-10所示所示 “结发热效应结发热效应”将引起调制失真。将引起调制失真。17图图4-9 温度引起的光功率输出的变化温度引起的光功率输出的变化图图4-10结发热效应结发热效应18 2光源的自动温度控制（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，图温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4-11示示出了温度控制装置的方框图。出了温度控制装置的方框图。图图4-11 自动温度控制原理方框图自动温度控制原理方框图

13、19 （2）自动温度控制（）自动温度控制（ATC）原理）原理 图图4-12示出示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：电路原理图。控制过程可以表示如下：)LD()(R)LD()(TTITT致冷器、热沉环境图4-12 ATC电路原理20 注：注：温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率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电路即可。对于长波长激光器，由于其阀值电流

14、随温度的漂移较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，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。以使输出光功率达到稳定。21 光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸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（机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。）保证稳定的输出。 光接收机中的关键器件是半导体光

15、检测器，它和接收机中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。主要因素。22 强度调制强度调制直接检波（直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图）的光接收机方框图如图4-14所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、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（时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。）电路等。图图4-14 数字光接收机方框图数字光接收机方框图23 1光电检测器光电检测

16、器 光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是：是： 波长响应要和光纤的波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。个低损耗窗口兼容。 响应度要高，在一定的接收光功率下，输出尽可能大的光响应度要高，在一定的接收光功率下，输出尽可能大的光电流。电流。 产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。 工作性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小，使用工作性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小，使用简便。简便。24 2放大器放大器 光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。光接收机

17、的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。 对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。 前置放大器的的类型目前有前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。置放大器和跨阻抗前置放大器。 主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（平。并通过它实现自动增益控制（

18、AGC），以使输入光信号在一），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。 主放大器和主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。决定着光接收机的动态范围。25 3均衡器均衡器 均衡器的作用是对已畸变均衡器的作用是对已畸变(失真失真)和有码间干扰的电信号进行均衡和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。补偿，减小误码率。 4再生电路再生电路 再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。由判决器和时钟恢复电路组成。 5自动增益控制（自动增益

19、控制（AGC） AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。26 光接收机的噪声有两部分：光接收机的噪声有两部分：一部分是外界干扰产生的；一一部分是外界干扰产生的；一部分是内部产生的随机噪声。部分是内部产生的随机噪声。 光接收机的内部噪声主要是光接收机的内部噪声主要是光电检测器的噪声和光接收机光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。的电路噪声。 光电检测器的噪声包括量光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和噪

20、声和APD的倍增噪声；的倍增噪声； 电路噪声主要是前置放大电路噪声主要是前置放大器的噪声。器的噪声。图4-15 接收机的噪声及其分布27 （1）量子噪声：是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子）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。伏。这是检测器固有的噪声。 （2）暗电流噪声）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。的

21、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）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，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。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）光接收机的电路噪声 主要指前置放大器噪声。主要指前置放大器噪声。28 数字光接收机主要指标有数字光接收机主要指标有光接收机的误码率和灵敏度光接收机的误码率和灵敏度。 （1）误码率）误码率 光接收机对码元误判的概率称为误码率，用较长时间间隔内，光接收机对码元误判的概率称为误码率，用较长时

22、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来表示。在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。 （2）光接收机的灵敏度）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接收机所需的最小平均接收光功率Pmin。工程中常用毫瓦分贝。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即）来表示，即)dBm(mW1lg10minRPP 294.3 线路编码线路编码n 4.3.1扰码扰码n 4.3.2插入码插入码n 4.3.3mBnB码码30 1.概念概念 SDH光纤通信系统

23、中广泛使用的是加扰的光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码码.扰码是一个比特流与另一个比特流的一到一映扰码是一个比特流与另一个比特流的一到一映射，即在发送前把一个比特流映射成为另一个比特射，即在发送前把一个比特流映射成为另一个比特流。一般是在发送端将输入的比特流与另一个比特流。一般是在发送端将输入的比特流与另一个比特流异或，把异或的结果作为传输的比特流流异或，把异或的结果作为传输的比特流. 例例14.3.1扰码312 优点优点 不占用额外的带宽不占用额外的带宽3 缺点缺点 （1）没有引入冗余）没有引入冗余,不能进行在线的误码监测不能进行在线的误码监测 （2）不能完全控制长串连）不能完全控制长

24、串连0和连和连1序列的出现序列的出现 返回返回4.3.1扰码扰码32 1.概念概念 插入码是指把输入的码流分成每插入码是指把输入的码流分成每m个比特一组，个比特一组，然后在每组末尾按一定规律插入一个码，组成然后在每组末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入规则的不同，插个码为一组的线路码流。根据插入规则的不同，插入码又可以分为入码又可以分为mB1C码、码、mB1P码和码和mB1H码。码。（1）mB1C码码 所谓所谓mB1C码就是将原始码流中每码就是将原始码流中每m个比特分个比特分成一组，然后在第成一组，然后在第m+1位上插入一位位上插入一位C码，码，C码为码为m位码中

25、位码中某一位某一位的补码。的补码。 例例24.3.2 插入码插入码33（2）mB1P码码 mB1P码是将输入码流每码是将输入码流每m个分成一组后检查每组个分成一组后检查每组中中“1”码的个数是奇数还是偶数，据此再加入一个比特码的个数是奇数还是偶数，据此再加入一个比特的校验信息。的校验信息。 如果约定的是奇数性控制，则当如果约定的是奇数性控制，则当m位码中的位码中的“1”的的个数为奇数时在第个数为奇数时在第m+1位插入位插入“0”，为偶数则插入，为偶数则插入“1”。 如果约定的是偶数性控制则相反。如果约定的是偶数性控制则相反。 例例34.3.2 插入码插入码34（3）mB1H码码 mB1H码是由

26、码是由mB1C码转化而来的，即在码转化而来的，即在mB1C 码元中，扣除部分码元中，扣除部分C码，并在相应的码位码，并在相应的码位上插入一个混合码（上插入一个混合码（H码），混合码既可以是奇码），混合码既可以是奇偶校验码，也可以是用于监测管理等信息的其他偶校验码，也可以是用于监测管理等信息的其他码。码。 例例4 4.3.2 插入码35 2. 优点优点 （1）改善了码流中的连）改善了码流中的连“0”连连“1”分布分布 （2）易于不中断业务的误码监测。）易于不中断业务的误码监测。4.3.2 插入码361. 概念概念 mBnB码是分组码的一种。它是把输入的原码是分组码的一种。它是把输入的原始二进制码

27、流进行分组，每组有始二进制码流进行分组，每组有m个二进制个二进制码，每一组称为一个码字。之后把一个码字码，每一组称为一个码字。之后把一个码字的的m个二进制码变成个二进制码变成n个二进制码个二进制码(nm)，并在同一时隙内输出。并在同一时隙内输出。 2. 编码原理编码原理 输入输入m位二进制码，则共有位二进制码，则共有2m个码字，变成个码字，变成n码时有码时有2n个码字，个码字，mBnB码就是从码就是从2n个码个码字中挑出字中挑出2m个码字进行传输。个码字进行传输。4.3.3 mBnB码373. 选择选择n码的原则码的原则 尽可能选尽可能选WDS绝对值最小的码字，禁止选绝对值最小的码字，禁止选W

28、DS绝对值最大的码字。绝对值最大的码字。 WDS：即码字数字和。是指在：即码字数字和。是指在n码的码字中码的码字中用用+1代表代表“1”码，用码，用-1代表代表“0”码，整个码码，整个码字中字中0码和码和1码的代数和就叫码的代数和就叫WDS 例例54.3.3 mBnB码383. 优点优点（1）在码流中引入一定的冗余，便于在线误码）在码流中引入一定的冗余，便于在线误码监测。监测。（2）码流中连）码流中连“0”连连“1”数目较少。数目较少。4. 缺点缺点 传输辅助信号比较困难，因为传输这些信传输辅助信号比较困难，因为传输这些信号要插入一些额外的信息，而号要插入一些额外的信息，而nB码限制了这码限制

29、了这些信息的插入。些信息的插入。4.3.3 mBnB码39思考题思考题 书上书上91页在编页在编3B4B码时有正组负组之分，码时有正组负组之分，请同学们思考当请同学们思考当n满足什么条件时才可以分满足什么条件时才可以分出正组和负组？出正组和负组？返回40n习题习题 1. 编一组编一组4B5B码，并用你编的码表示码流码，并用你编的码表示码流011101010110110110110011 2. 书后书后3、4、8、12 41例例1 已知有两个比特流已知有两个比特流1010111010和和0010101100，现要将信号比特流现要将信号比特流0111111011用扰码方式进行编码，用扰码方式进行编

30、码，应选哪个为好？最后的编码结果是怎样的应选哪个为好？最后的编码结果是怎样的?解：解： 0111111011与与1010111010异或异或的结果为的结果为 11010000010111111011与与0010101100异或异或的结果为的结果为 0101010111由此可见应该选择第二个比特流，即由此可见应该选择第二个比特流，即0010101100好好,最后的编码结果应该是最后的编码结果应该是0101010111 返回返回42例例2 请将码流请将码流01011010001101011010用用4B1C码编码。要求码编码。要求C为每组第为每组第2位码元的补码。位码元的补码。解：解： 0101 1010 0011 0101 1010 01010 10101 00111 01010 10101即编码后的码流为即编码后的码流为0101010101001110101010101 返回返回43例例3 请将码流请将码流01101010100101110110用用4B1P码编码，要求（码编码，要求（1）P为奇校验码；（为奇校验码；（2）P为偶校验码。为偶校验码。解：解： 0110 1010 1001 0111 0110 01101 10101 10011 01110 01101 01100 10100 10010 01111 01100 返回返回44例例4 请将