光纤通信课件第四章

1、1 2本章内容l 光发送机l 光接收机l 光中继器l 光线路码型本章重点l 光发送机和光接收机的功能、电路组成和工作原理。l 光通信常用线路码型。3l 掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理。l 熟悉光中继器的组成框图及工作原理。l 掌握光通信常用的线路码型。4 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，如图4-1所示。图4-1 光纤通信系统组成 光纤通信系统主要包括光纤（光缆）和光端机。每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分，通信距离长时还要加光中继器。光发送机完成E/O转换，光接收机完成O/E转换，光纤实现光信号的传输，光中继器延长通信距离。 5 作用：是

2、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。对光发送机的要求： （1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。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 消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示 （4-1） 式中，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。 )dB(lg100011PPEXT 6 （3）调制特性要好 所谓调制特性好，是指光源的PI曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。 除此之外，还要

3、求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。7 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。如图4-2。图4-2 数字光发送机原理方框图8 （1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。 （2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ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。 （4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。 （5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。 （6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。 （7）光源：产生

4、作为光载波的光信号。 （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。9 1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： 发送光波的中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 电/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容量。 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。10 2调制方式 有直接调制（内调制）和间接调制（外调制

5、）。 （1）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)直接注入光源，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。 调制原理如图4-3所示。 特点 调制简单、损耗小、成本低。但存在波长(频率)的抖动。11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 （2）间接调制 基本概念及调制原理 间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制，如图4-4所示。 特点 调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄，可以

6、应用于2.5Gbit/s的高速大容量传输系统之中，而且传输距离也超过300km以上。13 3调制特性电光延迟n电光延迟激光器在高速调制下，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的一个初始延迟时间。其数量级一般为ns。 电光延迟会引入码型效应。当电光延迟时间与数字调制信号的码元持续时间为相同数量级时，会使“0”码后的第一个“1”码脉冲宽度变窄，幅度变小 ，严重时使单个“1”码丢失，这种现象即“码型效应”。码型效应的特点是在脉冲序列中较多的“0”之后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”数越多，调制速率越高，该效应越明显。用适当的“过调制”补偿，可以消除码型效应。14张弛振荡现象n张弛振荡现象当电

7、流脉冲注入激光器时，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡现象。其振荡频率一般为0.5到2GHz。该现象和电光延迟都会影响调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形严重失真，会使接收机在抽样判决时增加误码率，故实际调制频率应小于张弛振荡频率。自脉动现象 自脉动现象当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅高频振荡的现象 。它是由于激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，与P-I特性的扭折区域相对应。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制。15n电光延迟 、张弛振荡频率 和幅度衰减时间 的表达式为：n n 其中 是电子复合寿命， 是谐振腔内光子寿命， 是注入电流密度， 是阈值电流

8、密度， 是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e时的时间。thpsdjjjtln)1(1thphsprjjjjthsp20dtr00spphjthj16 3调制特性 （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4-5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。 图4-5 光脉冲瞬态响应波形 17 （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

9、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4-6（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4-6（c）所示。图4-6 码型效应181.1 驱动电路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：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；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；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。保证光源具有稳定的输出特性。19 2. 驱动电路

10、的工作原理 （1）共发射极LED驱动电路 图4-7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。 共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为信号为“0”“0”时，晶体三极管时，晶体三极管VTVT处于截止状态，处于截止状态，LEDLED中没中没有电流流过，因此有电流流过，因此LEDLED不发光；当输入数据信号为不发光；当输入数据信号为“1”“1”时，晶体三极管时，晶体三极管VTVT工作于饱和状态，工作于饱和状态，LEDLED中有较大的电流中有较大的电流流过

11、，所以流过，所以LEDLED发光。发光。 20 图4-8 射极耦合LD驱动电路图 图4-7 共发射极驱动电路 21（2）射极耦合LD驱动电路 图4-8是射极耦合LD驱动电路，适合于LD系统使用。该电路适合激光器系统使用。电流源由V1和V2组成的差分开关电路，它提供恒定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压UB，V2集电极的电压取决于LD的正向偏压，数字电信号Uin从V1的基极输入。当信号为“0”时， V1的基极电位比UB高而先导通， V2截止，LD 不发光。当信号为“1”时， V1的基极电位比UB低，而V2先导通， 驱动LD 发光。V1和V2轮流处于截止和非饱和导通状态，有利于提高调制 速率

12、。该电路为恒流源的调制速率，可达到300Mb/s,电流噪声小，但动态范围小，功耗较大。22LDbARinPDPDLD1)(PIUUUUUP图4-9 反馈稳定LD驱动电路 （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，其控制过程如下：23 （4）带自动功率控制的LD驱动电路 更加完善的带自动功率控制（APC）的电路如图4-10所示。图4-10 APC电路原理24n从LD的背向输出光功率，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的同相端，A3和V3组成的直流恒流源调节LD的偏置

13、电流Ib，使LD输出光功率稳定。自动功率控制电路原理25 1激光器的温度特性 l 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，如图图4-11（a）和（b）所示。 当温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。 l 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”。如图4-12所示 “结发热效应”将引起调制失真。26图4-11 温度引起的光功率输出的变化图4-12 结发热效应27 2光源的自动温度控制（ATC） （1）温度控制

14、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4-13示出了温度控制装置的方框图。) LD( ) (R)LD( ) (TTITT致冷器、热沉环境图4-13 自动温度控制原理方框图28 （2）自动温度控制（ATC）原理 图4-14示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：图4-14 ATC电路原理29n温度控制装置由制冷器TEC、热敏电阻RT、和控制电路组成。由热敏电阻和R1、R2、R3组成的“换能电桥”，通过电桥将温度变化转换为电流的变化。运算放大器的差动输入端跨接在电桥的对端，用于改变三极管的基极电流。在设定温度（如20）时，调节R3使电桥平衡，A、B点间无电位差，故流过制冷

15、器TEC的电流为零。当环境温度升高时，LD的温度升高，使具有负温度系数的热敏电阻阻值变小，电桥失去平衡，使B点电位低于A点电位，运算放大器输出电压升高，V的基极电流增大，制冷器的电流也增大，制冷端温度降低，LD的温度也降低，保持温度恒定。控制过程可表示为：nT（环境） T（LD） RT I（制冷器） T（LD）自动温度控制（ATC）原理30 注：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

16、。311. 光发送机的指标光发送机的指标 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.(1) 平均发送光功率及其稳定度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。SFPP为了获得最佳的耦合效果，一般出厂的光源都带一段尾纤(2) 耦合效率耦合效率 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： 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。最小平均发送光功率最大平均发送光功率E

17、X(3) 消光比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： 若用相对值表示，则为最小平均发送光功率最大平均发送光功率lg10EX34 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（AGC）保证稳定的输出。 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主要因素。 前端的作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，前端的作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为

18、时变电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽。35 强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图4-15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（AGC）电路等。图4-15 数字光接收机方框图36 1光电检测器 光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是： 在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。 波长响应要和光纤的3个低损

19、耗窗口兼容。 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。 产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。 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，使用简便。37 2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。 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。 前置放大器的类型目前有3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（或跨导前置放大器）。 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（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，

20、输出电信号应保持恒定输出。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。38三种前置放大电路比较n双极性晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数小于信号脉冲宽度，因而码间干扰小，适用于高速系统。n场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性差，适用于低速系统。n跨阻型前置放大器的主要特点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。39 3均衡器 均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。 4再生电路 包括判决电路和时钟提取电路，用于从放大器输出的信号和噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个对波形进行取样判决，以得到原发送的码流。 5

21、自动增益控制（AGC） AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。40 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。这些噪声的分布如图4-16所示。 l 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声； l 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及晶体管组件内部噪声。)dBm(mW1lg10minRPP 图4-16 接收机的噪声及其分布41 （1）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伏。这是检测器固有的噪声。

22、 （2）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。由于激励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。 （3）雪崩管倍增噪声 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。 （4）光接收机的电路噪声 主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。42 数字光接收机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给定误码率指标的条件下(BER=10 9 )，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 (4-2) （2

23、）光接收机的动态范围 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即 (4-3) )dB(lg1010lg1010lg10minmax3min3maxPPPPD43 （3）自动增益控制（AGC） AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。 自动增益控制（AGC）电路原理框图如图4-17所示。图4-17 自动增益控制电路原理框图44 光信号在传输过程会出现两个问题： 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离； 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，

24、使误码率增加。 以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。 光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有： 补偿衰减的光信号； 对畸变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（即光电中继器），另一种是全光中继器。45 1光电中继器的构成 传统的光中继器采用光电光（O-E-O）转换形式的中继器。如图4-18所示。图4-18 典型的数字光中继器原理方框图 2光电中继器的结构形式 有的设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。46 目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。掺铒光纤放

25、大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，其工作原理如图4-19所示。 用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光电光的转换过程，工作频带宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。图4-19 掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图47 PCM通信系统中的接口速率和码型，如表4-1所示。表4-1 PDH接口码速率与接口码型 PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此，在光端机中必须进行码型变换。 在PDH系统中，常用的线路编码有分组码mBnB，1B2B码（CMI、DMI和双相码等）和插入码， SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。各种码的编码规律、传

26、输速率如表4-2所示。 48光纤对所传信号码型的要求: n1、能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频率分量。n2、能给光接收机提供足够的定时信息。n3、能提供一定的冗余码，实现主辅信号同时传输。 49 1分组码 分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常nm，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。 常用光纤线路码型50 最简单的mBnB码是1B2B码，它是把原信息码的“0”变换为“01”，把“1”

27、变换为“10”。因此最大的连“0”和连“1”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是码速率提高了1倍。mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。 特点：n1）码流中“1”“0”码概率相等，连“1”“0”的数目减少，定时信息丰富。n2） 高低频分量少，基线漂移小。n3）码流中引入一定冗余度，便于在线误码监测。 51 2插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m+1个码为一组新的线路码流。根据插入码的用途不同，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码等。 n优点：码速提高不大，误码增值小；可实现在线误码监测、区间通信和

28、辅助信息传送。n缺点：码流的频谱特性不如mBnB码，但在扰码后在进行mB1X码变换，就可以满足通信系统的要求。52 （2）mB1H码 mB1H码是由mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，并在相应的码位上插入一个混合码（H码），所以称为mB1H码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。（1）mB1C码 mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补码称为C码，所以称为mB1C码。例如：

29、53 （3）mB1P码 在mBlP码中，P码称为奇偶校验码，P码有以下两种情况。 P码为奇校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数，例如： P码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为偶数，例如：54 31B2B码 （1）CMI码 CMI码又称传号反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。 （2）双相码 双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“10”代替。 （3）DMI码 DMI码又称不同模式反转码，它是一种1B2B码。其变换规则

30、是原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。原码的“0”码，若前二个码为“01”，“11”时用“01”代替，前二个码为“10”，“00”时用“10”代替。55表4-2常用的线路编码56 4扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，它是利用一定规则对信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”和“1”出现的概率相同，因此码流中不会出现长连“0”或长连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。 信号序列扰乱方法有： l 用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加，这样就能把任何输入信号序列变换为随机序列，但完全随机的序列不能再现。 l 用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。 图4-20所示为一个五级扰码器和解