光纤通信网络

1、光纤通信系统结构简介2013224040 赵艳阳光发射机光发射机光接收机光接收机一、光发射机的基本组成 光发送电路主要由驱动电路、发光器件、自动功率控制（APC）电路、自动温度控制（ATC）电路组成。其功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号（即E/O转换）。光发射机基本组成框图光发射机基本组成框图 可靠性光发射机应该能在相当长时间内（约光发射机应该能在相当长时间内（约10年）可靠地工年）可靠地工作。对于海底光缆系统，可靠性要求更严格（通常要作。对于海底光缆系统，可靠性要求更严格（通常要求在求在25年中非认为系统故障在年中非认为系统故障在3次以下）。次以下）。 光发射机失效的主要原因是光源

2、本身，通常用平均失光发射机失效的主要原因是光源本身，通常用平均失效时间（效时间（MTTF, Mean Time to Failure）tF来度量激来度量激光器的寿命。光器的寿命。 通常，光源的通常，光源的tF应该超过应该超过105小时（约小时（约11年）。年）。 LED和和LD都有可能出现两种失效，一种是灾难性的都有可能出现两种失效，一种是灾难性的突然损坏，另一种是随着使用时间的增加出现效率下突然损坏，另一种是随着使用时间的增加出现效率下降的渐衰减过程（老化）。降的渐衰减过程（老化）。 一般来说，在相同的工作条件下，一般来说，在相同的工作条件下，LED比比LD具有更具有更长的寿命，长的寿命，G

3、aAs LED的平均失效时间可以轻易超过的平均失效时间可以轻易超过106小时，在小时，在25C工作条件下可以大于工作条件下可以大于107小时，小时，InGaAsP LED的失效时间接近的失效时间接近109小时小时。InGaAsP LD 的失效时间在的失效时间在25C时通常被限制在时通常被限制在106小时。小时。尽管如此，尽管如此，MTTF106小时的小时的LD也足可以用在设计也足可以用在设计使用时间为使用时间为25年的海底光缆系统的光发射机中。年的海底光缆系统的光发射机中。 驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直接调制）和外调制（即间接调制）。内调制是

4、直接接调制）和外调制（即间接调制）。内调制是直接在光源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信在光源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信系统中；外调制是在光输出通路上加调制器，对光系统中；外调制是在光输出通路上加调制器，对光源性能影响小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应源性能影响小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应用。图中给出的驱动电路，是用输入电信号的大小用。图中给出的驱动电路，是用输入电信号的大小来直接调制发光器件的发光强度，所以属于内调制。来直接调制发光器件的发光强度，所以属于内调制。驱动电路的输入电脉冲信号和发光器件的输出光脉驱动电路的输入电脉冲信号和发光器件的输出光脉冲信号都要求是光纤码

5、型信号；冲信号都要求是光纤码型信号； APC APC电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条件变化；件变化； ATC ATC电路用来使发光器件工作温度恒定。电路用来使发光器件工作温度恒定。光发射机的主要性能指标 平均发送光功率平均发送光功率PT PT 消光比（消光比（EXEX） 定义为正常工作条件下光发送电路输出的平均光功率。通常PT使用毫瓦分贝（dBm）单位，即 平均发送光功率与光发送电路（驱动电路）的输入电脉冲信号幅度和码型有关。所以，离线测试时应在正常工作的注入电流条件下进行，并且测试信号使用伪随机码，以便尽可能接近实际情况。)(10)(lg1010)

6、(lg1033dBmWPWPPTTT单位 定义为光发送电路输出全定义为光发送电路输出全“1”1”码时的平均输出码时的平均输出光功率光功率P P1 1与输出全与输出全“0”0”码时的平均输出光功率码时的平均输出光功率P P0 0之之比，即比，即 消光比应大于消光比应大于1010，以保证足够的光接收信噪比。，以保证足够的光接收信噪比。01lg10PPEX 控制电路 控制电路的作用，就是为了消除上述温度变化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的工作环境。目前主要采取的措施有自动温度控制和自动功率控制。 自动温度控制（ATC） 光纤+V+ LD芯片热电致冷A热敏电阻的冷端和激光器的热沉接触，的冷端和

7、激光器的热沉接触，作为传感器，探测激光器结区的温度，并把作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过它传递给控制电路，通过改变致冷量，改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。使激光器输出特性保持恒定。RRC1PINLDLRGNDRV2RGNDRRRRRRCA3RUE EGNDCRRRRGNDUE ERCGNDGNDDA2V4RUE ERIbA1V3SqV1APCAPC电路原理电路原理自动功率控制（APC）二、光接收机的基本组成光光/电转换电转换低噪声放大低噪声放大提供增益提供增益决定接收机灵敏度决定接收机灵敏度对畸变信号补偿，对畸变信号补偿，消除干扰，减小消除干扰，减小误码率误码

8、率取样判决，取样判决，再生原码流再生原码流决定光接收机决定光接收机的动态范围的动态范围自动增益控制，自动增益控制，利用反馈环路控利用反馈环路控制放大器增益制放大器增益1前端（光检测器）光检测器和前置放大器合起来叫做接收机的前端，光检测器和前置放大器合起来叫做接收机的前端， 其性能的优劣是决定接收机灵敏度的主要因素。其性能的优劣是决定接收机灵敏度的主要因素。光检测器实现光电转换光检测器实现光电转换目前普遍使用的光检测器是半导体光电二极管目前普遍使用的光检测器是半导体光电二极管( (如如PINPIN、APDAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管) )。光检测器的性能特别是响应度和噪声直接影响光接光检测

9、器的性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的基本要求是高的光电收机的灵敏度。对光检测器的基本要求是高的光电转换效率、低的附加噪声和快速的响应。转换效率、低的附加噪声和快速的响应。1前端（前置放大器）由于光检测器的产生的光电流非常微弱，只有由于光检测器的产生的光电流非常微弱，只有nAAnAA的数量级，必须先经过前置放大器进行的数量级，必须先经过前置放大器进行低噪声放大。低噪声放大。前置放大器作用是对光检测器的产生的光电流前置放大器作用是对光检测器的产生的光电流进行放大，当然这也不可避免的引进附加噪声，进行放大，当然这也不可避免的引进附加噪声，因此应采用低噪声放大器。因此应采用

10、低噪声放大器。 返回返回2主放大器 主放大器一般是多级放大器，实际中往往是主放大器一般是多级放大器，实际中往往是由集成电路来构成。由集成电路来构成。它的主要作用是提供足够的增益，同时受它的主要作用是提供足够的增益，同时受AGCAGC电路控制调整增益，以使输入光信号在一定范电路控制调整增益，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。围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和主放大器和AGCAGC决定光接收机的动态范围。决定光接收机的动态范围。3均衡滤波器 均衡的目的是对经光纤传输、光均衡的目的是对经光纤传输、光/ /电转换和电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补放大后已产生畸

11、变（失真）的电信号进行补偿，使输出的波形适合于判决，以消除吗间偿，使输出的波形适合于判决，以消除吗间干扰，减小误码率。干扰，减小误码率。 4再生电路再生电路包括取样判决电路和时钟提取。再生电路包括取样判决电路和时钟提取。功能是从放大器输出的信号与噪声混合波功能是从放大器输出的信号与噪声混合波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以再生出原发送的码流。行取样判决，以再生出原发送的码流。 5.自动增益控制电路 光接收机的自动增益控制，就是用反馈环路来光接收机的自动增益控制，就是用反馈环路来控制主放大器的增益。控制主放大器的增益。在采用雪崩管在采用雪

12、崩管(APD)(APD)的接收机中还通过控制雪的接收机中还通过控制雪崩管的偏压来控制雪崩管的雪崩增益。当信号崩管的偏压来控制雪崩管的雪崩增益。当信号强时，则通过反馈环路，使上述增益降低；当强时，则通过反馈环路，使上述增益降低；当信号弱时，则控制上述增益提高，从而达到使信号弱时，则控制上述增益提高，从而达到使输出信号稳定，以利于判决的目的。输出信号稳定，以利于判决的目的。显然，自动增益控制的作用是增加了接收机的显然，自动增益控制的作用是增加了接收机的动态范围。动态范围。光接收机的主要指标 误码率误码率 灵敏度灵敏度 动态范围动态范围1误码率把发射的把发射的“0”0”误判为误判为“1”1”码，把码

13、，把“1”1”误判为误判为“0”0”码，光接收机对码元误判的概率称为误码码，光接收机对码元误判的概率称为误码率率( (在二元制的情况下，等于误比特率在二元制的情况下，等于误比特率BEB)BEB)用较长时间间隔内，在传输码流中，误判的码用较长时间间隔内，在传输码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。元数和接收的总码元数的比值来表示。 总波特数总波特数错误的比特数错误的比特数BER现光纤通信系统现光纤通信系统BER10BER10-12-122灵敏度光接收机灵敏度光接收机灵敏度PrPr定义：在保证通信质量定义：在保证通信质量( (满足满足给定的误码率指标给定的误码率指标) )的条件下，光接

14、收机需要的的条件下，光接收机需要的最小平均接收功率最小平均接收功率Pmin(w)Pmin(w)，并以，并以dBmdBm为单位，表为单位，表示为：示为：10)W(Plg10P3minr灵敏度灵敏度PrPr表示了接收机调整到最佳状态时，接表示了接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力，提高灵敏度意味着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。收更微弱的光信号。对接收灵敏度的要求与系统应用有关 对于海底通信系统，总希望尽量减少中继站数目以提高可靠性并容易维护。那末就非常希望有高的接收灵敏度，以延长中继距离； 对陆上通信系统及数据网，中继距离常常取决中继站位置，对接收灵敏度的要求就不很苛刻 接收灵敏度是接收机设计中最基本的问题。3动态范围光接收机的动态范围光接收机的动态范围D D定义为在保证系统的误码定义为在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率率指标要求下，接收机的最低输入光功率( (用用dBmdBm表示表示) )和最大输入光功率和最大输入光功率( (用用dBmdBm表示表示) )之差。之差。 minmax3min3maxPPlg1010)W(Plg1010)W(Plg10D它表示光