单元二话音在光纤通信系统中的传输任务4话音在光纤通信系课件

单元二话音在光纤通信系统中的传输任务4话音在光纤通信系统中的传输教学活动学习光端机功能、组成及性能。9/20/20231单元二话音在光纤通信系统中的传输8/6/20231第4章

数字光纤通信系统

本章重点内容是：1.光纤通信的特点；2．光纤通信系统的基本组成；3．光纤的结构和分类、光纤的导光原理及主要工作特性；4．光源、光检测器、光无源器件的工作原理和工作特性5．光端机的基本组成及各部分的主要作用；6．SDH的基本特点；7．SDH的标准速率与帧结构；8．我国SDH的复用结构；9．SDH网中的复用设备和数字交叉连接器；10．SDH网络结构。9/20/20232第4章数字光纤通信系统本章重点内容是：8/6/4.3光端机

所谓光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备。光端机包括光发送机和光接收机。框图如图4-27光发送机的主要作用是将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，并藕合进光纤线路中进行传输。光接收机的主要作用是将光纤传输微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生输人到电接收端机。9/20/202334.3光端机

所谓光端机是光纤通信系4.3光端机

4.3.1光发射机1、数字光发射机的功能:

电端机输出的数字基带电信号转换为光信号；用耦合技术注入光纤线路；用数字电信号对光源进行调制。2、调制方式：直接调制和外调制。

受调制的光源特性参数有：功率、幅度、频率和相位，广泛应用的是直接光强(功率)调制。

9/20/202344.3光端机

4.3.1光发射机8/6/2023IIPP输入电信号输出光信号输出光信号输入电信号

(a)LED数字调制原理；(b)LD的数字调制原理

当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系。输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。9/20/20235IIPP输入电信号输出光信号输出光信号输入电3、光发射机基本组成数字光发射机的方框图如图所示，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。输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信号输入光信号输出图数字光发射机方框图9/20/202363、光发射机基本组成输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信1）光源

对通信用光源的要求如下

：

发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm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。电/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，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。

9/20/202371）光源8/6/20237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。

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。此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。

9/20/20238允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统2）调制电路和控制电路直接光强调制的数字光发射机主要电路有：调制电路、控制电路和线路编码电路。

3）线路编码电路电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码。

9/20/202392）调制电路和控制电路3）线路编码电路8/6/2023

4.3.2光接收机1、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方框图示于图。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。9/20/2023104.3.2光接收机8/6/202310

1）光检测器光检测器是光接收机实现光/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：波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗体积小。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)。9/20/2023111）光检测器8/6/202311

2）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。

主放大器一般是多级放大器，它的作用是：提供足够的增益；并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。9/20/202312

2）放大器8/6/2023123）均衡和再生

均衡的目的：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，以消除码间干扰，减小误码率。

再生电路包括：判决电路和时钟提取电路9/20/2023133）均衡和再生8/6/202313

2、光电集成接收机图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2GHz，甚至达到10GHz。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。9/20/2023142、光电集成接收机8/6/202314

在1991年试验成功的单路InGaAsOEIC接收机，其运行速率达5Gb/s。InGaAsOEIC接收机也可以用混合法实现。如图所示，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。图光电集成接收机9/20/202315在1991年试验成功的单路InGaAsOEI4.3.3线路编码在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。9/20/2023164.3.3线路编码8/6/2023161、简单的二电平码会带来如下问题：

在码流中，出现“１”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。

在随机码流中，容易出现长串连“１”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。9/20/2023171、简单的二电平码会带来如下问题：8/6/202317

2、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。

9/20/2023182、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性3、扰码为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰码改变了“１”码与“0”码的分布，从而改善了码流的一些特性。例如：扰码前：1100000011000…扰码后：1101110110011…9/20/2023193、扰码例如：8/6/202319扰码有下列缺点：不能完全控制长串连“１”和长串连“0”序列的出现；没有引入冗余，不能进行在线误码监测；信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。9/20/202320扰码有下列缺点：8/6/2023204、mBnB码mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，n>m，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

9/20/2023214、mBnB码8/6/202321mBnB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“０”变换为“01”，把“1”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。

9/20/2023228/6/202322

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。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“１”；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。9/20/202323以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表3B和4B的码字

9/20/202324011111111作为普遍规则，引入“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。所谓“码字数字和”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“１”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。

9/20/202325作为普遍规则，引入“码字数字和”(WDS)

nB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WDS=0和WDS=±2的码字，禁止使用WDS=±4的码字。

线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表一种3B4B码表9/20/202326nB码的选择原则是：尽可能选择|WDS|最小

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“１”和连“0”的数目，删去：000011、110000、001111和111100。禁用WDS=±4和±6的码字。表