光纤通信课件04-乔桂红概要.ppt

1、2020/7/7，1，4章光短期，2020/7/7，2，本章的内容是光发射机光中继器光线路代码类型本章中主要光发射机和光接收机的功能、电路配置和工作原理。光通信一般使用线路代码类型。第四章光收发器，2020/7/7，3，学习本章的目的和要求，了解光发射机和光接收机的框图和工作原理。熟悉光中继器的方块图和工作原理。掌握光通信常用的线路代码类型。第四章光收发器，2020/7/7，4章光收发器，光纤通信系统主要包括光纤(光缆)和光收发器。每个光收发器由光发射机和光接收机组成，在通信距离较长的情况下添加光中继器，如图4-1所示。图4-1光纤通信系统配置，2020/7/7，5，4章光纤收发器，光发射器是

2、用于E/O转换的光纤收发器。其功能是用电断机的电信号调制光源发出的光波，使其成为调节光波，然后将调节光信号合并到光纤电路中进行传输。光接收器是实现O/E转换的光收发器。通过光纤传输的微弱光信号通过光探测器转换为电信号，放大、整形、再生电信号，然后生成与发射器相同的电信号，发送到接收端的电信号。光中继器在信号通过一定距离传输后，在信道信噪比不大的情况下及时识别判决，防止信道错误代码。发送器在发送器完成模式/数转换和多路复用信息后，将信号发送到光发送器。接收端功能有2020/7、6、4.1光发射机，光发射机的作用是将来自电枢的电信号转换为光信号，然后发送。因此，对光发射机有要求。(1)具有适当输出

3、光功率光发射机的输出光功率，通常是通过光纤组合的功率，又称光纤功率。输入光纤功率越大，可通信距离越长，但是光功率太大，系统就会非线性运行，对通信产生不利影响。因此，光源必须具有适当的光输出(通常为0.01mW5mW)。2020/7/7，7，4.1光发射机，(2)优良的消光比消除率被定义为整个“1”码的平均发射光功率与整个“0”码的平均发射光功率之比。表达式中的P11是整个“1”代码时的平均光功率。P00为完整“0”代码时的平均光功率。一般要求EXT10dB。2020/7/7，8，4.1光发射机，(3)调制特性好所谓调制特性好是光的PI曲线在使用范围内线性特性好，否则调制后会发生非线性失真。数字

4、光发射机的基本组成部分2020/7/7，9，4.1.1光发射机主要由输入电路和电/光转换电路两部分组成。输入电路包括均衡放大、基于代码的转换、多路复用、置乱码和时钟提取电路。电/光转换电路包括灯光、灯光的调制(驱动)电路、灯光的控制电路(ATC和APC)，以及灯光的监视和保护电路。图4-2。2020/7/7，10，4.1.1光发射机的基本配置，图4-2数字光发射机的原理方框图，2020/7/7，11，4.1.1光发射机的基本配置，(1)电缆传输引起的衰减和失真的平衡放大补偿，正确的解码(2)基于代码的转换仍然由均衡器输出为HDB3代码或CMI代码。二极零码(即1，0，1)，后者是零码。这两种类

5、型的代码都不适合在光纤通信系统中传输，通过基于代码的转换电路将双极代码转换为单极代码，将零码(即nnnrz代码)转换为适合光发射机要求的代码。2020/7/7，12，4.1.1光学发射器的基本组件，(3)同时传输大量低容量用户信息和开销信息的大传输通道利用过程。(4)置乱码有规律地破坏长连接“0”和长连接“1”的代码流。实现“0”、“1”等的概率，可以轻松地从线数据流中提取时钟。(5)时钟提取从PCM中提取时钟信号，用于基于馈电代码的转换和置乱代码电路。，2020/7/7，13，4.1.1光发射机的基本配置，(6)调制(驱动)电路将光调制为置乱码后的数字信号，从而使光源发射的光信号强度随着通信

6、号码流的变化而形成适当的光脉冲，即完成电/光转换操作。(7)光源生成作为光载体的光信号，并在光纤传输线上作为信号传输的载波传输信号进行传输。(8)温度控制和功率控制电路包括稳定半导体激光器的工作温度和输出的平均光功率的自动温度控制(ATC)电路和自动功率控制(APC)电路。2020/7/7，14，4.1.1光发射机的基本组件，(9)其他保护，监控电路光源过流保护电路：防止在光电二极管中一个短键二极管的相反方向冲激电流过大。哑光报警电路：在光发射机电路出现故障、输入信号中断或激光失败的情况下，激光“长时间”非发光，此时延迟报警电路发出报警信号。如果LD偏置流(寿命)警报偏移超过原始值的34倍，则

7、激光寿命结束，并发出延迟维护警报信号。2020/7/7，15，4.1.2光源调制，1光源通信的光源要求。(1)传输的光波长与光纤低损耗“窗口”一致，并且光谱单色优秀，应减少光纤对带宽的分布限制。(2)电/光转换效率高，传输光线的方向性好，有助于提高光源和光纤之间的耦合效率。(3)传输足够高的光功率以传输较远的距离。(4)调制速度高或响应速度快。(5)可靠性高，工作寿命长，工作稳定性好，电源稳定性高，波长稳定性和频谱稳定性好。(6)温度稳定性好。(7)设备小巧轻便，安装方便，价格便宜。2020/7/7，16，4.1.2光的调制，2调制直接调制(内部调制)是将电信号添加到直接光源以使输出的光载波信

8、号的强度随调制信号的变化而变化，即直接调制半导体激光器的注入电流。光纤通信中最常用的通信方法。间接调制(外部调制)，即在不调制直接光的情况下，在光源输出的路径上添加调制器以调制光波。通常用于高速大容量光纤通信系统或相干光通信系统。2020/7/7，17，4.1.2光源调制，(1)直接调制的基本概念和调制原理直接调制，将电信号注入直接光源，输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，也称为内部调制。图4-3直接光强度数字调制原理，2020/7/7，18，4.1.2光调制，图4-3(a)显示了指示灯的直接光强度数字调制结构图。由于LED属于非临界设备，因此随着注入电流的增加，输出光功率几乎呈线性

9、增长，如图4-3(b)所示。对LD的调制通常在激光上添加偏置电流Ib，在偏置流上嵌套调制电流Im，Ib Im是驱动电流，通过该电流直接驱动激光LD。调制脉冲信号为“0”码时，驱动电流Ib Im小于临界电流Ith，LD处于荧光操作状态，输出光功率为“0”。调制信号脉冲为“1”码时，驱动电流Ib Im大于临界电流Ith，LD受到刺激发射激光，输出光功率为“1”。可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率与输入电流成正比，因此输出光信号可以反映输入电信号的变化。2020/7/7，19，4.1.2光的调制使特性输出功率与调制电流成正比，调制简单，损失小，成本低。但是由于波长(频率)抖动，

10、激光光谱特性变差，系统的传输速率和距离受到限制。在典型的G.652光纤中使用时，传输距离为100km，传输速度为2.5 gbit/秒。对于不使用光线路放大器的WDM系统，可以从降低成本的角度考虑直接调制的激光的使用。，2020/7/7，20，4.1.2光调制，(2)间接调制基本概念和调制原理在不调制直接光的情况下向光源输出的路径添加调制器以调制光波，该调制器实际上在光发射后加载调制电压，起到调制经过调制器的光载波的作用。此调制也称为外部调制。图4-4间接调制激光器的结构，2020/7/7，21，4.1.2光的调制，特性间接调制可以调制光载波，从而分别调制其强度、相位、偏振和波长等。这种方式的激

11、光器比较复杂，损耗大，而且成本高。但是，由于调制频率啁啾较小、频谱宽度较小，因此可以应用于波特率2.5Gbit/s，并且可以应用于传输距离超过300km的高速大容量传输系统。2020/7/7，22，4.1.3自动功率控制和温度控制，1自动功率控制激光输出光功率与温度变化和设备老化密切相关，可以稳定激光输出光功率，使用光反馈自动调整偏置电流(见图4-5)。PD检测器检测，运算放大器A1放大后，从LD背面输出的光功率被发送到比较器A3的逆相输入部。同时，输入信号参考电压和直流参考电压由A2放大，发送到A3的同相输入部。A3和VT3通过调整直流恒流源LD的部分流Ib，保持输出光功率稳定。调整直流基准

12、电压可以改变偏置Ib的大小。此电路在1050温度范围内可能具有低于5%的电源不稳定性。2020/7/7，23，4.1.3自动功率控制和温度控制，图4-5自动功率控制电路，2020/7/7，24，4.1.3自动功率控制和温度控制，2自动温度控制温度变化会导致LD阈值电流的变化，从而导致输出光功率的变化。温度变化不大的时候，也可以通过APC电路调整光力，但是温度升高的话，临界电流会增加很多，通过APC电路调整的话，偏压电流会大幅增加，导致LD的连接温度升高，可能会烧伤。通常，添加自动温度控制(ATC)电路，使LD核心的温度保持在20左右。2020/7/7，25，4.1.3自动电源控制和温度控制，(

13、1)温度控制装置的配置温度控制装置由冷却器、热敏电阻和控制电路组成，冷却器的冷却端与激光的热层(附着在激光上的金属散热器)接触，热敏电阻(热敏电阻)是传感器，图4-6自动温度控制原理方框图，2020/7/7，26，4.1.3自动电源控制和温度控制，(2)自动温度控制原理，图4-7 ATC电路原理，控制过程：2020/7，对于短波长激光，一般只需添加自动功率控制电路。对于长波长激光，临界电流随温度漂移更多，因此通常添加自动温度控制电路以保持输出稳定。2020/7/7，28，4.1.4作为光发射机的主要指标的平均发射光功率是在正常条件下光发射机发送光尾光纤输出的平均光功率。消光比直接影响光接收器的

14、灵敏度，从提高光接收器的灵敏度的角度来看，尽可能大地要求消光比，但综合考虑，越大越好。光源的光谱特性影响系统的色散性能。ITU-T建议在G.957中使用三个参数：最大均方根宽度、最大20dB宽度和最小边模式抑制比。2020/7/7，29，4.2数字光接收器、光接收器的主要作用是，在光纤传输后衰减振幅，将波形失真的弱光信号转换为电信号，放大、整形、再现后生成与发射器相同的电信号，输入到电接收端机器中，通过自动增益控制电路(AGC)确保稳定输出光接收器的核心设备是半导体光探测器，与接收器的前导器一起，指光接收器的前端。前端的性能是决定光学接收器的主要因素。对于2020/7/7，30，4.2.1光接

15、收器的基本组件强度模块(IM)中的数字光信号，在接收器使用直接检测(DD)方法时，光接收器主要包括光探测器、前置放大器、主放大器、均衡器，图4-8数字光接收器方框图，2020/7/7，31，4.2.1光接收器的基本配置，1光探测器使用光二极管将通过光纤传送的光信号转换为光信号的前置放大器，对光探测器的要求。(1)在系统的操作波长上要有足够高的响应能力。(2)波长响应是光纤的三个低损耗窗口。(3)具有足够的响应速度和足够的操作带宽。(4)生成的其他噪波必须尽可能低，以便接收非常弱的光源信号。(5)光电转换线性，高保真。(6)工作性能稳定，可靠性高，寿命长。(7)功耗小、体积小、使用方便。目前，光

16、电探测器主要是半导体光电二极管(PIN-PD)、雪崩光电二极管(APD)和光电晶体管等。2020/7/7，32，4.2.1光接收器的基本配置，2放大器光接收器的放大器由前导放大器和主放大器两部分组成。前导码需要低噪声、宽带宽和高增益才能获得高信噪比。前导码的噪声取决于放大器的类型，可以从三种类型的前导码中选择：当前低阻抗前导码、高阻抗前导码和跨阻抗前导码(或跨阻抗前导码)。跨阻抗放大器的动态范围比频率带宽、低噪声和高阻抗前置放大器大得多，广泛应用于高速大容量通信系统。2020/7/7，33，4.2.1光接收器的基本配置，主放大器通常是多电平放大器，其功能主要是提供足够高的增益，以将前导放大器的输出信号放大到确定电路所需的信号级别。然后，实现自动增益控制(AGC)，以确保如果输入光源信号在一定范围内发生变化，则输出电气信号保持恒定输出。主放大器和AGC确定光接收器的动态范围。3均衡器是2020/7/7，34，4.2.1光接收器的基本组件，在光线路传输、光/电转换和放大后，对已经发生失真(失真)和码间干扰的电信号进行均匀补偿，使码间干扰变为可能的小信号，从而帮助判断再生电路的运行，从而消除或减少码间干扰，降低比特错误率。4再生电路再生电路的任务是将放大器输出的上升余弦波形恢复为数字信号。这由裁判器和时钟恢复电路组成。2020/7/7，