《光发送机与接收机》PPT课件

1、1,光发射机与光接收机,2,本章内容和重点,本章内容 光线路码型 光发送机 光接收机 光中继器 无源光器件 本章重点 光通信常用线路码型。 光发送机和光接收机的功能、电路组成和性能。,光发射机与光接收机,3,本章作业 什么是PDH，系列PDH接口的速率是多少，线路码型为什么？ 光发送机的主要性能指标是什么？ 光接收机的主要性能指标是什么？ 光中继器的有哪几种？它们各有什么优缺点？ 光通信设备对信息进行线路编码的意义是什么？ ,4,一、光纤通信系统的分类 根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型、信号的调制方式、光接收方式的不同，光纤通信系统可分成:,光纤通信系统,5,二、光纤通信系统结构

2、 1. 光纤通信系统的主要组成单元 光纤 光器件 光发送机 光接收机 光放大器 2. 光纤系统的具体应用 点到点连接 广播和分配网 局域网,光纤通信系统,6,三、点到点的传输系统 1. 采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接 光放大器：将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号。(1R) 光放大器不能无限制级联，因为色散导致的脉冲畸变、噪声积累最终限制了系统的性能。光-电-光再生中继则不存在这种问题。,光纤通信系统,7,2. 点到点传输系统的特点与性能指标 利用光纤的低损耗、宽带宽特点 性能指标：比特率距离积（BL） BL积与光纤损耗和色散特性有关，而光纤特性又与波长

3、有关，所以BL积与波长有关 光纤通信系统的发展阶段 3. 设计问题 中继距离的选取：在级联的EDFA系统中， ASE噪声积累问题是关键所在，设计的关键在于如何设置EDFA的放大间隔使接收端的OSNR满足要求 色散补偿技术：色散补偿方案的选择及设计 光纤非线性的避免,光纤通信系统,8,光纤通信系统,9,四、光纤广播分配网 功能：光纤通信系统不仅要求传送信息，而且要求将信息分配给多个用户 应用：光缆电话网、公用天线电视(CATV)、宽带综合业务数字网等互联网的数据业务 特点：传输距离较短、带宽要求宽 结构：树型拓扑、总线拓扑,光纤通信系统,10,信道在中心点分配，光纤的作用与点到点连接系统类似。,

4、树形拓扑结构：,光纤通信系统,11,单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号，通过光接头完成分路，光分路器将一小部分功率分送给每个用户。多路视频信道分配CATV系统；高清晰度电视HDTV。,总线拓扑结构：,光纤通信系统,12,五、局域网 局域网：在光纤通信系统中，要求在网络中一个局部区域内（如在一个大学校园内）的大量用户相互连接，使任何用户可以随机地进入网络，将数据传送给其他任何用户。 LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能，存在网络协议问题。 结构：总线型Bus、 环型Ring、 星型Star,光纤通信系统,13,数字电话传输： 电话机把语音转换为频率为3003400Hz的模拟基带信号，

5、通过电发射机将其转换为数字信号（PCM），并把多路数字信号组合在一起(合群)，每路语音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把24路(北美、日本)或30路(中国、欧洲)PCM信号（取样频率为8kHz，即采样周期T=125us，并且每一量化信号用8个比特二进制脉冲代替。）合群成1.544Mb/s或2.048Mb/s的基群(一次群)，甚至更高群的数字系列，最后输入光发射机。,数字光纤通信系统,14,一、 数字光纤通信系统的组成 1. 电发射机；2. 输入接口；3. 光发射机；4. 中继放大；5. 光接收机；6. 输出接口；7. 电接收机；8. 备用系统；9. 辅助系统,数字光纤通

6、信系统,15,电发射机：把用户信息经A/D变换，按时分复用方式把多路信号复接，合群成高比特率的数字信号； 输入接口：电发射机的合群信号 输入接口，通过输入接口进行编码、电平和阻抗匹配； 光发射机：编码信息经光发射机调制发射光信号； 中继放大：EDFA、O/E/O； 光接收机：根据调制方式进行光电转换； 输出接口：对信号进行解码、电平和阻抗匹配； 电接收机：分群、解复用； 备用系统：主用系统出现故障时手动或自动切换到备用系统；,数字光纤通信系统,16,辅助系统： 监控管理系统：监测、控制、管理系统，保证光纤通信正常运行； 公务通信系统：公务电话，为值班维护人员联络使用（数字段内、数字段间）； 自

7、动倒换系统：主用系统出现故障时启动备用系统； 告警处理系统：发出告警指令，并含告警显示信息，使维护人员快速、有效识别故障设备； 电源供给系统：光端机各部分电路都需相应的直流电源，包括中继站无人值守的远程供电系统，或者这些站利用太阳能、风力发电等本地能源的供电系统。,数字光纤通信系统,17,准同步数字体系PDH（ plesiochronous digital hierarchy ） 1. 中国、欧洲制式 30路64kb/s的数字信号复接成2.048Mb/s的基群速率（一次群），然后在基群的基础上复接成更高群（二次群、三次群 ）。 对于这种制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍，因为

8、复接为更高一次群时需插入维护、管理等辅助比特字节。 2. 北美、日本制式 24路64kb/s的数字信号复接成1.544Mb/s的基群速率（一次群）。 对于这种制式，3次群以上，北美与日本又不同。,PDH光纤通信系统,18,准同步数字体系：,PDH光纤通信系统,19,引导文,图3-1 32路TDM帧组成结构示意图,19,通信技术专业教学团队,2020/7/13,PDH光纤通信系统,20,21,PDH（准同步数字系列 ）： 1、北美、欧洲和日本三种数字体系彼此互不兼容，造成国际互通的困难。,2、没有世界性的标准光接口规范。,PDH光纤通信系统,22,线路编码 AMI/HDB3编译码 AMI码的全称

9、是传号交替反转码。编码规则是：代码中的“0”不变；代码中的“1”则交替地变换为传输码的“+1”和“1”。如： AMI码信号无直流成分，且只有很小的低频成分，适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。在AMI码的编码中，一个二进制符号变换成一个三进制符号，又称为1B/1T码型。,22,通信技术专业教学团队,2020/7/13,线路编码,23,线路编码 AMI码除有上述特点外，还有编译码电路简单及便于观察误码情况等优点，但是，AMI码有一个重要的缺点，即接收端从该信号中获取定时信息时，由于它可能出现长的连“0”串，因而会造成提取定时信号的困难。 为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的

10、改进AMI码，HDB3码就是其中有代表性的一种。,23,通信技术专业教学团队,2020/7/13,图3-5 AMI/HDB3频谱示意图,线路编码,24,线路编码 HDB3码的全称是三阶高密度双极性码。其编码规则是：先把消息代码变换成AMI码，然后去检查AMI码的连“0”串的情况，当没有4个以上连“0”串时，则这时的AMI码就是HDB3码；当出现4个以上连“0”串时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成与其前一非“0”符号（“1”或“1”）同极性的符号。显然，这可能破坏“极性交替反转”的规律。这个符号就称为破坏符号，用符号V表示（即“+1”记为+V, “”记为V）。为使附加V符号后的序列不

11、破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻符号V也应极性交替。当相邻符号之间有奇数个非“”符号时，则极性交替是能得到保证的；当有偶数个非“0”符号时，就得不到保证，这时再将该小段的第1个“0”变换成+B或B，符号的极性与前一非“0”符号的相反，并让后面的非“0”符号从符号V开始再交替变化。,24,通信技术专业教学团队,2020/7/13,线路编码,25,线路编码,图3-6 HDB3码编码原理方框图,图3-7 HDB3码译码原理方框图,25,通信技术专业教学团队,2020/7/13,线路编码,26,光线路编码,PCM通信系统中的接口速率和码型，如表所示。 PDH接口码速率与接口码型,P

12、CM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。,线路编码的目的是：误码检测，传输辅助信息,27,光线路编码,常用的线路编码,28,1分组码 分组码常用mBnB表示，每进入mbit，出nbit，nm，形成一种一一对应关系。般选取n=m+1。 常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。,遵循让“0”，“1”均衡分布的原则，,mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。,五 光线路编

13、码,29,1分组码1B2B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。,ITU-T建议CMI码作为PDH四次群和SDH的STM-1的接口码型。,请总结CMI码的优点。,五 光线路编码,30,2插入码 每进入mbit，插入一个码组成m+1bit输出。,（1）mB1C码,优点：能传递丰富的辅助信息及中途方便的上下话路。,根据插入码的用途不同，可以分为mB1C码、mB1H码 和mB1P码等,五 光线路编码,31,（2）mB1H码 mBlH码，B为信息比特，H码为一个混合码。 所插入的H码可以根

14、据不同用途分为两类： C码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测 G码，用于区间通信、帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。 主要优点：由以上插入码来总结 缺点：频谱特性不如mBnB码,五 光线路编码,32,（2）mB1H码举例（4B1H）,注释：F 帧同步（1001）； S5 检测码（监控通道）； S11 公务码； S2S8 为数据码； S1S3S4S6S7S9S10S12 区间通信 以上就是此种码型在34M系统中应用的帧结构，请问4B1H编码后的码速是多少？其帧长为多少？ 34*5/4=43Mbps 帧长：32*5=160,H为C与G的交替混合码。,G：F1S1S2S3 F2S4S5S6

15、 F3S7S8S9 F4S10S11S12,光线路编码,33,4扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，去除码流中长连“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：, 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。,光线路编码,34,六 光发射机,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，如图所示。,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

16、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。,35,作用：是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。 性能： （1）有合适的输出光功率（dBm） 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 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。,六 光发射机,36,（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

17、则在调制后将产生非线性失真。 除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。,六 光发射机,37,六 光发送机的基本组成,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,38,七 光发送机的基本组成,（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）

18、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（34倍，寿命完结）告警等。,39,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，如下图（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。,光发送机的基本组成 ATC,温度引起的光功率输出的变化,40,注： 自动温度控制电路消除温度对器件的影响，从而产生的输出功率的

19、变化； 自动功率控制电路消除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，除自动功率控制外，一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。,光发送机的基本组成 ATC,41,八 数字光接收机,光接收机作用：,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，形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

20、决定光接收机性能的主要因素。,42,强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图所示,数字光接收机方框图,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。,数字光接收机的基本组成,光接收机前端,43,1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。,因为光接收机的噪声主要取决于前端的噪声性能，所以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。,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。使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。,数字光接收机的基本组成,44,2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。,3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，由判决器和时钟恢复电路组成。,4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。,数字光接收机的基本组成,45,光接收机的主要指标,数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。