《光纤通信》第四章讲课提纲

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1、光纤通信第四章光端机讲课提纲浙江传媒学院陈柏年一、光发射机（一）概要1、功能：完成电/光转换（矽0），把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信 号最大限度地注入光纤线路。2、组成：由光源、驱动器和调制器组成。3、光源：光发射机的核心。主要使用的光源器件是半导体激光器LD、半导体发光二 极管LED和固体YAG激光器。4、光源的调制方法：以光波作为载波，利用调制器将电信号调制到光的参数如光强、 相位等。目前主要使用光强度调制IM（1）直接调制：由电调制信号直接控制激光器的驱动电流，注入调制电流实现输出光 波的强度调制。直接调制会引入频率啁啾（光脉冲的载频随时间变化）。（2）间接调制：利用晶体电

2、光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对光源辐射的 强度调制。指激光形成之后，在激光器外的光路上放置光调制器，用调制信号改变光调制器 的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。如马赫曾德尔M-Z波 导调制器。（二）数字光发送机1、功能：把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤 线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。2、组成：主要有光源和电路两部分组成。具体由输入电路（输入盘）和电/光转换电 路（发送盘）组成。（1）均衡放大：用以补偿由电缆传输所产生的电信号的衰减和畸变，保证电、光端机 间信号的幅度、阻抗适配。(2) 码型变换

3、：将电端机送入的信号码型从双极性的HDB3或CMI码变为单极性的 NRZ 码。(3) 复用扰码：复用是用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。扰码是使信 号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。(4) 时钟提取：提取与网络同步的时钟供给扰码与线路编码等电路。(5) 线路编码：以提取定时信息，提高误码检测能力。(6) 驱动电路(调制电路)：用经过编码的数字信号对光源进行直接光强度调制，完 成电/光转换，是电/光转换电路的核心。(7) 光源：LD或LED，产生作为光载波的光信号。(8) 自动功率控制电路(APC):检测发送光功率变化，动态调节光源的偏置电流/b和调制电流Im，以稳定发送光

4、功率。(9) 自动温度控制电路(A7C):保持LD的工作温度基本恒定，不受外界温度变化 和LD本身结发热效应的影响，使激光器输出特性保持恒定。一般由致冷器、热敏电阻和控 制电路组成。(10 )监测电路：实现光发射机的工作参数的监测。(11)告警电路：实现光发射机的保护和告警。3、主要指标：调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系 统的传输容量和传输距离。主要要求(1) 有合适的输出光功率：平均输出光功率是指正常条件下，光发送机发送光源尾纤 输出的平均光功率。一般为0.01mW5mW。(2) 有较好的消光比(也称通断比，EXT ):全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均

5、发送光功率之比。一般要求EXT 10dBo(3) 有良好的调制特性：指光源的PI曲线在使用范围内线性特性好，调制后不产生 非线性失真。4、光发送机相关技术问题(1 )电光延迟和张弛振荡现象电光延迟：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一个初始延迟时 间(脉冲上升沿失真)。电光延迟会引入码型效应(0码之后的1码脉冲宽度和幅度 减小，严重时丢失)。张弛振荡：电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(脉冲平顶失真）。改进措施：施加足够的偏置电流，增加注入电流密度，提高张弛振荡频率、减少幅度衰 减时间和电光延迟时间。（2）自脉动现象：LD处在P-I曲线的非线性区域、

6、注入电流达到某个阈值时，输出 光脉冲出现持续等幅高频振荡（产生自激振荡）；严重影响LD的高速调制。应注意正确选 择LD的型号和工作区域。（3）自动功率控制（APC）:控制通常从两个方面着手，一是控制偏置电流匕，自动 跟踪阈值电流Ith的变化，保证LD最佳偏置；二是控制调制电流八，自动跟踪外微分量子 效率的变化。通过PD检测、与基准比较、反馈控制、自动调节，保证输出光功率的稳定。（4）自动温度控制（ATC）: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；调制电流也会引起,结发热效应”（输出光脉冲的形状发生调制失真）。 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，致冷器的

7、冷端和激光器的热沉接 触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路 改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。二、光接收机（一）概要1、功能：完成光/电转换（0/E），把经过光纤线路传送、产生了畸变和衰减的微弱光 信号转换为电信号，并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号。2、组成：光检测器、放大器和信号处理电路。3、光检测器：光接收机的核心，要求噪声低、响应速度快、频带宽、响应度高。4、两种常用的光检测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。5、两种检测方式：直接检测和外差检测，一般使用直接检测（DD）（二）数字光接收机1、功能：将光纤传输后的幅度被衰减

8、、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。2、组成（1）光检测器：实现光/电转换的关键器件。响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。（2）前置放大器：实现低噪声放大。噪声对光接收机的灵敏度影响很大。（3）主放大器：提供足够的增益，输出满足判决所需的电平，且增益受AGC电路的 控制。（4）均衡器：对已产生畸变的电信号进行补偿，以消除码间干扰，减小误码率。（5）AGC电路：用反馈环路来控制主放大器的增益。增加光接收机的动态范围，使光 接收机的输出电流保持恒定。（6）时

9、钟恢复电路：从放大器输出的信号和噪声混合的波形中提取码元时钟（定时信 号），提供给判决电路。（7）判决电路：在时钟信号控制下，逐个将均衡后的脉冲输出信号波形判决输出，恢 复出原发送的码流，把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号。（8）光端机辅助系统：为光纤通信系统可靠的实现信号的传输提供保障支撑。包括倒 换（在主用和备用系统之间的切换）、告警（分两类）、监控（分三级）、公务通信（公务 语音联络）等系统。3、光接收机噪声的主要来源（1）光检测器噪声：包括散弹噪声（光生载流子数随机起伏所产生）、暗电流噪声（无 光照射时的反向残留电流）、漏电流噪声（光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时 引起）

10、和APD倍增噪声（雪崩光电二极管倍增过程的随机特性产生附加噪声）。（2）前置放大电路的热噪声:光电二极管的负载电阻R和后接的放大器的输入电阻所L产生。4、三种前置放大器（1）双极型晶体管前置放大器：输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T， 码间干扰小，适用于高速率传输系统。(2) 场效应管前置放大器：输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输 系统。(3)跨阻型前置放大器：改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。5、主要性能指标(1) 误码率：在较长时间间隔内的传输码流中，错误判决的码元数2在所接收到的码e元总数N中所占的比例。(2) 接收灵敏度片：在一定误码率条件(B

11、ER=109)下，接收机能检测到的最小平 均信号光功率(以dB表示)。表示光接收机接收微弱信号的能力。(3) 动态范围庭：在保证系统的误码率指标要求下(BER=10 -9)，接收机能检测到 的最大平均接收光功率Pmax与最小平均接收光功率Pmin之间的比值；以dB表示为接收机 最大允许输入光功率Pmax ( dBm )-最低输入光功率Pmin (dBm)。表示接收机检测光强 的能力，一般DR15 (dB)。三、线路编码(一) 光纤对所传信号码型的要求1、能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频率分量。2、能给光接收机提供足够的定时信息。3、能提供一定的冗余码，实现主辅信号同时传输。在PDH系统中，

12、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。(二) 常用光纤线路码型1、扰码：在光发射机的调制器前，将原始的二进制码序列与伪随机序列进行异或运算， 使之接近于随机序列。在光接收机的判决之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。(1) 可以改变,1”和“0”码的分布，但不能控制长,0”和“1”序列的出现。(2) 没有引入冗余，不能在线监测。2、分组变换码(次BB码)：把输入的二进制原始码流按m比特为一组进行分组，然 后把每个分组变换成一个n比特的二进制码，并在同样大小的时隙内输出。m和n均为整数， 且 nm， 般

13、n=m+1。常用的 mBnB 码有 1B2B、3B4B、5B6B、8B9B 和 17B18B 等。nB 码 选择原则是尽可能选择码字数字和I WDS I最小的码字，禁用I WDS I最大的码字。(1) 码流中,1”,0”码概率相等，连“1”,0”的数目减少，定时信息丰富。(2) 高低频分量少，基线漂移小。（3）码流中引入一定冗余度，便于在线误码监测。（4）传输辅助信号比较困难。3、插入码（mB1X码）：把输入的二进制原始码流按m比特为一组进行分组，然后在 每个分组末按一定规律插入一个码，组成（m+1）位为一组的线路码流。可分为mB1P码（把 原始码流分成每m比特为一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特奇偶校验码）、mB1C 码（把原始码流分成每m比特为一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码）和mB1H 码（由mB1C码演变而成，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）。（1）码速提高不大，误码增值小；可实现在线误码监测、区间通信和辅助信息传送。（2）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。