《光发送机与接收机》PPT课件.ppt

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。,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，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,2023/8/3,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,2023/8/3,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,2023/8/3,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,2023/8/3,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,2023/8/3,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,PCM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 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）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。（1）光接收机的灵敏度 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即,（2）光接收机的动态范围 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即,46,九 光中继器,光信号在传输过程会出现两个问题：损耗使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；色散特性会造成码间干扰，使误码率增加。,以上两点限制了光信号的传输距离与光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器以补偿衰减并进行整形。光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器），另一种是全光中继器。,47,光电中继器,1光电中继器的构成 传统的光中继器采用光电光（O-E-O）转换形式的中继器。如图所示。,典型的数字光中继器原理方框图,2光电中继器的结构形式 有的设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。,48,全光中继器,目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，其工作原理如图4-19所示。,图4-19 掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图,用掺铒光纤放大器作中继器的优点：设备简单，没有光电光的转换过程；工作频带宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。,49,三、PDH数字光缆通信系统的基本构成,50,四次群PDH数字光缆通信系统的构成,64个MUX1、16个MUX2、4个MUX3、1个MUX4、1个OLT4,