第4章 光端机课件.ppt

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1、第四章光端机,光发射机 光发射机的基本组成与 要求 光发射机的线路编码 光发射机的光调制技术 数字光发射机的驱动电路与辅助电路,光接收机 光接收机的基本组成与要求 光接收机的主要电路 光接收机的噪声与灵敏度,光发射机,光发射机的性能指标,输出光功率及其稳定性出纤光功率：环境温度变化或器件老化时，输出光功率要保持恒定，例如稳定度为5%-10%。,光发射机的性能指标,消光比EXT消光比的意义反映光发射机的调制状态（电光转换效率）影响接收机的灵敏度,光发射机的性能指标,光脉冲的上升时间、下降时间及开通延迟时间无张弛震荡电路难易、电源功耗、成本,光发射机,光发射机的组成,光纤,接口码型的变换,对于数字

2、电端机的接口码型一般采用双极性码目前常用的双极性码有HDB3码和CMI码。HDB3码适用于(234)Mb/s（13次群）的数字信号接口。CMI码适用于140Mb/s数字信号接口。对于光数字系统光源不可能发射负光脉冲，因此主要采用单极性码用“有光脉冲”表示“1”码， “无光脉冲”表示“0”码。,对线路码型的要求,光缆线路系统对传输码型的主要要求有：“0”和“1”分布均匀，减小基线漂移；减少码流中长连“0”或长连“1”的码字，以利于端机和中继设备的定时提取，便于信号再生判决；运行误码监测方便，能实现不中断业务监测；能传输监控、公务和区间信号；码型变换设备简单可靠。,扰码,即在发送端用扰码器对数字电

3、信号码流进行扰码，打乱原来的排列顺序以形成新的码流来调制光发送机，而在接收端进行反扰码以恢复原来的码流。,扰码,扰码的优点是：改善定时使信号频谱弥散而保持恒稳扰码的缺点是：不能完全控制长连“1”和连“0”；由于码率没有增加，难以实现误码检测、公务联络等功能。在PDH 通信中很少采用这种线路码型；但在SDH 通信中却全部采用此种码型。,最典型的分组码为mBnB码，它是把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。m、n均为正整数，且nm，一般n=m+1。这样，变换之后，码组的比特数比变换前大，即输入码字共有2m种，输出码字可能组成2n种，使变换后的码流有了“富余”（冗余）。有了它，在码流中除

4、了可以传输原来的信息外，还可以传输与误码检测等有关的信息。另外，经过适当的编码之后，可以改善定时信号的提取和直流分量的起伏等问题。编码原理：字数字和的绝对值（WDS）最小。,mBnB码,mBnB码,下表所示为常用的1B2B码，亦称为CMI码,5B6B码,5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余度之间是最合理的折衷，因此使用较为普遍。编码的情况5B6B码使码流中每5位码元分为一组，然后再将这5位码变换为6位码。按照数学排列组合的理论可知，由“0”、“1”这两种二元信号组成的5位和6位码，有如下排列：5位码的排列数：25=32种6位码的排列数：26=64种,5B6B码,码流平衡情况的分析观察可发现，

5、6位码中含有三个“1”和三个“0”的平衡码组共有20个。所谓平衡码是指在一个码组中，“0”和“1”的个数相等。显然，这样的码型有利于保持信码流中直流分量的稳定性。 而6位码组中，四个“1”和两个“0”或四个“0”和两个“1”的非平衡码组共有30个。我们只选用其中的12组。除上述两种码组外，还有14个。这14个6位码中，“0”和“1”的个数悬殊太大，不利于稳定码流中的直流分量，因此不选用。,5B6B码型的一种方案,5B6B码,码组的选用首先选取码组中含有三个“0”和“1”的20个平衡码组。再选含有四个“0”或四个“1”的30个非平衡码组中的24个。其中正模式中“1”的个数多，负模式中“1”的个数

6、少。当信码流中出现上述某个模式后，随后的一组码应选用另一种模式。这样，正、负码交替使用，就保持了信码流中“0”、“1”出现的总概率相等。对于“0”、“1”出现概率悬殊的14种码组不予选用，以保持信码流分量的稳定。综上所述，在5B6B的64个码组中，有20个码组未用。这样，接收端一旦收到这20个码组中的任意一个，必定是在传输中出现了误码。所以，可以用这种编码方式对系统进行误码检测。一般把这种不使用的码字称为禁字。,5B6B码,5B6B码的码速提高率为H,5B6B码,5B6B码的辅助信息的传送5B6B码传送辅助信号采用辅助信号对主信号调顶的方式。辅助信号本身用基带传送或移频键控的方法。辅助信号的码

7、率为64kb/s，以后其占用的频带在128kb/s以下，而主信号5B6B码的功率谱密度在128kHz点已降到最大值的2以下，因此相互干扰很小。5B6B码另一种传送辅助信号的方式是将输入码字经过5B6B码变换之后，再进行一次辅助信息比特的插入。这相当于进行了两次码型变换，提高了码速，同时破坏了5B6B码良好的传输性能。还有一种是利用5B6B码的冗余信息来承载辅助信号的方法。,插入比特码,这种码型是将信码流中每m比特划分为一组，然后在这组的末尾一位之后插入1个比特码。由于插入的比特码的功能不同，这种码型又可分为三种形式。,这种码型是将信码流每m比特分为一组，然后在其末位之后再插入一个反码（又称补码

8、）即C码。C码的作用是：如果第m位码为“1”码，则反码为“0”；反之则为“1”。例如：8个码元为一组的码组为：11011001；编为8B1C码时的码组为：110110010。因此插入C码可进行误码检测，此外，还可减少连“0”或连“1”的不良影响。优点：可减少连“0”连“1”数。缺点：只能对第m位检错。,1. mB1C码,mB1P码是将输入的二进制码每m比特分为一组，检查每组中传号（即“1”码）的奇偶性，根据校验的结果，在m比特之后插入一比特奇偶校正位（1P），故称为mB1P码。若mB中的传号为奇数个，则1P为传号（“1”）；若mB中的传号为偶数个，则1P为空号（“0”）。例如：8个码元为一组的

9、码组为11011001；编为8B1P码时的码组为110110011。常见的是7m17构成的码。在实际使用中，mB1P码往往和扰码结合在一起使用。优点：码型简单。缺点：连“0”连“1”数多，只能检出一个误码。,2. mB1P码,这种码是将信码流中每m比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个混合码，称为H码。这种码型具有多种功能，除可完成mB1P和mB1C码的功能外，还可同时用来完成区间通信、公务联络、数据传输以及误码检测等功能。,3mB1H码,数字光纤通信系统中几种常用线路码的性能,光源的光调制方式,直接调制（IM）把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号。间接调制（外

10、调制/内调制）利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。,自由载流子吸收效应、共振吸收效应,光源的直接调制原理,模拟调制 （LED）,工作于甲类状态的电流放大器,光源的直接调制原理,数字调制,开关电路,光发射机的驱动电路,驱动条件：偏置电流IB和调制电流Im大小的选择选择偏置电流：偏置接近阈值时，可以较小的调制电流获得足够的输出光脉冲，减小码型效应和结发热效应的影响；加大偏置电流逼近阈值，可大大减小电光延迟时间，同时抑制张弛震荡；偏置等于阈值时，散粒噪声较严重；加大偏置电流会使消光比恶化，降低接收机灵敏度；,（a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形,码型效应,由电

11、光效应引起“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失用适当的“过调制”方法补偿。,结发热效应,设t=0时电脉冲到来， 注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到I0，电流散发的热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。“结发热效应”将引起调制失真。,结发热效应, (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制,GaAlAsDH激光器的光谱特性,LED的驱动电路,晶体管工作在甲类工作状态，调

12、整基极偏置，使晶体管和发光管都偏置在各自的线性区，并使静态集电极电流即LED的偏置电流设Im24mA，m0.8，则IB30mA，工作电流范围3024mA 采用锗二极管和电阻与LED并联，在大电流时起分流作用，扩大驱动电流范围，提高LED的线性。,模拟调制,LED的驱动电路,RlCl并联串接于发射极电路，组成发射极跟随电路，提供电压阶跃，以补偿驱动电流开始时， 对发光管电容充电所造成的光驱动电流的下降，从而使驱动器可工作在高码速情况下。晶体管工作于饱和区，开关速率较低。,数字调制,LD的驱动电路,阈值电流变化引起的光输出的变化； 外微分量子效率变化引起的光输出的变化,控制电路-温度变化及器件老化

13、的影响,LD的ATC控制电路,自动温度控制系统方框图,帕尔帖效应,LD的自动温度控制电路ATC,LD的自动功率控制APC电路,LD组件,LD组件,1. PIN（+）2. LD（-）3. 外壳接地4. 热敏电阻5. 热敏电阻7. 致冷器（-）8. 致冷器（+）12. 外壳接地14. PIN（-）,LD组件,DFB 插拔式LD组件,DFB 尾纤式LD组件,激光器的保护电路,工作原理正常情况下，电阻Rl上的电压小于T4的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。当偏流IB过大， 致使Rl上的压降VRl剧增并超过T4的导通压降时， T4饱和导通，使Vce40，从而导致T3截止，保护了激光器不致因偏流IB

14、过大而被损坏。电流接通时的保护工作过程中的过流保护反向冲击电流保护,激光器的告警电路,无光告警电路当LD发光正常时，PIN管检测到的光电流经A1放大后送入A2的同相端。这时， VfVD，因此A2输出高电平， 致使无光告警指示灯LED不亮。当LD不发光时，PIN管检测不到光信号，因而VfVD， A2输出低电平， 使无光告警灯发出红色告警显示。,激光器的告警电路,寿命告警电路当IB1.5Ith时，就认为激光器的寿命终止调整电位器W使V21.5Ith。当激光器工作正常时，IB1.5Ith，则VlV2，A1输出高电平，寿命告警灯 不亮。如果IB1.5Ith，则激光器寿命终止，这时VlV2， A1输出低

15、电平，寿命告警灯发黄色告警显示。,光接收机,光接收机的组成前端及噪声线性通道及数据恢复光接收机的性能指标误码率灵敏度动态范围,光接收机,光接收机的组成,光接收机的前端,光接收机的前端包括光检测器（PIN或APD）和前置放大器。前置放大器的作用是将光电二极管输出的信号放大到合适的程度，以便送入主放大器和后续处理电路；接收机前端的设计需要综合考虑接收灵敏度和带宽两个因素；用PIN和FET组成光电检测器组件，效果良好。,前置放大器,低阻型前置放大器（双极性）频带较宽动态范围大噪声较大高阻型前置放大器（FET）噪声小频带窄，高频分量损失严重动态范围小互（跨）阻抗型前置放大器频带宽低噪声动态范围比高阻型

16、有所改善,常用的前置放大器电路,光接收机的线性通道,光接收机的线性通道包括一个高增益的主放大器和自动增益控制(AGC)电路以及 一个均衡滤波器。主放大器是一个增益可调(受AGC控制)的放大器，它不仅可将前放输出的信号放大到所需的电平，而且增益可调，以适应在不同的输入信号情况下仍能保证输出电平的稳定。均衡滤波器的作用是对失真的波形进行补偿，以减小码间干扰。AGC电路由均衡器的输出提取信号控制主放大器的增益，以保证输出信号的幅度固定不变。,滚降滤波器形成的波形,时域均衡器的输入输出波形,光接收机的数据恢复,接收机的数据恢复部分由时钟提取电路和判决电路构成，其作用是把放大器输出的具有升余弦频谱的信号

17、恢复成数字信号。时钟提取电路从接收信号中提取出频率fB 的分量，从而得到比特时间TB1B，以作为判决电路的同步判决信号。 判决电路是一个带有选通输入的比较器，以由时钟提取电路提供的时钟脉冲作为取样时间，将线性通道输出的信号与一个阈值判决电平进行比较，根据信号电平是大于或小于阈值判决电平而决定信号是“1”或“0”码。,光接收机的性能指标,光接收机的信噪比光接收机的误码率光接收机的灵敏度光接收机的动态范围,光接收机的噪声,点噪声由产生电子的随机性和光敏二极管的暗电流引起 式中，e指电子电荷(1.6e-19)，Ip为平均电流，Ip=R Pin , Id 为暗电流，f为接收机的等效噪声带宽热噪声由光接

18、收机前端负载电阻和其他电子元件中电子的随机热运动形成 式中，Fn为放大器的噪声系数，T为绝对温度(K)， k是玻 耳兹曼常数(1.38e-23J/K)， RL为负载电阻。,光接收机的信噪比,PIN接收机的信噪比一般情况下，热噪声为PIN光接收机的主要噪声，SNR与Pin2成正比，可以通过增加负载电阻RL来提高，也可通过使用低通滤波器降低f来提高。在接收光功率较高的情况下，点噪声可能成为光接收机的主要噪声，还可以忽略暗电流的影响，SNR随Pin的增加而线性增加。,光接收机的信噪比,APD接收机的信噪比在相同的接收功率下，使用APD代替PIN光电二极管通常可以获得较高的SNR。在以热噪声为主的情况

19、下，APD接收机的SNR是PIN接收机的G2倍。在点噪声为主的情况下，并忽略掉暗电流后，APD接收机的SNR只有PIN接收机的lGX，说明在接收光功率较强时，不宜采用APD。存在一个最佳倍增因子Gopt使得SNR最高，而Gopt随着Pin的增加而减小。说明接收光功率微弱时,采用APD较为有利.,光接收机的误码率,光接收机的误码率 其中，Q称为接收机的Q参 数，含有信噪比的概念。,光接收机的灵敏度,定义为在保证通信质量（即一定的误码率或信噪比）的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率，单位为dBm 。灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。灵敏度的概念是和误码率联系在一起

20、的。,光接收机的灵敏度,接收灵敏度对于PIN光接收机，以热噪声为主时，灵敏度随码速率的增加而按B1/2的比例增加,也随RL的变化而变化. 对于APD光接收机，如果热噪声为主要噪声，则其接收灵敏度与PIN光接收机相比将提高G倍，但在实际的APD接收机中，点噪声往往很大，一般说来APD接收机的灵敏度比PIN接收机的灵敏度高68dB。,典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系,光接收机的动态范围,定义为在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率和所需的最小平均接收光功率的比值，用dB表示。动态范围表示光接收机接收强光和弱光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。,小结,光发射机线路编码（接口码形变换、扰码、线路编码）驱动电路（调制电路、偏置电流）控制电路（ATC和APC电路）辅助电路（保护电路、无光告警电路和寿命告警电路）性能指标（出纤光功率、消光比）光接收机前置放大器（低阻抗、高阻抗、跨阻抗型）均衡与自动增益控制电路（AGC）性能指标（信噪比、误码率、灵敏度和动态范围）,习题,3，4，6，10，11，12,