光发送机与接收机.ppt

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1、光发射机与光接收机,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,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？,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,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

2、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,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,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

3、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,光纤通信系统,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,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,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

4、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,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,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

5、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,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,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

6、；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,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

7、，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,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,准同步数字体系：,

8、PDH光纤通信系统,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,31.05.2023,PDH光纤通信系统,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,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

9、。,22,通信技术专业教学团队,31.05.2023,线路编码,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,31.05.2023,图3-5 AMI/HDB3频谱示意图,线路编码,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，

10、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

11、V开始再交替变化。,24,通信技术专业教学团队,31.05.2023,线路编码,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,31.05.2023,线路编码,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,光线路编码,

12、常用的线路编码,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,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,2插入码 每进入mbit

13、，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,（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,（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；S1S3S4

14、S6S7S9S10S12 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,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,六 光发射机,光发送机与光接收机统

15、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。,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

16、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,（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,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,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

17、。（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。,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

18、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,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,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

19、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。,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,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

20、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,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,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

21、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,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（

22、即光电中继器），另一种是全光中继器。,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。,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。,三、PDH数字光缆通信系统的基本构成,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,