光纤通信技术与设备 教学课件 ppt 作者 段智文 光纤通信-4

1、第4章 光端机,4.1 光发送机 4.2 光接收机 4.3 线路码型 小结 思考题,第4章 光端机,目标 掌握光发送机的基本组成 了解光源强度调制的方法 掌握光发送机的主要指标 掌握光接收机的基本组成 掌握光接收机的基本特性,4.1 光发送机,4.1.1 光发送机的基本组成 图4-1 数字光发送机方框图,1光源 光纤通信传输的是光信号。因此，作为光纤通信系统的发光器件光源，便成为重要的器件之一。它的作用是把传输的电信号转换为光信号并发射出去。 2输入接口及线路编码 输入接口和线路编码电路共同组成输入电路，它的作用是将输入的PCM 脉冲进行整形，变成NRZ 码来调制光源和外调制电路，输入电路的基本组成如图4-2所示。,图4-2 输入电路的基本组成,（1）均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，以便正确译码。 （2）码型变换 将由均衡器输出的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 若信号码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，为了避免出现这种情况，需要加一扰码电路，使信号达到“0”、“1”

2、等概率出现，有利于时钟提取。 （5）时钟提取 由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡电路之后提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。 （6）编码 经过扰码后的码流，尽量使得“1”和“0”的个数相等，这样便于接收提取时钟信号。另外，从实用角度来看，为了便于不间断业务的误码监测、区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤通信系统中，都要经过扰码以后的信号码流进行编码，以满足上述要求。,3调制电路和控制电路 （1）输出光脉冲的通断比（全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数）应大于10，以保证足够的光接收信噪比。 （2）输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟（电光延迟）时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。 （3）对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。 （4）应采用自动功率控制（APC）和自动温度控制（ATC），以保证输出光功率有足够的稳定性。,4.1.2 光源的要求,（1）发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”

3、一致，即中心波长应在0.85m、 1.31m和1.55m附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 （2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 （3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。 （4）器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 （5）此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。,4.1.3 光源的调制,1光源的直接调制 直接调制就是将电信号直接注入光源，把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或LED，获得相应的光信号，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。,图4-3 直接光强度数字调制原理,2光源的间接调制,在高码速强度直接检波的光纤通信系统或外差光纤通信系统中，可采用对光源的间接调制方式 。 间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调

4、制，这种调制方式又称作外调制。,图4-4 间接调制激光器的结构,目前可以使用的外调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。 （1）电光调制 电光调制的基本工作原理是晶体的线性电光效应 （2）声光调制 声光调制器是利用介质的声光效应制成 （3）磁光调制 磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光外调制,3调制特性,（1）电光延迟和张弛振荡现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。 图4-5 输出光脉冲瞬态响应波形,（2）码型效应 当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“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“1”码丢失，这种现象称为“码型效应”。 图4-6 码型效应,4自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象 。,图4-7 自脉动现象,4.1.4 光发送

5、机的主要指标,1平均发送光功率及其稳定度 平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源“尾纤”的平均输出光功率。一般要求入纤光功率为： 0.0110mW，稳定性在510%。 2耦合效率 耦合效率用来度量在光源发射的全部光功率中，能耦合进光纤的光功率比例。耦合效率定义 式中，PF为耦合进光纤的功率；PS为光源发射的功率。,3消光比,消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示： 若用相对值表示，则为： 一般要求EX0.1。,4.1.5 光功率控制和温度控制,1自动功率控制 图4-8 共发射极驱动电路,图4-9 射极耦合驱动电路,图4-10 反馈稳定LD驱动电路,图4-11 APC电路原理,2温度自动控制（ATC）,LD的温度自动控制设备是由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成 。致冷器的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。,图4-12 LD温度控制方框图,自动温度控制（ATC）电路由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为

6、电量的变化。 图4-11 APC电路原理 这个控制过程可以表示如下： T（环境）T（LD、热沉）RTI（致冷器）T（LD）,4.2 光接收机,4.2.1 光接收机的基本组成 强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机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。,图4-14 强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图,（1）光检测器 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。目前采用的光检测器一般采用PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。 对光检测器的要求如下： 1）波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85m、1.31m和1.55m）兼容。 2）响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流。 3）噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号。 4）性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。,（2）放大器 在一般的光纤通信系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的。为了保证通信质量，就必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大。 前置放大器应是低噪声放大器 主放大器一般是

7、多级放大器,（3）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。 （4）判决器和时钟恢复电路 判决器和时钟恢复电路共同组成再生电路，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，以消除码间干扰，减小误码率。 （5）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。其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。,4.2.2 光接收机的特性,1噪声特性 光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。,（1）热噪声 热噪声是在特定温度下由自由电子的随机运动产生的。热噪声是不可避免的 。 （2）散弹噪声 散弹噪声是由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起信号电流的波动。 （3）光接收机的噪声 光接收机的噪声主要来自光接收机内部噪声：包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪

8、声和APD的倍增噪声；电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。,图4-15 噪声分布,1）量子噪声是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。 2）暗电流噪声：暗电流是指无光照射时光电检测器中产生的电流。由于激励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。 3）雪崩管倍增噪声：由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。 4）光接收机的电路噪声主要指前置放大器噪声。在接收机的光检测之后，为了将微弱的电流信号进行低噪声放大，通常需要一个前置放大器。前置放大器中采用的元器件同样会产生热噪声。,2误码率,由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率（在二元制的情况下，等于误比特率，BER），用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。,图4-

9、16 误码率示意图,3光接收机的灵敏度和动态范围,光接收机的灵敏度可以满足给定的误码率（10-9）指标条件下而可靠工作所需要的最小平均光功率Pmin来表示。 最小平均光功率Pmin，在国际单位制中，它的单位是瓦（W）。例如，某种PIN光接收机的Pmin=10-7W=0.1W。 工程上，光接收机的灵敏度常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦（dBm）。二者的换算关系为： 式中，Pmin单位为瓦；Sr的单位为dBm。,光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。这个范围用D表示，一般在工程上用两者（用dBm描述）之差来表示。,4抖动,许多因素都可以导致数字光脉冲失真，其中包括噪声引起的失真和脉冲展宽引起的失真。脉冲展宽主要由系统的有限带宽引起，包括发送机、光纤以及接收机。另外系统还会引进定时误差，这种现象称为抖动。,小结,1光发射机与光接收机统称为光端机。光发射机实现E/O，光接收机实现O/E转换。 2数字光发射机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（驱动）电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。 3对光源进行强度调制的方法分为两类，即直接调制（内调制）和间接调制（外调制）。通常直接调制适用于速率小于2.5Gbit/s的系统。间接调制适合于高速大容量的系统。 4光发送机的主要指标平均发送光功率及其稳定度、光功率发射和耦合效率、消光比等。 5数字光接收机主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路。 6光接收机的噪声主要来自光接收机内部噪声：包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；电路噪声主要是前置放大器的噪声。 7数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。,

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