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光纤通信课件第四章

发布者:zhanglaoshi        发布时间:2019-08-21 10:56:58

光纤通信

第4章光端机第4章光端机

本章内容和重点

本章内容  光发送机  光接收机  光中继器  光线路码型本章重点  光发送机和光接收机的功能、电路组成和工作原理。

 光通信常用线路码型。第4章光端机

学习本章目的和要求

 掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理。

 熟悉光中继器的组成框图及工作原理。

 掌握光通信常用的线路码型。第4章光端机

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4-1所示。

图4-1 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。4.1 光发送机

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。对光发送机的要求:

(1)有合适的输出光功率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0.01mW~5mW。

(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

EXT  10 lg P11 (dB)

P00

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EXT≥10dB。4.1 光发送机

(3)调制特性要好

所谓调制特性好,是指光源的P−I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。 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 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(寿命)告警等。 光源的调制

1.光源

光源的作用是产生作为光载波的光信号,对光源的要求是:

① 发送光波的中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。

光谱的谱线宽度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制。

② 电/光转换效率高,发送光束方向性好,以提高耦合效率。

③ 允许的调制速率要高或响应速度要快,以满足系统大的传输容量。

④ 器件的温度稳定性好,可靠性高,寿命长。

⑤ 器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜。 光源的调制

2.调制方式

有直接调制(内调制)和间接调制(外调制)。

(1)直接调制

① 基本概念及调制原理直接调制就是将电信号直接注入光源,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。

调制原理如图4-3所示。

② 特点调制简单、损耗小、成本低。但存在波长(频率)的抖动。 光源的调制

图4-3 直接光强度数字调制原理图4-4 间接调制激光器的结构 光源的调制

(2)间接调制

① 基本概念及调制原理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制,这种调制方式又称作外调制,如图4-4所示。

② 特点调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄, 可以应用于≥2.5Gbit/s的高速大容量传输系统之中,而且传输距离也超过300km以上。 光源的调制

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, 输出光脉冲瞬态响应波形如图4-5所示。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。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。

光纤通信图4-5 光脉冲瞬态响应波形 光源的调制

(2)码型效应

电光延迟要产生码型效应。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”,如图4-6(a)、(b)所示。用适当的“过调制”补偿方法,可以消除码型效应,如图4-6(c)所示。

图4-6 码型效应 调制电路及自动功率控制光纤通信

(1)共发射极LED驱动电路图4-7所示为由三极管组成的共发射极驱动电路,这种驱动电路

主要用于以LED作为光源的数字光发射机。

适用于10 Mbit/s以下的低速率系统。

(2)射极耦合跟随器LD驱动电路图4-8是射极耦合跟随器LD驱动电路,适合于LD系统使用。这种电路为恒流源,电流噪声小,缺点是动态范围小,功耗较大。

(3)反馈稳定LD驱动电路图4-9是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路,其控制过程如下:

PLD  UPD  (UPD U in UR )  UA1  Ib  PLD  调制电路及自动功率控制光纤通信图4-7 共发射极驱动电路图4-8 射极耦合LD驱动电路图 调制电路及自动功率控制光纤通信

图4-9 反馈稳定LD驱动电路 调制电路及自动功率控制光纤通信

(4)带自动功率控制的LD驱动电路更加完善的带自动功率控制(APC)的电路如图4-10所示。

图4-10 APC电路原理 温度特性及自动温度控制光纤通信

1.激光器的温度特性

 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ηd产生,如图图4-11(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。

 温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。

即使环境温度不变,由于调制电流的作用,引起激光器结区温度的变化,因而使输出光脉冲的形状发生变化,这种效应称为 “结发热效应”。如图4-12所示 “结发热效应”将引起调制失真。 温度特性及自动温度控制光纤通信

图4-11 温度引起的光功率输出的变化图4-12 结发热效应 温度特性及自动温度控制光纤通信

2.光源的自动温度控制(ATC)

(1)温度控制装置的组成温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成,图4-13示

出了温度控制装置的方框图。

图4-13 自动温度控制原理方框图 温度特性及自动温度控制光纤通信

(2)自动温度控制(ATC)原理图4-14示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下:

T (环境)  T (LD、热沉)  RT  I (致冷器)  T (LD) 

图4-14 ATC电路原理 温度特性及自动温度控制光纤通信

注:温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变化,不

能控制由于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,

一般还需加自动温度控制电路,以使输出光功率达到稳定。4.2 数字光接收机

光接收机作用是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,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。

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的主要因素。 光接收机的基本组成

强度调制—直接检波(IM-DD)的光接收机方框图如图4-15所示,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4-15 数字光接收机方框图 光接收机的基本组成

1.光电检测器

光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件,对其要求是:

① 在系统的工作波长上要有足够高的响应度,即对一定的入射光功率,光电检测器能输出尽可能大的光电流。

② 波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。

③ 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。

④ 产生的附加噪声要尽可能低,能够接收极微弱的光信号。

⑤ 光电转换线性好,保真度高。

⑥ 工作性能稳定,可靠性高,寿命长。

⑦ 功耗和体积小,使用简便。 光接收机的基本组成

2.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。

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。

前置放大器的的类型目前有3种:低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器(或跨导前置放大器)。

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。并通过它实现自动增益控制(AGC),以使输入光信号在一定范围内变化时,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。 光接收机的基本组成

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.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。

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。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。 光接收机的噪声特性

光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。

这些噪声的分布如图4-16所示。

 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。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4-16 接收机的噪声及其分布 光接收机的噪声特性

(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。

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,其中包括电阻热噪声及晶体管组件内 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

PR

 10lg Pmin (dBm)

1mW

(2)光接收机的动态范围

(4-2)

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

D=10

lg

Pm a x 103

lg

Pm in 103

 10lg Pmax (dB)

Pm in

(4-3) 光接收机的主要指标

(3)自动增益控制(AGC)

AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是

增加了光接收机的动态范围。

自动增益控制(AGC)电路原理框图如图4-17所示。

图4-17 自动增益控制电路原理框图4.3 光中继器

光信号在传输过程会出现两个问题:

① 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减,限制了光信号的传输距离;

② 光纤的色散特性使光信号波形失真,造成码间干扰,使误码率增加。

以上两点不但限制了光信号的传输距离,也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量,必须设置光中继器。

光中继器的功能是补偿光能量损耗,恢复信号脉冲形状有:

① 补偿衰减的光信号;② 对畸变失真的信号波形进行整形。

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。 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4-18所示。

图4-18 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。

用掺铒光纤放大器作中继器的优点是,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。

图4-19 掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图4.4 光线路编码

PCM通信系统中的接口速率和码型,如表4-1所示。

表4-1 PDH接口码速率与接口码型接口码速率 (Mbit/s) 接口码型基群 2.048 HDB3

二次群 8.448 HDB3

三次群 34.368 HDB3

四次群 139.264

CMI

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。各种码的编码规律、传输速率如表4-2所示。码

1B2B 码

4.4 光线路编码表4-2

常用的线路编码

码型变换规则

CMI

“1”:11,00交替 “0”:01

“1”:11,00交替 DMI “0”:01(前二个码为01,11时)

10(前二个码为10,00时)

分组码mBnB

在nB码中选择不均等值小的码作公共码;正负模式交替

mB1P 插入码

mB1C mB1H 加扰NRZ

(1)P码满足奇校验规则 (2)P码满足偶校验规则

给输入NRZ序列加扰传输速率 2fi 2fi 2fi

nfi /m

(m+1) fi /m

(m+1)fi /m

fi

误码监测

按编码规则检查

(1)查禁用码字 (2)利用 DRS

奇偶校验

模2和=0

PDH

SDH4.4 光线路编码分组码常用mBnB表示,它是把输入码流每m比特分成一组,然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码,记为mB,变换为 n个二进制码,记为nB,因此称为mBnB码,其中m和n都是正整数, 通常n>m,一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、

5B6B、8B9B和17B18B等。

最简单的mBnB码是1B2B码,它是把原信息码的“0”变换为

“01”,把“1”变换为“10”。因此最大的连“0”和连“1”的数目不会超过两个,例如1001和0110。但是码速率提高了1倍。

mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。4.4 光线路编码 2.插入码

插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)为一组,

然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码,组成m+1个码为一组新的线路码流。根据插入码的用途不同,可以分为mB1C码、

mB1H码和mB1P码等。

(1)mB1C码

mB1C码的编码原理是,把原始码流分成每m比特(mB)为一组,然后在每组mB码的末尾插入1比特补码,这个补码称为C码,

所以称为mB1C码。例如:

mB码

mBlC码 1001

1101

0010

1010 …4.4 光线路编码

(2)mB1H码 mB1H码是由mB1C码演变而成的,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码),所以称为mB1H

码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类:第一类是C码,它

是第m位码的补码,用于在线误码率监测;第二类是L码,用于区

间通信;第三类是G码,用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。4.4 光线路编码

(3)mB1P码在mBlP码中,P码称为奇偶校验码,P码有以下两种情况。

① P码为奇校验码时,其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数,例如:

mB码 100

000

001

110 …

mBlP码 1000

0001

0010

1101 …

② P码为偶校验码时,其插入规律是使m+1个码内“1”码的个

数为偶数,例如:

mB码

mBlP码 1001

0000

0011

1100 …4.4 光线路编码

3.1B2B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。

(2)双相码双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码的

“0”码用“01”码代替,原码的“1”码用“10”代替。

(3)DMI码 DMI码又称不同模式反转码,它是一种1B2B码。其变换规则是

原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。原码的“0”码,若前二个码为“01”,“11”时用“01”代替,前二个码为“10”,“00”时用“10”代替。4.4 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,它是利用一定规则对信号码流进行扰码,经过扰码后使线路码流中的“0”和 “1”出现的概率相同,因此码流中不会出现长连“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。

 用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。

图4-20所示为一个五级扰码器和解扰器的构成。4.4 光线路编码

图4-20 扰乱器与解扰器的构成小结

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.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。小结

5.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。

6.数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。

7.光中继器的主要功能有:补偿衰减的光信号;对畸变失真的信号波形进行整形。有两种类型的中继器,传统的光电中继器和全光中继器。

8.在PDH光纤通信系统中,常使用的线路编码有分组码mBnB,

1B2B(CMI、双相码)和插入码。在SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。

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