第4章-光端机课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,第四章光端机光发射机光接收机,光发射机,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输出光功率及其稳定性,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消光比EXT,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,光发射机的性能指标光脉冲的上升时间、下降时间及开通延迟时间,光发射机,光发射机的组成,驱,动,光,源,控制,编,码,扰,码,接,口,电端机,PCM,光发射机,光纤,光发射机光发射机的组成驱光控制编扰接电端机PCM光发射机光纤,接口码型的变换,对于数字电端机的接口码型,一般采用双极性码,目前常用的双极性码有,HDB,3,码和,C,M,I,码。,HDB,3,码适用于,(234)M,b,/s,（,13,次群）的数字信号接口。,C,M,I,码适用于,140M,b,/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。,接口码型的变换对于数字电端机的接口码型,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。,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：,扰码,即在发送端用扰码器对数字电信号码流进行扰码，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。,伪随机化,扰码即在发送端用扰码器对数字电信号码流进行扰码，打乱原来的排,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。,扰码扰码的优点是：,最典型的分组码为,mB,n,B,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,n,m,，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,2,m,种，输出码字可能组成,2,n,种，使变换后的码流有了,“,富余,”,（冗余）。有了它，在码流中除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。,mB,n,B,码,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,mB,n,B,码,下表所示为常用的,1B2B,码，亦称为,CMI,码,1B,2B,（,A,组）,2B,（,B,组）,0,01,01,1,00,11,1,1,1,1,0,0,0,0,mBnB码下表所示为常用的1B2B码，亦称为CMI码1B2B,5B,6,B,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5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余度之间是最合,5B,6,B,码,码流平衡情况的分析,观察可发现，,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码码流平衡情况的分析,5B6B,码型的一种方案,5B6B码型的一种方案,5B,6,B,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码码组的选用,5B,6,B,码,5B6B,码的码速提高率为,H,5B6B码5B6B码的码速提高率为H,5B,6,B,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。辅助信号的码率为,64,kb,/s,，以后其占用的频带在,128,kb,/s,以下，而主信号,5B6B,码的功率谱密度在,128,k,Hz,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。,5B6B码5B6B码的辅助信息的传送,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。,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,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）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,8B1,C,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,.,m,B1,C,码,1. mB1C码,mB1,P,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（,1,P,），故称为,mB1,P,码。若,mB,中的传号为奇数个，则,1,P,为传号（,“,1,”,）；若,mB,中的传号为偶数个，则,1,P,为空号（,“,0,”,）。,例如：,8,个码元为一组的码组为,11011001,；编为,8B1,P,码时的码组为,110110011,。常见的是,7m17,构成的码。在实际使用中，,mB1,P,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. m,B1P,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,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,m,B1,P,和,m,B1,C,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。,3,m,B1H,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,数字光纤通信系统中几种常用线路码的性能,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。,电光效应（普科克效应、克尔效应）,磁光效应（法拉第电磁场偏转效应）,调制方式,调制法,所利用的物理效应,间接调制,直接调制,电光调制,磁光调制,声光调制,其它,电源调制,声光效应（拉曼,布拉格衍射效应）,自由载流子吸收效应、共振吸收效应,光源的光调制方式直接调制（IM）电光效应（普科克效应、克尔效,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模拟调制 （LED）,光源的直接调制原理,数字调制,开关电路,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,I,B,和调制电流,I,m,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；,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,（,a),、,(b),码效应波形；（,c,）改善后波形,码型效应,由电光效应引起,“,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。,（a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形码型效应由电光,结发热效应,设,t=0,时电脉冲到来， 注入电流为,I,1,，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,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,(a),直流驱动,; (b) 300 Mb/s,数字调制,GaAlAsDH,激光器的光谱特性, (a) 直流驱动; (b) 300,LED,的驱动电路,晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，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,I,m,24mA,，,m,0.8,，则,I,B,30mA,，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的驱动电路晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶,LED,的驱动电路,R,l,C,l,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,LED的驱动电路RlCl并联串接于发射极电路，组成发射极跟随,LD,的驱动电路,偏置电路,恒流源,-1.3V,“0”:-0.8V,“1”:-1.8V,非饱和共射极差分电流开关,LD的驱动电路偏置电路恒流源-1.3V“0”:-0.8V非饱,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的影响,阈值电流变化引起的光输出的变化； 控制电路-温度变化及器,LD,的,ATC,控制电路,自动温度控制系统方框图,激光器,致冷器,热敏电阻,控制电路,LD的ATC控制电路自动温度控制系统方框图 激光器 致冷器,帕尔帖效应,帕尔帖效应,LD,的自动温度控制电路,ATC,LD的自动温度控制电路ATC,LD,的自动功率控制,APC,电路,LD的自动功率控制APC电路,LD,组件,LD组件,LD,组件,功率控制器,激光器,检波器,驱动器,热敏电阻,温控器,致冷器,1,2 3 4 5 6 7,8,9 10 11 12 13 14,1. 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组件功率控制器激光器检波器驱动器热敏电阻温控器致冷器,LD,组件,DFB,插拔式,LD,组件,DFB,尾纤式,LD,组件,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,I,B,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,激光器的保护电路 工作原理,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，,Vf,VD,，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,Vf,VD,，,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 无光告警电路+-,激光器的告警电路,寿命告警电路,当,I,B,1.5I,th,时，就认为激光器的寿命终止,调整电位器,W,使,V2,1.5I,th,。当激光器工作正常时，,I,B,1.5I,th,，则,Vl,V2,，,A1,输出高电平，寿命告警灯 不亮。如果,I,B,1.5I,th,，则激光器寿命终止，这时,Vl,V2,，,A1,输出低电平，寿命告警灯发,黄色,告警显示。,激光器的告警电路寿命告警电路,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,光接收机的组成,光信号,光检测器,前置放大,主放大器,均衡滤波,判决器,译码器,AGC,电路,时钟恢复,前端,线性通道,数据恢复,输出,偏压控制,光接收机光接收机的组成光信号光检测器前置放大主放大器均衡滤波,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。,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,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,动态范围比高阻型有所改善,f=(2,R,L,C,T,),-1,R,i,=R,L,/(1+G),前置放大器低阻型前置放大器（双极性）f=(2RLCT)-,常用的前置放大器电路,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。,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,滚降滤波器形成的波形,滚降滤波器形成的波形,（,a,）有限长横向滤波器,（,b,）输入单脉冲响应,（,c,）输出单脉冲响应,时域均衡器的输入输出波形,（a）有限长横向滤波器（b）输入单脉冲响应（c）输出单脉冲响,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恢复成数字信号。,时钟提取电路从接收信号中提取出频率,f,B,的分量，从而得到比特时间,T,B,1,B,，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,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,光接收机的性能指标光接收机的信噪比,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),，,I,p,为平均电流，,I,p,=R P,in, I,d,为暗电流，,f,为接收机的等效噪声带宽,热噪声,由光接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),，,R,L,为负载电阻。,光接收机的噪声点噪声,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,P,in,2,成正比，可以通过增加负载电阻,R,L,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,P,in,的增加而线性增加。,光接收机的信噪比PIN接收机的信噪比,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下，,APD,接收机的,SNR,是,PIN,接收机的,G,2,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,l,G,X,，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,G,opt,使得,SNR,最高，而,G,opt,随着,P,in,的增加而减小。说明接收光功率微弱时,采用,APD,较为有利,.,光接收机的信噪比APD接收机的信噪比,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。,光接收机的误码率光接收机的误码率,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的。,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,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,B,1/2,的比例增加,也随,R,L,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,。,光接收机的灵敏度接收灵敏度,典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系,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,。,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,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,）,小结光发射机,习题,3,，,4,，,6,，,10,，,11,，,12,习题3，4，6，10，11，12,