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

,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,*,光纤通信,第4章光端机,1,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,2,学习本章目的和要求,把握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理。,生疏光中继器的组成框图及工作原理。,把握光通信常用的线路码型。,第,4,章 光端机,3,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局部，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。,4,4.1 光发送机,作用：是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进展传输。对光发送机的要求：,1有适宜的输出光功率,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。光源应有适宜的光功率输出，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。可用下式表示,4-1,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。,5,4.1 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，还要求电路尽量简洁、本钱低、稳定性好、光源寿命长等。,6,4.1.1 光发送机的根本组成,数字光发送机的根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、光源的掌握电路ATC和APC及光源的监测和爱护电路等。如图4-2。,图,4-2,数字光发送机原理方框图,7,4.1.1 光发送机的根本组成,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：使信号到达“0”、“1”等概率消失，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温度掌握和功率掌握：稳定工作温度和输出的平均光功率。,9其他爱护、监测电路：如光源过流爱护电路、无光告警电路、LD偏流寿命告警等。,8,4.1.2 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：,发送光波的中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m四周。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。,电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。,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。,器件的温度稳定性好，牢靠性高，寿命长。,器件体积小，重量轻，安装使用便利，价格廉价。,9,4.1.2 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,根本概念及调制原理,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。,特点,调制简洁、损耗小、本钱低。但存在波长(频率)的抖动。,10,4.1.2 光源的调制,图,4-3,直接光强度数字调制原理,图4-4 间接调制激光器的构造,11,4.1.2 光源的调制,2间接调制,根本概念及调制原理,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所发出的光载波进展调制，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。,特点,调制系统比较简单、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。,12,4.1.3 调制电路及自动功率掌握,1共放射极LED驱动电路,图4-7所示为由三极管组成的共放射极驱动电路，这种驱动电路主要用于以LED作为光源的数字光放射机。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反响稳定LD驱动电路,图4-9是利用反响电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其掌握过程如下：,13,4.1.3 调制电路及自动功率掌握,图,4-8,射极耦合,LD,驱动电路图,图4-7 共放射极驱动电路,14,4.1.3 调制电路及自动功率掌握,图4-9 反响稳定LD驱动电路,15,4.1.3 调制电路及自动功率掌握,4带自动功率掌握的LD驱动电路,更加完善的带自动功率掌握APC的电路如图4-10所示。,图4-10 APC电路原理,16,4.1.4 温度特性及自动温度掌握,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和外微重量子效率d产生，如图图4-11a和b所示。,当温度上升，阈值电流增加，外微重量子效率减小，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外形发生变化，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。,17,4.1.4 温度特性及自动温度掌握,图,4-11,温度引起的光功率输出的变化,图,4-12,结发热效应,18,4.1.4 温度特性及自动温度掌握,2光源的自动温度掌握ATC,1温度掌握装置的组成,温度掌握装置由致冷器、热敏电阻和掌握电路组成，图4-13示出了温度掌握装置的方框图。,图4-13 自动温度掌握原理方框图,19,4.1.4 温度特性及自动温度掌握,2自动温度掌握ATC原理,图4-14示出ATC电路原理图。掌握过程可以表示如下：,图,4-14,ATC电路原理,20,4.1.4 温度特性及自动温度掌握,注：温度掌握只能掌握温度变化引起的输出光功率的变化，不能掌握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掌握电路即可。,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掌握电路，以使输出光功率到达稳定。,21,4.2 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，并对电信号进展放大、整形、再生后，再生成与发送端一样的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益掌握电路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。前端性能是打算光接收机的主要因素。,22,4.2.1 光接收机的根本组成,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掌握AGC电路等。,图4-15 数字光接收机方框图,23,4.2.1 光接收机的根本组成,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：,在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对肯定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。,波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。,有足够高的响应速度和足够的工作带宽。,产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。,光电转换线性好，保真度高。,工作性能稳定，牢靠性高，寿命长。,功耗和体积小，使用简便。,24,4.2.1 光接收机的根本组成,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局部。,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，它的功能主要是供给足够高的增益，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掌握AGC，以使输入光信号在肯定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。,主放大器和AGC打算着光接收机的动态范围。,25,4.2.1 光接收机的根本组成,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展均衡补偿，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自动增益掌握AGC,AGC就是用反响环路来掌握主放大器的增益。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。,26,4.2.2 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,27,4.2.2 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，其光子鼓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间电检测器中产生的电流。由于鼓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，必定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部噪声。,28,4.2.3 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PminmW。工程中常用毫瓦分贝dBm来表示，即,(4-2),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,(4-3),29,4.2.3 光接收机的主要指标,3自动增益掌握AGC,AGC就是利用反响环路来掌握主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。,自动增益掌握AGC电路原理框图如图4-17所示。,图4-17 自动增益掌握电路原理框图,30,4.3 光中继器,光信号在传输过程会消失两个问题：,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；,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，必需设置光中继器。,光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲外形有：,补偿衰减的光信号；对畸变失真的信号波形进展整形。,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。,31,4.3.1 光电中继器,1光电中继器的构成,传统的光中继器承受光电光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光电中继器的构造形式,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。,32,4.3.2 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，设备简洁，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,33,4.4 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4-1PDH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，在光端机中必需进