光发射机及光接收机及光纤通信系统

-第八章 光发射机与光接收机及光纤通信系统4课时韦文生本章容简介光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进展调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。一学习者分析：本章为光发射机与光接收机及光纤通信系统的根底知识，是光源及其驱动电路、光探测器及其驱动电路、光通信系统的综合应用。学生学习了前面各章的知识，应该概括起来，对光通信系统有综合的认识。二教学目标：使学生掌握光发射机与光接收机及光纤通信系统的根本原理和构造组成，以及对光纤通信系统根本参数的认识。三主要容重点、难点和方法： 光发射机与光接收机的根本原理和构造组成； 光纤通信系统的根本原理和构造组成。 措施：通过理论知识讲授、动画演示、图形解释、例题分析使学生牢记光发射机与光接收机的根本原理和构造组成；光纤通信系统的根本原理和构造组成。四根本要求： 掌握光发射机与光接收机的根本原理和组成构造； 掌握光纤通信波分复用技术的根本组成构造和原理。五教学要点：重点阐述光发射机模拟/数字调制的工作原理及各项根本指标的含义，以及有关光源各种电路的原理；光接收机的原理、性能指标、光纤通信波分复用技术的原理框图。六教学特点：是本课程中光源、探测器、光传输等容的综合；为本课程其它学习容的概括总结，为光通信系统的理解奠定根底。七教学安排：第一节2课时；第二节1课时；第三节1课时。第一节 光发射机光纤通信系统传输的是光信号， 作为光纤通信系统的光源，便成为重要的器件之一。它的作用是产生作为光载波的光信号， 作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以下要求：(1)体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；(2)发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即0.85m、1.31m和1.55m波段；(3)可以进展光强度调制；(4)可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；(5)发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；(6)温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的围。能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管。目前全光纤激光器作为一种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用。最常用的半导体发光器件是发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。前者可用于短距离、低容量或模拟系统，其本钱低、可靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。在选用时应根据需要综合考虑来决定，因此它们都有自己的优缺点和特性，下面就两者的性能作系统的比拟。激光二极管发光二极管1输出光功率较大，几mW一几十mw。输出光功率较小，一般仅1mw一2mW。2带宽大，调制速率高，几百MHz一几十GHz。带宽小，调制速率低，几十一200MHz。3光束方向性强，发散度小。方向性差，发散度大。4与光纤的耦合效率高，可高达80以上。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。5光谱较窄。光谱较宽。6制造工艺难度大，本钱高。制造工艺难度小，本钱低。7在要求光功率较稳定时，需要APC和ATC。可在较宽的温度围正常工作。8输出特性曲线的线性度较好。在大电流下易饱和。9有模式噪声。无模式噪声。10可靠性一般。可靠性较好。11工作寿命短。工作寿命长。根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。图8-l为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系以及光纤通信开展的历程和趋势。图8-l 波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间关系图在光纤通信系统中，由于信息由LED和LD发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成，如图8-2所示。在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲信号变换成NRZRZ码后，通过驱动电路调制光源(直接调制)，或送到光调制器调制光源输出的连续光波(外调制)。对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。 自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度，此外，光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。本节首先简要介绍光载波的调制方式，然后着重介绍光源的驱动和控制电路。8.1.1 光波的调制在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以携带信号的振幅、强度、频率、 相位和偏振等参数使光波携带信息，也即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多采用光的强度调制方式。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化；外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外调制方式需要调制器，构造复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。模拟调制又可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进展调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进展调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进展抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进展通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。8.1.2 LED的驱动电路在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用LED作为系统光源。但不管那种通信系统，用LED作光源时，均采用直接强度调制方式，即通过改变LED的注入电流调制输出光功率。下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。1LED的直接调制原理图8-3为对LED进展模拟调制的原理图。 连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适中选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度m。设调制电流幅值为I，偏置电流为IB，则(8-1)图8-3 LED模拟调制原理图LED的数字调制原理图如图8-4所示。信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的有、无(1码和0码)控制发光管的发光与否。模拟系统或数字系统都是通过控制流经发光管电流的方法到达调制输出光功率的目的。但由于二者功率不同，对驱动与偏置电路也不同，下面分别加以讨论。图8-4 LED数字调制原理图2LED的模拟驱动电路在模拟系统中，对驱动电路的要提供一定的工作点偏置电流及足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率， 并使其输出功率随输入信号线性变化， 非线性失真小。产生的非线性失真必须低于 -30dB-50dB。但由于LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。 LED对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)电路，较LD的驱动电路简单得多。图8-5为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。 它将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。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IBImm 。图8-5 LED模拟驱动电路设Im24mA，m0.8，则IB30mA，工作电流围3024mA, 其频率响应大于100MHZ。采用锗二极管和电阻与LED并联，在大电流时起分流作用，扩大驱动电流围，提高LED的线性，该电路的谐波失真小于-45dB。3LED的数字驱动电路LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安mA的开关电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。几种典型的LED数字驱动电路见图8-6所示。(a)简单的共射极饱和开关电路 (b)低阻抗射极跟随式驱动电路(c)发射极锅台开关式驱动电路 (d)高速LED驱动电路。图6-6 LED数字驱动电路在图8-6中，图(a)为晶体管共射驱动电路，晶体管用作饱和开关，提供电流增益，其两端的电压降较小，饱和压降Vcc0.3V。图(b)中的达林顿构造因高电流增益， 降低了输出阻抗。这一电路可从具有180pF的电容的发光管上得到2.5ns的光上升时间，可传输100Mbs 的数字信号。 但由于发射极输出的负载不是纯电阻， 可能使电路发生振荡。RlCl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，以补偿驱动电流开场时， 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。图(c)为发射极耦合开关式驱动电路，可传输300Mbs以上的数字信号。 晶体管Tl和T2是发射极耦合式开关，T3为恒流源。发光管的驱动电流由恒流源决定。这种电路类似线性差分放大器，实际作开关用。由于它超越了线性围工作，输入端过鼓励时；仍没有到达饱和，所以开关速率更高。图(d)为高速LED驱动电路，当LED为面发光管时，可传输2Gbs以上的数字信号。该电路的脉冲前后沿为0.35ns，预偏置为15mA，电流峰值为100mW。图8-7为TTL开关式驱动电路实例。图8-7 TTL开关式驱动电路8.1.3 LD的驱动电路由于LD通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺， 都对调制性能至关重要。1LD的模拟调制原理图8-8为对LD进展模拟调制的原理图。图8-8 LD模拟调制原理图2LD的数字调制原理图8-9为对LD进展数字调制的原理图。图8-9 LD数字调制原理图3偏置电流和调制电流的选择采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：(1)加大直流偏置电流使其逼近阙值，可以大大减小电光延迟时间， 同时使弛振荡得到一定程度的抑制。图8-10为LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。由图中可以看出，由于 LD 加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。(2)当激光器偏置在阈值附近时， 较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。(3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。所谓消光比，是指激光器在全l码时发送的光功率(P1)与全0码时发射的光功率(Po)之比，用dB表示为：(8-2)光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于10dB，如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB(0.850.9)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值Im一般取Im十IB(1.21.3)Ith，以防止结发热和码型效应。结发热效应表现在阈值和输出光功率随结温的变化。稳态时，表达在其输出特性随温度的变化，瞬态时，调制电流Im的出现也会使结温在阈值时发生一定波动。这种波动也将引起阈值电流和输出光功率发生波动。在电流脉冲持续时间，结温将随时间t的增加而增加，而输出光功率却随时间增加而减小；当电流脉冲过后，情况正好相反，结温随t减小，输出的光功率却随t增加，最后到达偏置电流的稳定值。因此，如果同一连续的脉冲电流去调制激光器，而且脉冲电流的宽度足够宽，则由于结的发热效应，光脉冲将出现调制失真。实验证明，当偏流逼近阈值，并适中选择调制电流幅度，对减小结发热效应是有利的。(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。 因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源。 调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要 考虑到光源的负担。 考虑到*些激光器在*些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避开这些区域。4激光器的直接调制电路激光器的直接调制电路有许多种，但概括起来有两类： 一类是单管集电极驱动电路，另一类是射极耦合开关电路。图8-11为单管集电极驱动电路原理图。半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，可以用集电极电流驱动光源。图中DT为驱动管，当电信号加在DT基极时，即可驱动集电极电路中的激光器，使之输出的光功率随信号的变化而变化。图8-11 单管集电极驱动电路原理图DT工作在开关状态，图8-12为射极耦合光发送驱动电路。图中晶体管BG2和BG3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。当BG2基极电位高于BG3基极电位时，BG2导通，恒流源的驱动电流Im全部流过BG2， 故流过LD的电流为零。反之， 当BG2基极电位低于BG3基极电位时，BG3导通，所有驱动电流都通过LD。电流开关的转换过程由输入数字信号转换成ECL电平来控制，ECL电平l码时，输出为-1.8V，0 码时，输出为 十0.8V，经过BGl和D1电平移动后加到BG2基极，而BG3基极电平固定在 -2.6V，它由温度补偿的参考电平Vbb经BG4和D2电平移动得到。Vbb-1.31 V是l码和0码电平的中间值。选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态， 就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。5自动功率控制电路(APC)在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。光功率自动控制有许多方法，一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最正确状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。 但最简单的方法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种方法即可收到良好的效果。该方法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小， 假设功率小于*一额定值时，通过反应电路后驱动电流增加，并到达额定输出功率值。反之，假设光功率大于*一额定值，则使驱动电流减小，以保证激光器输出功率根本上恒定不变。图8-13为美国亚特兰大光通信系统中光发射机的APC电路， 作为LD输出光功率自动控制的实际例子。图8-13 LD的偏置反应APC电路图8-13的电路是通过控制LD偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到， 它固定在0V-lV间。 LD组件中PIN管接收LD的反面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反应控制LD输出光功率。 该PIN产生的信号与直流参考比拟后送到放大器的同相端，直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。 调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反应偏置电路将自动调整IB， 使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。 图中R3Cl构成LD的慢启动网络， 当刚开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大(l ms)，IB只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后IB缓慢增大，保护LD免受冲击。6自动温度控制电路(ATC)温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进展调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终保持在20度左右。LD的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成，如图8-14所示。图8-14LD的温度控制电路。微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以到达3040。制冷方式分为制冷和外制冷两种。目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的LD组件，其部构造如图8-15所示，它将LD芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒，控制电路放在盒外，这属于制冷方式。制冷方式不仅构造紧凑，控制效率也很高，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒严密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流， 到达控制LD周围环境温度的目的。 通常制冷较外制冷方式更直接、有效。不管制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图8-16为半导体制冷器的构造示意图。图中(a)为单个热电偶的构造简图，(b)为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上并联的方式组成的。图8-15 LD组件部构造单个热电偶是由P型和N型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用瓷面板将铜连接片与外外表电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。将热电偶与直流电源相连，如图(a)所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的， 热电偶的个数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，选择不同的热电偶堆。图8-16 半导体制冷器的构造示意图图8-17是温度控制电路， LD组件中的热敏电阻具有负温度系数，在20时阻值 Rt10k12k，RtT-05。它与Rl，R2，R3组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端， 在*温度下，电桥到达平衡。 LD温度升高时，Rt下降，BGl正向导通，通过制冷器Rc的电流Ic加大，使LD的温度下降。图8-17温度控制电路。 具体控制过程如下：TRt差分放大器输入端压降差分放大器输出电压IcT。实际上激光器在连续工作时，管芯温度会持续上升，从而使得热敏电阻Rt总保持在RtR3即电桥总不平衡，于是Ic维持一定值，即控制电路始终为致冷器提供恒定的工作电流Ic。在光发送电路中，由于采用了ATC 和 APC电路，使LD输出光功率 的稳定度保持在较高的水平上。在环境温度为十5十50围，LD输出光功率的不稳定度小于5。7激光器的保护及告警电路光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。光源的过流保护电路 为了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进展过流保护。图8-18所示是激光器的过流保护电路，图中T3为激光器提供偏流IB。保护电路由晶体管T4、电阻Rl组成。图8-18激光器的过流保护电路。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IB过大而被损坏。无光告警电路 当光发送机电路出现故障，或输入信号中断、或激光器损坏时，都可能使LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。图8-19无光告警原理图。图中A2的反向端为直流参考电压VD，其同相端则为代表LD输出光功率平均值的Vf。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， VfVD，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VfVD， A2输出低电平， 使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。寿命告警电路随着使用时间的增长，LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开场使用时的1.5倍时，就认为激光器的寿命终止。由于IBIth， 所以寿命告警电路通常采用监测偏流IB的值来判断激光器寿命是否终止。也就是说，当IB1.5Itho(Itho为LD开场启用时的阈值电流)时，寿命告警电路就发出告警指示。图8-20所示为寿命告警电路原理图。图中T3为激光器提供偏流IB，T4、R1组成过流保护电路。由于VlIBRl，所以调整电位器W使V21.5IthoR1。当激光器工作正常时， IB1.5Itho，则VlV2，A1输出高电平，寿命告警灯 不亮。如果IB1.5Itho，则激光器寿命终止，这时VlV2， A1输出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。 同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。图8-20 寿命告警电路原理图第二节 光接收机光发送机输出的光信号，在光纤中转输时，不仅幅度会受到衰减，而且脉冲的波形也会被展宽。光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。本章重点讨论接收机前端的噪声特性、模拟及数字接收机的性能，如信噪比或误码率、接收机灵敏度等。8.2.1 概述光纤通信系统有模拟和数字两大类，和光发射机一样，光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式，见图8-21所示。它们均由反向偏压下的光电检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测(DD)方式。与模拟接收机相比，数字接收机更复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AGC放大电路。但因它们在高电平下工作，并不影响对光接收机根本性能的分析。图8-21 光纤通信接收机框图光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的光信号转化成电信号。目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。PIN管比拟简单，只需10V20V的偏压即可工作，且不需偏压控制，但它没有增益。因此使用PIN管的接收机的灵敏度不如APD管；AFD管具有10200倍的部电流增益，可提高光接收机的灵敏度。但使用APD管比拟复杂，需要几十到200V的偏压，并且温度变化较严重地影响APD管的增益特性，所以通常需对APD管的偏压进展控制以保持其增益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。对光检测器的根本要高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光检测器产生的光电流非常微弱(nAA)，必须先经前置放大器进展低噪声放大，光电检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在将信号进展放大的同时，也会引入放大器本身电阻的热噪声和晶体管的散弹噪声。另外，后面的主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前置放大器产生的噪声一起放大。前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带放大器。主放大器主要用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电乎一般为mV量级，而主放大器的输出信号一般为1V3V(峰峰值)。均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进展整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的升余弦波形。均衡器的输出信号通常分为两路，一路经峰值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判决再生电路，将均衡器输出的升余弦信号恢复为0或1的数字信号。定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。 衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度。在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输入端的噪声，提高接收灵敏度。光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器的噪声。8.2.2 线性通道由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这局部电路称为线性通道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。1前置放大器接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。光电二极管接收由光纤耦合来的光信号。在实际电路分析中，可将光电二极管看成是一个与其结电容Cd并联的电流源，等效电路如图8-22所示，其中RL为负载电阻。图8-22光电二极管等效电路。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，一般来说有三种不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗前端，如图8-23所示。 图中Ci为总的输入电容，其中包括光电二极管的结电容和前置放大器的晶体管引起的电容。图8-23在高阻抗前置放大器中，由于输入电路的总电阻Ri较大，可以增大前置放大器的输入电压，较大的Ri值也可以降低热噪声和增加接收灵敏度， 但其缺点是带宽f较窄。这种电路的带宽可表示为8-3输入电路的总电阻Ri由放大器的输入电阻Rb和光电二极管的直流负载电阻RL并联而成。等效输入电阻Ri表示为8-4输入电路引入的热噪声表示为8-5由此可以看出，RL越大，带宽越小。可以采用均衡器对高频提升的方法来增加带宽，在接收灵敏度到达要求的前提下， 可以用降低Ri的方法来增加带宽， 这种前端叫作低电阻前端。但这种电路方式的热噪声较大，当然，接收灵敏度也较低。(1)高阻抗放大器的均衡：要解决高阻抗放大器带宽窄、信号脉冲失真严重引起的码间干扰，必须用很强的均衡。通过微分网络补偿高频分量的滚降，使接收机的频响特性在要求的带宽变为平直，以改善输出脉冲的波形。但严格的均衡是很困难的，因放大器的输入导纳主要取决于总的输入电容且又随晶体管的不同及杂散电容大小而变化。图8-24为均衡器电路的几个例子。 其中图(a)为无源均衡器，图(b)和图(c)分别为采用运算放大器及采用双极晶体管的有源均衡器。无源均衡器是简单的RC网络，其传递函数为：(8-6)式中,。对于完全均衡，1与前置放大器的转折频率相匹配， 这样放大器带宽因均衡器而展宽到2。传递函数值减小了2/1倍，将其称为均衡比，一般可到达几十。对于这种无源均衡器，高频时增益为1，对低频的衰减等于均衡比。图8-24均衡器电路的几个例子。对于图(b)(c)所示的有源均衡滤波器，其传递函数为：(8-7)式中，1，2与无源均衡器一样，但kR3/R2，即均衡器的增益决定于R3，可与1，2独立进展选择。高阻抗放大器存在的第二个问题是动态围小。例如，在无源均衡器中，均衡过程实质上是通过对带低频信号的衰减来实现的。因此放大器的增益必须非常高，以保证放大器输出至均衡器的信号足够强，而最大输出电压受电源电压和偏置条件的限制，因此接收机的动态围受到了限制。(2)跨阻抗放大器：跨阻抗前置放大器同时具有高接收灵敏度和频带宽的特点，与高阻抗前置放大器相比，具有较大的动态围。在跨阻抗前置放大器设计中，电阻RL作为一个反应电阻跨接在反向放大器的两端。尽管RL很大，但负反应作用使放大器的等效输入阻抗降低G倍，G是放大器的增益，这样带宽与高阻抗前置放大器比拟增加了G倍。在大多数光接收机中，均采用跨阻抗前置放大器的方式。图8-25为跨阻抗前置放大器的电路图。 图中Rf为并联反应电阻；Cf为漏散电容；Rb为光电检测器及晶体管的偏置电阻；C为并联电容。如光电检测器与接收放大器直流耦合，则反应电阻又可作光电检测器的负载电阻，Rb可不用，该电路的传递函数为:(8-8)实用中RbRf，Al，则放大器的频响特性如图6-25(b)所示，其3dB带宽为(8-9)假设漏散电容很小，则。与高阻抗放大器相比跨阻抗前置放大器带宽要宽得多，至少展宽了A倍，而且通过跨阻的增加，带宽还会进一步扩展，这时接收机可以不需均衡，或只要少量均衡，动态围增大了等于均衡比的量。虽然跨阻抗放大器的带宽比高阻抗放大器提高了A倍，但也不能通过无限增大开环增益来不断提高带宽，因为它受到了两个限制：一是随着A的增加，漏电容的影响也随之增加，最后变为主要的影响；二是为了到达高A，必须增加并联反应环的放大级数，对宽带应用来说，会引起附加的传播延迟及相位漂移，使噪声及相位的富裕度减小，引起不稳定。因此反应环的放大级数限于三级以下(100MHz)或仅一级(1GHZ)。图8-25跨阻抗前置放大器的电路图。当然反应电阻的引进，在高阻放大器上增加了一个热噪声源，其谱密度为8-10当时，放大器反应电阻Rf的热噪声将起主要作用。随着Rf的增加，该项噪声随之减小，但带宽也减小，二者必须折中考虑。图8-26给出了接收光功率与反应电阻的关系，可见动态围的下限主要受接收机灵敏度的限制，上限受前置放大器的饱和及过载的限制。图8-26 接收机动态围、灵敏度与反应电阻的关系。总之，与高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置放大器有许多优点，可归纳如下：放大器的总电阻小，电路的时间常数小，减小了波形失真，通常不必考虑均衡；动态围大；输出电阻小，放大器不宜感应噪声，不宜发生串话和电磁干扰；负反应使放大器的特性容易控制，稳定性也显著提高；灵敏度在宽带应用时仅比高阻抗放大器低23dB。目前光接收机中最常用的是以场效应管(FET)构成最前端的跨阻抗前置放大器，光电检测器一般多采用PIN管。为了尽量减小引线电容等杂散电容，提高响应速度和灵敏度，通常利用混合集成工艺，将PIN光电二极管与场效应管(FET)前置放大器电路混合集成在一起做成PIN-FET光接收组件，使用效果较好，已被光接收电路普遍采用。下面介绍两个跨阻抗前端的例子，如图8-27所示。其中图(a)为44.7MHz光纤通信系统的接收机前端。 光检测器为Si-APD，晶体管为输入电容小、大的普通晶体管。晶体管BGl和BG2构成一反应对，为并联反应电阻，BG2的500,的基极接地电阻是为了消除振荡。BG3提供3.7倍的增益，使得在最小输入光功率时，输出信号的峰峰值到达4mV,有效跨阻达14.8k。当误码率为，APD最正确增益为80时，接收灵敏度为-55dBm。图8-27 跨阻抗接收机前端图(b)为1300nm波段的接收机前端电路，400时平坦带宽为2GHz。此处我们采用微波Si-BJT(NE6400，fc10GHz)，因GaAs-MES-FET在噪声方面的优势在高速跨阻抗接收机中已经消失，放大器第一级采用并联负反应， 使引起不稳定的环路延迟减到最小。包括漏散电容的Cf可以补偿放大器的高频响应。 第二级为串联负反应(通过级间阻抗失配来实现)，集电极电阻为50，以与负载匹配。放大器设计的关键是放大器件，常采用双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)作为输入级,其中最常用的是Si-JFET及Si-BJT。频率较低时,由于场效应晶体管的输入阻抗高、噪声小常被采用。而在频率高时，常使用双极性晶体管。BJT用于APD检测器时，接收机的噪声主要受倍增增益支配。但对低噪声高速应用来说GaAs-FET具有最正确性能，但其价格较高。第三节. 光纤通信系统的构成1光纤通信系统的构成目前，实用光纤通信系统组成框图如图8-28所示。图8-28 光纤通信系统的组成如图示，光纤通信系统由以下五个局部组成。1光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进展调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。2 光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。3 光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。4中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。5光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系统。直接检波系统就是在发送端直接把信号调制到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。电端机就是一般电信号设备，例如载波机或电视图象发送与承受设备等。光端机则是把电信号转变为光信号发送光端机，或把光信号转变为电信号接收光端机的设备。发送光端机的作用是将发送的电信号进展处理，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，然后将此已调制光波送入光导纤维。已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的半导体光电管上检波。检波后得到的电信号经过适当处理再送承受电端机，然后按一般电信号处理。这就是整个光纤通信的过程。这个过程和一般无线电通信过程是十分相似的。当然光线通信的空间传输手段是光导纤维，这与一般无线电通信在空间传输电波的情况是不同的。直接检波系统的根本优点是构成简单，就当前光波技术水平来讲现实可行。同时由于光波频率极高，在这样系统上传送上万路，几十路电视并不困难，完全可以满足目前通信的需要。因此直接检波系统是光纤通信当前较多采用的形式。2基带模拟电视光纤传输系统系统构成框图及主要技术指标基带模拟视频信号光纤传输系统主要用于高质量的短程传输线路，他是模拟电视光纤传输最根本的传输形式，因此通过对系统的分析可以了解有关光纤传输系统的根本概念和根本理论。系统构成框图如图8-29所示。最主要的技术指标是信噪比及非线性失真特性，高质量播送级的技术指标如下所示：图8-29基带模拟电视光纤传输系统图象信号：S/N采用统一加权网络60dB；微分增益DG1%；微分相位DP1伴音信号：S/N -61dB；非线性失真系数 1%3 数字电视光纤传输系统数字信号在传输中具有抗干扰能力强，无噪声和失真积累，不受传输距离影响，能与多种信息业务兼容传输等优点，因而未来的电视必将从模拟电视过渡到数字电视，但目前由于现实条件的限制，仍以模拟电视为主。数字电视信号是将模拟电视信号经过取样、量化、编码变成数字信号，经过频带压缩，使每路电视信号压缩至310Mb/s的码率后进展传输的，因而与一般的数字信号一样，采用同样的方式进展传输、交换和处理。数字电视光纤传输系统组成框图如图8-30所示。在发送端，将经过整形或码形变换处理的数字视频信号对光源进展强度调制，将电脉冲转换为光脉冲，送入光纤中传输。在接收端，通过光检测器将光脉冲转换为电脉冲，再经放大，均衡，判决，恢复为标准的数字脉冲信号。数字信号的传输过程与模拟信号一样，但由于所传输的是数字信号，因而有许多与模拟信号传输要求不同之处。图8-30 数字电视光纤传输系统组成框图4 波分复用光纤通信系统波分复用(WDM)是指在一根光纤上， 同时传输波长不同的多个光载波信号，而每一个光载波可以通过频分复用(FDM)或时分复用(TDM)方式，各自载荷多路模拟信号或多路数字信号。目前单模光纤的工作波长由两个，即1.3mm、1.55mm， 这两个波长的低损耗区共约，相当的频带宽度，而每个激光管的带宽只有几埃到几十埃，因而，如一根光纤只传输一个光源的信号，那就只利用了这一巨大带宽的极小局部。采用波分复用方式可以充分的利用光纤具有丰富的频带资源，极大的增加光纤线路的通信容量。波分复用光纤通信系统组成如图8-31所示，N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输。到接收端，经过具有光波长选择功能的解复用器DWDM，将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。图8-31 波分复用光纤通信系统组成框图图8-32是双向WDM系统。图中WDM/DWDM是具有波长选路功能的复用/解复用器。光发射机T1发射波长为l1的光信号，经WDM/DWDM送入传输光纤，在接收端，再经另一个MD的波长选择后送到接收机R1接收。T2和R2是另一方向传输的发射和接收端机。图8-32 波分复用双向传输系统第八章 光纤通信系统 小结一、光发射机光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进展调制， 成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。1、光波的调制在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。2、直接调制直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。光纤通信中光源多采用直接调制方式。3、外调制外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。外调制方式需要调制器，构造复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。4、模拟调制模拟调制可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进展调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进展调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。5、数字调制数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进展抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进展通断调制。 数字调制也可使用直接调制和外调制。二、光接收机光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号， 经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。1、线性通道由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这局部电路，称为线性通道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。2、光接收机灵敏度光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接收光功率三、光纤通信系统光纤通信系统是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信系统。光纤通信系统由光发信机、光收信机、光中继器、光纤连接器及耦合器的无源器件等五个局部组成。1、光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。 它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进展调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。2、光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。3、光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。4、中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。5、光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的如1Km)。 因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连 接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。第八章习题1 光纤通信系统由以下哪几个局部组成.A 窗体顶端AAAa光发信机、光收信机、光纤或光缆；B光发信机、光收信机、光纤或光缆、中继器、光纤连接器和耦合器等无源器件；C 光发信机、光收信机、光纤连接器和耦合器等无源器件；D光纤或光缆、中继器、光纤连接器和耦合器等无源器件。窗体底端2 下面说法中正确的选项是：A AA光发信机是实现光/电转换的光端机；B 光发信机任务是把模拟信号转为数字信号；C 光发信机是由光源、驱动器和调制器等组成；D光发信机任务是把光信号耦合到光纤或光缆去传输。 窗体底端3 在光纤通信系统中，中继器的作用是：A 对传输光的接收与转发；B 对传输光的接收与放大；C 补偿经过光纤传输的光信号的衰减，并对失真的波形进展校正；D 补偿经过光纤传输的光信号的衰减，并对光进展分路转发。窗体底端4 基带模拟视频信号光纤传输系统主要用于：A 高质量的远程传输线路； B 高质量的短程传输线路；C 低质量的远程传输线路； D 低质量的短程传输线路。窗体底端5 光接收机的灵敏度是指：A 光接收机所需要的最小接收光功率；B 满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接收光功率；C 光接收机接收弱信号的能力；D 满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最接收光功率。窗体底端6 光检测器是光接收机的核心器件，对光检测器的主要要：A 光电转换效率高；使得光信号能高效率无失真的转换电信号；B 光电转换效率高；噪声小；频带宽，使得光信号能高效率无失真的转换电信号；C 噪声小；使得光信号能高效率无失真的转换电信号；D 光电转换效率高；噪声小；频带宽。 窗体底端7 数字电视光纤传输系统中数字光发射机的组成主要包括：A 光源和调制电路； B 整形或码型变换电路以及光源等；C 整形或码型变换电路，调制电路以及光源等； D 整形或码型变换电路，调制电路。窗体底端8 适合于数字光纤通信系统的线路码型主要有：A 单极性不归零码NRZ)，传号交替反向码AMI)两种；B 单极性不归零码NRZ)，单极性归零码RZ)两种；C 双向码和差分双向码两种；D 传号交替反向码AMI)，单极性归零码RZ)两种。 窗体底端9 波分复用光纤通信系统在发射端，N个光发射机分别发射：A N个一样波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输；B N个不同波长，经过光波分复用器WDM变为一样的波长，耦合进单根光纤中传输；C N个一样波长，经过光波分复用器WDM变为不同的波长，耦合进单根光纤中传输；D N个不同波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输。窗体底端10 波分复用光纤通信系统在接收端，经过具有光波长选择功能的解复用器DWDM：A 将低频信号解调出来，送到N个光接收机接收；B 将不同波长的光信号到一起，送到一个光接收机接收；C 将一样波长的光信号分开，送到N个光接收机接收；D 将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。 窗体底端第八章 思考题1、画图说明光发射机的组成及其各局部的功能。2、画图说明光接收机的组成及其各局部的功能。3、什么是光波的调制.4、什么是直接调制.5、什么是外调制.6、什么是模拟调制.画出原理图。7、什么是数字调制.画出原理图。8、线性通道是什么.9、光接收机灵敏度指的是什么.10、影响光接收机的主要质量指标灵敏度的主要因素是什么.11、什么是光纤通信系统.12、光纤通信系统由以下哪几个局部组成.13、在光纤通信系统中，中继器的作用是什么.14、画出基带模拟视频信号光纤传输系统构成框图。15、画出数字电视光纤传输系统组成框图。16、画出波分复用光纤通信系统组成框图。17、简述波分复用光纤通信系统的工作原理。18、画出波分复用双向传输系统组成框图。19、简述波分复用双向传输系统的工作原理。20、简述光纤通信具有巨大的通信容量。. z.