光纤第四章ppt课件

第4章 光端机,1,本章内容和重点,光发送机 光接收机 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, 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,3,信源：将用户原始信息转换为基带电信号。,电发射机：将基带信号转换为适合信道传输的信号。包括数模转换 多路复用,光发射机：将电信号转换为适合光纤传输的光信号。,光纤通信系统组成,信源,电发 射机,光发 射机,光接 收机,电接 收机,信宿,300-3400Hz模拟基带电信号,已调光信号,PCM基群或高次群电信号,PCM基群或高次群电信号,300-3400Hz的基带信号,第4章 光端机,4,光端机在光纤通信系统中的作用,光发射端机： 将来自电端机的数字电信号经过码型变换，调制， 以一定的耦合技术注入光纤中传输。,光接收端机：将从光纤中收到光信号进行光电转换，经放大再生 还原为原来的电信号。,第4章 光端机,5,4.1 光发射机,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0.01mW5mW。 （2）有较好的通断比 通断比的定义为全“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 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。,6,4.1 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，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。,7,输入接口：将电端机送来到HDB3码变换为普通二进制码。,线路编码：将普通二进制码变换为适合在光纤链路上传输的码型。,调制电路：为光源提供调制电流。,控制电路：主要是APC电路、ATC电路、光源保护电路等。,光源：一般为发光二极管或半导体激光器，实现光电转换。,4.1.1 光发射机的基本组成及功能,8,1、光发射机对光源的要求：,（1）发射波长应当与光纤的低损耗窗口相一致，且光谱宽度窄。,（2）电光效率高，线形好，方向性好。,（3）响应速度高。,（4）工作寿命长，稳定度高， 体积小重量轻。,4.1.1 光发射机的基本组成及功能,9,2、调制和控制电路的要求：,（1）输出光脉冲的消光比足够大。,（2）输出的光脉冲宽度应当足够大，以克服电光延迟。,（3）应有足够的偏置电压，以抑制高速调制下的张弛现象。,（4）发光的应足够稳定。,4.1.1 光发射机的基本组成及功能,10,光强度调制：以信号去改变光的功率大小。,1、调制方式,4.1.2 光源的调制,11,内调制（直接调制）：直接用电信号去驱动光源。成熟的调制方式,设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。,LED调制,I,P,I,P,LD调制,直接光调制图：,偏置电流,4.1.2 光源的调制,12,外调制：利用外调制器对激光器输出直流光信号进行调制。,激光,电信号,激光器,直流驱动电路,光信号,解决了啁啾现象， 适于高速数字信号（SDH / SONET）、 模拟CATV、军事雷达等，并且可进行幅度、相位、频率 调制，但对光源和光调制器要求很高。,4.1.2 光源的调制,13,间接调制（外调制）作用：,电光调制：普科尔（克尔）效应晶体的折射率与外加电 场幅度成线性（非线性）变化。,声光调制：声光效应被介质中弹性波衍射的光波的强度、频率、方向等都随超声场变化。（利用声光晶体）,磁光调制：法拉第效应外加磁场引起线偏振光偏振方向旋转。,4.1.2 光源的调制,14,（1）电光调制（线性电光效应） 光强强度调制 频率频率调制 相位相位调制 基本原理是利用电光晶体的电光效应，当外加电场变化时，将引起它们的折射率随之变化。,4.1.2 光源的调制,15,（2）声光调制,工作原理：当调制信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生振动形成超声波。这个声波引起声光介质的密度发生变化，使介质的折射率跟着变化，从而形成光强随之变化。结果使光波受到调制。,4.1.2 光源的调制,16,（3）磁光调制,4.1.2 光源的调制,工作原理：利用法拉第效应得到的一种光外调制。入射光信号经过起偏器，使入射光变为偏振光，偏振光通过磁棒时，其偏振方向随绕在磁棒上的线圈的调制信号而变化；当偏振方向与后面的检偏器方向垂直时，输出光强最小。从而使输出光强随调制信号变化，实现了光的外调制。,17,2、影响调制的因素,内调制存在的问题：电光延迟、张弛振荡、自脉动,（1）电光延迟,激光器的输出光信号 滞后于电信号的现象。,原因： 有源区的电子密度必须增加到一定的阈值才会有光出来。,影响：出现码型效应，限制调制速度。,4.1.2 光源的调制,18,4.1.2 光源的调制,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“”码丢失，这种现象称为“码型效应”，如图（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（c）所示。,19,（2）张弛振荡,当电脉冲注入激光器后， 输出光脉冲顶部有一个幅度逐渐衰减的振荡。,影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时， 容易 产生误判， 影响了调制的速度。,原因： 光子激发与电子注入的时间延迟。,通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡。,4.1.2 光源的调制,20,（3）自脉动现象,有些激光器再脉冲调制下或直流驱动下，当 注入电流足够大时，输出的光脉冲出现持续 等幅的高频振荡。,影响调制速度,4.1.2 光源的调制,21,4.1.3 调制电路及自动功率控制,1、共发射极LED驱动电路 下图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。,22,4.1.3 调制电路及自动功率控制,2、射极耦合跟随器LD驱动电路 下图是射极耦合跟随器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。,UB,23,4.1.3 调制电路及自动功率控制,3、反馈稳定LD驱动电路 下图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：,24,4.1.3 调制电路及自动功率控制,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）的电路如图所示。,图4-10 APC电路原理,25,4.1.4 温度特性及自动温度控制,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d产生，如图（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”。如图所示 “结发热效应”将引起调制失真。,26,4.1.4 温度特性及自动温度控制,温度引起的光功率输出的变化,结发热效应,27,4.1.4 温度特性及自动温度控制,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，图示出了温度控制装置的方框图。,自动温度控制原理方框图,28,4.1.4 温度特性及自动温度控制,（2）自动温度控制（ATC）原理 下图示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：,ATC电路原理,29,4.1.4 温度特性及自动温度控制,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。,30,4.2 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。,31,4.2.1 光接收机的基本组成,强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图所示，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。,数字光接收机方框图,32,光检测器：将线路中的光信号转换为电信号。,（1）响应波长与光纤的工作窗口相匹配。,（2）响应度高 。,（3）噪声尽可能小。,（4）性能稳定。,偏压控制：提供光电检测器的反向偏压。,33,前置放大器 由于该放大器与光电检测器相连故称为前置放大器。 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，显然，必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大。但是多级放大在放大过程中会引入噪声，故，对多级放大器的前级就有特殊的要求，他应是低噪声，高增益的。 具体放大器类型如上图所示。,34,主放大器 有两个方面: 将前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平 他还是一个增益可调节的放大器。当光电检测器输入的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。一般主放大器的峰值输出是几伏数量级。,35,AGC电路：控制主放大器的放大倍数，以输出恒定幅度的电信号。,均衡器：,没有均衡器将出现的问题: 若无均衡器，信号在经过前几级的器件后，将会产生严重的拖尾现象，将会使前、后码原的波型重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。,36,均衡前：,t,均衡后：, 均衡器的作用: 它的作用是使经过均衡器以后的波形成有利于判决的波形。经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。,37,时钟提取和判决电路：通过时钟提取电路提取发送时钟， 按时钟信号将均衡器中出来的畸变信号恢复为0、1信号。,38,4.2.2 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。,接收机的噪声及其分布,39,4.2.2 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，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。,40,4.2.3 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Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 （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,41,4.2.3 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）电路原理框图如图所示。,自动增益控制电路原理框图,42,一、编码原因 PCM通信系统中的接口速率和码型，如下表所示。,电端机,0 +1 -1,光端机,0 +1,（双极性码）,（单级性码）,4.3 光线路编码,43,双极性与单极性 双极性信号由于在正电平与负电平之间交替变化，因此在传输线路上产生的DC分量为零。 单极性信号是二电平信号，它在零与正电平之间摆动。单极性信号可以看成是用电或光信号表示的开关信号。在光纤通信中，单极性信号也称为开关键控OOK。它与双极性信号的最大区别是，传送线路上产生的直流分量DC不为零，最大值会达到正电平的一半。 单极性与双极性信号的编码如图所示。,44,图 单极性与双极性信号,45,简单的二进制编码的问题： （1）0、1码随机变化，因而直流分量随机变化，影响了判决电平。 （2）随机码流中容易出现常串连0和连1，使同步提取困难。 （3）没有误码检测能力。 所以必须重新编码。 ？编码的要求怎么样？,4.3 光线路编码,？思考： 简单的二进制码是否可行？,46,二、光线路编码的要求： （1）限制带宽,减少功率谱中的高频和低频分量，以减少直流分量的变化。 -有利于电平判决，减少误码 （2）避免长的连0和连1。 -有利于定时信息的提取 （3）能提供一定的冗余码 -冗余码用于平衡码流或者误码检测或公务通信,4.3 光线路编码,47,4.3 光线路编码,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、传输速率如下表所示。,48,4.3 光线路编码,表4.1 常用的线路编码,49,4.3 光线路编码,1分组码（ mBnB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nm，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”，即曼彻斯特码。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。,50,以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有(23)8个码字， 变换为4B码时， 共有(24)16个码字，见表4.2。 为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。 设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。 例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“”；在3B码中有2个“1”， 变为4B码时补1个“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字， 称为禁字，例如0000和1111。 ,4.3 光线路编码,51,52,作为普遍规则，引入“码字数字和”(WDS)来描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。 所谓“码字数字和”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码， 用“+1”代表“”码，整个码字的代数和即为WDS。 如果整个码字“”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码， 则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。 例如：对于0111，WDS=+2；对于0001， WDS=-2；对于0011，WDS=0。,4.3 光线路编码,53,nB码的选择原则是：尽可能选择|WDS|最小的码字， 禁止使用|WDS|最大的码字。 以3B4B为例，应选择WDS=0和WDS=2的码字， 禁止使用WDS=4的码字。 表4.3 示出根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正组和负组交替使用。,4.3 光线路编码,54,4.3 光线路编码,55,我国3次群和4次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B码，其编码规则如下： 5B码共有(25)32个码字，变换6B码时共有(26)64个码字，其中WDS=0有20个，WDS=2有15个，WDS=-2有15个，共有50个|WDS|最小的码字可供选择。 由于变换为6B码时只需32个码字，为减少连“”和连“0”的数目， 删去： 000011、 110000、 001111和111100。 当然禁用WDS=4和6的码字。 表4.4示出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正组和负组交替使用。 表中正组选用20个WDS=0和12个WDS=+2，负组选用20个WDS=0和12个WDS=-2。,4.3 光线路编码,56,57,58,mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。mBnB码的特点是： (1) 码流中“0”和“1”码的概率相等， 连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富。 (2) 高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小 (3) 在码流中引入一定的冗余码， 便于在线误码检测。 mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。,4.3 光线路编码,59,4.3 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。,60,4.3 光线路编码,（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： C码的作用是引入冗余码，可以进行在线误码率监测；同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。,图,61,4.3 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。,62,4.3 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。 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： 当检测得m1个码内“1”码为奇数时，则认为无误码。 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： 当检测得m+1个码内“l”码为偶数时，则认为无误码。,63,31B2B码 伪双极性码(CMI和DMI)也是一种字变换型码，也可以认为它们是1B2B码，这种码保留了电缆数字传输中常用的双极性码的优点。用两个比特数字脉冲表示双极性码中的一个码字，“1”码时以00和11相互交替，从而使码流中“0”和“l”均等，消除直流基线的起伏，连“0”数和连“l”数被限制在2或3，同时也可以自检误码。这种码型的缺点是冗余度大，仅在基群和二次群系统中使用。,4.3 光线路编码,64,4.3 光线路编码,（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）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。,65,4.3 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”出现的概率尽量相同，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。,66,为保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前， 需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。 相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。 扰码改变了“”码与“0”码的分布，从而改善了码流的些特性。,例如： 扰码前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 ,4.3 光线路编码,67, 不能完全控制长串连“”和长串连“0”序列的出现 没有引入冗余， 不能进行在线误码监测； 信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。 因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求， 所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。,扰码有下列缺点：,68,4.3 光线路编码,表 常用的线路编码,69,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:码型变换、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，即内调制（直接调制）和外调制（间接调制）。通常直接调制适用于速率的系统。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。,70,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在PDH光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码mBnB，1B2B（CMI、DMI ）和插入码。在SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。,71,归零(RZ)与不归零(NRZ) 光纤通信中常用的调制方案为OOK， 这种调制方案中编码“1”表示对应的比特周期内有一光脉冲或光源LD或LED处于开（“ON”）状态， 编码“0”表示对应的比特周期内无光脉冲或光源LD或LED处于关（“OFF”）状态。 光脉冲的宽度为比特周期的持续时间。 对于一个1 Gb/s的数据速率， 光脉冲时间宽度为1 ns。 编码既可以采用直接将光源调谐在开或关两种状态的方法来完成， 也可以用数字比特通过外调制器的方法来完成， 下面将具体介绍。,72,OOK调制可以采用许多信号格式，最常用的为NRZ、RZ和短脉冲三种格式。NRZ称为不归零码，编码“1”对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期，“0”对应无光脉冲出现。如果是连续两个“1”比特，则光脉冲持续两个比特周期。RZ码称为归零码，“1”比特对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期的一半，“0”对应无光脉冲出现。短脉冲是由RZ变化而来的，其“1”比特对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期的很小一部分，“0”对应无光脉冲出现。 它们的信号格式如图所示。,73,OOK数据调制格式,74,NRZ码与其他格式相比，其主要优点是占据的频带宽度窄，只是RZ码的一半，缺点是当出现长连“1”或“0”时，光脉冲没有“有”和“无”的交替变化，这对于接收时对比特时钟的提取是不利的。 RZ码克服了这个问题，解决了连“1”的问题，但长连“0”问题仍然存在。 为了保证光信号有足够的交替变化和提供DC平衡， 系统中常采用扰码和分组码方案。,75,