光纤通信课件04-乔桂红解析

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1、 光纤通信光纤通信 第第4 4章章 光端机光端机 Date1 光纤通信光纤通信 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。 第第4 4章章 光端机光端机 Date2 光纤通信光纤通信 学习本章目的和要求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。 第第4 4章章 光端机光端机 Date3 光纤通信光纤通信 第第4 4章章 光端机光端机 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

2、，如 果通信距离长时还要加光中继器，如图4-1所示。 图4-1 光纤通信系统组成 Date4 光纤通信光纤通信 第第4 4章章 光端机光端机 光发送机是实现E/O转换的光端机。其功能是将 来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制， 成为已调光波，然后，再将已调的光信号耦合到光纤 线路中进行传输。 光接收机是实现O/E转换的光端机。其功能是将 经光纤传输来的微弱的光信号，经光检测器转变为电 信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，生成与 发送端相同的电信号，送到接收端的电端机。 光中继器是信号经过一段距离传输后，当信道信 噪比不太大时，及时识别判决，以防止信道误码。 电端机在发送端把信息进行

3、模/数转换并完成复用 ，然后将信号送入光发送端机。接收端完成相反的功 能 Date5 光纤通信光纤通信 4.1 光 发 送 机 光发送机的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。因此对光发射机 有一定的要求。 （1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功 率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就 越长，但光功率太大也会使系统工作在非线性状态， 对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的 光功率输出，一般为0.01mW5mW。 Date6 光纤通信光纤通信 4.1 光 发 送 机 （2）有较好的消光比 消光比的定义为全“1”码平均发

4、送光功率与全“0”码 平均发送光功率之比。 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。 Date7 光纤通信光纤通信 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。 Date8 光纤通信光纤通信 4.1.1 光发送机的基本组成 数字光发送机的基本组成主要包括输入电路和 电/光转换电路两大部分。 输入电路有均衡放大、码型变换、复用、扰码 和时钟提取电路。 电/光转换电路有光源、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

5、护电路等。如图4-2。 Date9 光纤通信光纤通信 4.1.1 光发送机的基本组成 图4-2 数字光发送机原理方框图 Date10 光纤通信光纤通信 4.1.1 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，保证电、 光端机间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码。 （2）码型变换 由均衡器输出的仍是HDB3码或CMI码，前者是双 极性归零码（即+1，0、1），后者是归零码。这两 种码型都不适合在光纤通信系统中传输，通过码型变 换电路将双极性码变换为单极性码，将归零码变换为 不归零码（即NRZ码），以适合光发送机的要求。 Date11 光纤通信光纤通信 4.1.1 光发送

6、机的基本组成 （3）复用 利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的用户 信息及开销信息的过程。 （4）扰码 扰码可有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流。从而 达到“0”、“1”等概率出现，利于收端从线路数据码流中提 取时钟。 （5）时钟提取 提取PCM中的时钟信号，供给码型变换和扰码电路使 用。 Date12 光纤通信光纤通信 4.1.1 光发送机的基本组成 （6）调制（驱动）电路 用经过扰码后的数字信号对光源进行调制，让光源 发出的光信号强度随电信号码流的变化，形成相应的光 脉冲送入光纤，即完成电/光变换任务。 （7）光源 产生作为光载波的光信号，并作为信号传输的载体携 带信号在光纤传

7、输线路中传送。 （8）温度控制和功率控制 控制电路包括自动温度控制（ATC）电路和自动功率 控制（APC）电路，以稳定半导体激光器的工作温度和输 出的平均光功率。 Date13 光纤通信光纤通信 4.1.1 光发送机的基本组成 （9）其他保护、监测电路 光源过流保护电路：在光源二极管上反向并联一只 肖特基二极管，以防止反向冲击电流过大。 无光告警电路：当光发送机电路出现故障，或输入 信号中断，或激光器失效时，都将使激光器“较长时间” 不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示。 LD偏流（寿命）告警 当偏流大于原始值的34倍时，激光器寿命完结，发 出延迟维修告警信号。 Date14 光纤通信光纤通

8、信 4.1.2 光源的调制 1光源 通信用光源的要求。 （1）发送的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，光谱 单色性要好，以减小光纤色散对带宽的限制。 （2）电/光转换效率高，发送光束的方向性要好，以 利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 （3）发送的光功率足够高，以便传输较远的距离。 （4）调制速率要高或响应速度要快。 （5）可靠性高，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。 （6）温度稳定性好。 （7）器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜 。 Date15 光纤通信光纤通信 4.1.2 光源的调制 2调制方式 直接调制（内调制）是将电信号直接加在光源上，

9、使 其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化， 即直接调制半导体激光器的注入电流。是光纤通信中最 常用的通信方式。 间接调制（外调制） ，即不直接调制光源，而是在 光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。一般 在高速大容量的光纤通信系统中或相干光通信系统中采 用。 Date16 光纤通信光纤通信 4.1.2 光源的调制 （1）直接调制 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。 图4-3 直接光强度数字调制原理 Date17 光纤通信光纤通信 4.1.2 光源的调制 图4-3（a）所示为LED的直接光强度

10、数字调制原理图。 由于LED属于无阈值的器件，它随着注入电流的增加，输 出光功率近似呈线性的增加 图4-3（b）所示为对LD的直接光强度数字调制原理图 。对LD的调制，通常给激光器加一偏置电流Ib，在偏流上 叠加调制电流Im， Ib + Im 为驱动电流，用此电流直接去驱 动激光器LD。当调制脉冲信号为“0”码时，驱动电流Ib + Im 小于阈值电流Ith，LD处于荧光工作状态，输出光功率为“0” ；当调制信号脉冲为“1”码时，驱动电流Ib + Im 大于阈值 电流Ith，LD被激励，发出激光，输出光功率为“1”。 可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出 光功率和输入电流成正比，所

11、以输出光信号可以反映输入 电信号的变化。 Date18 光纤通信光纤通信 4.1.2 光源的调制 特点 输出功率正比于调制电流，调制简单、损耗小、成 本低。但存在波长（频率）抖动，使激光器光谱特性变 坏，限制了系统的传输速率和距离。 一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离 100km，传输速率2.5Gbit/s。对于不采用光线路放大 器的WDM系统，从节省成本的角度出发，可以考虑使用 直接调制的激光器。 Date19 光纤通信光纤通信 4.1.2 光源的调制 （2）间接调制 基本概念及调制原理 不直接调制光源，而是在光源输出的通路上外加调制 器来对光波进行调制，此调制器实际上起到一

12、个开关的 作用，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。 图4-4 间接调制激光器的结构 Date20 光纤通信光纤通信 4.1.2 光源的调制 特点 间接调制方式是对光载波进行调制，因此可分别对其 强度、相位、偏振和波长等进行调制。 此种方式的激光器比较复杂、损耗大、而且造价也高 。但调制频率啁啾很小或无，谱线宽度窄，可以应用于 传输速率2.5Gbit/s，传输距离超过300km以上的高速大 容量传输系统之中。 Date21 光纤通信光纤通信 4.1.3 自动功率控制和温度控制 1自动功率控制 激光器输出光功率与温度变化和器件老化密切相关 ，保持

13、激光器输出光功率稳定，可采用光反馈来自动调 整偏置电流，图4-5所示为激光器背向光反馈自动功率控 制（APC）电路。 从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放 大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入 信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3 的同相输入端。A3和VT3组成直流恒流源调节LD的偏流Ib ，使输出光功率稳定。调节直流参考电压，能改变偏流Ib 的大小。这种电路在1050温度范围内功率不稳定 度可小于5%。 Date22 光纤通信光纤通信 4.1.3 自动功率控制和温度控制 图4-5 自动功率控制电路 Date23 光纤通信光纤通信 4.1.3 自动功

14、率控制和温度控制 2自动温度控制 温度变化会引起LD阈值电流的变化，从而使输出光功 率变化。 当温度变化不大时，通过APC电路也可以对光功率进 行调节，但如果温度升高较多时，会使得阈值电流增加 很多，经过APC电路调节，偏置电流会有较大增加，会使 LD的结温更高，以致烧坏。 一般加自动温度控制（ATC）电路，使LD管芯的温度 恒定在20左右。 Date24 光纤通信光纤通信 4.1.3 自动功率控制和温度控制 （1）温度控制装置的组成 温度控制装置由制冷器、热敏电阻和控制电路组成， 制冷器的冷端和激光器的热层（贴在激光器上的一块金 属散热器）相接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器 结区的温度，

15、并把它传递给控制电路，通过控制电路改 变制冷量，使激光器输出特性保持恒定。 图4-6 自动温度控制原理方框图 Date25 光纤通信光纤通信 4.1.3 自动功率控制和温度控制 （2）自动温度控制原理 图4-7 ATC电路原理 控制过程： Date26 光纤通信光纤通信 4.1.3 自动功率控制和温度控制 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。 Date27 光纤通信光纤通

16、信 4.1.4 光发送机的主要指标 平均发送光功率，是在正常条件下光发送机发送光 源尾纤输出的平均光功率。 消光比直接影响光接收机的灵敏度，从提高光接收 机的灵敏度角度希望消光比尽可能大，但综合考虑，也 不是越大越好。 光源的光谱特性影响系统的色散性能。ITU-T建议 G.957中规范了最大均方根宽度、最大20dB宽度和最小 边模抑制比三种参数。 Date28 光纤通信光纤通信 4.2 数字光接收机 光接收机的主要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，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。前端的性能是决 定光接收机的主要因素。 Date29 光纤通信光纤通信 4.2.1 光接收