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1、第五章 光纤通信系统,5.1 光发射机 5.2 光接收机 5.3 光中继器 5.4 线路编码,5.1 光发射机,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，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。,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,对光发送机的要求
2、,（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。,5.1.2光发送机的基本组成,主要包括两部分：输入电路（输入盘）和电光转换电路 （发送盘）。输入电路包括均衡放大、码型变换、扰码、 编码、时钟提取；电光转换电路包括光源、光源的调制 （驱动）电路、光源的控制电路及光源的监测和保护电 路等。,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。（2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。 （3）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。
3、（4）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。（5）编码：将数码流变为适合在光纤线路中传送的线路码型，同时又能进行不中断业务的误码监测。 （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）温度控制和功率控制： 稳定工作温度和输出的平均光功率。（9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。,自动功率控制A P C,LD无偏置(a)及有偏置(b)时脉冲瞬态波形及光谱,LD的 Ith 对工作温度是十分敏感的，随着工作温度的提高， P-I特性曲线向右移动，这时阈值电流增大，斜率减小，见图。,自动温度控制（ATC）,T
4、(环境)T(LD)RTI(制冷器)T(LD),为提高致冷效率和控制精度，半导体致冷器和热敏电阻与LD芯片热沉紧贴在一起，热敏电阻把热沉上的温度变化变成电信号，经放大后控制致冷器电流，实现闭环负反馈自动恒温，这样可把温度的变化控制在0.1。,无光告警,正常情况下，VVD，A4输出高电平，因此无光告警 指示灯LED不亮；当无光时，VVD，A4输出低电 平，使无光告警灯发出红色告警显示。,寿命告警,随着使用时间的增长，LD阈值电流将逐渐增大。当阈值 电流增大到开始使用时的1.5倍时，就认为激光器的寿命 终止。,5.2 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
5、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。,5.2.1 光接收机的基本组成,光电检测器,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。 对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光电检测器产生的光电流非常微弱（nA A），必须先经前置放大器进行低噪声放大，光电检测器和前置放大器合称为光接收机前端。前端的性能是决定光接收机灵敏度的主要因素。,前置 放大器,前
6、置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。 光电二极管把光比特流转变成随时间变化的电信号。前置放大器的作用是放大该电信号，以供主放大器进一步放大和处理。 前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。,光接收机 前置放大器等效电路,负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管RL仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了G 倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了G 倍。 它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。,转移阻抗前置放大器,主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提 供足够高的增益，把来
7、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 自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定 范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。 前置放大器的输出信号电平一般为mV量级，而 主放大器的输出信号一般为1V 3V（峰峰值）。,主放大器,均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲 信号进行整形，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，一部分用于判决；一部分用于AGC电路,均衡器,数据恢复,数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。 它的任务是把均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号。 首先要提取时钟信号，在最佳的取样时间对升余弦信号进
8、行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。 最佳的判决时间应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。,选取最佳的判决时间,光接收机的自动增益控制（AGC），就是利用反馈环路来 控制主放大器的增益。在采用雪崩光电二极管（APD）的 接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增 益。当信号强时，则通过反馈环路使上述增益降低；当信 号变弱时，则通过反馈环路使上述增益提高，从而达到使 送到判决器的信号稳定，以利于判决。,自动增益控制,5.2.2 光接收机的噪声,光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接
9、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。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。,光接收机的噪声,（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
10、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。,5.2.3 接收机误码率和灵敏度,比特误码率,比特误码率,图(a)表示判决电路接收到的叠加了噪声的 PCM 比特流 图(b)表示 “1” 码信号和 “0” 码信号在平均光生信号电流 I1（1码）和I0 （0码）附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。,误码概率计算,BER和Q参数的关系,5.3 光中继器,光信号在传输过程会出现两个问题： 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。 为了增加光纤的通信距离和通信容量，就需在光 纤传输线路中每隔一定距离（50
11、 70km）设置 一个光中继器。,光-电-光中继器,传统的光中继器采用光电光（OEO）转换形式 的中继器，它是由一个没有码型反变换且能完成光电 变换的光接收端机、电放大器和一个没有码型变换且能 完成电光变换的光发送端机组成。,全光中继器,目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。 用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，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。,5.4 线路编码,PCM通信系统中的接口速率和码型,从信源或编码器输出的信号一般为NRZ码，但是在进行数字传输时要考虑传输信道的特点。为使终端信息比特与信道相匹配，需要把NRZ码变换为适合于
12、信道传输的数字信号，这个过程称为线路编码。线路编码的主要功能之一是，根据香农(Shannon)信道编码理论，把冗余度引入到信号码流中，以尽量减少由于信道干扰效应而引起的差错。从理论上讲，只要包括所引入的冗余度在内的信号码率小于信道容量，就可以实现任何程度的无误数字数据传输（无误程度取决于引入冗余度的大小）。,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，在光端机中必须进行码型 变换。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。,线路编码,光纤通信系统线路码,电缆数字通
13、信系统中常采用的线路码型： 三阶高密度双极性码 HBD3 特点：1. 连“0”控制在三个以下； 2. 有+1/0/-1三个电平，极性交替出现； 3. 没有直流分量的漂移。 光纤通信的基本码型：单极性不归零码 NRZ 单极性归零码 RZ,RZ,0 1 1 1 0 0 0 1 0,原码,HDB3码 3阶高密度双极性码 编码规则： 首先，将消息码变换成AMI码， 然后，检查AMI码中连“0”的情况： 当没有发现4个以上（包括4个）连“0”时，则不作改变，AMI码就是HDB3码。 当发现4个或4个以上连“0”的码元串时，就将第4个“0”变成与其前一个非“0”码元（“1”或“1”）同极性的码元。 将这个
14、码元称为“破坏码元”，并用符号“V”表示，即用“+V”表示“1”，用“V”表示“1”。 为了保证相邻“V”的符号也是极性交替：* 当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这是能够保证的。* 当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，不符合此“极性交替”要求。这时，需将这个连“0”码元串的第1个“0”变成“B”或“B”。B的符号与前一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变化。,一般概念,光纤通信系统线路码,PCM 电端机,HBD3,码型变换设备,单极性,驱动电路,光源,线路码,原则：1.能限制传号“1”的概率，节省发射功率；2.能给接收机提供足够的定时信息；3.
15、能对光电端机进行不中断业务的误码检测；4.能提供辅助信号和区间通信信道等。,通过增加线路码率的冗余度实现。 意义：a.实现不间断业务的误码监测； b.可与主信号传送勤务通信； c.平衡码流，不发生长连“0”或“1”。,常用的线路编码,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BnB 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“
16、1”变换为“10”。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。mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。,分组码,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。（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：,插入码,插入码,（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。,
