光纤第四章ppt课件

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1、第第4章章 光端机光端机 1本章内容和重点本章内容和重点本章内容和重点本章内容和重点l 光发送机光发送机 光接收机光接收机 线路码型线路码型本章重点本章重点 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。光通信常用线路码型。第第4章章 光端机光端机2学习本章目的和要求学习本章目的和要求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。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。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。掌握光通信常用的线路码

2、型。第第4章章 光端机光端机3 信源：将用户原始信息转换为基带电信号。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。光纤通信系统组成光纤通信系统组成话话音音300-3400Hz模拟模拟基带电基带电信号信号已已调调光光信信号号PCM基基群或高群或高次群电次群电信号信号PCM基基群或高群或高次群电次群电信号信号300-3400Hz的的基基带带信信号号话话音音第第4章章 光端机光端

3、机4光端机在光纤通信系统中的作用光端机在光纤通信系统中的作用光发射端机：光发射端机： 将来自电端机的数字电信号经过将来自电端机的数字电信号经过码型变换码型变换，调制调制， 以一定的耦合技术注入光纤中传输。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接收端机：将从光纤中收到光信号进行光电转换光电转换，经，经放大再生放大再生 还原为原来的电信号。还原为原来的电信号。第第4章章 光端机光端机54.1 光发射机光发射机 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：纤线路进行传输。对光

4、发送机的要求： （1）有合适的输出光功率）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）有较好的通断比 通断比的定义为全通断比的定义为全“1”码平均发送光功率与全码平均发送光功率与全“0”码平均发码平均发送光功率之比。可用下式表示送光功率之比。可用下式表示 式中，式中，P11为全为全“1”码时的平均光功率；码时的平均光功率；P00为全为全“0”码时的码时的平均光功率。一般要求平均光功率。一般要求EX

5、T10dB。 64.1 光发送机光发送机 （3）调制特性要好）调制特性要好 所谓调制特性好，是指光源的所谓调制特性好，是指光源的PI曲线在使用范围内线性特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。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。寿命长等。7输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光源光源控制电路控制电路输入接口：将电端机送来到输入接口：将电端机送来到HDB3码变换为普通二进制码。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

6、码型。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。调制电路：为光源提供调制电流。控制电路：主要是控制电路：主要是APC电路、电路、ATC电路、光源保护电路等。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。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光发射机的基本组成及功能81、光发射机对光源的要求：、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。）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。）电光效率

7、高，线形好，方向性好。（3）响应速度高。）响应速度高。（4）工作寿命长，稳定度高，）工作寿命长，稳定度高， 体积小重量轻。体积小重量轻。4.1.1 光发射机的基本组成及功能光发射机的基本组成及功能9 2、调制和控制电路的要求：、调制和控制电路的要求：（1）输出光脉冲的消光比足够大。）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。）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。）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。）发光的应足够稳定。4.1.1 光发射机的基本组成及功能光发射

8、机的基本组成及功能10内调制内调制外调制外调制光强度调制：以信号去改变光的功率大小。光强度调制：以信号去改变光的功率大小。1、调制方式、调制方式4.1.2 光源的调制光源的调制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。设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。LED调制调制IPIPLD调制调制直接光调制图：直接光调制图：偏置电流偏置电流4.1.2 光源的调制光源的调制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。外调制：利用外调制器对激光器输出直流光信号进行调制。激光激光电信号

9、电信号激光器激光器直流驱动电路直流驱动电路光信号光信号 解决了啁啾现象，解决了啁啾现象， 适于高速数字信号（适于高速数字信号（SDH / SONET）、）、模拟模拟CATV、军事雷达等，并且可进行幅度、相位、频率、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。调制，但对光源和光调制器要求很高。 4.1.2 光源的调制光源的调制13间接调制（外调制）作用：间接调制（外调制）作用：电光调制电光调制：普科尔（克尔）效应普科尔（克尔）效应晶体的折射率与外加电晶体的折射率与外加电 场幅度成线性（非线性）变化。场幅度成线性（非线性）变化。声光调制声光调制：声光效应声光效应被介质中

10、弹性波衍射的光波的强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）度、频率、方向等都随超声场变化。（利用声光晶体）磁光调制磁光调制：法拉第效应法拉第效应外加磁场引起线偏振光偏振方向外加磁场引起线偏振光偏振方向旋转。旋转。4.1.2 光源的调制光源的调制14（1）电光调制（线性电光效应）电光调制（线性电光效应） 光强光强强度调制强度调制 频率频率频率调制频率调制 相位相位相位调制相位调制 基本原理是利用电光晶体的基本原理是利用电光晶体的电光效应电光效应，当外加电场变化时，当外加电场变化时，将引起它们的折射率随之变化。将引起它们的折射率随之变化。4.1.2 光源的调制

11、光源的调制15（2）声光调制）声光调制 工作原理：当调制信号变化时，由于工作原理：当调制信号变化时，由于压电效应压电效应，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，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。从而形成光强随之变化。结果使光波受到调制。4.1.2 光源的调制光源的调制16 （3）磁光调制）磁光调制4.1.2 光源的调制光源的调制 工作原理：利用法拉第效应得到的一种光外调工作原理：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

12、偏振光，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。制信号变化，实现了光的外调制。172、影响调制的因素、影响调制的因素内调制存在的问题：电光延迟、张弛振荡内调制存在的问题：电光延迟、张弛振荡、自脉动自脉动（1）电光延）电光延迟迟 激光器的输出光信号激光器的输出光信号 滞后于电信号的现象。滞后于电信号的

13、现象。td原因：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。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。影响：出现码型效应，限制调制速度。4.1.2 光源的调制光源的调制184.1.2 光源的调制光源的调制 码型效应码型效应 电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间td与数字调制的码元与数字调制的码元持续时间持续时间T/2为相同数量级时，会使为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1”码码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失，码丢失

14、，这种现象称为这种现象称为“码型效应码型效应”，如图（，如图（a）、（）、（b）所示。用适当的）所示。用适当的“过调制过调制”补偿方法，可以消除码型效应，如图（补偿方法，可以消除码型效应，如图（c）所示。）所示。19（2）张弛振荡）张弛振荡当电脉冲注入激光器后，当电脉冲注入激光器后， 输出光脉冲输出光脉冲顶部有一个幅度逐渐衰减的振荡。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，影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时， 容易容易产生误判，产生误判， 影响了调制的速度。影响了调制的速度。 原因：原因： 光子激发与电子注入的时间延迟。光子激发与电子注入的时间延迟。通过增加偏置

15、电流可以改善电光延迟和张弛振荡。通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡。4.1.2 光源的调制光源的调制20（3）自脉动现象）自脉动现象有些激光器再脉冲调制下或直流驱动下，当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。等幅的高频振荡。 影响调制速度影响调制速度4.1.2 光源的调制光源的调制214.1.3 调制电路及自动功率控制调制电路及自动功率控制 1、共发射极、共发射极LED驱动电路驱动电路 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

16、要用于以主要用于以LED作为光源的数字光发射机。作为光源的数字光发射机。 适用于适用于10 Mbit/s以下以下的低速率系统。的低速率系统。 224.1.3 调制电路及自动功率控制调制电路及自动功率控制 2、射极耦合跟随器、射极耦合跟随器LD驱动电路驱动电路 下图是射极耦合跟随器下图是射极耦合跟随器LD驱动电路，适合于驱动电路，适合于LD系统使用。这种系统使用。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。电路为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。 UB234.1.3 调制电路及自动功率控制调制电路及自动功率控制 3、反馈稳定、反馈稳定LD驱动电路驱动电路 下图是利用反

17、馈电流使输出光功率稳定的下图是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，驱动电路，其控制过程如下：其控制过程如下：244.1.3 调制电路及自动功率控制调制电路及自动功率控制 4、带自动功率控制的、带自动功率控制的LD驱动电路驱动电路 更加完善的带自动功率控制（更加完善的带自动功率控制（APC）的电路如图所示。）的电路如图所示。图4-10 APC电路原理254.1.4 温度特性及自动温度控制温度特性及自动温度控制 1激光器的温度特性激光器的温度特性 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和外微和外微分量子效率分量子效率d产生，如图（产生

18、，如图（a）和（）和（b）所示。）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。冲幅度下降。 温度对输出光脉冲的另一个影响是温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应结发热效应”。 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“结发热效应结发热效应”。如图所示。如图所示 “结发热效应结发热效应”将引起调制失真。将引起调制失真。264.1.4 温

19、度特性及自动温度控制温度特性及自动温度控制温度引起的光功率输出的变化温度引起的光功率输出的变化结发热效应结发热效应274.1.4 温度特性及自动温度控制温度特性及自动温度控制 2光源的自动温度控制（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。温度控制装置的方框图。自动温度控制原理方框图自动温度控制原理方框图284.1.4 温度特性及自动温度控制温度特性及自动温度控制 （2）自动温度控制（）自动温度控制（ATC）原理）原理 下图示出下图

20、示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：电路原理图。控制过程可以表示如下：ATC电路原理电路原理294.1.4 温度特性及自动温度控制温度特性及自动温度控制 注：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。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，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

21、使输出光功率达到稳定。一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。304.2 数字光接收机数字光接收机 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、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（自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。）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，它和接收机中的前光接收机中的关键器

22、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。素。314.2.1 光接收机的基本组成光接收机的基本组成 强度调制强度调制直接检波（直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图所示，）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（复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。）电路等。数字光接收机方框图数字光接收机方框图32偏压控制偏压控制光检测器光检测器光信号

23、光信号前置放前置放大器大器主放大器主放大器均衡器均衡器AGC电路电路判决器判决器时钟提取时钟提取输出再输出再生码流生码流光检测器：将线路中的光信号转换为电信号。光检测器：将线路中的光信号转换为电信号。（1 1）响应波长与光纤的工作窗口相匹配。）响应波长与光纤的工作窗口相匹配。 （2 2）响应度高）响应度高 。（3 3）噪声尽可能小。）噪声尽可能小。（4 4）性能稳定。）性能稳定。 偏压控制：提供光电检测器的反向偏压。偏压控制：提供光电检测器的反向偏压。33前置放大器前置放大器 由于该放大器与光电检测器相连故称为前置放大器。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，

24、经光电检测器输出的光电流是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。低噪声，高增益的。 具体放大器类型如上图所示。具体放大器类型如上图所示。34偏压控制偏压控制光检测器光检测器光信号光信号前置放前置放大器大器主放大器主放大器均衡器均衡器AGC电路电路

25、判决器判决器时钟提取时钟提取输出再输出再生码流生码流主放大器主放大器 有两个方面有两个方面: : 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。输入信号的影响。一般主放

26、大器的峰值输出是几伏数量级。 35偏压控制光检测器光信号前置放大器主放大器均衡器AGC电路判决器时钟提取输出再生码流AGCAGC电路：控制主放大器的放大倍数，以输出恒定幅度的电信号。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：均衡器： 没有均衡器将出现的问题没有均衡器将出现的问题: 若无均衡器，信号在经过若无均衡器，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，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。产生误码。36均衡前：t均衡后：

27、 均衡器的作用均衡器的作用: 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。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。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。关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。37偏压控制偏压控制光检测器光检测器光信号光信号前置放前置放大

28、器大器主放大器主放大器均衡器均衡器AGC电路电路判决器判决器时钟提取时钟提取输出再输出再生码流生码流时钟提取和判决电路：通过时钟提取电路提取发送时钟，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按时钟信号将均衡器中出来的畸变信号恢复为0、1信号。信号。010101 1 10 0 10发端信号发端信号均衡前均衡前均衡后均衡后时钟提取时钟提取再生信号再生信号384.2.2 光接收机的噪声特性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。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。这些噪声

29、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、漏电流噪声和和APD的倍增噪声；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。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接收机的噪声及其分布394.2.2 光接收机的噪声特性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）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激励而产生的光生

30、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。伏。这是检测器固有的噪声。 （2）暗电流噪声）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。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）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，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。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）光接

31、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。部噪声。404.2.3 光接收机的主要指标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。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 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光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫）。工程中常用毫瓦分贝（瓦分贝（dBm）来表示，即）来表示，

32、即 （2）光接收机的动态范围）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（收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（）和最大允许输入光功率（dBm）之差（之差（dB）。即）。即414.2.3 光接收机的主要指标光接收机的主要指标 （3）自动增益控制（）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。就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是的作用是增加了光接收机的动态范围。增加了光接收机的动态范围。 自动增益控制（自动增益控制（AGC）电路原理框图如

33、图所示。）电路原理框图如图所示。自动增益控制电路原理框图自动增益控制电路原理框图42一、编码原因一、编码原因 PCM通信系统中的接口速率和码型，如下表所示。通信系统中的接口速率和码型，如下表所示。 电端机电端机0+1-1光端机光端机0+1（双极性码）（双极性码）（单级性码）（单级性码）4.3 光线路编码光线路编码基基 群群二二 次次 群群三三 次次 群群四四 次次 群群接口码速率接口码速率 (Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口码型接口码型HDB3HDB3HDB3CMI43n n双极性与单极性双极性与单极性n双双极极性性信信号号由由于于在在正正电电平平与与负负电电平

34、平之之间间交交替替变变化化，因因此此在在传传输输线路上产生的线路上产生的DC分量为零。分量为零。 n单单极极性性信信号号是是二二电电平平信信号号，它它在在零零与与正正电电平平之之间间摆摆动动。单单极极性性信信号号可可以以看看成成是是用用电电或或光光信信号号表表示示的的开开关关信信号号。在在光光纤纤通通信信中中，单单极极性性信信号号也也称称为为开开关关键键控控OOK。它它与与双双极极性性信信号号的的最最大大区区别别是是，传传送送线线路路上上产产生生的的直直流流分分量量DC不不为为零零，最最大大值值会会达达到到正电平的一半。正电平的一半。n单极性与双极性信号的编码如图所示。单极性与双极性信号的编码

35、如图所示。 44图图 单极性与双极性信号单极性与双极性信号 45 简单的二进制编码的问题：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，影响了判决码随机变化，因而直流分量随机变化，影响了判决电平。电平。 （2）随机码流中容易出现常串连）随机码流中容易出现常串连0和连和连1，使同步提取困难。，使同步提取困难。 （3）没有误码检测能力。）没有误码检测能力。 所以必须重新编码。所以必须重新编码。 ？编码的要求怎么样？编码的要求怎么样？4.3 光线路编码光线路编码？思考：？思考： 简单的二进制码是否可行？简单的二进制码是否可行？46二、光线路编码的要求：二、光线路编码的要求：

36、 （1）限制带宽）限制带宽,减少功率谱中的高频和低频分量，以减少直流分量减少功率谱中的高频和低频分量，以减少直流分量的变化。的变化。 -有利于电平判决，减少误码有利于电平判决，减少误码 （2）避免长的连）避免长的连0和连和连1。 -有利于定时信息的提取有利于定时信息的提取 （3）能提供一定的冗余码）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 光线路编码光线路编码474.3 光线路编码光线路编码 在在PDH系系统统中中，常常用用的的线线路路编编码码有有分分组组码码mBnB，1B2B码（码（CMI、DMI和双相码等）和插入码。和双相

37、码等）和插入码。 SDH光光纤纤通通信信系系统统中中广广泛泛使使用用的的是是加加扰扰的的NRZ码。码。 各种码的编码规律、传输速率如下表所示。各种码的编码规律、传输速率如下表所示。 484.3 光线路编码光线路编码码 型码型变换规则传输速率误码监测适用系统1B2B码CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按编码规则检查PDH双相码“1”：10 “0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二个码为01，11时）10（前二个码为10，00时）2fi同上分组码mBnB在nB码中选择不均等值小的码作公共码；正负模式交替nfi /m（1）查禁用码字（2）利用DRS插入码mB1

38、P（1）P码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则(m+1) fi /m奇偶校验mB1C(m+1)fi /m模2和=0mB1H加扰NRZ给输入NRZ序列加扰fi无SDH表表4.1常用的线路编码常用的线路编码494.3 光线路编码光线路编码 1分组码（分组码（ mBnB码码 ） 分分组组码码常常用用mBnB表表示示，它它是是把把输输入入码码流流每每m比比特特分分成成一一组组，然然后后把把每每组组编编成成n比比特特输输出出。每每组组的的m个个二二进进制制码码，记记为为mB，变变换换为为n个个二二进进制制码码，记记为为nB，因因此此称称为为mBnB码码，其其中中m和和n都都是是正正整整数数，通通常常

39、nm，一一般般选选取取n=m+1。常常用用的的mBnB码码有有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和和17B18B等。等。 最最简简单单的的mBnB码码是是1B2B码码，它它是是把把原原信信息息码码的的“0”变变换换为为“01”，把把“1”变变换换为为“10”，即即曼曼彻彻斯斯特特码码。因因此此最最大大的的连连“0”和和连连“1”的的数数目目不不会会超超过过两两个个，例例如如1001和和0110。但但是是码码速速率提高了率提高了1倍。倍。 50 以以3B4B码码为为例例，输输入入的的原原始始码码流流3B码码，共共有有(23)8个个码码字字， 变变换为换为4B码时，码时， 共有共有(24)16

40、个码字，见表个码字，见表4.2。 为为保保证证信信息息的的完完整整传传输输，必必须须从从4B码码的的16个个码码字字中中挑挑选选8个个码码字来代替字来代替3B码。码。 设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。 例例如如：在在3B码码中中有有2个个“0”，变变为为4B码码时时补补1个个“”；在在3B码码中中有有2个个“1”， 变变为为4B码码时时补补1个个“0”。而而000用用0001和和1110交交替替使使用用； 111用用0111和和1000交交替替使使用用。同同时时，规规定定一一些些禁禁止止使使用用的的码字，码字， 称为称为禁字禁字，例如，例

41、如0000和和1111。 4.3 光线路编码光线路编码51 0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表表 4.2 3B和和4B的码字的码字 52 作作为为普普遍遍规规则则，引引入入“码码字字数数字字和和”(WDS)来来描描述述码码字字的的均均匀匀性，并以性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。的最佳选择来保证线路码的传输特性。 所所谓谓“码码字字数数字字和和”，是是在在nB码码的的码码字字中中，用用“-1”代代表

42、表“0”码，码， 用用“+1”代表代表“”码，整个码字的代数和即为码，整个码字的代数和即为WDS。 如如果果整整个个码码字字“”码码的的数数目目多多于于“0”码码，则则WDS为为正正；如如果果“0”码码的的数数目目多多于于“1”码码， 则则WDS为为负负；如如果果“0”码码和和“1”码的数目相等，则码的数目相等，则WDS为为0。 例例如如：对对于于0111，WDS=+2；对对于于0001， WDS=-2；对对于于0011，WDS=0。4.3 光线路编码光线路编码53 nB码码的的选选择择原原则则是是：尽尽可可能能选选择择|WDS|最最小小的的码码字字， 禁禁止止使使用用|WDS|最大的码字。最

43、大的码字。 以以3B4B为为例例，应应选选择择WDS=0和和WDS=2的的码码字字， 禁禁止止使使用用WDS=4的码字。的码字。 表表4.3 示示出出根根据据这这个个规规则则编编制制的的一一种种3B4B码码表表，表表中中正正组组和和负负组组交替使用。交替使用。 4.3 光线路编码光线路编码54线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码字WDS码字-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+2101

44、10000 表表 4.3 一种一种3B4B码表码表 4.3 光线路编码光线路编码55 我我国国3次次群群和和4次次群群光光纤纤通通信信系系统统最最常常用用的的线线路路码码型型是是5B6B码码，其其编码规则如下：编码规则如下： 5B码码共共有有(25)32个个码码字字，变变换换6B码码时时共共有有(26)64个个码码字字，其其中中WDS=0有有20个个，WDS=2有有15个个，WDS=-2有有15个个，共共有有50个个|WDS|最小的码字可供选择。最小的码字可供选择。 由由于于变变换换为为6B码码时时只只需需32个个码码字字，为为减减少少连连“”和和连连“0”的的数目，数目， 删去：删去： 00

45、0011、 110000、 001111和和111100。 当当然然禁禁用用WDS=4和和6的的码码字字。 表表4.4示示出出根根据据这这个个规规则则编编制制的的一一种种5B6B码码表表，正正组组和和负负组组交交替替使使用用。 表表中中正正组组选选用用20个个WDS=0和和12个个WDS=+2，负组选用，负组选用20个个WDS=0和和12个个WDS=-2。4.3 光线路编码光线路编码5657线路码（6B）信号码（5B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110

46、129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125续表续表58 mBnB码码是是一一种种分分组组码码，设设计计者者可可以以根根据据传传输输特特性性的的要要求求确确定定某种码表。某种码表。mBnB码码的的特点是：特点是： (1) 码码流流中中“0”和和“1”码码的的概概率率相相等等， 连连“0”和和连连“1”的的数目较少，定时信息丰富。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，基线漂移小高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小 (3) 在码

47、流中引入一定的冗余码，在码流中引入一定的冗余码， 便于在线误码检测。便于在线误码检测。 mBnB码码的的缺缺点点是是传传输输辅辅助助信信号号比比较较困困难难。因因此此，在在要要求求传传输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。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 光线路编码光线路编码594.3 光线路编码光线路编码 2插入码插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（比特（mB）为一组，然后在每组为一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，码末尾按一定的规律插入一个码，组成组成m+1个码为一组新的线路

48、码流。根据插入码的用途个码为一组新的线路码流。根据插入码的用途不同，可以分为不同，可以分为mB1C码、码、mB1H码和码和mB1P码等。码等。 604.3 光线路编码光线路编码 （1）mB1C码码 mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每码的编码原理是，把原始码流分成每m比特（比特（mB）为一）为一组，然后在每组组，然后在每组mB码的末尾插入码的末尾插入1比特补码，这个补码称为比特补码，这个补码称为C码，码，所以称为所以称为mB1C码。例如：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；同时改善了善了“0”码和码和“1”码的分布

49、，有利于定时提取。码的分布，有利于定时提取。mB码码100110001101mBlC码码1001110100101010图图614.3 光线路编码光线路编码 （2）mB1H码码 mB1H码是由码是由mB1C码演变而成的，即在码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部码中，扣除部分分C码，并在相应的码位上插入一个混合码（码，并在相应的码位上插入一个混合码（H码），所以称为码），所以称为mB1H码。码。 所插入的所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，码，它是第它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是L码，

50、用于码，用于区间通信；第三类是区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。息的传输。624.3 光线路编码光线路编码mB码码100000001110mBlP码码1000000100101101 （3）mB1P码码 在在mBlP码中，码中，P码称为奇偶校验码，码称为奇偶校验码，P码有以下两种情况。码有以下两种情况。 P码为奇校验码时，其插入规律是使码为奇校验码时，其插入规律是使m+1个码内个码内“1”码的个码的个数为奇数，例如：数为奇数，例如：当检测得当检测得m1个码内个码内“1”码为奇数时，则认为无误码。码为奇数时，则认为无误码。 P码

51、为偶校验码时，其插入规律是使码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内个码内“1”码的个码的个数为偶数，例如：数为偶数，例如：当检测得当检测得m+1个码内个码内“l”码为偶数时，则认为无误码。码为偶数时，则认为无误码。mB码码100000001110mBlP码码100100000011110063 31B2B码 伪伪双双极极性性码码(CMI和和DMI)也也是是一一种种字字变变换换型型码码，也也可可以以认认为为它它们们是是1B2B码码，这这种种码码保保留留了了电电缆缆数数字字传传输输中中常常用用的的双双极极性性码码的的优优点点。用用两两个个比比特特数数字字脉脉冲冲表表示示双双极极性性码码中中的的

52、一一个个码码字字，“1”码码时时以以00和和11相相互互交交替替，从从而而使使码码流流中中“0”和和“l”均均等等，消消除除直直流流基基线线的的起起伏伏，连连“0”数数和和连连“l”数数被被限限制制在在2或或3，同同时时也也可可以以自自检检误误码码。这这种种码码型型的的缺缺点点是是冗冗余余度度大大，仅仅在在基基群群和二次群系统中使用。和二次群系统中使用。4.3 光线路编码光线路编码644.3 光线路编码光线路编码 （1）CMI码码 CMI码码又又称称传传号号反反转转码码，它它是是一一种种1B2B码码。其其变变换换规规则则是是原原码码的的“0”码用码用“01”码代替，原码的码代替，原码的“1”码

53、用码用“00”或或“11”交替代替。交替代替。 （2）DMI码码 DMI码码又又称称不不同同模模式式反反转转码码，它它是是一一种种1B2B码码。其其变变换换规规则则是是原原码码的的“1”码码用用“00”或或“11”交交替替代代替替。原原码码的的“0”码码，若若前前二二个个码码为为“01”，“11”时时用用“01”代代替替，前前二二个个码码为为“10”，“00”时时用用“10”代替。代替。654.3 光线路编码光线路编码 4扰码扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，它是利用一码，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定规则对信

54、号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”和和“1”出现的概率尽量相同，因此码流中不会出现长连出现的概率尽量相同，因此码流中不会出现长连“0”或长或长连连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。 66 为为保保证证传传输输的的透透明明性性，在在系系统统光光发发射射机机的的调调制制器器前前， 需需要要附附加加一一个个扰码器扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。 相相应应地地，在在光光接接收收机机的的判判决决器器之之后后，附附加加一一个个解解扰扰器器，以以恢恢复复原原始始序序列列。扰

55、扰码码与与解解扰扰可可由由反反馈馈移移位位寄寄存存器器和和对对应应的的前前馈馈移移位位寄寄存存器器实实现。现。 扰扰码码改改变变了了“”码码与与“0”码码的的分分布布，从从而而改改善善了了码码流流的的些些特特性。性。 例如：例如： 扰码前：扰码前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后：扰码后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 4.3 光线路编码光线路编码67 不能完全控制长串连不能完全控制长串连“”和长串连和长串连“0”序列的出现序列的出现 没有引入冗余，没有引入冗余， 不能进行在线误码监测；不能进行在线误码监测； 信信号号频频谱谱中中接接近近于于直

56、直流流的的分分量量较较大大，不不能能解解决决基基线线漂漂移移。 因因为为扰扰码码不不能能完完全全满满足足光光纤纤通通信信对对线线路路码码型型的的要要求求， 所所以以许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。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。 扰码扰码有下列有下列缺点：缺点：684.3 光线路编码光线路编码码 型码型变换规则传输速率误码监测适用系统1B2B码CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按编码规则检查PDH双相码“1”：10 “0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二个码为01，11时）10（前二个码为10，00时）2fi

57、同上分组码mBnB在nB码中选择不均等值小的码作公共码；正负模式交替nfi /m（1）查禁用码字（2）利用DRS插入码mB1P（1）P码满足奇校验规则（2）P码满足偶校验规则(m+1) fi /m奇偶校验mB1C(m+1)fi /m模2和=0mB1H加扰NRZ给输入NRZ序列加扰fi无SDH表表常用的线路编码常用的线路编码69小结小结 1光光发发射射机机与与光光接接收收机机统统称称为为光光端端机机。光光发发射射机机实实现现E/O，光光接收机实现接收机实现O/E转换。转换。 2数数字字光光发发射射机机基基本本组组成成包包括括:码码型型变变换换、光光源源、光光源源的的调调制制（驱驱动动）电电路路、

58、光光源源的的控控制制电电路路（ATC和和APC）及及光光源源的的监监测测和和保护电路等。保护电路等。 3对对光光源源进进行行强强度度调调制制的的方方法法分分为为两两类类，即即内内调调制制（直直接接调调制制）和和外外调调制制（间间接接调调制制）。通通常常直直接接调调制制适适用用于于速速率率的的系系统统。间间接接调制适合于高速大容量的系统。调制适合于高速大容量的系统。 4数数字字光光接接收收机机主主要要包包括括光光电电检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、均均衡衡器器、时时钟钟提提取取电电路路、取取样样判判决决器器以以及及自自动动增增益益控控制制（AGC）电路。电路。70小结小结

59、5光光接接收收机机的的噪噪声声主主要要来来自自光光接接收收机机内内部部噪噪声声：包包括括光光电电检检测测器器的的噪噪声声和和光光接接收收机机的的电电路路噪噪声声。光光电电检检测测器器的的噪噪声声包包括括量量子子噪噪声声、暗暗电电流流噪噪声声、漏漏电电流流噪噪声声和和APD的的倍倍增增噪噪声声；电电路路噪噪声声主主要要是前置放大器的噪声。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。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在在PDH光光纤纤通通信信系系统统中中，常常使使用用的的线线路路编编码码有有分分组组码码mBnB，1B2B（CMI、DMI ）和和插插

60、入入码码。在在SDH光光纤纤通通信信系系统统中中广广泛泛使使用的是加扰的用的是加扰的NRZ码。码。71n归零归零(RZ)与不归零与不归零(NRZ) n 光光纤纤通通信信中中常常用用的的调调制制方方案案为为OOK， 这这种种调调制制方方案案中中编编码码“1”表表示示对对应应的的比比特特周周期期内内有有一一光光脉脉冲冲或或光光源源LD或或LED处处于于开开（“ON”）状状态态， 编编码码“0”表表示示对对应应的的比比特特周周期期内内无无光光脉脉冲冲或或光光源源LD或或LED处处于于关关（“OFF”）状状态态。 光光脉脉冲冲的的宽宽度度为为比比特特周周期期的的持持续续时时间间。 对对于于一一个个1

61、Gb/s的的数数据据速速率率， 光光脉脉冲冲时时间间宽宽度度为为1 ns。 编编码码既既可可以以采采用用直直接接将将光光源源调调谐谐在在开开或或关关两两种种状状态态的的方方法法来来完完成成， 也也可可以以用用数数字字比比特特通通过过外外调调制制器器的的方方法法来来完完成成， 下下面将具体介绍。面将具体介绍。 72n OOK调调制制可可以以采采用用许许多多信信号号格格式式，最最常常用用的的为为NRZ、RZ和和短短脉脉冲冲三三种种格格式式。NRZ称称为为不不归归零零码码，编编码码“1”对对应应有有光光脉脉冲冲且且持持续续时时间间为为整整个个比比特特周周期期，“0”对对应应无无光光脉脉冲冲出出现现。

62、如如果果是是连连续续两两个个“1”比比特特，则则光光脉脉冲冲持持续续两两个个比比特特周周期期。RZ码码称称为为归归零零码码，“1”比比特特对对应应有有光光脉脉冲冲且且持持续续时时间间为为整整个个比比特特周周期期的的一一半半，“0”对对应应无无光光脉脉冲冲出出现现。短短脉脉冲冲是是由由RZ变变化化而而来来的的，其其“1”比比特特对对应应有有光光脉脉冲冲且且持持续续时时间间为为整整个个比比特特周周期期的的很很小小一一部部分分，“0”对对应应无无光光脉脉冲冲出出现。现。 它们的信号格式如图所示。它们的信号格式如图所示。 73OOK数据调制格式数据调制格式 74n NRZ码码与与其其他他格格式式相相比比，其其主主要要优优点点是是占占据据的的频频带带宽宽度度窄窄，只只是是RZ码码的的一一半半，缺缺点点是是当当出出现现长长连连“1”或或“0”时时，光光脉脉冲冲没没有有“有有”和和“无无”的的交交替替变变化化，这这对对于于接接收收时时对对比比特特时时钟钟的的提提取取是是不不利利的的。 RZ码码克克服服了了这这个个问问题题，解解决决了了连连“1”的的问问题题，但长连但长连“0”问题仍然存在。问题仍然存在。n 为为了了保保证证光光信信号号有有足足够够的的交交替替变变化化和和提提供供DC平平衡，衡， 系统中常采用扰码和分组码方案。系统中常采用扰码和分组码方案。 75