第 4 章 光端機(jī)(2)

1、 第第 4 章章 光端機(jī)光端機(jī) 4.1 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 4.2 光接收機(jī)光接收機(jī) 4.3 線路編碼線路編碼 光 接 收 機(jī)光接收機(jī)作用 光接收機(jī)作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號變換為電信號，并對電信號進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。 光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱光接收機(jī)前端。前端性能是決定光接收機(jī)的主要因素。光接收機(jī)基本組成 直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖見下圖。 主要包括：光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路

2、、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。 光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號 圖 7.1 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 前端線性通道時鐘提取數(shù)據(jù)再生光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變光生電流，然后進(jìn)行預(yù)放大(電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換)，以便后級作進(jìn)一步處理。前端是光接收機(jī)的核心要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測器的選擇：要視具體應(yīng)用場合而定。A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。B. APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，一般來說其探測靈敏度特別高，但

3、需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。 從簡化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用pin光電二極管作光探測器。EDFA + pin同樣可以帶來高靈敏度。前置放大器主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應(yīng)晶體管(FET)。器件的選擇器件的選擇光接收機(jī)的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形和補(bǔ)償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的升余弦波形根據(jù)輸入信號 (平均值) 大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平判決再生與時鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號為確定是1或是0，需要對某時隙的碼

4、元作出判決。若判決結(jié)果為1，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形1脈沖；若判決結(jié)果為0，則由再生電路重新輸入一個0。為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準(zhǔn)確的時鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致 光電檢測器是把光信號變換為電信號的關(guān)鍵器件，對其要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，光電檢測器能輸出盡可能大的光電流。 波長響應(yīng)要和光纖的3個低損耗窗口兼容。 有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。 產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。 光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。 工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。 功耗和體積小，使用簡便。 光接收機(jī)的放大器包括前置放大器和

5、主放大器兩部分。 對前置放大器要求是較低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益。 前置放大器的的類型目前有3種：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器）。 主放大器一般是多級放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來自前置放大器的輸出信號放大到判決電路所需的信號電平。并通過它實(shí)現(xiàn)自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號應(yīng)保持恒定輸出。 主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動態(tài)范圍。 均衡器的作用是對已畸變(失真)和有碼間干擾的電信號進(jìn)行均衡補(bǔ)償，減小誤碼率。 再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號，由判決器和時鐘恢復(fù)電路組成。

6、5自動增益控制（自動增益控制（AGC） AGC就是用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。作用是增加了光接收機(jī)的動態(tài)范圍，使光接收機(jī)的輸出保持恒定。 4.2.3 誤碼率誤碼率 由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個隨機(jī)過程由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個隨機(jī)過程，其取樣其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的值是隨機(jī)變量，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼碼誤判為誤判為“1”碼，或把碼，或把“1”碼誤判為碼誤判為“0”碼。碼。 光接收機(jī)對碼元誤判的概率稱為光接收機(jī)對碼元誤判的概率稱為誤碼率誤碼率(在二元制的情況在二元制的情況下，等于下，等于誤比特率誤比特率，BER)， 用較長時間間

7、隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a用較長時間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。 碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓壓)的概率密度函數(shù)的概率密度函數(shù)來計算。來計算。 圖圖 4.18 計算誤碼率的示意圖計算誤碼率的示意圖 如圖如圖4.18所示，所示，I1是是“1”碼的電流，碼的電流，I0是是“0”碼的電流。碼的電流。 Im是是“”碼的平均電流碼的平均電流，而，而“0”碼的平均電流為碼的平均電流為0。D為判為判決門限值，一般取決門限值，一般取D=Im/2。 在在“”碼時碼時，如果，如果在取樣時刻帶有噪聲在

8、取樣時刻帶有噪聲的電流的電流I1D，則可，則可能被誤判為能被誤判為“”碼。碼。 要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。噪聲的概率分布。 光接收機(jī)輸出噪聲的概率分布光接收機(jī)輸出噪聲的概率分布十分復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲十分復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流電流(或電壓或電壓)的瞬時值服從高斯分布，其的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為概率密度函數(shù)為: 式中式中x是代表噪聲這一高斯隨機(jī)變量的取值，是代表噪聲這一高斯隨機(jī)變量的取值， 其均值為其均值為零，方差為零，方差為2。 2exp21)(22xxf(4.8) 在已知光檢測器和前置放大器

9、的噪聲功率，并假設(shè)了噪在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設(shè)了噪聲的概率分布后，現(xiàn)在可以分別計算聲的概率分布后，現(xiàn)在可以分別計算“0”碼和碼和“”碼的誤碼的誤碼率了。碼率了。 在發(fā)在發(fā)“0”碼時，碼時， 平均噪聲功率平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器為前置放大器的平均噪聲功率。的平均噪聲功率。 這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流略去暗電流)。由式。由式(4.8)得到得到發(fā)發(fā)“0”碼的條件下噪聲的碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為概率密度函數(shù)為 :2exp21)(02000NINIf(4.9) 根據(jù)誤碼率的定義，根據(jù)誤

10、碼率的定義，把把“0”碼誤判為碼誤判為“1”碼的概率，碼的概率， 應(yīng)應(yīng)等于等于I0值超過值超過D值的概率值的概率，即，即式中x=I0/0N 在發(fā)在發(fā)“1”碼時，平均噪聲功率碼時，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。輸出端光檢測器的平均噪聲功率。 這時噪聲電流的幅度為這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為，判決門限值仍為D，則只要，則只要取樣值取樣值I1D或或I1-ImD)(4.10b)式中 y=(I1-Im) / 。 “0”碼和碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”碼和碼和“1”碼等概率的碼流而言

11、，碼等概率的碼流而言，一般認(rèn)為一般認(rèn)為Pe,01=Pe,10時，可以時，可以使誤碼率達(dá)到最小。使誤碼率達(dá)到最小。1N)(2)(exp21,1121110mIDmeIIdNIINPm(4.11a)dyyPNDIem2exp21,1/ )(210(Im-I1)(Im-D)(4.11b)把把“1”碼誤判為碼誤判為“0”碼的概率為：碼的概率為：因此，因此，總誤碼率總誤碼率(BER)可以表示為：可以表示為：dxxPQe2exp212(4.12)式中 Q= 10NDINDm(4.13a) Q= 10NNIm(4.13b) Q稱為稱為超擾比超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對，含有信噪比的概念。它還表示在

12、對“0”碼碼進(jìn)行取樣判決時，判決門限值進(jìn)行取樣判決時，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流超過放大器平均噪聲電流 的倍數(shù)。的倍數(shù)。 0N10 1510 1410 1310 1210 1110 1010 910 810 710 610 54.555.566.577.5Q誤 碼 率 圖圖4.19 誤碼率和誤碼率和Q的關(guān)系的關(guān)系 由此可見，只要知道由此可見，只要知道Q值，就可根據(jù)式值，就可根據(jù)式(4.12) 的積分求出的積分求出誤碼率，結(jié)果示于圖誤碼率，結(jié)果示于圖4.19。例如：。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。 Pr =10lg (4.14) )(10)min(3dBmW

13、P4.2.4 靈敏度靈敏度 靈敏度靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度靈敏度Pr的定的定義是，義是，在保證通信質(zhì)量在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比限定誤碼率或信噪比)的條件下，光的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin，并以，并以dBm為單為單位。由定義得到位。由定義得到 靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。信號的能力。 提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。那么，理想提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。那么，理想光接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)

14、到多少光接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)到多少? 影響光接收機(jī)的靈敏度有哪影響光接收機(jī)的靈敏度有哪些因素些因素? 1. 理想光接收機(jī)的靈敏度理想光接收機(jī)的靈敏度 假設(shè)假設(shè)光檢測器的光檢測器的暗電流為零暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出可以檢測出單個光子單個光子形成的電子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機(jī)稱為種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)理想光接收機(jī)。 它的靈敏度只受到光檢測器的它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲量子噪聲的限制，因?yàn)榱孔拥南拗?，因?yàn)榱孔釉肼暿前殡S光信號的隨機(jī)噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲是伴隨光信號的隨機(jī)噪聲，只要有光信

15、號輸入，就有量子噪聲存在。噪聲存在。 首先考慮理想光接收機(jī)的誤碼率。首先考慮理想光接收機(jī)的誤碼率。當(dāng)光檢測器沒有光輸入當(dāng)光檢測器沒有光輸入時，放大器就完全沒有電流輸出，因此時，放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為碼誤判為“”碼碼的概率為的概率為0，即，即Pe, 01=0。 產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個光脈沖輸入時，光檢測器產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。 這個概率，即這個概率，即“1”碼誤判為碼誤判為“0”碼的概率碼的概率Pe,10=exp(-n)，n為一個碼元的平均光子數(shù)。為一個碼元的平均光子數(shù)

16、。 當(dāng)當(dāng)“0”碼和碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，碼等概率出現(xiàn)時， 誤碼率為：誤碼率為： Pe = (4.15) 21Pe, 01 + Pe, 10 = exp(-n) 2121 現(xiàn)在考慮理想光接收機(jī)的靈敏度。設(shè)傳輸?shù)默F(xiàn)在考慮理想光接收機(jī)的靈敏度。設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼是非歸零碼(NRZ)，每個光脈沖最小平均光能量為，每個光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為，碼元寬度為Tb， 一個碼元平均光子數(shù)為一個碼元平均光子數(shù)為n，那么，那么光接收機(jī)所需最小平均接收功光接收機(jī)所需最小平均接收功率為率為 : 式中，因子式中，因子2是是“0”碼和碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，碼功率平均的結(jié)果，h=6.62810-34J

17、s為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，f=c/，f、分別為光頻率分別為光頻率和光波長，和光波長，c為真空中的光速。為真空中的光速。 利用利用Tb=1/fb，fb為傳輸速率為傳輸速率；并考慮光；并考慮光/電轉(zhuǎn)換時的量子電轉(zhuǎn)換時的量子效率為效率為。Pmin= bbdTnhfTE22（4.16） Pr = 10 lg (4.17) 2bnhcf 對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe10-9，根據(jù)式，根據(jù)式(4.15)得到得到n21。 這表明至少要有這表明至少要有21個光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時個光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時誤碼率小于或等于誤碼率小于或等于10

18、-9。 設(shè)設(shè)=0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)， 計算出的不同計算出的不同和和不同不同fb的的Pr值列于表值列于表4.1。 這是光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個極限值是由量子這是光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為噪聲決定的，所以稱為量子極限量子極限。把這些關(guān)系代入式把這些關(guān)系代入式(4.16)， 得到得到理想光接收機(jī)靈敏度理想光接收機(jī)靈敏度: -65.7 -59.2 -71.1 -63.8靈敏度靈敏度pr/dBm 140 622 34 140速度速度fb/(Mb.s-1)1.551.31波長波長 / m 表表4.1理想光接收機(jī)的

19、接收機(jī)理想光接收機(jī)的接收機(jī) 由表由表 4.1 我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關(guān)系。我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關(guān)系。 2. 實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度 影響實(shí)際光接收機(jī)靈敏度的因素很多，計算也十分復(fù)雜，影響實(shí)際光接收機(jī)靈敏度的因素很多，計算也十分復(fù)雜， 這里只作簡要介紹。利用誤碼率的公式這里只作簡要介紹。利用誤碼率的公式(4.12)、(4.13)可以計算可以計算最小平均接收光功率最小平均接收光功率。 為此，應(yīng)建立為此，應(yīng)建立超擾比超擾比Q與與入射光功率入射光功率的關(guān)系。在發(fā)的關(guān)系。在發(fā)“0”碼碼的情況下，入射信號的光功率的情況下，入射信號的光功率P0=0，輸

20、出光電流，輸出光電流I0=0。在發(fā)。在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號的光功率碼的情況下，入射信號的光功率P1和光電流和光電流I1的關(guān)系為的關(guān)系為式中，式中，g為為APD倍增因子倍增因子(對于對于PINPD，g=1)，為光檢測器的為光檢測器的響應(yīng)度，響應(yīng)度，=(P1+P0)/2為為“0”碼和碼和“”碼的平均光功率。碼的平均光功率。 （4.18）IP1=gP1=2g Q = (4.19)102NNApg式中，式中，N0和和N1分別為傳輸分別為傳輸“0”碼和碼和“1”碼時的碼時的平均噪聲功率平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，如前所述，在略去暗電流的情況下， AgNNQP2)(10min（4

21、.20） 在放大器輸出端在放大器輸出端“”碼的平均電流碼的平均電流Im=IP1A，A為放為放大器增益，利用式大器增益，利用式(4.13)和式和式(4.18)得到得到給定給定Q值，值， 便得到便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率限定誤碼率的最小平均接收光功率 N0=NA N1=NA+ND 式中，式中，NA是是前置放大器的平均噪聲功率前置放大器的平均噪聲功率， 如式如式(4.4)式式(4.7)所示；所示；ND是是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率，ND=iq2A2，iq2為為均方量子噪聲電流均方量子噪聲電流，如式，如式 (3.26)所示。所示。 對于對于PIN

22、光電二極管，光電二極管，NDm，一般選取，一般選取n=m+1。mBnB碼有碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。等等。 1. mBnB碼編碼原理碼編碼原理 最簡單的最簡單的mBnB碼是碼是1B2B碼，即碼，即曼徹斯特碼曼徹斯特碼，這就是，這就是把原把原碼的碼的“”變換為變換為“01”， 把把“1”變換為變換為“10”。 因此最大的連因此最大的連“”和連和連“”的數(shù)目不會超過兩個，例的數(shù)目不會超過兩個，例如如1001和和0110。但是在相同時隙內(nèi)，傳輸。但是在相同時隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏敱忍刈優(yōu)閭鬏?比特，比特， 碼速提高了碼速提高了1倍。倍。 0111 11111

23、11 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表表 4.2 3B和和4B的碼字的碼字 以以3B4B碼為例，輸入的原始碼流碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有碼，共有(23)8個碼字，個碼字， 變換為變換為4B碼時，碼時， 共有共有(24)16個碼字，見表個碼字，見表4.2。禁字禁字禁字禁字 為保證信息的完整傳輸，必須從為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的碼的16個碼字中挑選個碼字中挑選8個碼字來代替?zhèn)€碼字來代替3B碼。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原

24、則來碼。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。選擇碼表。 例如：在例如：在3B碼中有碼中有2個個“0”，變?yōu)?，變?yōu)?B碼時補(bǔ)碼時補(bǔ)1個個“”；在在3B碼中有碼中有2個個“1”， 變?yōu)樽優(yōu)?B碼時補(bǔ)碼時補(bǔ)1個個“0”。而。而000用用0001和和1110交替使用；交替使用； 111用用0111和和1000交替使用。同時，規(guī)定一交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，些禁止使用的碼字， 稱為稱為禁字禁字，例如，例如0000和和1111。 作為普遍規(guī)則，引入作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字來描述碼字的均勻性，并以的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性

25、。的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。 所謂所謂“碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”，是在，是在nB碼的碼字中，用碼的碼字中，用“-1”代表代表“0”碼，碼， 用用“+1”代表代表“”碼，整個碼字的代數(shù)和即為碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個碼字如果整個碼字“”碼的數(shù)目多于碼的數(shù)目多于“0”碼，則碼，則WDS為正；為正；如果如果“0”碼的數(shù)目多于碼的數(shù)目多于“1”碼，碼， 則則WDS為負(fù)；如果為負(fù)；如果“0”碼和碼和“1”碼的數(shù)目相等，則碼的數(shù)目相等，則WDS為為0。 例如：對于例如：對于0111，WDS=+2；對于；對于0001，WDS=-2；對于；對于0011，WDS=0。 nB碼碼的的選擇原則

26、是：選擇原則是：盡可能選擇盡可能選擇|WDS|最小的碼字，最小的碼字， 禁止禁止使用使用|WDS|最大的碼字。最大的碼字。 以以3B4B為例，應(yīng)選擇為例，應(yīng)選擇WDS=0和和WDS=2的碼字，禁止使的碼字，禁止使用用WDS=4的碼字。的碼字。 表表4.3 示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。和負(fù)組交替使用。 線路碼（線路碼（4B）信號碼（信號碼（3B）模式模式2（負(fù)組）（負(fù)組）模式模式1（正組）（正組）WDS碼子碼子WDS碼子碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010

27、010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000 表表 4.3 一種一種3B4B碼表碼表 我國我國3次群和次群和4次群次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼碼，其，其編碼規(guī)則如下：編碼規(guī)則如下： 5B碼共有碼共有(25)32個碼字，變換個碼字，變換6B碼時共有碼時共有(26)64個碼字，個碼字，其中其中WDS=0有有20個，個，WDS=2有有15個，個，WDS=-2有有15個，共個，共有有50個個|WDS|最小的碼字可供選擇。最小的碼字可供選擇。 由于變換為由于變換

28、為6B碼時只需碼時只需32個碼字，為減少連個碼字，為減少連“”和連和連“0”的數(shù)目，刪去：的數(shù)目，刪去： 000011、 110000、 001111和和111100。 當(dāng)然禁用當(dāng)然禁用WDS=4和和6的碼字。表的碼字。表4.4示出根據(jù)這個規(guī)則示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。表中正組選用碼表，正組和負(fù)組交替使用。表中正組選用20個個WDS=0和和12個個WDS=+2，負(fù)組選用，負(fù)組選用20個個WDS=0和和12個個WDS=-2。 線路碼（線路碼（6B）信號碼（信號碼（5B）模式模式2（負(fù)組）（負(fù)組）模式模式1（正組）（正組）WDS碼字碼字WDS碼字碼字-2

29、000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表續(xù)表 mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計者可以根據(jù)傳輸特性的要求碼是一種分組碼，設(shè)計者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。確定某種碼表。mBnB碼碼的的特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1) 碼流中碼流中“0”和和“1”碼的概率相等，連碼的概率相等，連“0”和連和連“1”的的數(shù)目較少，定時信息豐富。數(shù)目較少，定時信

30、息豐富。 (2) 高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小。高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小。 (3) 在碼流中引入一定的冗余碼，在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測。便于在線誤碼檢測。 mBnB碼碼的的缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。種碼型。 2. 編譯碼器編譯碼器 有兩種編譯碼電路：有兩種編譯碼電路： 一種是一種是 組合邏輯電路組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在一，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上

31、，組成一個大規(guī)模專用集成塊，小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊， 國外設(shè)備大多采國外設(shè)備大多采用這種方法。用這種方法。 一種是一種是把設(shè)計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器把設(shè)計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。 圖圖 4.22 碼表存儲編碼器原理碼表存儲編碼器原理 并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并組別變換ABC變前時鐘已變換的輸出4B碼流變換時鐘待變換輸入信號碼流 以以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設(shè)計好的碼表存入首先把設(shè)計好的

32、碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號碼流通過內(nèi)，待變換的信號碼流通過串串-并變換電路變?yōu)椴⒆儞Q電路變?yōu)?比特一組的碼比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲的碼表，根據(jù)存儲的碼表， 輸出與地址對應(yīng)的并行輸出與地址對應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過并碼，再經(jīng)過并-串變換電路，讀出已串變換電路，讀出已變換的變換的4B碼流。碼流。 圖中圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=2時，時， 從從A、B分別送出控制信號，分別送出控制信號， 通過通過C線決定組別。線決定組別。 譯碼器與編碼器基本相

33、同，只是除去組別控制部分。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。 譯譯碼時，把送來的已變換的碼時，把送來的已變換的4B信號碼流，每信號碼流，每4比特并聯(lián)為一組，比特并聯(lián)為一組， 作為作為PROM的地址，然后讀出的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過并碼，再經(jīng)過并-串變換還原為串變換還原為原來的信號碼流。原來的信號碼流。 其他的其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復(fù)雜程度碼編譯碼電路原理相同，只是電路復(fù)雜程度有所區(qū)別而已。有所區(qū)別而已。 4.3.3 插入碼插入碼 插入碼插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特比特(mB)一組，一組，然后在每組然后在每組mB碼末

34、尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼個碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、碼、mB1H碼和碼和mB1P碼。碼。 1. 插入碼的編碼原理插入碼的編碼原理 mB1C碼碼的的編碼原理是編碼原理是，把原始碼流分成每，把原始碼流分成每m比特比特(mB)一組，一組， 然后在每組然后在每組mB碼的末尾插入碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，這個比特補(bǔ)碼，這個補(bǔ)碼補(bǔ)碼稱為稱為C碼碼， 所以稱為所以稱為mB1C碼碼。補(bǔ)碼插在。補(bǔ)碼插在mB碼的末尾，連碼的末尾，連“0”碼和連碼和連“1”碼的數(shù)目最少。碼的數(shù)目最少。 mB1C碼

35、的結(jié)構(gòu)如圖碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例如：所示，例如： mB碼為：碼為： 100 110 001 101 mB1C碼為：碼為： 1001 1101 0010 1010 C碼的作用是引入碼的作用是引入冗余碼冗余碼，可以進(jìn)行，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測在線誤碼率監(jiān)測； 同同時改善了時改善了“0”碼和碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。碼的分布，有利于定時提取。 mB1H碼是碼是mB1C碼演變而成的，即在碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除碼中，扣除部分部分C碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個混合碼混合碼(H碼碼)，所以稱為，所以稱為mB1H碼碼。所插入的所插入的H碼可以根據(jù)不同用

36、途分為三類：碼可以根據(jù)不同用途分為三類： 第一類是第一類是C碼，它是第碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；測； 第二類是第二類是L碼，用于區(qū)間通信；碼，用于區(qū)間通信； 第三類是第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的傳輸。傳輸。 圖圖 4.23 mB1C碼的結(jié)構(gòu)碼的結(jié)構(gòu)mBCmBCmBCC 常用的插入碼是常用的插入碼是mB1H碼，有碼，有1B1H碼、碼、4B1H碼和碼和8B1H碼。以碼。以4B1H碼碼為例，它的為例，它的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值??；碼速提高不大，誤碼增值?。?可以實(shí)現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)

37、間通信和輔助信息傳輸?？梢詫?shí)現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。 缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換，變換， 可以滿足通信系統(tǒng)的要求?？梢詽M足通信系統(tǒng)的要求。 在在mB1P碼中，碼中，P碼稱為碼稱為奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼， 其作用和其作用和C碼相似，碼相似， 但但P碼有以下兩種情況：碼有以下兩種情況： (1) P碼為奇校驗(yàn)碼時碼為奇校驗(yàn)碼時， 其插入規(guī)律是使其插入規(guī)律是使m+1個碼內(nèi)個碼內(nèi)“1”碼碼的個數(shù)為奇數(shù)，的個數(shù)為奇數(shù)， 例如：例如： mB碼為：碼為： 100 000 001 110 mB1P碼為：碼為： 100

38、0 0001 0010 1101 當(dāng)檢測得當(dāng)檢測得m+1個碼內(nèi)個碼內(nèi)“”碼為奇數(shù)時，則認(rèn)為無誤碼。碼為奇數(shù)時，則認(rèn)為無誤碼。 (2) P碼為偶校驗(yàn)碼時碼為偶校驗(yàn)碼時，其插入規(guī)律是使，其插入規(guī)律是使m+1個碼內(nèi)個碼內(nèi)“”碼的個數(shù)為偶數(shù)，碼的個數(shù)為偶數(shù)，例如：例如： m B碼為：碼為： 100 000 001 110 mB1P碼為：碼為： 1001 0000 0011 1100 當(dāng)檢測得當(dāng)檢測得m+1個碼內(nèi)個碼內(nèi)“”碼為偶數(shù)時，碼為偶數(shù)時， 則認(rèn)為無誤碼。則認(rèn)為無誤碼。 2. 編譯碼器編譯碼器 和和mBnB碼不同，碼不同，mB1H碼沒有一一對應(yīng)的碼結(jié)構(gòu)，所以碼沒有一一對應(yīng)的碼結(jié)構(gòu)，所以mB1H碼的

39、變換不能采用碼表法，一般都采用碼的變換不能采用碼表法，一般都采用緩存插入法緩存插入法來來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 圖圖 4.24 4B1H編碼器原理編碼器原理 D4D3D2D1D0B1B2B3B4H插入邏輯緩存器34368 kb/sNRZA B C寫入時序(四分頻)讀出時序(五分頻)42960 kb/sNRZ42960 kHzCP34368 kHzCP 圖圖4.24示出示出4B1H編碼器原理編碼器原理，它由緩存器、寫入時序電，它由緩存器、寫入時序電路、插入邏輯和讀出時序電路四部分組成。路、插入邏輯和讀出時序電路四部分組成。4B1H碼是每碼是每4個信個信號碼插入一個號碼插入一個H碼，碼， 因此變換后碼速增加

40、因此變換后碼速增加1/4。 設(shè)信號碼的碼速為設(shè)信號碼的碼速為34368 kb/s，經(jīng)，經(jīng)4B1H變換后，變換后， 線路碼線路碼的碼速為的碼速為(5/4)34368 kb/s=42960 kb/s。34368 kb/s的的NRZ信號碼信號碼送入緩存器。送入緩存器。 緩存器緩存器是是4D觸發(fā)器，它利用鎖相環(huán)中的觸發(fā)器，它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號作為寫分頻信號作為寫入時序脈沖，隨機(jī)但有順序地把入時序脈沖，隨機(jī)但有順序地把34368 kb/s信號碼流分為信號碼流分為4比特比特一組，與一組，與H碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。 插入邏輯電路實(shí)際上是一個插入邏輯電路實(shí)際上是一個5選選1的電

41、路，的電路，它利用鎖相環(huán)中它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為分頻電路輸出讀出時序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42960 kb/s的的4B1H碼。碼。圖圖 4.24 4B1H編碼器原理編碼器原理 D4D3D2D1D0B1B2B3B4H插入邏輯緩存器34368 kb/sNRZA B C寫入時序(四分頻)讀出時序(五分頻)42960 kb/sNRZ42960 kHzCP34368 kHzCP 圖圖4.25示出示出4B1H譯碼器原理，譯碼器原理，它由它由B碼還原、碼還原、H碼分離、碼分離、幀同步和相應(yīng)的時鐘頻率變換電路組成。把幀同步和相應(yīng)的時鐘頻率變換電路組成。把42960

42、kb/s的的4B1H碼加到緩存器，因碼加到緩存器，因4B1H碼是碼是5比特為一組，所以緩存器應(yīng)有比特為一組，所以緩存器應(yīng)有5級，并用不同的時鐘寫入。級，并用不同的時鐘寫入。圖圖 4.25 4B1H譯碼器原理譯碼器原理 緩沖寄存器B1B2B3B4B碼還原頻率變換H碼分離幀同步GCL1L2CP42960 kHz42960 kb/sNRZ34368kb/sNRZ告 警H圖圖 4.25 4B1H譯碼器原理譯碼器原理 緩沖寄存器B1B2B3B4B碼還原頻率變換H碼分離幀同步GCL1L2CP42960 kHz42960 kb/sNRZ34368kb/sNRZ告 警H 頻率變換電路要保證向各個部分提供所需的

43、準(zhǔn)確時鐘信頻率變換電路要保證向各個部分提供所需的準(zhǔn)確時鐘信號。號。通過緩存器，實(shí)際上已把通過緩存器，實(shí)際上已把B碼和碼和H碼分開，只要用碼分開，只要用34368 kHz的時鐘把的時鐘把B碼按順序讀出，碼按順序讀出，B碼就還原了。碼就還原了。 B碼的還原電路實(shí)際上就是并串變換電路，由碼的還原電路實(shí)際上就是并串變換電路，由4選選1電路來電路來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 第第4章章 知識點(diǎn)小結(jié)知識點(diǎn)小結(jié)1. 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖。數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖。2. 光電延遲和張馳振蕩。光電延遲和張馳振蕩。3. 激光器為什么要采用自動溫度控制？激光器為什么要采用自動溫度控制？5. 光接收機(jī)對光檢測器的要求。光接收機(jī)對光檢測

44、器的要求。6. 什么是靈敏度？什么是靈敏度？7. 什么是誤碼率？什么是誤碼率？4. 數(shù)字光接收機(jī)的方框圖。數(shù)字光接收機(jī)的方框圖。8. 什么是動態(tài)范圍？什么是動態(tài)范圍？9. 數(shù)字光纖通信對線路碼型的要求。數(shù)字光纖通信對線路碼型的要求。10. 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中常用的碼型種類。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中常用的碼型種類。1 填空題填空題（1）實(shí)現(xiàn)光源調(diào)制的方法有兩類：）實(shí)現(xiàn)光源調(diào)制的方法有兩類： 和和 。（2）消光比定義為）消光比定義為 。 （3）在光接收機(jī)中，與光電檢測器相連的放大器稱為）在光接收機(jī)中，與光電檢測器相連的放大器稱為 ， 它它應(yīng)是應(yīng)是 的放大器。的放大器。（4）信號電平超過判決門限電平，則判為）信號電平超過判決門限電平，則判為 碼。低于判決門限碼。低于判決門限電平，則判為電平，則判為 碼。碼。（5）光接收機(jī)的靈敏度的單位是）光接收機(jī)的靈敏度的單位是 。答案：（答案：（1）直接調(diào)制）直接調(diào)制 間接調(diào)制；間接調(diào)制