光纖通信課件第4章

光纖通信課件第4章第一頁，共72頁。第4章光端機

4.1光發(fā)射機功能：把電端機輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制來實現(xiàn)的。調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、幅度、頻率和相位。目前技術(shù)上成熟并在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(功率)調(diào)制。第二頁，共72頁。圖4.1示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強數(shù)字調(diào)制原理，對LD施加了偏置電流Ib。由圖可見，當激光器的驅(qū)動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅(qū)動電流I基本上是線性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號反映輸入電信號。LEDLD圖4.1直接光強數(shù)字調(diào)制原理第三頁，共72頁。

4.1.1光發(fā)射機基本組成數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖4.2所示，主要有光源和電路兩部分。光源是實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能。電路的設(shè)計應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號準確反映輸入電信號。第四頁，共72頁。1.光源對通信用光源的要求：(1)發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致（波長：0.85μm、1.31μm和1.55μm）。光譜單色性要好。(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高，且線性良好。發(fā)射光束的方向性好，遠場的輻射角小。(3)允許的調(diào)制速率高或響應(yīng)速度快。(4)器件溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長。(5)器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。第五頁，共72頁。

2.調(diào)制電路和控制電路直接光強調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調(diào)制電路、控制電路、線路編碼電路和偏置電路。對調(diào)制電路和控制電路的要求如下：(1)輸出光脈沖的通斷比(全“1”碼平均光功率和全“0”碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù))應(yīng)大于10，以保證足夠的光接收信噪比。(2)輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠大于開通延遲(電光延遲)時間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延遲時間應(yīng)足夠短，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。

第六頁，共72頁。(3)對激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機正常工作。(4)應(yīng)采用自動功率控制(APC)和自動溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。

3.線路編碼電路線路編碼之所以必要，是因為電端機輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼，線路編碼的其它原因見4.3節(jié)所述。第七頁，共72頁。4.1.2調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，會出現(xiàn)許多復(fù)雜的瞬態(tài)現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振蕩和自脈動現(xiàn)象。這些現(xiàn)象嚴重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的設(shè)計時要給予充分考慮。

第八頁，共72頁。圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形1.電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩，其振蕩頻率fr(=ωr/2π)一般為0.5~2GHz。光脈沖電脈沖tdωr第九頁，共72頁。張弛振蕩和電光延遲通信系統(tǒng)的影響（限制調(diào)制速率）：（1）當最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形失真嚴重，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。（2）電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。第十頁，共72頁。

圖4.4碼型效應(yīng)（a)、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形如圖4.4，在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個脈沖到來前，有較長的連“0”碼，由于電光延遲時間長和光脈沖上升時間的影響，因此脈沖變小。第二個脈沖到來時，由于第一個脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，脈沖較大?！按a型效應(yīng)”的特點是，在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當?shù)摹斑^調(diào)制”補償方法，可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c)所示。第十一頁，共72頁。張弛振蕩頻率ωr及其幅度衰減時間τo和電光延遲時間td的表達式為：式中，τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時間，j和jth分別為注入電流密度和閾值電流密度。τsp和τph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，即τsp>τph。第十二頁，共72頁。由式(4.1)~式(4.3)可以看到：(1)張弛振蕩頻率ωr隨τsp、τph的減小而增加，隨j的增加而增加。這個振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。(2)張弛振蕩幅度衰減時間τo與τsp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小。(3)電光延遲時間td與τsp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小(j>jth)。由此可見，增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率ωr，減小其幅度衰減時間τo，以及減小電光延遲時間td，因此對LD施加偏置電流是非常必要的。第十三頁，共72頁。2.自脈動現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當注入電流達到某個范圍時，由于激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收，在P-I曲線扭折區(qū)域，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動頻率可達2GHz，嚴重影響LD的高速調(diào)制特性。圖4.5激光器自脈沖動現(xiàn)象第十四頁，共72頁。4.1.3調(diào)制電路和自動功率控制數(shù)字信號調(diào)制電路應(yīng)采用電流開關(guān)電路，最常用的是差分電流開關(guān)電路。

數(shù)字信號Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動LED。數(shù)字信號“0”碼和“1”碼對應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對輸出光信號幅度的要求確定。這種驅(qū)動電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路。圖4.6共發(fā)射極驅(qū)動電路第十五頁，共72頁。圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動電路，適合于激光器系統(tǒng)使用。電流源為由V1和V2組成的差分開關(guān)電路，它提供了恒定的偏置電流。在V2基極上施加直流參考電壓UB，數(shù)字電信號Uin從V1基極輸入。當信號為“0”碼時，V1基極電位比UB高而搶先導(dǎo)通，V2截止，LD不發(fā)光；反之，當信號為“１”碼時，V1基極電位比UB低，V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動LD發(fā)光。V1和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。當三極管截止頻率fr≥4.5GHz時，這種電路的調(diào)制速率可達300Mb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點是動態(tài)范圍小，功耗較大。圖4.7射極耦合LD驅(qū)動電路圖UB第十六頁，共72頁。圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路，其主體和圖4.7相同，只是由V3支路為LD提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號均值Uin的控制。在反饋電路中引入信號參考電壓的目的，是使LD的偏置電流Ib不受碼流中“0”碼和“1”碼比例變化的影響。PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLD把PD檢測器的輸出監(jiān)測電壓UPD、信號參考電壓Uin和直流參考電壓UR施加到運算放大器A1的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制V3基極電壓和偏置電流Ib，其控制過程如下：4.8反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路第十七頁，共72頁。一個更加完善的自動功率控制(APC)電路如圖4.9所示。從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測器檢測、運算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時，輸入信號參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后，送到A3的同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。圖4.9APC電路原理第十八頁，共72頁。4.1.4溫度特性和自動溫度控制1.激光器的溫度特性激光器的溫度特性在3.1節(jié)已經(jīng)討論過，溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生。圖4.10(a)和(b)分別示出溫度通過閾值電流和外微分量子效率引起的輸出光脈沖的變化：溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。(a)(b)20oC20oC70oC25oCPIPI第十九頁，共72頁。

由于激光器結(jié)區(qū)溫度的變化使得輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。溫度對輸出光脈沖的另一個影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。如圖4.11所示：（1）設(shè)t=0時，注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，溫度隨時間t而升高，激光器的閾值電流隨t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨t而減小。（2）當t=T時，注入電流從I1減小到I0，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨t而降低，閾值電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大。低調(diào)制速率的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯。將引起調(diào)制失真。圖4.11結(jié)發(fā)熱效應(yīng)第二十頁，共72頁。2.自動溫度控制溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖4.12示出溫度控制裝置的方框圖。致冷器的冷端和激光器的熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。圖4.12溫度控制方框圖第二十一頁，共72頁。圖4.13示出自動溫度控制(ATC)電路原理圖。由R1、R2、R3和熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過電橋把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。運算放大器A的差動輸入端跨接在電橋的對端，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。T(環(huán)境)→T(LD、熱沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)4.13ATC電路原理第二十二頁，共72頁。4.2光接收機4.2.1光接收機基本組成直接強度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖示于圖4.14，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、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。

圖4.14數(shù)字光接收機方框圖第二十三頁，共72頁。1.光檢測器光檢測器是光接收機實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。對光檢測器的要求如下：(1)波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；(2)響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流；(3)噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。第二十四頁，共72頁。2.放大器前置放大器：要為低噪聲放大器。主放大器：一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實現(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，輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。第二十五頁，共72頁。3.均衡和再生均衡器：目的是對放大器出來的已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生電路：包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。第二十六頁，共72頁。

4.2.2噪聲特性光接收機的噪聲有兩部分：（1）外部電磁干擾噪聲。這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除；（2）光接收機內(nèi)部噪聲。這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。主要討論內(nèi)部產(chǎn)生的隨機噪聲。

第二十七頁，共72頁。圖4.16示出光接收機的噪聲等效模型，其噪聲來源分為兩部分：（1）由光檢測器產(chǎn)生。包括光檢測器的量子噪聲電流〈i2q〉和暗電流噪聲〈i2d〉電流。（2）由放大器產(chǎn)生。包括等效噪聲電流源〈i20〉和電壓源〈u20〉圖4.16光接收機的噪聲等效模型第二十八頁，共72頁。4.光電集成接收機為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測器在內(nèi)的全部元件。工作在短波長的接收機比較容易集成，對于工作在1.3~1.6μm長波長的接收機系統(tǒng)集成，傳輸數(shù)率達不到實用的要求（5Gb/s）。第二十九頁，共72頁。放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型。常用三種類型前置放大電路示于圖4.17。三種類型前置放大器的比較：(1)雙極型晶體管前置放大器的主要特點是輸入阻抗低，電路時間常數(shù)RC小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。(2)場效應(yīng)管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高，噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。(3)跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。(a)雙極型晶體管；(b)場效應(yīng)管；(c)跨阻型第三十頁，共72頁。

4.2.3誤碼率誤碼：把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。誤碼率：光接收機對碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率，BER)，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。

第三十一頁，共72頁。圖4.18計算誤碼率的示意圖碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計算。如圖4.18所示，I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。Im是“１”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2。在“１”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；在“0”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I0>D，則可能被誤判為“１”碼。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。第三十二頁，共72頁。光接收機輸出噪聲的概率分布十分復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流(或電壓)的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為式中x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值，其均值為零，方差為σ2。(4.8)第三十三頁，共72頁。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“0”碼和“１”碼的誤碼率了。

在發(fā)“0”碼時，平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。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)。由式得到發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為第三十四頁，共72頁。根據(jù)誤碼率的定義，把“0”碼誤判為“1”碼的概率，應(yīng)等于I0值超過D值的概率，即式中x=I0/

在發(fā)“1”碼時，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為D，則只要取樣值Im-I1>Im-D或I1-Im<D-Im，就可能把“１”碼誤判為“0”碼。所以，把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：第三十五頁，共72頁。式中y=(I1-Im)/。第三十六頁，共72頁。式中Q=Q=Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對“0”碼進行取樣判決時，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流的倍數(shù)。“0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認為Pe,01=Pe,10時，可以使誤碼率達到最小。因此，總誤碼率(BER)可以表示為（4.12）第三十七頁，共72頁。圖4.19誤碼率和Q的關(guān)系由此可見，只要知道Q值，就可根據(jù)式(4.12)的積分求出誤碼率，結(jié)果示于圖4.19。例如：Q=6,BER≈10-9Q≈7，BER=10-12。第三十八頁，共72頁。

4.2.4靈敏度靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標。靈敏度Pr：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm為單位。由定義得到Pr=10lg(4.14)靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。第三十九頁，共72頁。1.理想光接收機的靈敏度

假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機稱為理想光接收機。其靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制。首先考慮理想光接收機的誤碼率。當光檢測器沒有光輸入時，放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為“１”碼的概率為0，即Pe,01=0。產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。這個概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe,10=exp(-n)，n為一個碼元的平均光子數(shù)。當“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，誤碼率為Pe=(4.15)Pe,01+Pe,10=exp(-n)第四十頁，共72頁。現(xiàn)在考慮理想光接收機的靈敏度。設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb，一個碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機所需最小平均接收功率為式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)，f=c/λ，f、λ分別為光頻率和光波長，c為真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb為傳輸速率；并考慮光/電轉(zhuǎn)換時的量子效率為η。把這些關(guān)系代入式(4.16)，得到理想光接收機靈敏度〈P〉min=(4.16)Pr=10lg(4.17)第四十一頁，共72頁。對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe≤10-9，根據(jù)式(4.15)得到n≥21。這表明至少要有21個光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時誤碼率小于或等于10-9。設(shè)η=0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)，計算出的不同λ和不同fb的Pr值列于表4.1。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。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。第四十二頁，共72頁。2.實際光接收機的靈敏度影響實際光接收機靈敏度的因素很多，計算也十分復(fù)雜，這里只作簡要介紹。利用誤碼率的公式(4.12)、(4.13)可以計算最小平均接收光功率。為此，應(yīng)建立超擾比Q與入射光功率的關(guān)系。在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號的光功率P0=0，輸出光電流I0=0。在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號的光功率P1和光電流I1的關(guān)系為I1=gρP1=2gρ〈P〉式中，g為APD倍增因子(對于PINPD，g=1)，ρ為光檢測器的響應(yīng)度，〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率。第四十三頁，共72頁。在放大器輸出端“１”碼的平均電流Im=I1A，A為放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到Q=(4.19)給定Q值，便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，第四十四頁，共72頁。N0=NA,

N1=NA+ND式中，NA是前置放大器的平均噪聲功率，如式(4.4)~式(4.7)所示；ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率ND=〈i2q〉A(chǔ)2，〈i2q〉為均方量子噪聲電流，如式(3.22)和式(3.26)所示。對于PIN光電二極管，ND<<

NA，g=1，式(4.20)可以簡化為〈P〉min=式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率。第四十五頁，共72頁。設(shè)PIN-PD光接收機的工作參數(shù)如下：光波長λ=0.85μm，傳輸速率fb=8.448Mb/s，光電二極管響應(yīng)度ρ=0.4，互阻抗前置放大器(FET)的nA≈10-18。要求誤碼率Pe=10-9，即Q=6，由式(4.21)計算得到〈P〉min=1.5×10-8W，Pr=-48.2dBm。這樣計算光接收機的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒有考慮下列因素：(1)波形引起的碼間干擾的影響；(2)均衡器頻率特性的影響；(3)光檢測器暗電流和信號含直流光的影響。第四十六頁，共72頁。圖4.20示出典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關(guān)系曲線。圖中誤碼率限定為1×10-9，假設(shè)光檢測器量子效率η=0.5，附加噪聲系數(shù)x=0.4，暗電流id=1nA，滾降因子β=1，相對脈沖展寬σ/T=0.3。圖4.20典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關(guān)系的關(guān)系第四十七頁，共72頁。4.2.5自動增益控制和動態(tài)范圍放大器是一個普通的寬帶高增益放大器，由于前置放大器輸出信號幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。主放大器一般由多級放大器級聯(lián)構(gòu)成，其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平Im。Im=I1A，利用式(4.18)得到A=(4.22)式中，g為APD倍增因子，ρ為光檢測器的響應(yīng)度，〈P〉為“0”碼和“1”碼的平均光功率。主放大器的另一個功能是實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使光接收機具有一定的動態(tài)范圍，以保證在入射光強度變化時輸出電流基本恒定。第四十八頁，共72頁。動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。根據(jù)定義DR=10lg(4.23)動態(tài)范圍是光接收機性能的另一個重要指標，它表示光接收機接收強光的能力，數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。由于使用條件不同，輸入光接收機的光信號大小要發(fā)生變化，為實現(xiàn)寬動態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流運算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實現(xiàn)。對于APD光接收機，AGC控制光檢測器的偏壓和放大器的輸出；對于PIN光接收機，AGC只控制放大器的輸出。第四十九頁，共72頁。4.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。但是簡單的二電平碼會帶來如下問題：(1)在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個數(shù)是隨機變化的，因而直流分量也會發(fā)生隨機波動(基線漂移)，給光接收機的判決帶來困難。(2)在隨機碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時誤差。(3)不能實現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護。第五十頁，共72頁。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的具體要求有：(1)能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機的靈敏度。(2)能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應(yīng)盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富。(3)能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。第五十一頁，共72頁。4.3.1擾碼在系統(tǒng)光發(fā)射機的調(diào)制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應(yīng)地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應(yīng)的前饋移位寄存器實現(xiàn)。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…擾碼后：1101110110011…但是，擾碼仍具有下列缺點：①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)；②沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監(jiān)測；③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。第五十二頁，共72頁。

4.3.2mBnB碼mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。第五十三頁，共72頁。

1.mBnB碼編碼原理(1)1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“０”和連“１”的數(shù)目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。(2)3B4B碼，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變?yōu)?B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。第五十四頁，共72頁。

表4.23B和4B的碼字第五十五頁，共72頁。

WDS(碼字數(shù)字和)：在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。作用：用來引入描述碼字的均勻性。如果整個碼字“１”碼的數(shù)目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼，則WDS為負；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應(yīng)選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。表4.3示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。第五十六頁，共72頁。

表4.3一種3B4B碼表第五十七頁，共72頁。我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字。其編碼規(guī)則如下：（1）選用其中50個|WDS|最小的碼字。即20個WDS=0，15個WDS=+2和15個WDS=-2。（2）為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。表4.4示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。第五十八頁，共72頁。第五十九頁，共72頁。第六十頁，共72頁。mBnB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。mBnB碼的特點是：(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富。(2)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，便于在線誤碼檢測。mBnB碼的缺點是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，不宜用這種碼型。第六十一頁，共72頁。2.編譯碼器有兩種編譯碼電路：（1）組合邏輯電路。就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊，國外設(shè)備大多采用這種方法；（2）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。

第六十二頁，共72頁。圖4.22碼表存儲編碼器原理以3B4B碼為例，首先把設(shè)計好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號碼流通過串-并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲的碼表，輸出與地址對應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過并-串變換電路，讀出已變換的4B碼流。圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WDS=±2時，從A、B分別送出控制信號，通過C線決定組別。第六十三頁，共72頁。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時，把送來的已變換的4B信號碼流，每4比特并聯(lián)為一組，作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過并-串變換還原為原來的信號碼流。其他的mBnB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。第六十四頁，共72頁。

4.3.3插入碼插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB)一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。1.插入碼的編碼原理

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