青島科技大學(xué)光纖通信第四章+光端機(jī)課件

第4章光端機(jī)

4.1光發(fā)射機(jī)

4.2光接收機(jī)

4.3線路編碼返回主目錄14.1光發(fā)射機(jī)

?數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能:

?電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)

?用耦合技術(shù)注入光纖線路

?用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制

?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

2輸出光信號(hào)pItIin輸入電信號(hào)pI（a）

LED數(shù)字調(diào)制原理輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)IinIthIb(b)

LD的數(shù)字調(diào)制原理

?當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)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，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)3

4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成

數(shù)字光發(fā)射機(jī)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(shí)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(jī)的性能。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。4輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出圖4.2數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖5(3)允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。(4)

器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。(5)此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。以上各項(xiàng)中，調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性，直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術(shù)指標(biāo)。72.調(diào)制電路和控制電路直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有:調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路采用激光器作光源時(shí)，還有偏置電路對(duì)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。8(2)輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲(電光延遲)時(shí)間，光脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和開通延遲時(shí)間應(yīng)足夠短，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形(3)對(duì)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(jī)正常工作(4)應(yīng)采用自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性9

3.線路編碼電路電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼104.1.2調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象。這些特性嚴(yán)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(jì)時(shí)要給予充分考慮。111.電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4.3所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級(jí)一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)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。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關(guān)。12

圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形

張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。13電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過后的第一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。如圖4.4，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個(gè)脈沖到來前，有較長(zhǎng)的連“0”碼，由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)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(shí)間短，脈沖較大。14

“碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是：在脈沖序列中較長(zhǎng)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(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c)所示。12電脈沖光脈沖2ns5ns2ns

圖4.4碼型效應(yīng)（a)、(b)碼型效應(yīng)波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)15(4.1)(4.2)(4.3)式中，τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時(shí)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。通過LD速率方程組的瞬態(tài)解得到的張弛振蕩頻率ωr及其幅度衰減時(shí)間τo和電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為：16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(gè)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(shí)間τo與τsp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小。(3)電光延遲時(shí)間td與τsp為相同數(shù)量級(jí)，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(shí)間τo，以及減小電光延遲時(shí)間td，因此對(duì)LD施加偏置電流是非常必要的。172.自脈動(dòng)現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，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(dòng)現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。18電脈沖光脈沖圖4.5激光器自脈沖動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的，往往和LD的P-I曲線的非線性有關(guān),自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域和P-I曲線扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng)。19

4.1.3調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制數(shù)字信號(hào)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。

圖4.6示出由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，這種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管[WTBZ]LED作為光源的光發(fā)射機(jī)。數(shù)字信號(hào)Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED。數(shù)字信號(hào)“0”碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)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。20圖4.6共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路

21圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動(dòng)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，V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓，數(shù)字電信號(hào)Uin從V1基極輸入。當(dāng)信號(hào)為“0”碼時(shí)，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(dāng)信號(hào)為“１”碼時(shí)，V1基極電位比UB低，V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)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(dāng)三極管截止頻率fr≥4.5GHz時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)300Mb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。22圖4.7射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖

23圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖4.7相同，只是由V3支路為L(zhǎng)D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(hào)均值的控制。由于溫度變化和工作時(shí)間加長(zhǎng)，LD的輸出光功率會(huì)發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定，必須改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。24

圖

4.8反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路25把PD檢測(cè)器的輸出監(jiān)測(cè)電壓UPD、信號(hào)參考電壓和直流參考電壓UR施加到運(yùn)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：PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLD

在反饋電路中引入信號(hào)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。26一個(gè)更加完善的自動(dòng)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(cè)器檢測(cè)、運(yùn)算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時(shí)，輸入信號(hào)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。27圖4.9APC電路原理28

4.1.4溫度特性和自動(dòng)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(duì)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

?溫度對(duì)輸出光脈沖會(huì)產(chǎn)生“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。29PPII

圖4.10溫度引起的光輸出的變化(a)閾值電流變化引起的光輸出的變化；(b)外微分量子效率變化引起的光輸出的變化20。C25。C20。C70。C30即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使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)”。I1I0t=0t=T圖4.11結(jié)發(fā)熱效應(yīng)電流脈沖光脈沖31如圖4.11所示，設(shè)t=0時(shí)電脈沖到來，注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)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。當(dāng)t=T時(shí)電流脈沖過后，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。

“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。與調(diào)制速率對(duì)激光器瞬態(tài)特性的影響相反，低調(diào)制速率的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯。這是因?yàn)殡S著調(diào)制速率的提高，碼元時(shí)間間隔縮短，使結(jié)區(qū)溫度來不及發(fā)生變化。32

2.自動(dòng)溫度控制半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度更加敏感。為保證輸出特性的穩(wěn)定，對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的。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(cè)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。33圖4.12溫度控制方框圖激光器致冷器熱敏電阻控制電路熱導(dǎo)熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻34目前，微致冷大多采用半導(dǎo)體致冷器，它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的電偶來實(shí)現(xiàn)致冷的用若干對(duì)電偶串聯(lián)或并聯(lián)組成的溫差電功能器件，溫度控制范圍可達(dá)30~40℃。為提高致冷效率和溫度控制精度，把致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)，溫度控制精度可達(dá)±0.5℃。從而使激光器輸出平均功率和發(fā)射波長(zhǎng)保持恒定，避免調(diào)制失真。35ATC電路主要由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(yùn)算放大器A的差動(dòng)輸入端跨接在電橋的對(duì)端，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。36在設(shè)定溫度(例如20℃)時(shí)，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點(diǎn)沒有電位差，傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器A的信號(hào)為零，流過致冷器TEC的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，LD的管芯和熱沉溫度也升高，使具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT的阻值減小，電橋失去平衡。這時(shí)B點(diǎn)的電位低于A點(diǎn)的電位，運(yùn)算放大器A的輸出電壓升高，V的基極電流增大，致冷器TEC的電流也增大致冷端溫度降低，熱沉和管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。37這個(gè)控制過程可以表示如下：T(環(huán)境)→T(LD、熱沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)ATC的致冷器和熱敏電阻以及APC的PIN-PD封裝在LD管殼內(nèi)構(gòu)成的組件如圖3.18所示。384.2光接收機(jī)4.2.1光接收機(jī)基本組成直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖4.14。

主要包括：

光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。39

圖4.14數(shù)字光接收機(jī)方框圖光檢測(cè)器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào)401.光檢測(cè)器

光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)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(jī)的靈敏度。

對(duì)光檢測(cè)器的要求如下：(1)波長(zhǎng)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(hào)；(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，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(cè)器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。412.放大器前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇(參看4.2.2節(jié))。

主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是：

（1）提供足夠的增益（2）并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。

主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。423.均衡和再生

均衡的目的：

?對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。

再生電路包括：判決電路和時(shí)鐘提取電路

43

4.光電集成接收機(jī)圖4.14中除光檢測(cè)器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過2GHz，甚至達(dá)到10GHz。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(jī)，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(cè)器在內(nèi)的全部元件。44對(duì)于工作在1.3~1.6μm波長(zhǎng)的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機(jī)。在1991年試驗(yàn)成功的單路InGaAsOEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5Gb/s。InGaAsOEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。如圖4.15所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測(cè)器集成在InP基片上，兩個(gè)部分通過接觸片連接在一起。45圖4.15光電集成接收機(jī)46

4.2.2噪聲特性光接收機(jī)的噪聲有兩部分：

外部電磁干擾產(chǎn)生

這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或?yàn)V波加以消除；

內(nèi)部產(chǎn)生這部分噪聲是在信號(hào)檢測(cè)和放大過程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設(shè)計(jì)與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。我們要討論的噪聲是指內(nèi)部產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。光接收機(jī)噪聲的主要來源是:光檢測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。47圖4.16光接收機(jī)的噪聲等效模型48圖4.16示出光接收機(jī)的噪聲等效模型，由光檢測(cè)器和放大器兩部分組成。

〈iq2〉光檢測(cè)器的量子噪聲功率譜密度分別表示為Sq

〈id2〉暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)，其相應(yīng)的功率譜密度Sdip

光檢測(cè)器的輸出光生電流R光檢測(cè)器的偏置電阻和C光檢測(cè)器的電容(結(jié)電容和其他電容)

49放大器分解為:

理想放大器相應(yīng)的功率譜密度SI

等效噪聲電流源〈i02〉相應(yīng)的功率譜密度SE

電壓源〈u02〉，相應(yīng)的功率譜密度Rin放大器的輸入電阻。光檢測(cè)器等效噪聲特性請(qǐng)參看3.2節(jié)的內(nèi)容。50放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型，根據(jù)放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計(jì)算。常用三種類型前置放大電路示于圖4.17，其輸出的等效噪聲功率NA為：

場(chǎng)效應(yīng)管(FET)前置放大器(4.5)(4.4)雙極型晶體管(BJT)前置放大器51跨阻型前置放大器-雙極型晶體管

(4.6)跨阻型前置放大器-場(chǎng)效應(yīng)管(4.7)52

圖4.17光接收機(jī)的前置級(jí)放大電路(a)雙極型晶體管；(b)場(chǎng)效應(yīng)管；(c)跨阻型53三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(diǎn)是輸入阻抗低，電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)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(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。54

4.2.3誤碼率

由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過程，其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機(jī)對(duì)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(zhǎng)時(shí)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。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(jì)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。55圖4.18計(jì)算誤碼率的示意圖56在“１”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；在“0”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)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。

光接收機(jī)輸出噪聲的概率分布十分復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流(或電壓)的瞬時(shí)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(jī)變量的取值，其均值為零，方差為σ2。(4.8)57在已知光檢測(cè)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(jì)算“0”碼和“１”碼的誤碼率了。在發(fā)“0”碼時(shí)，平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。這時(shí)沒有光信號(hào)輸入，光檢測(cè)器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流)。由式(4.8)得到發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為:(4.9)58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(shí)，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端光檢測(cè)器的平均噪聲功率。這時(shí)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。(4.10a)(I0>D)(4.10b)59式中y=(I1-Im)/?！?”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對(duì)于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認(rèn)為Pe,01=Pe,10時(shí)，可以使誤碼率達(dá)到最小。(4.11a)(Im-I1)>(Im-D)(4.11b)把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：60因此，總誤碼率(BER)可以表示為：(4.12)式中Q=(4.13a)Q=(4.13b)61Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對(duì)“0”碼進(jìn)行取樣判決時(shí)，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流的倍數(shù)。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≈10-9，Q≈7，BER=10-12。62圖4.19誤碼率和Q的關(guān)系63Pr=10lg(4.14)

4.2.4靈敏度

靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定義是，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(jī)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

靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能夠接收微弱光信號(hào)的能力。

提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。64

1.理想光接收機(jī)的靈敏度假設(shè)光檢測(cè)器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測(cè)出單個(gè)光子形成的電子-空穴對(duì)所產(chǎn)生的光電流，這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。

它的靈敏度只受到光檢測(cè)器的量子噪聲的限制，因?yàn)榱孔釉肼暿前殡S光信號(hào)的隨機(jī)噪聲，只要有光信號(hào)輸入，就有量子噪聲存在。

65首先考慮理想光接收機(jī)的誤碼率。當(dāng)光檢測(cè)器沒有光輸入時(shí)，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(dāng)一個(gè)光脈沖輸入時(shí)，光檢測(cè)器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。這個(gè)概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe,10=exp(-n)，n為一個(gè)碼元的平均光子數(shù)。

當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時(shí)，誤碼率為：Pe=(4.15)

Pe,01+Pe,10=exp(-n)66現(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(NRZ)，每個(gè)光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb，一個(gè)碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機(jī)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(zhǎng)，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(shí)的量子效率為η?！碢〉min=（4.16）67Pr=10lg(4.17)

對(duì)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(gè)光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時(shí)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(jì)算出的不同λ和不同fb的Pr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(gè)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(zhǎng)和傳輸速率的關(guān)系。把這些關(guān)系代入式(4.16)，得到理想光接收機(jī)靈敏度:68-65.7-59.2-71.1-63.8靈敏度pr/dB度fb/(Mb.s-1)1.551.31波長(zhǎng)/m表4.1理想光接收機(jī)的接收機(jī)69

2.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(jì)算也十分復(fù)雜，這里只作簡(jiǎn)要介紹。利用誤碼率的公式(4.12)、(4.13)可以計(jì)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(hào)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(hào)的光功率P1和光電流I1的關(guān)系為式中，g為APD倍增因子(對(duì)于PINPD，g=1)，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率。（4.18）I1=gρP1=2gρ〈P〉70

Q=(4.19)式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時(shí)的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，（4.20）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)得到給定Q值，便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率71N0=NAN1=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(cè)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(duì)于PIN光電二極管，ND<<NA，g=1，式(4.20)可以簡(jiǎn)化為式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率?！碢〉min=(4.21)72設(shè)PIN-PD光接收機(jī)的工作參數(shù)如下：光波長(zhǎng)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(jì)算得到〈P〉min=1.5×10-8W，Pr=-48.2dBm。這樣計(jì)算光接收機(jī)的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒有考慮下列因素：波形引起的碼間干擾的影響；均衡器頻率特性的影響；光檢測(cè)器暗電流和信號(hào)含直流光的影響。73圖4.20示出典型短波長(zhǎng)光接收機(jī)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(cè)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(duì)脈沖展寬σ/T=0.3。由圖可見，在限定誤碼率的條件下，決定光接收機(jī)靈敏度的主要因素是：?

傳輸速率和光檢測(cè)器

?前置放大器的噪聲特性作為例子，圖4.21示出一個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)誤碼率和平均接收光功率的關(guān)系。74圖4.20典型短波長(zhǎng)光接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系的關(guān)系754.21實(shí)測(cè)誤碼率與平均接收光功率76A=(4.22)4.2.5自動(dòng)增益控制和動(dòng)態(tài)范圍放大器是一個(gè)普通的寬帶高增益放大器，由于前置放大器輸出信號(hào)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(jí)放大器級(jí)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)得到式中，g為APD倍增因子，ρ為光檢測(cè)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(gè)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使光接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。77

DR=10lg(4.23)

對(duì)于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測(cè)器的偏壓和放大器的輸出；對(duì)于PIN光接收機(jī)，AGC只控制放大器的輸出。動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)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)定義動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)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(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實(shí)現(xiàn)。784.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)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(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。79簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來如下問題：

?在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)，給光接收機(jī)的判決帶來困難。

?在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長(zhǎng)串連“１”碼或長(zhǎng)串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。

?不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)，不利于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)的維護(hù)。80

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有：(1)能限制信號(hào)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(jī)的靈敏度。(2)能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)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(shí)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(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。81

4.3.1擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)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(duì)應(yīng)的前饋移位寄存器實(shí)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…82①不能完全控制長(zhǎng)串連“１”和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn)②沒有引入冗余，不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)；③信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求，所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。擾碼有下列缺點(diǎn)：83

4.3.2mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)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。

841.mBnB碼編碼原理最簡(jiǎn)單的mBnB碼是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(huì)超過兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。85以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個(gè)碼字，變換為4B碼時(shí)，共有(24)16個(gè)碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來代替3B碼。設(shè)計(jì)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(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“１”；在3B碼中有2個(gè)“1”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。8601111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表4.23B和4B的碼字

87作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字?jǐn)?shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個(gè)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(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001，WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。88

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(gè)規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。89線路碼（4B）信號(hào)碼（3B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表4.3一種3B4B碼表90我國(guó)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，其編碼規(guī)則如下：5B碼共有(25)32個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，其中WDS=0有20個(gè)，WDS=±2有15個(gè)，WDS=-2有15個(gè)，共有50個(gè)|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。當(dāng)然禁用WDS=±4和±6的碼字。表4.4示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。表中正組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=+2，負(fù)組選用20個(gè)WDS=0和12個(gè)WDS=-2。9192線路碼（6B）信號(hào)碼（5B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表93mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)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(shí)信息豐富。(2)高低頻分量較小，信號(hào)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(cè)。mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號(hào)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。94

2.編譯碼器有兩種編譯碼電路：

?一種是組合邏輯電路，就是把整個(gè)編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模專用集成塊，國(guó)外設(shè)備大多采用這種方法。

?一種是把設(shè)計(jì)好的碼表全部存儲(chǔ)到一塊只讀存儲(chǔ)器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國(guó)內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。以3B4B碼為例，碼表存儲(chǔ)編碼器的工作原理示于圖4.22。首先把設(shè)計(jì)好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號(hào)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(chǔ)的碼表，輸出與地址對(duì)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。95圖4.22碼表存儲(chǔ)編碼器原理96圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=±2時(shí)，從A、B分別送出控制信號(hào)，通過C線決定組別。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時(shí)，把送來的已變換的4B信號(hào)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(hào)碼流。