第四章：線路編碼教材

4.3線路編碼加擾二進(jìn)制碼1B2B碼mBnB碼插入比特碼單極性與雙極性信號(hào)簡單的二電平碼會(huì)帶來如下問題：

?在隨機(jī)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(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)，不利于長途通信系統(tǒng)的維護(hù)。

?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。接收機(jī)的單個(gè)輸入脈沖接收機(jī)的單個(gè)輸出脈沖進(jìn)入接收機(jī)的“1”比特序列接收機(jī)輸出的“1”比特序列判決閾值基線漂移圖8.8傳輸長連NRZ“1”碼時(shí)引起的接收機(jī)基線漂移效應(yīng)

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。

加擾二進(jìn)制碼擾碼改變了“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(diǎn)：

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(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。1B2B碼1B2B是最簡單的mBnB碼，常用的有三種編碼類型：1、CMI碼：“1”：11、00交替使用“0”：用01代替例子時(shí)鐘信號(hào)2、曼徹斯特碼：“1”：10代替

“0”：01代替最大的連“０”和連“１”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，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。

3、DMI碼：“1”：11、00代替“0”：01、10代替時(shí)鐘信號(hào)mBnB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。

mBnB碼是一種提高信號(hào)傳輸速率的編碼方法

碼字?jǐn)?shù)字和（WDS）：nB碼組的單個(gè)碼字中將0作為-1，1作為+1計(jì)算出的代數(shù)和，即為碼字?jǐn)?shù)字和。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。

1、mBnB碼分類按WDS分類：A：零不均等碼：叫做均等mBnB碼（n>=m+2）碼組內(nèi)0、1的個(gè)數(shù)相等。（誤碼校驗(yàn)方便）例如：6B8BB：1不均等碼：m比特碼只占用n比特碼中不均等為-1的碼字。（0多，節(jié)省光功率）。例如：5B7BC：平衡不均等碼：需要用兩種模式。

2B3B5B6B

mBnB編碼原則：

1、盡可能選擇d

絕對(duì)值小的碼字

2、禁止用d

絕對(duì)值最大的碼字

3、選擇連0、1少的碼字（正負(fù)模式交替使用）碼速提高率H=n-m/n*100%2、3B4B碼

輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個(gè)碼字，變換為4B碼時(shí)

數(shù)字3B4B方式1負(fù)模式方式2正模式012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101一、列出mB和nB的狀態(tài)表二、算出nB各種狀態(tài)的d值三、選出d絕對(duì)值最小的nB四、在d絕對(duì)值次小的正負(fù)模式并找出其中連0、1少的交替使用五、其他沒有選用的為禁用字

3、5B6B碼5B碼有32個(gè)碼字6B碼共有64個(gè)碼字，其中d=0有20個(gè)，d=±2有30個(gè)，共有20個(gè)|d|最小的碼字可選。由于變換為6B碼時(shí)需32個(gè)碼字，要在選出12對(duì)正負(fù)模式，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。

4、mBnB碼是一種分組碼，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)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。

插入比特碼1、構(gòu)造：輸入的信息序列以m比特為一組，每組后面插入一比特冗余比特，碼速變?yōu)閙/m+12、根據(jù)用途不同，分為三種：

(1)mB1Ci

mB碼為：100110001101……mB1C1碼為：1001110100101010……C碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測(cè)；同時(shí)改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。(2)mB1PP碼為奇校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“1”碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，例如：

mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1000000100101101……

當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼為奇數(shù)時(shí)，則認(rèn)為無誤碼。可以解決長的連0、1在線實(shí)現(xiàn)誤碼監(jiān)測(cè)什么時(shí)候不能解決長連1？P碼為偶校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，例如：

mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1001000000111100……

當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“１”碼為偶數(shù)時(shí)，則認(rèn)為無誤碼。

可以解決長的連1在線實(shí)現(xiàn)誤碼監(jiān)測(cè)不能解決長連0？（3）mB1H插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：一：C碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)；二：L碼，用于區(qū)間通信；三：G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。

常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。mBLmBCmBGC以4B1H碼為例，它的優(yōu)點(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值小；可以實(shí)現(xiàn)在線誤碼檢測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求?；仡櫍?、適合光纖系統(tǒng)的幾種線路編碼2、各種線路編碼的編碼方式3、各種編碼的特點(diǎn)第八章：光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)光纖光發(fā)射器音頻到數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換器數(shù)字電信號(hào)到音頻轉(zhuǎn)換器光檢測(cè)器8.1光發(fā)射機(jī)光纖通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，所以要將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，即需要光源。LD:用于長距離，高速率的系統(tǒng)LED：短距離，低容量的系統(tǒng)或是模擬系統(tǒng)對(duì)光源有一些要求（第四章）(1)發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，即遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。(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。

(5)此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。

LDLED各自特點(diǎn)：

LDLED1.輸出功率較大（幾到幾十mW）輸出功率較小（1-2mW）2.帶寬大，調(diào)制速率高----小-----低3.相干光非相干光4.與光纖耦合度高耦合度低5.光譜窄圖光譜較寬6.制造工藝難度大成本高難度小7.P-I曲線線性好圖

I小時(shí)，P-I曲線線性好圖

I大時(shí)，功率趨于飽和8.需要APC、ATC控制，有Ith

溫度特性好，無需溫度控制9.有模式噪聲無模式噪聲10.工作壽命短，可靠性一般工作壽命長，可靠性高波長、通信容量、模式、及通信距離之間的關(guān)系短波長0.85μ

m

短距離，小容量

多模光纖長波長1.31μm

單模光纖中距離，中容量長波長1.55μm

超長距離，超大容量單模光纖（零色散光纖）長距離，大容量一、發(fā)射機(jī)框圖1、光發(fā)射機(jī)主要由調(diào)制電路和控制電路組成的輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光調(diào)制器光源保護(hù)報(bào)警偏置電路APCATC電信號(hào)光信號(hào)2、光發(fā)射機(jī)個(gè)部分作用輸入電路：驅(qū)動(dòng)電路：光源：光調(diào)制器：自動(dòng)偏置：APC、ATC：保護(hù)報(bào)警：將PCM脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镹RZ/RZ碼a調(diào)制電路：給光源加一直流偏置（直接）b恒定電流：使光源輸出連續(xù)光波（間接）電光轉(zhuǎn)換調(diào)制光源輸出的連續(xù)波加直流偏置，穩(wěn)定光功率穩(wěn)定光功率和工作溫度監(jiān)測(cè)和報(bào)警光源的工作狀態(tài)二、光波的調(diào)制光波的調(diào)制：在光纖通信系統(tǒng)中，把隨信息變化的電信號(hào)加到光載波上，是光載波按信息的變化而變化。電信號(hào)的調(diào)制：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相…光信號(hào)的調(diào)制：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相…等多種調(diào)制方式但是在光頻段多采用強(qiáng)度調(diào)制方式。1、調(diào)制方式從調(diào)制方式與光源的關(guān)系來分：強(qiáng)度調(diào)制分為：a、直接調(diào)制:電信號(hào)直接調(diào)制光源的偏置電流b、間接調(diào)制:基于電光、聲光、磁光。。效應(yīng)，光信號(hào)通過調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制用LD作光源的發(fā)射機(jī)框圖輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光源保護(hù)報(bào)警偏置電路APCATC電信號(hào)光信號(hào)直接調(diào)制輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光調(diào)制器光源保護(hù)報(bào)警偏置電路APCATC電信號(hào)光信號(hào)間接調(diào)制用LED作光源的發(fā)射機(jī)框圖輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光源偏置電路電信號(hào)光信號(hào)用LED作光源采用直接強(qiáng)度調(diào)制的方式：即通過改變LED的注入電流調(diào)制輸出光功率2、從調(diào)制信號(hào)的形式來分:a.數(shù)字調(diào)制：主要指PCM脈碼調(diào)制，先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成一組二進(jìn)制脈沖代碼，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通斷控制（直接和間接調(diào)制）

模擬基帶信號(hào)直接調(diào)制光源用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號(hào)調(diào)制副載波b.模擬調(diào)制：LED輸出光功率PIDIDIIB二極管電流1、LED的模擬直接調(diào)制原理三、LED的驅(qū)動(dòng)電路連續(xù)的模擬信號(hào)疊加在直流偏置電流上適當(dāng)選擇電流偏置的大小，是靜態(tài)工作點(diǎn)位于LED特性曲線的中點(diǎn),減小光信號(hào)的非線性失真。調(diào)制深度m=Im/IBIm:調(diào)制電流幅值IB:偏置電流幅值LED的模擬驅(qū)動(dòng)與偏置電路共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路

C濾除直流,U通過R1、R2：為三極管提供偏置電壓晶體管工作在甲類狀態(tài)，調(diào)整基極偏置，使晶體管工作在線性區(qū)，并使靜態(tài)集電極電流

IB=Im/mR和鍺二極管：與LED并聯(lián)起到分流作用，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電流范圍，提高LED的線性UCRLEDUinVR1R22、LED的數(shù)字直接調(diào)制原理信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用單向脈沖電流的0、1控制LED的發(fā)光與否輸入電路驅(qū)動(dòng)電路光源調(diào)制后的光信號(hào)I調(diào)制信號(hào)PLED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)與偏置電路UCR2LEDC1R1UinVR3共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路

碼速不高時(shí)，不需要偏置電路碼速高時(shí)，需要偏置電路幾種典型的驅(qū)動(dòng)電路：a.共射級(jí)驅(qū)動(dòng)電路b.低阻抗電路c.發(fā)射級(jí)耦合開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路四、LD的驅(qū)動(dòng)電路1、LD的直接調(diào)制原理模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制Ith電光延遲：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。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)：

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)”。張弛振蕩：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。2、驅(qū)動(dòng)條件的選擇及調(diào)制電流的選擇A、偏置電流的選擇（1）加大直流偏置電流，使其逼近IthLD幾個(gè)納米c/2nL:100～200GHzfIBLDfLD無/有偏置時(shí)的脈沖瞬態(tài)波形和光譜減小電光延遲時(shí)間、抑制張弛振蕩較小的調(diào)制電流可獲得足夠的光功率減小碼型效應(yīng)“碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)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(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)增加注入電流i，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。（a)、(b)碼型效應(yīng)波形；（c）改善后波形電光延遲還會(huì)產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使后一個(gè)光脈沖幅度受到前一個(gè)脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”，如下圖(a)、(b)所示?？紤]在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調(diào)制時(shí)，第一個(gè)脈沖過后，存儲(chǔ)在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，就會(huì)使第二個(gè)脈沖到來之時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電子并沒有完全復(fù)合消失，此時(shí)有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會(huì)增大。消除碼型效應(yīng)最簡單的方法就是增加直流偏置電流。當(dāng)激光器偏置在閾值附近時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖過后有源區(qū)內(nèi)電子密度變化不大，電子存儲(chǔ)的時(shí)間大大減小，碼型效應(yīng)就可得到抑制。還可以采用在每一個(gè)正脈沖后跟一個(gè)負(fù)脈沖的雙脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的方法，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：τo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τspτph。由式(4.1)~式(4.3)可以看到：

(1)張弛振蕩頻率ωr隨j的增加而增加。

(2)張弛振蕩幅度衰減時(shí)間τo隨j的增加而減小。

(3)電光延遲時(shí)間td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ld-02。

EXT>10dBIB=(0.85~0.9)Ith“0”碼—熒光區(qū)“1”碼—激光區(qū)（2）加大直流偏置電流會(huì)使激光器的消光比惡化。消光比：激光器在全“1”碼時(shí)發(fā)送的光功率P1與全“0”碼時(shí)發(fā)送的光功率P0之比(光脈沖通斷比)B、調(diào)制電流的選擇（3）驅(qū)動(dòng)脈沖電流的峰-峰值Im取值范圍：Im+IB=(1.2~1.3)Ith以避免結(jié)發(fā)熱效應(yīng)和碼型效應(yīng)結(jié)發(fā)熱：閾值和輸出光功率隨結(jié)溫的變化。穩(wěn)態(tài)：輸出特性曲線隨溫度變化（長時(shí)間的）瞬態(tài)：在一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的變化穩(wěn)態(tài)P和IthT瞬態(tài)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)及調(diào)制失真結(jié)論：偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張弛振蕩、碼型效應(yīng)、激光器的消光比等各方面的情況。且激光器的電阻較小，所以激光器的偏置電路應(yīng)為高阻恒