《光通信复习及》PPT课件.ppt

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1、 第第4章章光端机光端机 4.1光发射机光发射机4.2光接收机光接收机4.3线路编码线路编码4.1光发射机光发射机 数字光发射机数字光发射机的功能功能:电端机输出的数字基带电电电电信号转换为光光光光信号 用耦合技术注入注入注入注入光纤线路 用数字电信号对光源进行调制调制调制调制 调制分为直接调制直接调制和外调制外调制两种方式 受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：功率、功率、功率、功率、幅度、频率和相位幅度、频率和相位幅度、频率和相位幅度、频率和相位 输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI（a）LED数字调制原理输出光

2、信号输出光信号输入电信号输入电信号IinIthIb(b)LD的数字调制原理 当当激激光光器器的的驱驱动动电电流流大大于于阈阈值值电电流流Ith时时，输输出出光光功率功率P和驱动电流和驱动电流I基本上是基本上是线性关系线性关系线性关系线性关系 输出输出光功率光功率光功率光功率和和输入电流输入电流输入电流输入电流成正比，成正比，输出光信号反映输入电信号输出光信号反映输入电信号 4.1.1光发射机基本组成光发射机基本组成数数字字光光发发射射机机的的方方框框图图如如图图4.2所所示示，主主要要有有光光源源和和电电路路两部分。两部分。光光源源是是实实现现电电/光光转转换换的的关关键键器器件件，在在很很大

3、大程程度度上上决决定定着着光发射机的性能。光发射机的性能。电电路路的的设设计计应应以以光光光光源源源源为为依依据据，使使输输输输出出出出光光光光信信信信号号号号准准确确反反映映输输输输入入入入电信号。电信号。电信号。电信号。输入接口驱动电路光源光调制器电信号输入电信号输入光信号输出光信号输出图图4.2数字光发射机方框图数字光发射机方框图保护电路自动偏置1.光源光源对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下(1)发发射射的的光光波波长长应应和和光光纤纤低低损损耗耗“窗窗口口”一一致致，即即中中心心波波长长应在应在0.85m、1.31m和和1.55m附

4、近。附近。光光谱谱单单色色性性要要好好，即即谱谱线线宽宽度度要要窄窄，以以减减小小光光纤纤色色散散对对带带宽的限制宽的限制。(2)电电电电/光光光光转转转转换换换换效效效效率率率率要要高高，即即要要求求在在足足够够低低的的驱驱动动电电流流下下，有有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发发射射光光束束的的方方方方向向向向性性性性要要要要好好好好，即即远远场场的的辐辐射射角角要要小小，以以利利于于提提高光源与光纤之间的高光源与光纤之间的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率。(3)允允允允许许许许的的的的调调制制速速率率要要高高或或响响应应速速度度要要快快，以以满

5、满足足系系统统的的大传输容量的要求。大传输容量的要求。(4)器器件件应应能能在在常常温温下下以以连连续续波波方方式式工工作作，要要求求温温度度稳稳定定性好，性好，可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。(5)此此外外，要要求求器器件件体体积积小小，重重量量轻轻，安安装装使使用用方方便便，价价格格便宜。便宜。以以上上各各项项中中，调调制制速速率率、谱谱线线宽宽度度、输输出出光光功功率率和和光光束束方方向向性性，直直接接影影响响光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输容容量量和和传传输输距距离离，是是光光源源最重要的技术指标。最重要的技术指标。2.调制电路和控制电路调制电路和控制电路直直接接光光强强调调制

6、制的的数数字字光光发发射射机机主主要要电电路路有有:调调制制电电路路、控控制制电路和线路编码电路电路和线路编码电路采用采用激光器激光器激光器激光器作光源时，还有作光源时，还有偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路对调制电路和控制电路的要求如下：对调制电路和控制电路的要求如下：(1)输输出出光光脉脉冲冲的的通通断断比比(全全“1”码码平平均均光光功功率率和和全全“0”码码平平均均光光功功率率的的比比值值，或或消消光光比比EXT的的倒倒数数)应应大大于于10，以以保保证证足足够够的的光接收信噪比。光接收信噪比。(2)输输出出光光脉脉冲冲的的宽宽度度应应远远大大于于开开开开通通通通延延延延迟迟迟迟(电电电

7、电光光光光延延延延迟迟迟迟)时时时时间间间间，光光脉脉冲冲的的上上升升时时间间、下下降降时时间间和和开开通通延延迟迟时时间间应应足足够够短短，以以便便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形.(3)对对激激光光器器应应施施加加足足够够的的偏偏置置电电流流，以以便便抑抑制制在在较较高高速速率率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作.(4)应应采采用用自自动动功功率率控控制制(APC)和和自自动动温温度度控控制制(ATC)，以以保证输出光功率有足够的稳定性保证输出光功率有足够的稳定

8、性.3.线路编码电路线路编码电路 电电端端机机输输出出的的数数字字信信号号是是适适合合电电缆缆传传输输的的双双极极性性码码，而而光光源不能发射负脉冲，源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的要变换为适合于光纤传输的单极性码。单极性码。单极性码。单极性码。双极性码：双极性一般指的是用正、负电平脉冲代表双极性码：双极性一般指的是用正、负电平脉冲代表0、1单单单单极极极极性性性性码码码码：一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下是是是是指指指指单单单单极极极极性性性性非非非非归归归归零零零零，即即即即0 0、1 1分分分分别别别别由由由由脉脉脉脉冲的有无来代表冲的有无来代表冲的有无来代表冲的有无来

9、代表。4.1.2调制特性调制特性 半半导导体体激激光光器器是是光光纤纤通通信信的的理理想想光光源源，但但在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下，其其瞬瞬态态特特性性仍仍会会出出现现许许多多复复杂杂现现象象，如如常常见见的的电电光光延延迟迟、张弛振荡张弛振荡和和自脉动现象自脉动现象。这这些些特特性性严严重重限限制制系系统统传传输输速速率率和和通通信信质质量量，因因此此在在电电路的设计时要给予充分考虑。路的设计时要给予充分考虑。1.电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡现象现象半半导导体体激激光光器器在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下，输输出出光光脉脉冲冲瞬瞬态态响响应应

10、波波形如图形如图4.3所示。所示。输输出出光光脉脉冲冲和和注注入入电电流流脉脉冲冲之之间间存存在在一一个个初初始始延延迟迟时时间间，称为称为电光延迟时间电光延迟时间电光延迟时间电光延迟时间td，其数量级一般为，其数量级一般为ns。当当电电流流脉脉冲冲注注入入激激光光器器后后，输输出出光光脉脉冲冲会会出出现现幅幅度度逐逐渐渐衰衰减减的的振振荡荡，称称为为张张张张弛弛弛弛振振振振荡荡荡荡，其其振振荡荡频频率率fr(=r/2)一一般般为为0.52GHz。这这些些特特性性与与激激光光器器有有源源区区的的电电电电子子子子自自自自发发发发复复复复合合合合寿寿寿寿命命命命和和谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内光子寿

11、命内光子寿命内光子寿命内光子寿命以及以及注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量有关。有关。图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 张弛振荡张弛振荡张弛振荡张弛振荡和和电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟的后果是的后果是限制调制速率限制调制速率限制调制速率限制调制速率。当当最最高高调调制制频频率率接接近近张张弛弛振振荡荡频频率率时时，波波形形失失真真严严重重，会会使使光光接接收收机机在在抽抽样样判判决决时时增增加加误误码码率率，因因此此实实际际使使用用的的最最最最高高高高调调调调制频率应低于张弛振荡频率制频率应低于张弛振荡频率制频率应低于张弛振荡频率制频率应低于张弛振荡频率

12、。2.自脉动现象自脉动现象某某些些激激光光器器在在脉脉冲冲调调制制甚甚至至直直流流驱驱动动下下，当当注注入入电电流流达达到到某某个个范范围围时时，输输出出光光脉脉冲冲出出现现持持续续等等幅幅的的高高频频振振荡荡，这这种种现现象象称为称为自脉动现象自脉动现象，如图，如图4.5所示。所示。自脉动频率可达自脉动频率可达2GHz，严重影响，严重影响LD的高速调制特性。的高速调制特性。电脉冲光脉冲图4.5 激光器自脉冲动现象自自脉脉动动现现象象是是激激光光器器内内部部不不均均匀匀增增益益或或不不均均匀匀吸吸收收产产生生的的，往往往往和和LD的的P-I曲曲线线的的非非线线性性有有关关,自自脉脉动动发发生生

13、的的区区域域和和P-I曲线扭折区域相对应。曲线扭折区域相对应。4.1.3调制电路和自动功率控制调制电路和自动功率控制 数数字字信信号号调调制制电电路路应应采采用用电电流流开开关关电电路路，最最常常用用的的是是差差分分电电流开关电路流开关电路。图图4.6示示出出由由三三极极管管组组成成的的共共共共发发发发射射射射极极极极驱驱驱驱动动动动电电电电路路路路，这这种种简简单单的的驱驱动电路主要用于以发光二极管动电路主要用于以发光二极管WTBZLED作为光源的光发射机。作为光源的光发射机。图图4.6共发射极驱动电路共发射极驱动电路 数字信号数字信号Uin从三极管从三极管V的基极输入，通过集电极的的基极输

14、入，通过集电极的电流驱动电流驱动LED。数字信号。数字信号“0”码和码和“1”码对应于码对应于V的截止和的截止和饱和状态，电流的大小根据饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确对输出光信号幅度的要求确定。定。这这种种驱驱动动电电路路适适用用于于10Mb/s以以下下的的低低速速率率系系统统，更更高高速速率率系系统统应应采采用用差差分分电电流流开关电路。开关电路。图图4.7是是常常用用的的射射极极耦耦合合驱驱动动电电路路，适适合合于于激激光光器器系系统统使使用用。电电流流源源为为由由V1和和V2组组成成的的差差分分开开关关电电路路，它它提提供供了了恒恒定定的的偏偏置置电电流。流。在在V2基

15、基极极上上施施加加直直流流参参考考电电压压UB，V1集集电电极极的的电电压压取取决决于于LD的的正正向向电电压压，数数字字电电信信号号Uin从从V1基基极极输输入入。当当信信号号为为“0”码码时时，UB基基极极电电位位比比V1高高而而抢抢先先导导通通，V1截截止止，LD不不发发光光；反反之之，当当信信号号为为“”码码时时，UB基基极极电电位位比比V1低低，V1抢抢先先导导通通，驱驱动动LD发发光。光。V1和和V2处处于于轮轮流流截截止止和和非非饱饱和和导导通通状状态态，有有利利于于提提高高调调制制速速率率。当当三三极极管管截截止止频频率率fr4.5GHz时时，这这种种电电路路的的调调制制速速率

16、率可可达达300Mb/s。射射极极耦耦合合电电路路为为恒恒流流源源，电电流流噪噪声声小小，这这种种电电路路的的缺缺点点是是动动态范围小，功耗较大态范围小，功耗较大。图图4.7射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 参考电压参考电压UB由于温度变化和工作时间加长，由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，化。为保证输出光功率的稳定，必须改进电路设计。图必须改进电路设计。图4.8是利是利用反馈电流使输出光功率稳定的用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和图驱动电路，其主体和图4.7相相同，只是由同，只是由V3支路为支路为LD提供

17、的偏置电流提供的偏置电流Ib受到激光器背向输出受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值光平均功率和输入数字信号均值的控制。的控制。把把PD检检测测器器的的输输出出监监测测电电压压UPD、信信号号参参考考电电压压和和直直流流参参考考电电压压UR施施加加到到运运算算放放大大器器A1的的反反相相输输入入端端，经经放放大大后后，控控制制V3基极电压和偏置电流基极电压和偏置电流Ib，其控制过程如下：，其控制过程如下：PLD UPD (UPD+UR)UA1 Ib PLD 图 4.8 反馈稳定LD驱动电路+U 在在反反馈馈电电路路中中引引入入信信号号参参考考电电压压的的目目的的，是是使使LD的的偏偏置

18、置电流电流Ib不受码流中不受码流中“0”码和码和“1”码比例变化的影响。码比例变化的影响。图 4.9 APC电路原理 一个更加完善的一个更加完善的自动功率控制自动功率控制(APC)电路如图电路如图4.9所示。从所示。从LD背向输出的光功率，经背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器检测器检测、运算放大器A1放大后送放大后送到比较器到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经电压经A2比较放大后，送到比较放大后，送到A3的同相输入端。的同相输入端。A3和和V3组成直流组成直流恒流源调节恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。

19、的偏流，使输出光功率稳定。4.1.4温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制 1.激光器的温度特性激光器的温度特性激激光光器器的的温温度度特特性性在在3.1节节已已经经讨讨论论过过，温温度度对对激激光光器器输输出出光功率的影响主要通过光功率的影响主要通过阈值电流阈值电流Ith和和外微分量子效率外微分量子效率d产生。产生。图图4.10(a)和和(b)分分别别示示出出温温度度通通过过阈阈值值电电流流和和外外微微分分量量子子效效率引起的输出光脉冲的变化：率引起的输出光脉冲的变化：温度温度升高升高，阈值电流，阈值电流增加增加 外微分量子效率外微分量子效率减小减小，输出光脉冲幅度，输出光脉冲幅度下降

20、下降 温度对输出光脉冲会产生温度对输出光脉冲会产生“结发热效应结发热效应”。PPII 图 4.10 温度引起的光输出的变化(a)阈值电流变化引起的光输出的变化；(b)外微分量子效率变化引起的光输出的变化 20。C25。C20。C70。C 即即使使环环境境温温度度不不变变，由由于于调调制制电电流流的的作作用用，引引起起激激光光器器结结区区温温度度的的变变化化，因因而而使使输输出出光光脉脉冲冲的的形形状状发发生生变变化化，这这种种效效应应称称为为“结结发发热热效效应应”。I1I0t=0t=T图 4.11 结发热效应 电流脉冲光脉冲如图如图4.11所示，设所示，设t=0时时电脉冲到来，电脉冲到来，注

21、入电流为注入电流为I1，由于电，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激而升高，激光器的阈值电流随光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。而减小。当当t=T时时电流脉冲过后，注入电流从电流脉冲过后，注入电流从I1减小到减小到I0，电流散发的，电流散发的热量减少，结区温度随热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。幅度增大。“结发热效应结发热效应”将引起调制失真将引起调制失真。与与调调制制速速率率对对激激光光器器瞬瞬态态特

22、特性性的的影影响响相相反反，低低调调制制速速率率的的“结发热效应结发热效应”更加明显更加明显。这这是是因因为为随随着着调调制制速速率率的的提提高高，码码元元时时间间间间隔隔缩缩短短，使使结结区温度来不及发生变化。区温度来不及发生变化。2.自动温度控制自动温度控制半半导导体体光光源源的的输输出出特特性性受受温温度度影影响响很很大大，特特别别是是长长长长波波波波长长长长半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器对对温温度度更更加加敏敏感感。为为保保证证输输出出特特性性的的稳稳定定，对对激激光光器进行温度控制是十分必要的。器进行温度控制是十分必要的。温温度度控控制制装装置置一一般般由由致致冷冷

23、器器、热热敏敏电电阻阻和和控控制制电电路路组组成成，图图4.12示出温度控制装置的方框图。示出温度控制装置的方框图。致致致致冷冷冷冷器器器器的的冷冷端端和和激激光光器器的的热热沉沉接接触触，热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻作作为为传传感感器器，探探测测激激光光器器结结区区的的温温度度，并并把把它它传传递递给给控控制制电电路路，通通过过控控控控制制制制电电电电路路路路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。图 4.12 温度控制方框图 激光器致冷器热敏电阻热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻目目前前，微微微微致致致致冷冷

24、冷冷大大多多采采用用半半导导体体致致冷冷器器，它它是是利利用用半半导导体体材材料料的的珀珀尔尔帖帖效效应应（就就是是电电流流流流过过两两种种不不同同导导体体的的界界面面时时，将将从从外外界界吸收热量，或向外界放出热量吸收热量，或向外界放出热量）制成的电偶来实现致冷的制成的电偶来实现致冷的用用若若干干对对电电偶偶串串联联或或并并联联组组成成的的温温差差电电功功能能器器件件，温温度度控控制制范围可达范围可达3040。为为提提高高致致冷冷效效率率和和温温度度控控制制精精度度，把把致致冷冷器器和和热热敏敏电电阻阻封封装装在在激激光光器器管管壳壳内内，温温度度控控制制精精度度可可达达0.5。从从而而使使

25、激激光光器器输输出出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。ATCATC电电电电路路路路主主要要由由R1、R2、R3和和热热敏敏电电阻阻RT组组成成“换换能能”电电桥桥，通通过过电电桥桥把把温温度度的的变变化化转转换换为为电电量量的的变变化化。运运算算放放大大器器A的的差差动动输输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。的基极电流。在在设设定定温温度度(例例如如20)时时，调调节节R3使使电电桥桥平平衡衡，A、B两两点点没没有有电电位位差差，传传输输到到运运算算放放大大器器A的的信信号号为为零零，流流过过

26、致致致致冷冷冷冷器器器器TEC的的电电流流也也为为零零。当当环环境境温温度度升升高高时时，LD的的管管芯芯和和热热沉沉温温度度也也升升高高，使使具具有有负负温温度度系系数数的的热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻RT的的阻阻值值减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡。这这时时B点点的的电电位位低低于于A点点的的电电位位，运运算算放放大大器器A的的输输出出电电压压升升高高，V的的基基极极电电流流增增大大，致致冷冷器器TEC的的电电流流也也增增大大致致致致冷冷冷冷端端端端温温度度降降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。这个控制过程可以表示如下：T(环

27、 境)T(LD、热 沉)RT I(致 冷 器)T(LD)ATC的致冷器和热敏电阻致冷器和热敏电阻致冷器和热敏电阻致冷器和热敏电阻以及APC的PIN-PD封装在LD管壳内构成的组件。4.2光接收机光接收机4.2.1光接收机基本组成光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14。主要包括：光光检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、均均衡衡器器、时时钟钟提提取电路、取样判决器取电路、取样判决器以及自动增益控制自动增益控制(AGC)电路电路。图 4.14 数字光接收机方框图 光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号1

28、.光检测器光检测器 光光检检测测器器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、1.31 m和1.55 m)兼容；(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光光电电二二极极管管和雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。2.放大器放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声

29、取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)。主放大器主放大器主放大器主放大器一般是多级放大器，它的作用是：（1）提供足够的增益 （2）并通过它实现自自动动增增益益控控制制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。动态范围。3.均衡和再生均衡和再生 均衡的目的：均衡的目的：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿 使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括：再生电路包括：判决电路判决电路和时钟提取电路时钟提取电路

30、 4.光电集成接收机光电集成接收机 图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光光电电集集成成电电路路(OEIC)技技术术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。对于工作在1.31.6 m波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机接收机。在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。InGaAs OEIC接

31、收机也可以用混合法实现混合法实现。如图4.15所示，电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。图 4.15 光电集成接收机 4.2.2噪声特性噪声特性 光接收机的噪声有两部分：噪声有两部分：外外部部电电磁磁干干扰扰产产生生 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；内内部部产产生生 这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声随机噪声随机噪声随机噪声。光接收机噪噪噪噪声声声声的的的的主主主主要要要要来来来来源源源源是是是是:光光光光检检

32、检检测测测测器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声和和和和前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。图 4.16 光接收机的噪声等效模型 图4.16示出光接收机的噪声等效模型，由光光光光检检检检测测测测器器器器和和放放放放大大大大器器器器两部分组成。p157 iq2光检测器的量子噪声 功率谱密度分别表示为 Sq id2暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)，其相应的功率谱密度 Sdip 光检测器的输出光生电流R 光检测器的偏置

33、电阻和C 光检测器的电容(结电容和其他电容)放大器分解为放大器分解为:理想放大器理想放大器相应的功率谱密度 SI 等效噪声电流源等效噪声电流源i02相应的功率谱密度 SE 电电压压源源u02，相应的功率谱密度 Rin放大器的输入电阻。光检测器等效噪声特性请参看3.2节的内容。放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图4.17，其输出的等效噪声功率等效噪声功率NA为：为：场效应管场效应管(FET)前置放大器前置放大器(4.5)(4.4)双极型晶体管双极型晶体管(BJT)前置放大器前置放大器跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器

34、-双极型晶体管双极型晶体管(4.6)跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器-场效应管场效应管(4.7)图 4.17 光接收机的前置级放大电路(a)双极型晶体管；(b)场效应管；(c)跨阻型 三种类型前置放大器的比较：(1)双双极极型型晶晶体体管管前前置置放放大大器器的主要特特点点是输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。(2)场场效效应应管管前前置置放放大大器器的主要特特点点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。(3)跨跨阻阻型型前前置置放放大大器器最大的优优点点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。4.2.3误码率误码率

35、 由由于于噪噪声声的的存存在在，放放大大器器输输出出的的是是一一个个随随机机过过程程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误误码码率率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)，用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。Im是“”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。图 4.18 计算误码率的示意图 在在“

36、”码码时时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可能被误判为“”码。要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布。光光接接收收机机输输出出噪噪声声的的概概率率分分布布十分复杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为概率密度函数为:式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为2。(4.8)在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，现在可以分别计算“0”码和“”码的误码率了。在发“0”码时，平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流)。由式

37、(4.8)得到发发“0”码码的的条条件件下下噪噪声声的的概概率率密密度函数为度函数为:(4.9)根据误码率的定义，把把“0”码码误误判判为为“1”码码的的概概率率，应应等等于于I0值超过值超过D值的概率值的概率，即式中x=I0/在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-ImD)(4.10b)式中y=(I1-Im)/。“0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率的码流而言，一一般般认认为为Pe,01=Pe,10时时，可可以以使使误误码

38、率达到最小。码率达到最小。(4.11a)(Im-I1)(Im-D)(4.11b)把把“1”码误判为码误判为“0”码的概率为：码的概率为：因此，总误码率总误码率(BER)可以表示为：(4.12)式中 Q=(4.13a)Q=(4.13b)Q称为超超扰扰比比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流 的倍数。由此可见，只要知道Q值，就可根据式(4.12)的积分求出误码率，结果示于图4.19。例如：Q=6,BER10-9，Q7，BER=10-12。图4.19 误码率和Q的关系4.3线路编码线路编码 在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性

39、码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“”码，“无光脉冲”表示“0”码。简单的二电平码会带来如下问题：简单的二电平码会带来如下问题：在码流中，出现“”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随随机机波波动动(基基线线漂漂移移)，给光接收机的判决带来困难。在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。数数字字光光纤纤通通信信系系统统对对线线路路

40、码码型型的的主主要要要要求求是是保保证证传传输输的的透透明性，具体要求有：明性，具体要求有：(1)能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。(2)能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。(3)能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。4.3.1扰码扰码 为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰扰码码器器，将将原原始始的的二二进进制

41、制码码序序列列加加以以变变换换，使使其其接接近于随机序列。近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰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位寄存器实现。移位寄存器实现。扰码改变了“”码与“0”码的分布，从而改善了码流的一些特性。例如：扰码前：1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后：1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 不能完全控制长串连“”和长串连“0”序列的出现 没有引入冗余，不能进行在线误码监测；信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线

42、路码型的要求，所以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。扰码扰码有下列缺点：缺点：4.3.2mBnB码码 mBnB码码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码码字字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其其中中m和和n都都是是正正整整数数，nm，一一般般选选取取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。1.mBnB码编码原理码编码原理 最简单的mBnB码是1B2B码，即曼曼彻彻斯斯特特码码，这就是把把原原码的码的“”变换为变换为

43、“01”，把把“1”变换为变换为“10”。因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特，码速提高了1倍。以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有(23)8个码字，变换为4B码时，共有(24)16个码字，见表4.2。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“”；在3B码中有2个“1”，变为4B码时补1个“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使

44、用的码字，称为禁字禁字，例如0000和1111。0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表表4.23B和和4B的码字的码字 作为普遍规则，引入“码码字字数数字字和和”(WDS)来描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。所谓“码码字字数数字字和和”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0

45、”码的数目多于“1”码，则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。例如：对于0111，WDS=+2；对于0001，WDS=-2；对于0011，WDS=0。nB码码的选选择择原原则则是是：尽可能选择|WDS|最小的码字，禁止使用|WDS|最大的码字。以3B4B为例，应选择WDS=0和WDS=2的码字，禁止使用WDS=4的码字。表4.3 示出根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正组和负组交替使用。线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010

46、100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000 表表4.3一种一种3B4B码表码表 我国3次群和4次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B码码，其编码规则如下：编码规则如下：5B码共有(25)32个码字，变换6B码时共有(26)64个码字，其中WDS=0有20个，WDS=2有15个，WDS=-2有15个，共有50个|WDS|最小的码字可供选择。由于变换为6B码时只需32个码字，为减少连“”和连“0”的数目，删去：000011、110000、001111和111100。当然禁用WDS=4和6的码字。表4.

47、4示出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正组和负组交替使用。表中正组选用20个 WDS=0和 12个 WDS=+2，负 组 选 用 20个 WDS=0和 12个WDS=-2。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+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125续表续表 mBnB码是一种分组码，设计者

48、可以根据传输特性的要求确定某种码表。mBnB码码的特点是：特点是：(1)码流中“0”和“1”码的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，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 (3)在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。mBnB码码的缺缺点点是是传输辅助信号比较困难。因此，在要求传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。2.编译码器编译码器 有两种编译码电路：一一种种是是组组合合逻逻辑辑电电路路，就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方法。一一种种是是把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PRO

49、M)内而构成，国内设备一般采用这种方法。以3B4B码为例，码表存储编码器的工作原理示于图4.22。首先把设计好的码表存入PROM内，待变换的信号码流通过串-并变换电路变为3比特一组的码b1、b2、b3，并行输出作为PROM的地址码，在地址码作用下，PROM根据存储的码表，输出与地址对应的并行4B码，再经过并-串变换电路，读出已变换的4B码流。图 4.22 码表存储编码器原理 图中A、B、C三条线为组别控制控制线，当WDS=2时，从A、B分别送出控制信号，通过C线决定组别。译译码码器器与与编编码码器器基基本本相相同同，只只是是除除去去组组别别控控制制部部分分。译码时，把送来的已变换的4B信号码流

50、，每4比特并联为一组，作为PROM的地址，然后读出3B码，再经过并-串变换还原为原来的信号码流。其他的mBnB码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度有所区别而已。4.3.3插入码插入码插插入入码码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)-一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。1.插入码的编码原理插入码的编码原理 mB1C码码的编编码码原原理理是是，把原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补补码码称为C码码，所以称为mB1C码码。补码插在mB码的末尾，连