光纖通信課件第四章.ppt

1 第4章光端機 2 本章內(nèi)容和重點 本章內(nèi)容光發(fā)送機 光接收機 光中繼器 光線路碼型本章重點 光發(fā)送機和光接收機的功能 電路組成和工作原理 光通信常用線路碼型 第4章光端機 3 學(xué)習(xí)本章目的和要求 掌握光發(fā)送機和光接收機的組成框圖及工作原理 熟悉光中繼器的組成框圖及工作原理 掌握光通信常用的線路碼型 第4章光端機 4 第4章光端機 光發(fā)送機與光接收機統(tǒng)稱為光端機 光端機位于電端機和光纖傳輸線路之間 如圖4 1所示 圖4 1光纖通信系統(tǒng)組成 光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖 光纜 和光端機 每一部光端機又包含光發(fā)送機和光接收機兩部分 通信距離長時還要加光中繼器 光發(fā)送機完成E O轉(zhuǎn)換 光接收機完成O E轉(zhuǎn)換 光纖實現(xiàn)光信號的傳輸 光中繼器延長通信距離 5 4 1光發(fā)送機 作用 是把從電端機送來的電信號轉(zhuǎn)變成光信號 并送入光纖線路進行傳輸 對光發(fā)送機的要求 1 有合適的輸出光功率光發(fā)送機的輸出光功率 是指耦合進光纖的功率 亦稱入纖功率 光源應(yīng)有合適的光功率輸出 一般為0 01mW 5mW 2 有較好的消光比消光比的定義為全 1 碼平均發(fā)送光功率與全 0 碼平均發(fā)送光功率之比 可用下式表示 4 1 式中 P11為全 1 碼時的平均光功率 P00為全 0 碼時的平均光功率 一般要求EXT 10dB 6 4 1光發(fā)送機 3 調(diào)制特性要好所謂調(diào)制特性好 是指光源的P I曲線在使用范圍內(nèi)線性特性好 否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真 除此之外 還要求電路盡量簡單 成本低 穩(wěn)定性好 光源壽命長等 7 4 1 1光發(fā)送機的基本組成 數(shù)字光發(fā)送機的基本組成包括均衡放大 碼型變換 復(fù)用 擾碼 時鐘提取 光源 光源的調(diào)制電路 光源的控制電路 ATC和APC 及光源的監(jiān)測和保護電路等 如圖4 2 圖4 2數(shù)字光發(fā)送機原理方框圖 8 4 1 1光發(fā)送機的基本組成 1 均衡放大 補償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變 2 碼型變換 將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼 3 復(fù)用 用一個大傳輸信道同時傳送多個低速信號的過程 4 擾碼 使信號達到 0 1 等概率出現(xiàn) 利于時鐘提取 5 時鐘提取 提取PCM中的時鐘信號 供給其它電路使用 6 調(diào)制 驅(qū)動 電路 完成電 光變換任務(wù) 7 光源 產(chǎn)生作為光載波的光信號 8 溫度控制和功率控制 穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率 9 其他保護 監(jiān)測電路 如光源過流保護電路 無光告警電路 LD偏流 壽命 告警等 9 4 1 2光源的調(diào)制 1 光源光源的作用是產(chǎn)生作為光載波的光信號 對光源的要求是 發(fā)送光波的中心波長應(yīng)在0 85 m 1 31 m和1 55 m附近 光譜的譜線寬度要窄 以減小光纖色散對帶寬的限制 電 光轉(zhuǎn)換效率高 發(fā)送光束方向性好 以提高耦合效率 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快 以滿足系統(tǒng)大的傳輸容量 器件的溫度穩(wěn)定性好 可靠性高 壽命長 器件體積小 重量輕 安裝使用方便 價格便宜 10 4 1 2光源的調(diào)制 2 調(diào)制方式有直接調(diào)制 內(nèi)調(diào)制 和間接調(diào)制 外調(diào)制 1 直接調(diào)制 基本概念及調(diào)制原理直接調(diào)制就是將電信號直接注入光源 使其輸出的光載波信號的強度隨調(diào)制信號的變化而變化 又稱為內(nèi)調(diào)制 調(diào)制原理如圖4 3所示 特點調(diào)制簡單 損耗小 成本低 但存在波長 頻率 的抖動 11 4 1 2光源的調(diào)制 圖4 3直接光強度數(shù)字調(diào)制原理 圖4 4間接調(diào)制激光器的結(jié)構(gòu) 12 4 1 2光源的調(diào)制 2 間接調(diào)制 基本概念及調(diào)制原理間接調(diào)制不直接調(diào)制光源 而是利用晶體的電光 磁光和聲光特性對LD所發(fā)出的光載波進行調(diào)制 即光輻射之后再加載調(diào)制電壓 使經(jīng)過調(diào)制器的光載波得到調(diào)制 這種調(diào)制方式又稱作外調(diào)制 如圖4 4所示 特點調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜 損耗大 而且造價也高 但譜線寬度窄 可以應(yīng)用于 2 5Gbit s的高速大容量傳輸系統(tǒng)之中 而且傳輸距離也超過300km以上 13 4 1 2光源的調(diào)制 3 調(diào)制特性 1 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 5所示 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(dāng)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 張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率 圖4 5光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 14 4 1 2光源的調(diào)制 2 碼型效應(yīng)電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng) 當(dāng)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 碼丟失 這種現(xiàn)象稱為 碼型效應(yīng) 如圖4 6 a b 所示 用適當(dāng)?shù)?過調(diào)制 補償方法 可以消除碼型效應(yīng) 如圖4 6 c 所示 圖4 6碼型效應(yīng) 15 4 1 3調(diào)制電路及自動功率控制 1 共發(fā)射極LED驅(qū)動電路圖4 7所示為由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動電路 這種驅(qū)動電路主要用于以LED作為光源的數(shù)字光發(fā)射機 適用于10Mbit s以下的低速率系統(tǒng) 2 射極耦合跟隨器LD驅(qū)動電路圖4 8是射極耦合跟隨器LD驅(qū)動電路 適合于LD系統(tǒng)使用 這種電路為恒流源 電流噪聲小 缺點是動態(tài)范圍小 功耗較大 3 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路圖4 9是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路 其控制過程如下 16 4 1 3調(diào)制電路及自動功率控制 圖4 8射極耦合LD驅(qū)動電路圖 圖4 7共發(fā)射極驅(qū)動電路 17 4 1 3調(diào)制電路及自動功率控制 圖4 9反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路 18 4 1 3調(diào)制電路及自動功率控制 4 帶自動功率控制的LD驅(qū)動電路更加完善的帶自動功率控制 APC 的電路如圖4 10所示 圖4 10APC電路原理 19 4 1 4溫度特性及自動溫度控制 1 激光器的溫度特性 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 d產(chǎn)生 如圖圖4 11 a 和 b 所示 當(dāng)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 溫度對輸出光脈沖的另一個影響是 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 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) 如圖4 12所示 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 將引起調(diào)制失真 20 4 1 4溫度特性及自動溫度控制 圖4 11溫度引起的光功率輸出的變化 圖4 12結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 21 4 1 4溫度特性及自動溫度控制 2 光源的自動溫度控制 ATC 1 溫度控制裝置的組成溫度控制裝置由致冷器 熱敏電阻和控制電路組成 圖4 13示出了溫度控制裝置的方框圖 圖4 13自動溫度控制原理方框圖 22 4 1 4溫度特性及自動溫度控制 2 自動溫度控制 ATC 原理圖4 14示出ATC電路原理圖 控制過程可以表示如下 圖4 14ATC電路原理 23 4 1 4溫度特性及自動溫度控制 注 溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化 不能控制由于器件老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化 對于短波長激光器 一般只需加自動功率控制電路即可 對于長波長激光器 由于其閥值電流隨溫度的漂移較大 因此 一般還需加自動溫度控制電路 以使輸出光功率達到穩(wěn)定 24 4 2數(shù)字光接收機 光接收機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 并且用自動增益控制電路 AGC 保證穩(wěn)定的輸出 光接收機中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測器 它和接收機中的前置放大器合稱光接收機前端 前端性能是決定光接收機的主要因素 25 4 2 1光接收機的基本組成 強度調(diào)制 直接檢波 IM DD 的光接收機方框圖如圖4 15所示 主要包括光電檢測器 前置放大器 主放大器 均衡器 時鐘恢復(fù)電路 取樣判決器以及自動增益控制 AGC 電路等 圖4 15數(shù)字光接收機方框圖 26 4 2 1光接收機的基本組成 1 光電檢測器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 27 4 2 1光接收機的基本組成 2 放大器光接收機的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分 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決定著光接收機的動態(tài)范圍 28 4 2 1光接收機的基本組成 3 均衡器均衡器的作用是對已畸變 失真 和有碼間干擾的電信號進行均衡補償 減小誤碼率 4 再生電路再生電路的任務(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 5 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的動態(tài)范圍 使光接收機的輸出保持恒定 29 4 2 2光接收機的噪聲特性 光接收機的噪聲包括光電檢測器的噪聲和光接收機的電路噪聲 這些噪聲的分布如圖4 16所示 光電檢測器的噪聲包括量子噪聲 暗電流噪聲 漏電流噪聲和APD的倍增噪聲 電路噪聲主要是前置放大器的噪聲 前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲 圖4 16接收機的噪聲及其分布 30 4 2 2光接收機的噪聲特性 1 量子噪聲 是指當(dāng)一個光電檢測器受到外界光照 其光子激勵而產(chǎn)生的光生載流子是隨機的 從而導(dǎo)致輸出電流的隨機起伏 這是檢測器固有的噪聲 2 暗電流噪聲暗電流是指無光照射時光電檢測器中產(chǎn)生的電流 由于激勵出的暗電流是浮動的 就產(chǎn)生了噪聲 稱為暗電流噪聲 3 雪崩管倍增噪聲由于雪崩光電二極管的雪崩倍增作用是隨機的 這種隨機性 必然要引起雪崩管輸出信號的浮動 從而引入噪聲 4 光接收機的電路噪聲主要指前置放大器噪聲 其中包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲 31 4 2 3光接收機的主要指標(biāo) 數(shù)字光接收機主要指標(biāo)有光接收機的靈敏度和動態(tài)范圍 1 光接收機的靈敏度光接收機的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下 光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin mW 工程中常用毫瓦分貝 dBm 來表示 即 4 2 2 光接收機的動態(tài)范圍光接收機的動態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下 接收機的最低輸入光功率 dBm 和最大允許輸入光功率 dBm 之差 dB 即 4 3 32 4 2 3光接收機的主要指標(biāo) 3 自動增益控制 AGC AGC就是利用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益 AGC的作用是增加了光接收機的動態(tài)范圍 自動增益控制 AGC 電路原理框圖如圖4 17所示 圖4 17自動增益控制電路原理框圖 33 4 3光中繼器 光信號在傳輸過程會出現(xiàn)兩個問題 光纖的損耗特性使光信號的幅度衰減 限制了光信號的傳輸距離 光纖的色散特性使光信號波形失真 造成碼間干擾 使誤碼率增加 以上兩點不但限制了光信號的傳輸距離 也限制了光纖的傳輸容量 為增加光纖的通信距離和通信容量 必須設(shè)置光中繼器 光中繼器的功能是補償光能量損耗 恢復(fù)信號脈沖形狀有 補償衰減的光信號 對畸變失真的信號波形進行整形 光中繼器主要有兩種 一種是傳統(tǒng)的光中繼器 即光電中繼器 另一種是全光中繼器 34 4 3 1光電中繼器 1 光電中繼器的構(gòu)成傳統(tǒng)的光中繼器采用光 電 光 O E O 轉(zhuǎn)換形式的中繼器 如圖4 18所示 圖4 18典型的數(shù)字光中繼器原理方框圖 2 光電中繼器的結(jié)構(gòu)形式有的設(shè)在機房中 有的是箱式或罐式 有的是直埋在地下或架空光纜在電桿上 35 4 3 2全光中繼器 目前全光放大器主要是摻鉺光纖放大器 摻鉺光纖放大器是一個直接對光波實現(xiàn)放大的有源器件 其工作原理如圖4 19所示 用摻鉺光纖放大器作中繼器的優(yōu)點是 設(shè)備簡單 沒有光 電 光的轉(zhuǎn)換過程 工作頻帶寬 缺點是 光放大器作中繼器時 對波形的整形不起作用 圖4 19摻鉺光纖放大器用作光中繼器的原理框圖 36 4 4光線路編碼 PCM通信系統(tǒng)中的接口速率和碼型 如表4 1所示 表4 1PDH接口碼速率與接口碼型PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適合在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸 為此 在光端機中必須進行碼型變換 在PDH系統(tǒng)中 常用的線路編碼有分組碼mBnB 1B2B碼 CMI DMI和雙相碼等 和插入碼 SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼 各種碼的編碼規(guī)律 傳輸速率如表4 2所示 37 4 4光線路編碼 表4 2常用的線路編碼 38 4 4光線路編碼 1 分組碼分組碼常用mBnB表示 它是把輸入碼流每m比特分成一組 然后把每組編成n比特輸出 每組的m個二進制碼 記為mB 變換為n個二進制碼 記為nB 因此稱為mBnB碼 其中m和n都是正整數(shù) 通常n m 一般選取n m 1 常用的mBnB碼有1B2B 3B4B 5B6B 8B9B和17B18B等 最簡單的mBnB碼是1B2B碼 它是把原信息碼的 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 但是碼速率提高了1倍 mBnB碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難 39 4 4光線路編碼 2 插入碼插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特 mB 為一組 然后在每組mB碼末尾按一定的規(guī)律插入一個碼 組成m 1個碼為一組新的線路碼流 根據(jù)插入碼的用途不同 可以分為mB1C碼 mB1H碼和mB1P碼等 1 mB1C碼mB1C碼的編碼原理是 把原始碼流分成每m比特 mB 為一組 然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼 這個補碼稱為C碼 所以稱為mB1C碼 例如 40 4 4光線路編碼 2 mB1H碼mB1H碼是由mB1C碼演變而成的 即在mB1C碼中 扣除部分C碼 并在相應(yīng)的碼位上插入一個混合碼 H碼 所以稱為mB1H碼 所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類 第一類是C碼 它是第m位碼的補碼 用于在線誤碼率監(jiān)測 第二類是L碼 用于區(qū)間通信 第三類是G碼 用于幀同步 公務(wù) 數(shù)據(jù) 監(jiān)測等信息的傳輸 41 4 4光線路編碼 3 mB1P碼在mBlP碼中 P碼稱為奇偶校驗碼 P碼有以下兩種情況 P碼為奇校驗碼時 其插入規(guī)律是使m 1個碼內(nèi) 1 碼的個數(shù)為奇數(shù) 例如 P碼為偶校驗碼時 其插入規(guī)律是使m 1個碼內(nèi) 1 碼的個數(shù)為偶數(shù) 例如 42 4 4光線路編碼 3 1B2B碼 1 CMI碼CMI碼又稱傳號反轉(zhuǎn)碼 它是一種1B2B碼 其變換規(guī)則是原碼的 0 碼用 01 碼代替 原碼的 1 碼用 00 或 11 交替代替 2 雙相碼雙相碼又稱分相碼 也是一種1B2B碼 其變換規(guī)則是原碼的 0 碼用 01 碼代替 原碼的 1 碼用 10 代替 3 DMI碼DMI碼又稱不同模式反轉(zhuǎn)碼 它是一種1B2B碼 其變換規(guī)則是原碼的 1 碼用 00 或 11 交替代替 原碼的 0 碼 若前二個碼為 01 11 時用 01 代替 前二個碼為 10 00 時用 10 代替 43 4 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 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 44 表4 23B和4B的碼字 45 WDS 碼字數(shù)字和 在nB碼的碼字中 用 1 代表 0 碼 用 1 代表 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 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