光纖通信知識char4

1、 第第 4 章章 光端機(jī)光端機(jī) 4.1 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 4.2 光接收機(jī)光接收機(jī) 4.3 線路編碼線路編碼返回主目錄第第 4 章光端機(jī)章光端機(jī)4.1光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能是把電端機(jī)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(jìn)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(qiáng)(功率)調(diào)制。 圖4.1示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理，對LD施加了偏置電流Ib。由圖可見，當(dāng)激光器的驅(qū)動電流大

2、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。 圖 4.1直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成光發(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)計應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號準(zhǔn)確反映輸入電信號。 1. 光源光源 對通信用光源的要求如下： (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0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。光譜單

3、色性要好， 即譜線寬度要窄， 以減小光纖色散對帶寬的限制。 圖 4.3 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 (2) 電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動電流下， 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，價格便宜。 以上各項中，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

4、重要的技術(shù)指標(biāo)。目前，不同類型的半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)可以滿足不同應(yīng)用場合的要求。 2. 調(diào)制電路和控制電路調(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，還有偏置電路。 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(yuǎn)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(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。 (3)

5、 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(jī)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電路 線路編碼之所以必要，是因為電端機(jī)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(fù)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。 4.1.2調(diào)制特性調(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、 張弛振蕩和自脈動現(xiàn)象。這種特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電

6、路的設(shè)計時要給予充分考慮。 1. 電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象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，其振蕩頻率fr(=r/2)一般為0.52 GHz。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)。 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，波形失真嚴(yán)重，會使光接收機(jī)在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制

7、頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。 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(yán)重時可能使單個“”碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。 如圖4.4，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。 圖4.4 碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形電脈沖光脈沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12 “碼

8、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(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。 為了進(jìn)一步了解激光器的調(diào)制特性，應(yīng)求出LD速率方程組的瞬態(tài)解。由此得到的張弛振蕩頻率r及其幅度衰減時間o和電光延遲時間td的表達(dá)式為： 21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjln 式中，o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。sp和ph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，sp10-9s,ph10

9、-12s，即spph。由式(4.1)式(4.3)可以看到： (1) 張弛振蕩頻率r隨sp、ph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o與sp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小。 (2) 電光延遲時間td與sp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小(jjth)。 由此可見，增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率r，減小其幅度衰減時間o，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。 2. 自脈動現(xiàn)象自脈動現(xiàn)象 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個范圍時，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

10、，如圖4.5所示。 自脈動頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。 電脈沖光脈沖圖4.5 激光器自脈沖動現(xiàn)象 自脈動現(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)，自脈動發(fā)生的區(qū)域和P - I曲線扭折區(qū)域相對應(yīng)。因此在選擇激光器時應(yīng)特別注意。 4.1.3調(diào)制電路和自動功率控制調(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。 圖4.6示出由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動電路，這種簡單的驅(qū)動電路主要用于以發(fā)光二極管WTBZLED作為光源的光發(fā)射機(jī)。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

11、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10 Mb/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 UCR2LEDC1R1UinV 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， V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓，數(shù)字電信號Uin從V1基極輸入。 當(dāng)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(dāng)信號為“”碼時，V1基極電位比UB低， V2搶先導(dǎo)

12、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(dāng)三極管截止頻率fr4.5 GHz時，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)300 Mb/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 V2V1Ib電流源Io UEUinLD 由于溫度變化和工作時間加長，LD的輸出光功率會發(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。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。把PD檢測器的輸出監(jiān)

13、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： PLDUPD(UPD+ +UR)UA1IbPLD inU 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。 4.8 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路V2V1電流源IoUin UV3A1CIbRf信號參考UR輸出監(jiān)測PD檢測器LDUB1UA1Uin 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

14、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 4.9 APC電路原理 V2V1信號參考UinA1A2A3PD直流參考 U UV3IbLD 4.1.4溫度特性和自動溫度控制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 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d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。 溫度對輸出光脈沖的另一個影

15、響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。 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 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4.11所示，設(shè)t=0時電脈沖到來， 注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時間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。當(dāng)t=T時電流脈沖過后，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?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失

16、真。 與調(diào)制速率對激光器瞬態(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。這是因為隨著調(diào)制速率的提高，碼元時間間隔縮短，使結(jié)區(qū)溫度來不及發(fā)生變化。 圖 4.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 電流脈沖光脈沖t0t TI1I0 2. 自動溫度控制自動溫度控制 半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長波長半導(dǎo)體激光器對溫度更加敏感。為保證輸出特性的穩(wěn)定，對激光器進(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

17、特性保持恒定。 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) 目前，微致冷大多采用半導(dǎo)體致冷器，它是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的電偶來實現(xiàn)致冷的。用若干對電偶串聯(lián)或并聯(lián)組成的溫差電功能器件，溫度控制范圍可達(dá) 3040 。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)射波長保持恒定，避免調(diào)制失真。 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

18、流。 在設(shè)定溫度(例如20 )時，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點沒有電位差，傳輸?shù)竭\算放大器A的信號為零，流過致冷器TEC的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，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B點的電位低于A點的電位，運算放大器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。這個控制過程可以表示如下： T(環(huán)境)T(LD、熱沉)RTI(致冷器)T(LD) ATC的致冷器和熱敏電阻以及APC的PINPD封裝在LD管殼內(nèi)構(gòu)成的組件如圖3.18所示。 4.13 ATC電路原理 A

19、R4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UV4.2 光接收機(jī)光接收機(jī) 4.2.1光接收機(jī)基本組成光接收機(jī)基本組成 直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測方式的數(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。 1. 光檢測器光檢測器 光檢測器是光接收機(jī)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(jī)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(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； 圖 4.14 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 光檢測器偏壓控制前置放大器A

20、GC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號 (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)。 2. 放大器放大器 前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機(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

21、化時， 輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動態(tài)范圍。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號的波形適合于判決(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(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 4. 光電集成接收機(jī)光電集成接收機(jī) 圖4.14中除光檢測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

22、砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過2 GHz，甚至達(dá)到10 GHz。 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器在內(nèi)的全部元件。 這樣的完全集成對于GaAs接收機(jī)(即工作在短波長的接收機(jī))是比較容易的，而且早已得到實現(xiàn)。 然而，對于工作在1.31.6 m波長的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機(jī)。在1991年試驗成功的單路InGaAs OEIC接收機(jī)，其運行速率達(dá)5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收機(jī)也可以用混合法實現(xiàn)。如圖4.15所示， 電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在

23、InP基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。 圖 4.15 光電集成接收機(jī) 光檢測器電路部分GaAs基片N-InP基片P-接觸片N-接觸片 4.2.2噪聲特性噪聲特性 光接收機(jī)的噪聲有兩部分：一部分是外部電磁干擾產(chǎn)生的， 這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除；另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號檢測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)計與制造盡可能減小， 一般不可能完全消除。我們下面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器的噪聲和前置放大器的噪聲。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級放大的

24、信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。 圖4.16示出光接收機(jī)的噪聲等效模型， 由光檢測器和放大器兩部分組成。圖中i2q和i2d分別為光檢測器的量子噪聲和暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)， 其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為Sq和Sd。ip、R和C分別為光檢測器的輸出光生電流、偏置電阻和電容(結(jié)電容和其他電容)。放大器分解為理想放大器和等效噪聲電流源i20和電壓源u20，其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為SI和SE，Rin是放大器的輸入電阻。 光檢測器等效噪聲特性請參看3.2節(jié)的內(nèi)容。 22222232)2()()/()(2BAeICCkTBAIcRRKTeIcRKTNmA

25、場效應(yīng)管(FET)前置放大器222223)2(8 . 2284BAgCkTBARgKTRKTNmmA跨阻型前置放大器 - 雙極型晶體管 2222232)2()(2/4BAeIcCkTBAeIcRRKTNfA跨阻型前置放大器 - 場效應(yīng)管222223)2(8 . 2284BAgCkTBARgKTRKTNmmfAf圖 4.16 光接收機(jī)的噪聲等效模型 放大器Rin0SISECRSddSqqip放大器光電檢測器0 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：雙極型晶體管(BJT)前置放

26、大器 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。 圖 4.17光接收機(jī)的前置級放大電路(a) 雙極型晶體管； (b) 場效應(yīng)管； (c) 跨阻型 偏壓(a)偏壓(b)偏壓(c)Rf 4.2.3誤碼率誤碼率 由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個隨機(jī)過程， 其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把

27、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。 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“”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。圖 4.18 計算誤碼率的示意圖 tIsImI1(t)I0(t)判決門限D(zhuǎn)0 在“”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為“”碼。要確定誤碼率，不僅要知道

28、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)的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為2exp21)(22xxf 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2。 2exp21)(02000NINIf 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“”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(4.8)得到發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數(shù)為 根據(jù)誤碼率的

29、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00200012exp21,dININPDedxxxND2exp210/2式中x=I0/0N 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-I1Im-D或I1-Imm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。 1. mBnB碼編碼原理碼編碼原理 最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的

30、連“”和連“”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。 以3B4B碼為例，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(bǔ)1個“”；在3B碼中有2個“1”， 變?yōu)?B碼時補(bǔ)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1

31、111。 表 4.23B和4B的碼字 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“”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。 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(fù)；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

32、，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(fù)組交替使用。 表表 4.3 一種一種3B4B碼表碼表 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，其編碼規(guī)則如下： 5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“”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

33、4.4示出根據(jù)這個規(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WDS=0和12個WDS=+2，負(fù)組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。 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。 2. 編譯碼器編譯碼器 有兩種

34、編譯碼電路：一種是組合邏輯電路，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；另一種是把設(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。 以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。 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 4.22 碼表存儲編碼器原理 并串PROMB1B2B3B

35、4b1b2b3串并組別變換ABC變前時鐘已變換的輸出4B碼流變換時鐘待變換輸入信號碼流 圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=2時， 從A、B分別送出控制信號， 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，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。 4.3.3插入碼插入碼 插入碼是把輸入二進(jìn)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

36、。 根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。 1. 插入碼的編碼原理插入碼的編碼原理 mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組， 然后在每組mB碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，這個補(bǔ)碼稱為C碼， 所以稱為mB1C碼。補(bǔ)碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數(shù)目最少。 mB1C碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例如： mB碼為：100110001101 mB1C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； 同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。 mB1H碼是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(bǔ)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。 圖 4.23 mB1C碼的結(jié)構(gòu)mBCmBCmBCC 常用的插入碼是mB1H碼