光纖通信課件劉增基 西安電子科技大學(xué)出版社4講義

1、 第第 4 章章 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(hào)轉(zhuǎn)電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路并用耦合技術(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(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 調(diào)制調(diào)制分為直接調(diào)制直接調(diào)制和外調(diào)制外調(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(shí)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

2、.1 (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(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)。 1. 光源光源 對(duì)通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗“窗口窗口”一致一致，即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85 m、 1.31 m和1.55 m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) 電電/光轉(zhuǎn)換效率要高光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在

3、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)格體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜便宜。 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)。目前，不同

4、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(chǎng)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)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)制電路調(diào)制電路、控制控制電路電路和線路編碼電路線路編碼電路，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輸出光脈沖的通斷比(全全“1” 碼平均光功率和全碼平均光功率和全“0” 碼碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù)平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù))應(yīng)大于應(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)大于開通延遲輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延

5、遲(電光延遲電光延遲)時(shí)間，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)功率控制應(yīng)采用自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)溫度控制(ATC)， 以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。 3. 線路編碼電路線路編碼電路 線路編碼之所以必要，是因?yàn)殡姸藱C(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，所以要變換為適合

6、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 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(gè)初始延遲時(shí)間，稱為電光延遲時(shí)間電光延遲時(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)。 td 圖 4.3 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 張弛振蕩和電光延遲的張弛振蕩

7、和電光延遲的 后果后果是限制調(diào)制速率限制調(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。 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)“”碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”。 “ 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)?“過調(diào)制過調(diào)制”補(bǔ)償方法，補(bǔ)償方法， 可以消除

8、碼型效應(yīng)可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c) 所示 12電脈沖光脈沖2 ns(a)5 ns(b)2 ns(c) 圖4.4 碼型效應(yīng) （a) 、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形 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(shí)間o和電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為： j12w?(?1 )?sp?phjthjth?o? 2?spjj?d?splnj?jth1式中，o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。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,ph10-12s

9、，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j12增加。這個(gè)振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。w? ?(?1)?sp?phjth1 (2) 張弛振蕩幅度衰減時(shí)間o與sp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小。 ?o? 2?spj小(jjth)。 ?d?splnj?jthjthj (3) 電光延遲時(shí)間td與sp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減 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(shí)間o，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。 2. 自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)

10、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。 自脈動(dòng)現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增自脈動(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)。因此在光脈沖電脈沖選擇激光器時(shí)應(yīng)特別注意 圖4.5 激光器自脈沖動(dòng)現(xiàn)象 4.1.3調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制調(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)

11、單的驅(qū)動(dòng)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)。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10 UinR1C1LEDUCR2VMb/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)電路差分電流開關(guān)電路。 圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 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。當(dāng)三極管截止UinV1IoV2電流源UELDIb頻率fr4.5 GHz時(shí)，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(diǎn)缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。 圖 4.7 射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖 由于溫度變化和工作時(shí)

12、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)。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， UPDIbUB1UinV1IoV2電流源Rf檢測(cè)器輸出監(jiān)測(cè)A1LDV3UA 1CUR信號(hào)參考Uin 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。 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

13、流，使輸出光功率穩(wěn)定。 PDLDA1A3IbUinV1V2信號(hào)參考U直流參考A2V3U 4.1.4溫度特性和自動(dòng)溫度控制溫度特性和自動(dòng)溫度控制 1. 激光器的溫度特性激光器的溫度特性 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。 圖 4.10 (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 溫度對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)” 即

14、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)”?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真將引起調(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(lái)不及發(fā)生變化。 圖 4.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) I1I0t0tT電流脈沖光脈沖 2. 自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制 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

15、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。 激光器熱導(dǎo)熱敏電阻控制電路致冷器圖 4.12 溫度控制方框圖 圖4.13示出自動(dòng)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(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。 UR3BR2RT2R4A1tV3TEC LD4657PINUR1A8 4.13 ATC電路原理 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

16、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。這個(gè)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PIN-PD封裝在LD管殼內(nèi)構(gòu)成的組件如圖4.18所示。 4.2 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(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)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、

17、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。 光信號(hào)光檢測(cè)器前置放大器主放大器再生碼流均衡器判決器偏壓控制AGC電路時(shí)鐘提取 圖 4.14 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 1. 光檢測(cè)器光檢測(cè)器 光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光光檢測(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(0.85 m、1.31 m和1.55 m)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

18、，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)。 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(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，它的作用作用是提供足夠的增益， 并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使輸入光信號(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。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡的目的均衡的目的 是對(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

19、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。 再生電路再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)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(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(OEI

20、C)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。 這樣的完全集成對(duì)于GaAs接收機(jī)(即工作在短波長(zhǎng)的接收機(jī))是比較容易的，而且早已得到實(shí)現(xiàn)。 然而然而，對(duì)于工作在1.31.6 m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InGaAs OEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5 Gb/s。 InGaAs OEIC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。 光檢測(cè)器N-InP 基片電路部分P-接觸片N-接觸片GaAs基片圖 4.15 光電集成接收機(jī) 4.2.2噪聲特性噪聲特性 光接

21、收機(jī)的噪聲有兩部分： 一部分是外部電磁干擾產(chǎn)生外部電磁干擾產(chǎn)生的，這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或?yàn)V波加以消除； 另一部分是內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部產(chǎn)生的，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(lái)源主要來(lái)源是光檢測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲。 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。圖中i2q和i2d分別為光檢測(cè)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(cè)

22、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。 ipqRCRin光電檢測(cè)器放大器SqSdSISE0放大器圖 4.16 光接收機(jī)的噪聲等效模型 光檢測(cè)器等效噪聲特性請(qǐng)參看3.2節(jié)的內(nèi)容。 場(chǎng)效應(yīng)管(FET)前置放大器 2KTeIc(KT)22(kT) (2 C?) 222NA? AB?ABR?(R/ Rm)IceIC322跨阻型前置放大器 - 雙極型晶體管 24KT28 KT2 .8 kT(2 C?)222NA? AB?AB2RgmR3gm跨阻型前置放大器 - 場(chǎng)

23、效應(yīng)管 4KTeIc(kT) (2 C?) 2222NA?2AB?ABRf/ R?eIc322 放大器噪聲特性放大器噪聲特性取決于取決于所采用的前置放大器類型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：雙極型晶體管(BJT)前置放大器 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(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)

24、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。 偏壓偏壓偏壓Rf(a)(b)(c) 圖 4.17 (a) 雙極型晶體管； (b) 場(chǎng)效應(yīng)管； (c) 跨阻型 4.2.3誤碼率誤碼率 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)的比值比值來(lái)表示。 碼元被誤判的概率，碼元被誤判的概率， 可以用噪聲電流可以用噪聲電流(壓壓)的概的概率密度函數(shù)來(lái)計(jì)算率密度函數(shù)來(lái)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“”碼的平均電流，而“0” 碼的平均

25、電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2。 IsImI1(t)判決門限D(zhuǎn)I0(t)0t圖 4.18 計(jì)算誤碼率的示意圖 在“”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為“”碼。 要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。 一般假設(shè)光接收機(jī)輸出噪聲電流(或電壓)的瞬時(shí)值服從高高斯分布斯分布，其概率密度函數(shù)為 1xf(x)?exp?22?2? 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。 2 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“”碼的誤碼率了。 在發(fā)“0” 碼時(shí)， 平均噪聲功率

26、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 1If(I0)?exp?2N02?N020 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 1Pe,01?2?N01?2?式中x=I0/ N0I?Dexp?2N0dI0?20?D/xexp?dxN02x2 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-I1Im-D或I1-I

27、mD-Im，就可能把“”碼誤判為“0” 碼。所以，把“1” 碼誤判為“0” 碼的概率為： 1Pe,01?2?N1?D?Im?(I1?Im)exp?d(I1?Im)2N1?(D?Im)/ N121Pe,01?2?式中y=(I1-Im)/ N。 ?yexp?dy22 “0” 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。因此，總誤碼率(BER)可以表示為 1Pe?2?x?Qexp?2dx?2式中 10 510 610 710 8 9DIm?D? Q= N0N1誤碼率Im10Q= 10N0?N110 10

28、 Q稱為超擾比稱為超擾比 ，含有信噪比的概念。10它還表示在對(duì)“0” 碼進(jìn)行取樣判決時(shí)，10104.555.566.577.5判決門限值D超過放大器平均噪聲電流Q的倍數(shù)。 圖4.19 誤碼率和Q的關(guān)系 10 11 12 13 14 15 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Pe?4.19。例如：Q=6, BER 10-9，Q 7， BER=10-12。 12?x?Qexp?2dx?2 4.2.4靈敏度靈敏度 靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。 靈敏度靈敏度Pr的定義是，在保證通信質(zhì)量在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接的

29、條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。由定義得到 ?P?min( w)(dBm ) Pr=10lg (4.14) ?310 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)。 那么，理想光接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)到多少? 影響光接收機(jī)的靈敏度有哪些因素? 1. 理想光接收機(jī)的靈敏度理想光接收機(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)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，

30、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。 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“”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 111 Pe= (4.15) P, + P, = exp(-n) e 01e 10222 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

31、)，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光接收機(jī)所需最小平均接收功率率為 Ednhf?Pmin= 2?Tb2?Tb 式中，因子2是“0” 碼和“1” 碼功率平均的結(jié)果，h=6.62810-34Js為普朗克常數(shù)，f=c/，f、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。把這些關(guān)系代入式(4.16)， 得到理想光接收機(jī)靈敏度當(dāng)“0” 碼和“1” 碼等概率出現(xiàn)時(shí)， 誤碼率為 nhcfb Pr= 10 lg (4.17) 2? 對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe

32、10-9，根據(jù)式(4.15)得到n21。這表明至少要有表明至少要有21個(gè)光子產(chǎn)生的光電流，個(gè)光子產(chǎn)生的光電流， 才能保證判決時(shí)誤碼率小于或等于才能保證判決時(shí)誤碼率小于或等于10-9。設(shè)= 0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)， 計(jì)算出的不同和不同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。 2. 實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度 超擾比Q與入射光功率的關(guān)系 在發(fā)“0” 碼的情況下，

33、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 I1=gP1=2 gP 式中，g為APD倍增因子(對(duì)于PINPD，g=1)，為光檢測(cè)器的響應(yīng)度 P=(P1+P0)/2為“0” 碼和“”碼的平均光功率 在放大器輸出端“”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 2g?p?A Q= (4.19) N0?N1給定Q值， 便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率 Q( N0?N1)?P?min?2g?A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，

34、N1=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=i2qA2，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 m，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(jiǎn)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” 。 因此最大的連“”和連“”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?

35、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(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(lái)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(lái)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)“”；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。 表 4.23B和4B的碼字 作為普遍規(guī)則，引入 “碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)

36、來(lái)描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來(lái)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(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個(gè)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(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001， WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。 nB碼的選擇原則碼的選擇原則是：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

37、=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。 表表 4.3 一種一種3B4B碼表碼表 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“”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

38、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。 mBnB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)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。 2. 編譯碼器編譯碼器 有兩種編譯碼電路： 一種是組合邏輯電路，就是把

39、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； 另一種是把設(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。 譯碼器譯碼器與編碼器編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。 譯碼時(shí)，把送來(lái)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(lái)的信號(hào)碼流 變換時(shí)鐘并串AB1B2B3B4PROMb1b2b3串并待變換輸入信號(hào)碼流CB已變換的輸出4B碼流圖中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。 設(shè)計(jì)好的碼表 存入PROM內(nèi) 組別變換變前時(shí)鐘圖 4.22 碼表存儲(chǔ)編碼器編碼器原理 4.3.3插入碼插入碼 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(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組的線路碼流。 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(gè)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