光纖和光纜第4章 光端機

1、第 4 章光端機 第 4 章光端機 4.1光發(fā)射機4.2光接收機4.3線路編碼第 4 章光端機 4.1光發(fā)射機光發(fā)射機數(shù)字光發(fā)射機的功能是把電端機輸出的數(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。外調(diào)制的原理如3.3.4小節(jié)所述，這里著重介紹在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的直接光強(功率)調(diào)制。 第 4 章光端機 圖4.1示出激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)直接光強數(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)動電流大于閾值

2、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。 第 4 章光端機 圖 4.1直接光強數(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)制原理第 4 章光端機 4.1.1光發(fā)射機基本組成光發(fā)射機基本組成數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖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。 第 4 章光端機 圖 4.2數(shù)字光發(fā)射機方框圖第 4 章光端機 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

3、“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85 m、1.31 m和1.55 m附近。光譜單色性要好，即光譜寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。(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)對傳輸容量的要求。 第 4 章光端機 (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、譜寬、輸出光功率和光束方向性，直接影響光

4、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。 第 4 章光端機 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調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調(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

5、，輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。 第 4 章光端機 (3) 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)的弛張振蕩，保證發(fā)射機正常工作。(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。 第 4 章光端機 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

6、遲、弛張振蕩和自脈動現(xiàn)象。這種特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的設(shè)計時要給予充分考慮。 第 4 章光端機 1. 電光延遲和弛張振蕩現(xiàn)象電光延遲和弛張振蕩現(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，稱為弛張振蕩，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)。 第 4 章光端機 圖 4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形第 4

7、章光端機 弛張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，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于弛張振蕩頻率。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)”。第 4 章光端機 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

8、度較高，因此電光延遲時間短，脈沖較大?！按a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”補償方法，可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c)所示。第 4 章光端機 圖 4.4碼型效應(yīng)(a)、(b) 碼型效應(yīng)波形；(c) 改善后波形 第 4 章光端機 為了進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。由此得到的弛張振蕩頻率r及其幅度衰減時間o和電光延遲時間td的表達式為 ) 1(1thphsprjjjjthspo2thspdlnjjjt(4.1)(4.3)(4.2)第 4 章光端機 式中

9、，o是弛張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，sp109 s，ph1012 s，即spph。由式(4.1)式(4.3)可以看到： (1) 弛張振蕩頻率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。 第 4 章光端機 (2) 弛張振蕩幅度衰減時間o與sp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小。(3) 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，有利于提高弛張振蕩頻率r，減小其幅度衰減時間o，以及減小電光

10、延遲時間td，因此對LD施加偏置電流是非常必要的。第 4 章光端機 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，如圖4.5所示。自脈動頻率可達2 GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。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。第 4 章光端機 圖 4.5激光器自脈動現(xiàn)象第 4 章光端機 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

11、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LED作為光源的光發(fā)射機。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。 第 4 章光端機 圖 4.6共發(fā)射極驅(qū)動電路第 4 章光端機 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

12、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)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。 第 4 章光端機 圖 4.7射極耦合LD驅(qū)動電路第 4 章光端機 激光器驅(qū)動電路的調(diào)制速率受電路所用電子器件性能的限制。采用激光器和驅(qū)動電路集成在一起的單片集成電路可以提高

13、調(diào)制速率和改進光發(fā)射機的性能。目前，光電混合集成電路的1.5 m光發(fā)射機已能工作在5 Gb/s，采用異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的光發(fā)射機調(diào)制速率已達10 Gb/s。 第 4 章光端機 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)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

14、程如下： PLDUPD(UPD+ +UR)UA1IbPLD inU第 4 章光端機 圖 4.8反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路第 4 章光端機 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。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。 第 4 章光端機 圖 4.9APC電路原理第 4 章光端機 4.1.4溫度特性和自動

15、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。 第 4 章光端機 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第 4 章光端機 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，

16、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。 第 4 章光端機 圖 4.11結(jié)發(fā)熱效應(yīng)第 4 章光端機

17、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，使激光器輸出特性保持恒定。 第 4 章光端機 圖 4.12溫度控制方框圖第 4 章光端機 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

18、圍可達 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。 第 4 章光端機 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

19、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： 第 4 章光端機 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3.13所示。 第 4 章光端機 圖 4.13ATC電路原理第 4 章光端機 4.2光接收機光接收機數(shù)字光接收機的功能是： 把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并放大處理，恢復(fù)為原始的數(shù)字碼流。數(shù)字光接收機最

20、主要的性能指標(biāo)是靈敏度和動態(tài)范圍。靈敏度和誤碼率密切相關(guān)，主要取決于光檢測器的性能和相關(guān)電路的設(shè)計。 第 4 章光端機 4.2.1光接收機基本組成光接收機基本組成對于直接強度調(diào)制的光信號，采用直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖示于圖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。 第 4 章光端機 圖 4.14數(shù)字光接收機方框圖第 4 章光端機 1. 光檢測器光檢測器光檢測器是光接收機實現(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

21、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)生盡可能大的光電流；(3) 噪聲要盡可能低，能接收微弱的光信號；(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)。 第 4 章光端機 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)變化時，輸出電信號保持

22、恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。 第 4 章光端機 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)的電信號進行補償，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行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 第 4 章光端機 4. 光電集成接收機光電集成接收機圖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

23、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，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(即工作在短波長的接收機)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。在1991年試驗成功的單路InGaAs OEIC接收機，其運行速率達5 Gb/s。第 4 章光端機 InGaAs OEIC接收機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

24、測器集成在InP基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。 第 4 章光端機 圖 4.15光電集成接收機第 4 章光端機 4.2.2噪聲特性噪聲特性光接收機的噪聲有兩部分： 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)生的隨機噪聲。光接收機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)前置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，

25、主放大器引入的噪聲就可以忽略。 第 4 章光端機 圖4.16示出光接收機的噪聲等效模型，由光檢測器和放大器兩部分組成。圖中i2q和i2d分別表示光檢測器的量子噪聲和暗電流噪聲的均方噪聲電流(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與等效噪聲電流源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。 第 4 章光端機 圖 4.16光接收機的噪聲等效模型第 4 章光端機 光檢測器等效噪聲特性請參看3.2節(jié)的內(nèi)容。由圖4.16可得，折合到電放大器輸入

26、端的噪聲主要包括光檢測器產(chǎn)生的量子噪聲、暗電流噪聲和電阻熱噪聲及放大器產(chǎn)生的噪聲。它們的噪聲電流均方值分別為i2q=2eIpg2xB(4.4) i2d=2eIdg2xB(4.5)其中，Ip為一次光生信號電流，Id為暗電流，g為APD的雪崩增益(對于PIN, g=1)，x為APD的附加噪聲指數(shù)，k是波爾茲曼常數(shù)，T是工作的絕對溫度(常溫時T=293 K)，F(xiàn)是放大器的噪聲系數(shù)，B是接收機的(等效)噪聲帶寬，RL是光檢測器的負(fù)載電阻。 L2T4RkTFBi(4.6)(0hfeP第 4 章光端機 這樣，折合到放大器輸入端的均方噪聲電流(等效噪聲功率)為i2ni2qi2di2T2e(IpId)g2xB

27、(4.7)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半導(dǎo)體器件理論可以計算。常用三種類型前置放大電路示于圖4.17。 L4RkTFB第 4 章光端機 圖 4.17光接收機的前置級放大電路(a) 雙極型晶體管；(b) 場效應(yīng)管；(c) 跨阻型 第 4 章光端機 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

28、具有良好的噪聲特性。 第 4 章光端機 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信號加噪聲的隨機過程，其取樣值是隨機變量，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機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)。誤碼率可以用在足夠長時間間隔內(nèi)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。 第 4 章光端機 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

29、D=Im / 2。在傳輸“”碼的條件下，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，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。第 4 章光端機 圖 4.18計算誤碼率的示意圖第 4 章光端機 光接收機輸出噪聲(判決前)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)為式中x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值，其均值為零，方差為2。在已知光檢測器和前置放大器產(chǎn)生的輸出噪聲功率，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。 2exp21)(22xxf(4.8)第 4 章光端機 在發(fā)“0”碼的條件下，平均

30、輸出噪聲功率N0=NA，NA是由前置放大器產(chǎn)生的平均噪聲功率。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 (4.9)2exp21)(02000NINIf第 4 章光端機 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，即式中x=I0 / 。(4.10b)0020001ed2exp21,ININPDxxNDd2exp210/20N(4.10a)第 4 章光端機 在發(fā)“1”碼的條件下，平均輸出噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端由光檢測器產(chǎn)生的平均噪聲功率。這時噪聲電流的幅度為I

31、1Im，判決門限值仍為D，則只要取樣值I1D, 即I1ImDIm，就可能把“”碼誤判為“0”碼。所以，把“1”碼誤判為“0”碼的概率為： (4.11b)(4.11a)d(2)(exp21,112m1101emIDIINIINPmyyPNIDd2exp21,1m/ )(201e1N式中y=(I1Im)/ 。第 4 章光端機 “0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認(rèn)為Pe, 01=Pe, 10時，可以使誤碼率達到最小。因此，總誤碼率(BER)可以表示為 (4.12)xxPQd2exp212e1m0NDINDQ10mNNIQ式中或(4.13a)(4.

32、13b)第 4 章光端機 Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對“0”碼進行取樣判決時，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流均方根值的倍數(shù)。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4.19。例如：Q=6，BER109，Q7，BER=1012。 0N第 4 章光端機 圖 4.19誤碼率和Q的關(guān)系第 4 章光端機 4.2.4靈敏度靈敏度靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定義是，在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。由定義得到靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號

33、的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。那么，理想光接收機的靈敏度可以達到多少? 影響光接收機的靈敏度有哪些因素? (4.14)(dBm) 10(W)lg 103minr PP第 4 章光端機 1. 理想光接收機的靈敏度理想光接收機的靈敏度假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機稱為理想光接收機。它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。首先考慮理想光接收機的誤碼率。當(dāng)光檢測器沒有光輸入時，放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為“”碼的概

34、率為0，即Pe, 01=0。產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。這個概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe, 10=exp(n)，n為一個碼元的平均光子數(shù)。當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，誤碼率為 第 4 章光端機 現(xiàn)在考慮理想光接收機的靈敏度。設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb，一個碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機所需最小平均接收功率為 (4.15)exp(21212110e,01e,enPPPbbdmin22TnhfTEP(4.16)第 4 章光端機 式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結(jié)

35、果，h=6.6281034 Js為普朗克常數(shù)，f=c/，f、分別為光頻率和光波長，c為真空中的光速，為光/電轉(zhuǎn)換的量子效率。利用Tb=1/ fb( fb為傳輸速率)，并把這些關(guān)系代入式(4.16)，得到理想光接收機靈敏度 (4.17)2lg 10brnhcfP第 4 章光端機 對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe109，根據(jù)式(4.15)得到n21。這表明至少要有21個光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時誤碼率小于或等于109。設(shè)=0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)，計算出的不同和不同 fb的Pr值列于表4.1。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子

36、極限。由表 4.1 我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關(guān)系。 第 4 章光端機 第 4 章光端機 2. 實際光接收機的靈敏度實際光接收機的靈敏度影響實際光接收機靈敏度的因素很多，計算也十分復(fù)雜，這里只作簡要介紹。利用誤碼率的公式(4.12)、(4.13)可以計算最小平均接收光功率。為此，應(yīng)建立超擾比Q與入射光功率的關(guān)系。如果不考慮噪聲，在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號的光功率P0=0，光檢測器輸出電流IP0=0；在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號的光功率P1和光檢測器輸出電流IP1的關(guān)系為IP1=gP1=2gP (4.18) 第 4 章光端機 式中，g為APD倍增因子(對于PIN-PD，g=1

37、)，為光檢測器的響應(yīng)度，P=(P1P0)/2為等概發(fā)送“0”碼和“”碼條件下的平均光功率。在放大器輸出端“”碼的平均電流Im=IP1A，A為放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到給定Q值，便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率(4.19)102NNAPgQAgNNQP2)(10min(4.20)第 4 章光端機 式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時放大器輸出的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，N0=NAN1=NA+ND式中，NA是在放大器輸出端由前置放大器產(chǎn)生的平均噪聲功率；ND是在放大器輸出端由光檢測器產(chǎn)生的平均噪聲功率，ND=i2qA2，i2q為均方量子噪聲

38、電流，如式(3.26)所示。對于PIN光電二極管，NDm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。 第 4 章光端機 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。 第 4 章光端機 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

39、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。 第 4 章光端機 第 4 章光端機 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“”

40、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。第 4 章光端機 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)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。 第 4 章光端機 第 4 章光端機 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

41、)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)然還應(yīng)禁用WDS=4和6的碼字。表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。 第 4 章光端機 第 4 章光端機 第 4 章光端機 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

42、。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。 第 4 章光端機 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片只讀存儲器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。

43、第 4 章光端機 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。圖中A、B、C三條線為組別變換控制線，當(dāng)WDS=2時，從A、B分別送出控制信號，通過C線決定組別。 第 4 章光端機 圖 4.22碼表存儲編碼器原理第 4 章光端機 譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時，首先確定碼組同步，然后把送來的已變換的4B信號碼流，劃分為每4比特一組，作為PROM的地址碼，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。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。 第 4 章光端機 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