第4章 光端機(jī)

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 4 章章 光光 端端 機(jī)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)的功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能:把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路用耦合技術(shù)有效注入光纖線路電電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對光源進(jìn)行調(diào)光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對光源進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。制來實(shí)現(xiàn)的。 調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。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)有受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率功率 幅

2、度幅度頻率頻率相位相位 目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到目前技術(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)廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率功率)調(diào)制。調(diào)制。 圖圖 4.1直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理；數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理的數(shù)字調(diào)制原理 當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是基本上是線性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。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(hào)反映輸入電信號(hào)。 4.1.1 光發(fā)射機(jī)基

3、本組成光發(fā)射機(jī)基本組成主要有光源和電路兩部分。光源是實(shí)現(xiàn)電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，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)，使輸出為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。 1. 光源光源 對通信用光源的要求如下：對通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗低損耗“窗口窗口”一致，即中心波長應(yīng)在一致，即中心波長應(yīng)在0.85m、 1.31 m和和1.55 m附近。光譜單色性要好，附近。光譜單色性要好， 即譜線寬度即譜線

4、寬度要窄，要窄， 以減小光纖色散對帶寬的限制。以減小光纖色散對帶寬的限制。 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實(shí)驗(yàn)波導(dǎo)缺陷紫外吸收瑞利散射紅外吸收波長 / m損耗 / (dBkm1)(2) 電電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，動(dòng)電流下， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，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)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場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。間的耦合效率。 (3) 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速

5、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。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，要求溫度穩(wěn)定性好， 可靠性高，壽命長?？煽啃愿?，壽命長。 (5) 此外，要求器件體積小，重量輕，安裝此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。使用方便，價(jià)格便宜。 以上各項(xiàng)中，以上各項(xiàng)中，調(diào)制速率調(diào)制速率、譜線寬度譜線寬度、輸出光輸出光功率功率和和光束方向性光束方向性，直接影響光纖通信系統(tǒng)的，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)指傳輸容量和傳輸距離，是光源最重

6、要的技術(shù)指標(biāo)。標(biāo)。 目前，不同類型的半導(dǎo)體激光器目前，不同類型的半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)和發(fā)光二極管光二極管(LED)可以滿足不同應(yīng)用場合的要求?？梢詽M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(shí)，還有偏置電路。光器作光源時(shí)，還有偏置電路。 對調(diào)制電路和控制電路的要求如下：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輸出光脈沖的通斷比(全全“1”碼平均光功碼平均光功率和全率和全“0”碼平均光功

7、率的比值，或消光比的碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù)倒數(shù))應(yīng)大于應(yīng)大于10，以保證足夠的光接收信噪比。，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)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。確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。 (3) 對激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流，以便抑制對激光器應(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，保證在較高速率調(diào)制

8、下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機(jī)正常工作。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。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)某龅臄?shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼雙極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)挠诠饫w傳輸?shù)膯螛O性碼單極性碼。 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，但半導(dǎo)體激光器是光纖

9、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(huì)出現(xiàn)許多在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，復(fù)雜現(xiàn)象，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(jì)時(shí)要給予充分考慮。因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)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 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)間為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級一般為，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(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減當(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，的振蕩，

10、 稱為張弛振蕩，其振蕩頻率稱為張弛振蕩，其振蕩頻率fr(=r/2)一般為一般為0.52 GHz。 電光延遲要產(chǎn)生電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級時(shí)，會(huì)使為相同數(shù)量級時(shí)，會(huì)使“0”碼過后的第一個(gè)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)碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“”碼碼丟失，丟失， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”。 圖4.4 碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形如圖如圖4.4，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個(gè)脈

11、沖到來前，有碼中，第一個(gè)脈沖到來前，有較長的連較長的連“0”碼，碼， 由于電光延遲時(shí)間長和光脈沖上升時(shí)間的影由于電光延遲時(shí)間長和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電響，因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有子復(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(shí)源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，間短， 脈沖較大。脈沖較大。 “碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是，的特點(diǎn)是， 在脈沖序列中較長的連在脈沖序列中較長的連“0”碼后碼后出現(xiàn)的出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)碼數(shù)目越多，調(diào)制

12、速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)闹扑俾试礁?，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制過調(diào)制”補(bǔ)償方法，補(bǔ)償方法， 可以消除碼型效應(yīng)，見圖可以消除碼型效應(yīng)，見圖4.4(c)所示。所示。 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)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)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)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，如圖象稱為自脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖4.5所示。所示。 自脈動(dòng)頻率可達(dá)自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)，嚴(yán)重影響重影響LD的高速調(diào)制特性。的高速調(diào)制特性。 4.1.3調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制

13、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，數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開關(guān)電路， 最常用的是差最常用的是差分電流開關(guān)電路。分電流開關(guān)電路。 圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 UCR2LEDC1R1UinV這種簡單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于這種簡單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以以發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED作為光源的作為光源的光發(fā)射機(jī)。數(shù)字信號(hào)光發(fā)射機(jī)。數(shù)字信號(hào)Uin從三極從三極管管V的基極輸入，通過集電極的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)的電流驅(qū)動(dòng)LED。數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)“0”碼和碼和“1”碼對應(yīng)于碼對應(yīng)于V的截止和的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對輸出光信號(hào)幅度的要求確定。

14、輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10 Mb/s以以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路。統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路。 圖 4.7 射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖 V2V1Ib電流源Io UEUinLD射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，適合于激光器系統(tǒng)使用。射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，適合于激光器系統(tǒng)使用。電流源為由電流源為由V1和和V2組成的差分開關(guān)電路，它提組成的差分開關(guān)電路，它提供了恒定的偏置電流。在供了恒定的偏置電流。在V2基極上施加直流參基極上施加直流參考電壓考電壓UB， V2集電極的電壓取決于集電極的電壓取決于LD的正向的正向電壓，數(shù)字電信號(hào)電壓，數(shù)

15、字電信號(hào)Uin從從V1基極輸入?；鶚O輸入。 當(dāng)信號(hào)為當(dāng)信號(hào)為“0”碼時(shí)，碼時(shí)，V1基極電位比基極電位比UB高而搶先導(dǎo)通，高而搶先導(dǎo)通，V2截止，截止， LD不發(fā)光；反之，當(dāng)信號(hào)為不發(fā)光；反之，當(dāng)信號(hào)為“”碼時(shí)，碼時(shí)，V1基極電位比基極電位比UB低，低， V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)發(fā)光。光。V1和和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，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)三極管截止頻率有利于提高調(diào)制速率。當(dāng)三極管截止頻率fr4.5 GHz時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)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，這種電射極耦合電路為恒流源，電流

16、噪聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。 反饋穩(wěn)定反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖4.7相同，只是由相同，只是由V3支支路為路為LD提供的偏置電流提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值Uin的控制。把的控制。把PD檢測器的輸出監(jiān)測電壓檢測器的輸出監(jiān)測電壓UPD、信號(hào)參考電壓、信號(hào)參考電壓Uin和直流參考電壓和直流參考電壓UR施加到運(yùn)算放大器施加到運(yùn)算放大器A1的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制

17、的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制V3基極電壓和偏置電流基極電壓和偏置電流Ib，V2V1電流源IoUin UV3A1CIbRf信號(hào)參考UR輸出監(jiān)測PD檢測器LDUB1UA1Uin圖 4.9 APC電路原理 V2V1信號(hào)參考UinA1A2A3PD直流參考 U UV3IbLD一個(gè)更加完善的自動(dòng)功率控制一個(gè)更加完善的自動(dòng)功率控制(APC)電路如圖電路如圖4.9所示。從所示。從LD背向輸出的光功率，背向輸出的光功率，經(jīng)經(jīng)PD檢測器檢測、運(yùn)算放大器檢測器檢測、運(yùn)算放大器A1放大后送到比較器放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時(shí)，輸入的反相輸入端。同時(shí)，輸入信號(hào)參考電壓和直流參考電壓經(jīng)信號(hào)參考電壓和直流參考電壓

18、經(jīng)A2比較放大后，送到比較放大后，送到A3的同相輸入端。的同相輸入端。A3和和V3組組成直流恒流源調(diào)節(jié)成直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。 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 溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流流Ith和外微分量子效率和外微分量子效率d產(chǎn)生。圖產(chǎn)生。圖4.10(a)和和(b)分別示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：脈沖的變化： 圖圖 4.10 溫度引起的光

19、輸出的變化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 溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。光脈沖幅度下降。圖圖 4.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 電 流 脈 沖光 脈 沖t 0tTI1I0設(shè)設(shè)t=0時(shí)電脈沖到來，時(shí)電脈沖到來， 注入電流為注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，在，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)間脈沖持續(xù)時(shí)間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)間t而升高，激光器的閾值而升高，激光器的閾值電流隨電流隨t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨而增大，使輸出光

20、脈沖的幅度隨t而減小。當(dāng)而減小。當(dāng)t=T時(shí)電流時(shí)電流脈沖過后，注入電流從脈沖過后，注入電流從I1減小到減小到I0，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨區(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。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)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。將引起調(diào)制失真。 2. 自動(dòng)溫度控制自動(dòng)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。性的穩(wěn)定，對激光器進(jìn)

21、行溫度控制是十分必要的。 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) 4.13 ATC電路原理電路原理 AR4TECtRTLDPIN24681357UR1R2R3BAUV在設(shè)定溫度在設(shè)定溫度(例如例如20 )時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，使電橋平衡，A、B兩點(diǎn)沒有電位差，傳輸兩點(diǎn)沒有電位差，傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器到運(yùn)算放大器A的信號(hào)為零，流過致冷器的信號(hào)為零，流過致冷器TEC的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，時(shí)，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的阻值減的阻值減小，電橋失去平衡。

22、這時(shí)小，電橋失去平衡。這時(shí)B點(diǎn)的電位低于點(diǎn)的電位低于A點(diǎn)的電位，運(yùn)算放大器點(diǎn)的電位，運(yùn)算放大器A的輸出電的輸出電壓升高，壓升高，V的基極電流增大，致冷器的基極電流增大，致冷器TEC的電流也增大的電流也增大 致冷端溫度降低，熱致冷端溫度降低，熱沉和管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。沉和管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。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 圖 4.14 數(shù)字光接收機(jī)方框圖數(shù)字光接收機(jī)方框圖 光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào)直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框，主要包括光檢測器、前置直接檢測方式的數(shù)字光接收

23、機(jī)方框，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、放大器、主放大器、均衡器、 時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。電路。1. 光檢測器光檢測器 光檢測器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光光檢測器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)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響光接收機(jī)的靈敏度。對光檢測器的要求如下：下： (1) 波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31 m和和1.55 m)兼容；兼容； (2) 響應(yīng)度要高，響應(yīng)度要高， 在

24、一定的接收光功率下，在一定的接收光功率下， 能產(chǎn)能產(chǎn)生最大的光電流；生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低，噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號(hào)；能接收極微弱的光信號(hào)； (4) 性能穩(wěn)定，性能穩(wěn)定， 可靠性高，可靠性高， 壽命長，壽命長， 功耗和體積功耗和體積小。小。 目前，目前， 適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管光電二極管和和雪崩光電二極管雪崩光電二極管(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。前放的噪聲取決機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲

25、取決于放大器的類于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。型，目前有三種類型的前放可供選擇。 偏壓(a)偏壓(b)偏壓(c)Rf 主放大器主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，夠的增益， 并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使，以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡均衡的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和電轉(zhuǎn)換和放大后已

26、產(chǎn)生畸變放大后已產(chǎn)生畸變(失真失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)的波形適合于判決使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，以消除碼間干擾，減小誤碼率。減小誤碼率。 再生電路再生電路包括包括判決電路判決電路和和時(shí)鐘提取時(shí)鐘提取電路，它電路，它的功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波的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)地對碼元波形進(jìn)行形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。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) 圖圖4.14中

27、除光檢測器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的中除光檢測器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，電子器件， 很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們技術(shù)將它們集成在同一芯片上。集成在同一芯片上。 不論是硅不論是硅(Si)還是砷化鎵還是砷化鎵(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，甚至達(dá)到10 GHz。 為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在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)，即用努力開發(fā)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路光電集成電路(OEIC)技術(shù)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測器在同一芯片上集成包括光檢

28、測器在內(nèi)的全部元件。在內(nèi)的全部元件。 這樣的完全集成對于這樣的完全集成對于GaAs接收機(jī)接收機(jī)(即工作在短波長的接收機(jī)即工作在短波長的接收機(jī))是比較容易是比較容易的，而且早已得到實(shí)現(xiàn)。的，而且早已得到實(shí)現(xiàn)。 然而，對于工作在然而，對于工作在1.31.6 m波長的系統(tǒng)，人們需要基于波長的系統(tǒng)，人們需要基于InP的的OEIC接收機(jī)。接收機(jī)。 InGaAs OEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。如圖接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。如圖4.15所示，所示， 電元件集成在電元件集成在GaAs基片上，而基片上，而光檢測器集成在光檢測器集成在InP基片上，兩基片上，兩個(gè)部分通過接觸片連接在一起。個(gè)部分通過接觸片連接在

29、一起。 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，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?yàn)V波加以消除；另一部分是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)生的，這部分噪聲是在信號(hào)檢測和放大過程中引入的隨內(nèi)部產(chǎn)生的，這部分噪聲是在信號(hào)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(jì)與制造盡可能減小，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。隨機(jī)噪聲。

30、 光接收機(jī)噪聲光接收機(jī)噪聲的主要來源是光檢測器的噪聲和的主要來源是光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉壿斎氲氖俏⑷跣盘?hào)，前置放大器的噪聲。因?yàn)榍爸眉壿斎氲氖俏⑷跣盘?hào)，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的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(hào)，只是經(jīng)前置級放大的信號(hào)，只要前置級增益足夠大，要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。主放大器引入的噪聲就可以忽略。 圖 4.16 光接收機(jī)的噪聲等效模型 圖中圖中i2q和和 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)生的均方噪聲電流噪聲電流(等效噪聲功率等

31、效噪聲功率)， 其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為Sq和和Sd。ip、R和和C分別為光檢測器的輸出光生電流、偏置電阻和電容分別為光檢測器的輸出光生電流、偏置電阻和電容(結(jié)電容和其結(jié)電容和其他電容他電容)。 放大器分解為理想放大器和等效噪聲電流源放大器分解為理想放大器和等效噪聲電流源i20和電壓源和電壓源u20，其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為，其相應(yīng)的功率譜密度分別表示為SI和和SE，Rin是放大器的輸入電阻。是放大器的輸入電阻。 圖圖 4.17 光接收機(jī)的前置級放大電路光接收機(jī)的前置級放大電路(a) 雙極型晶體管；雙極型晶體管； (b) 場效應(yīng)管；場效應(yīng)管； (c) 跨阻型

32、跨阻型 三種類型前置放大器的比較：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，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)電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號(hào)脈沖寬度小于信號(hào)脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。，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(diǎn)是輸入阻抗高，場效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗高， 噪聲小，高頻特性噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。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(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了帶寬特性

33、和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。有良好的噪聲特性。 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(gè)隨機(jī)過程，由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過程， 其取樣其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼碼誤判為誤判為“1”碼，或把碼，或把“1”碼誤判為碼誤判為“0”碼。光接收機(jī)對碼元誤碼。光接收機(jī)對碼元誤判的概率稱為判的概率稱為誤碼率誤碼率(在二元制的情況下，等于在二元制的情況下，等于誤比特率誤比特率，BER)， 用較長時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)用較長時(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

34、總碼元數(shù)的比值來表示。和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。 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)的概率密度函的概率密度函數(shù)來計(jì)算。如圖數(shù)來計(jì)算。如圖4.18所示，所示，I1是是“1”碼的電流，碼的電流，I0是是“0”碼碼的電流。的電流。 Im是是“”碼的平均電流，而碼的平均電流，而“0”碼的平均電流碼的平均電流為為0。D為判決門限值，一般取為判決門限值，一般取D=Im/2。 在在“”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為，則可能被誤判為“”碼。要確定誤碼率，不僅碼。要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要

35、知道噪聲的概率分布。要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。 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)。靈敏度靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定的定義是，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，的條件下， 光光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率接收機(jī)所需的最小平均接收光功率min，并以，并以dBm為單位。為單位。由定義得到由定義得到 Pr=10lg (4.14) )(10)(3mindBmwP 靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)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。提高靈時(shí)，能夠接收微弱

36、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)。敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。 那那么，理想光接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)到多少么，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)假設(shè)光檢測器的光檢測器的暗電流為零暗電流為零，放大器完全，放大器完全沒有噪沒有噪聲聲，系統(tǒng)可以檢測出，系統(tǒng)可以檢測出單個(gè)光子單個(gè)光子形成的電子形成的電子 - 空穴對所空穴對所產(chǎn)生的光電流，產(chǎn)生的光電流， 這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。它這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。它的靈敏度只受到光檢測器的的靈敏度只受到光檢測器的量

37、子噪聲量子噪聲的限制，因?yàn)榱康南拗?，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，子噪聲是伴隨光信號(hào)的隨機(jī)噪聲，只要有光信號(hào)輸入，就有量子噪聲存在。就有量子噪聲存在。 Pr= 10 lg (4.17)這就是理想光接收機(jī)的靈敏度這就是理想光接收機(jī)的靈敏度式中，因子式中，因子2是是“0”碼和碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，一碼功率平均的結(jié)果，一個(gè)碼元平均光子數(shù)為個(gè)碼元平均光子數(shù)為n， h=6.62810-34Js為普朗克為普朗克常數(shù)，常數(shù)，為光波長，為光波長，c為真空中的光速。為真空中的光速。fb為傳輸速率；為傳輸速率；光光/電轉(zhuǎn)換量子效率為電轉(zhuǎn)換量子效率為。 2bnhcf圖 4.20 典型短

38、波長光接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系60555045403530251246 8 1020 4060 80 100140 200400 600fb / (Mbs1)Pr / dBmPIN-BJPIN-FETAPD-BJAPD-FET 2. 實(shí)際光接收實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度機(jī)的靈敏度 4.2.5 自動(dòng)增益控制和動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制和動(dòng)態(tài)范圍 放大器是一個(gè)普通的寬帶高增益放大器，放大器是一個(gè)普通的寬帶高增益放大器， 由于前置放大由于前置放大器輸出信號(hào)幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。器輸出信號(hào)幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。 主放大器一般由多級放大器級聯(lián)構(gòu)成，主放大器一般由多級放大器

39、級聯(lián)構(gòu)成， 其功能是提供足夠其功能是提供足夠的增益的增益A，以滿足判決所需的電平，以滿足判決所需的電平Im。 A= (4.22)式中，式中，g為為APD倍增因子，倍增因子，為光檢測器的響應(yīng)度，為光檢測器的響應(yīng)度，為為“0”碼和碼和“1”碼的平均光功率。碼的平均光功率。 pgIm2主放大器的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)主放大器的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)，使光接收，使光接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍。機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍。 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率能承受的最大平均接收光功率max和

40、所需最小平均接收光功和所需最小平均接收光功率率min的比值，用的比值，用dB表示。根據(jù)定義表示。根據(jù)定義 DR=10lg (4.23) 動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15 dB。 )(minmaxdBpp由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用采用AGC是是十分有必要的十分有必要的。AGC一般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的

41、反饋控制電一般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實(shí)現(xiàn)。路來實(shí)現(xiàn)。對于對于APD光接收機(jī)，光接收機(jī)，AGC控制光檢測器的偏壓控制光檢測器的偏壓和放大器的輸出；和放大器的輸出； 對于對于PIN光接收機(jī)，光接收機(jī)，AGC只控制放大器的輸出。只控制放大器的輸出。 4.3 線路編碼線路編碼 在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)脑诠饫w通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼雙極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆?shù)字光纖通信

42、系統(tǒng)普遍采用遍采用二進(jìn)制二電平碼二進(jìn)制二電平碼，即，即“有光脈沖有光脈沖”表示表示“”碼，碼， “無光脈沖無光脈沖”表示表示“0”碼。但是簡單的二電平碼會(huì)帶來如下問碼。但是簡單的二電平碼會(huì)帶來如下問題：題： (1) 在碼流中，出現(xiàn)在碼流中，出現(xiàn)“”碼和碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，的， 因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移基線漂移)， 給給光接收機(jī)的判決帶來困難。光接收機(jī)的判決帶來困難。 (2) 在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長串連在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長串連“”碼或長串連碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提

43、取息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。(3) 不能實(shí)現(xiàn)在線不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù)不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測，的誤碼檢測， 不利于長途不利于長途通信系統(tǒng)的維護(hù)。通信系統(tǒng)的維護(hù)。 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐甘潜ＷC傳輸?shù)耐该餍裕唧w要求有：明性，具體要求有： (1) 能限制信號(hào)帶寬能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾， 有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。有利

44、于提高光接收機(jī)的靈敏度。 (2) 能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減盡可能減少連少連“”碼和連碼和連“0”碼的數(shù)目碼的數(shù)目，使，使“1”碼和碼和“0”碼的碼的分布均勻，分布均勻， 保證定時(shí)信息豐富。保證定時(shí)信息豐富。 (3) 能提供一定的能提供一定的冗余碼冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，公務(wù)通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。以免占用過大的帶寬。 4.3.1 擾碼擾碼 為了保證傳輸?shù)耐该餍裕谙到y(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，為了保證傳輸?shù)耐该餍?，?/p>

45、系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前， 需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。 擾碼改變了擾碼改變了“”碼與碼與“0”碼的分布，碼的分布， 從而改善了碼流從而改善了碼流的一些特性。的一些特性。 例如：例如： 擾碼前：擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后：擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 但是，但是， 擾碼仍具有下列缺點(diǎn)：擾

46、碼仍具有下列缺點(diǎn)： 不能完全控制長串連不能完全控制長串連“”和長串連和長串連“0”序列的出現(xiàn)；序列的出現(xiàn)； 沒有引入冗余，沒有引入冗余， 不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測；不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測； 信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大， 不能解決基線漂移。不能解決基線漂移。 因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求， 所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線還采用其它類型的線路編碼。路編碼。 4.3.2 mBnB碼碼 mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼

47、流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在，并在同一個(gè)時(shí)隙同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型內(nèi)輸出。這種碼型是把是把mB變換為變換為nB，所以稱為，所以稱為mBnB碼，其中碼，其中m和和n都是正整數(shù)，都是正整數(shù)， nm，一般選取，一般選取n=m+1。mBnB碼有碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。等等。 1. mBnB碼編碼原理碼編碼原理 最簡單的最簡單的mBnB碼是碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的是把原碼的“

48、”變換為變換為“01”， 把把“1”變換為變換為“10”。因此最大的連因此最大的連“”和連和連“”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，例如例如1001和和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)楸忍刈優(yōu)閭鬏攤鬏?比特，比特， 碼速提高了碼速提高了1倍。倍。 以以3B4B碼為例，輸入的原始碼流碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有碼，共有(23)8個(gè)碼字，個(gè)碼字， 變變換為換為4B碼時(shí)，碼時(shí)， 共有共有(24)16個(gè)碼字，見表個(gè)碼字，見表4.2。 表 4.23B和4B的碼字 為保證信息的完整傳輸，必須從為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的碼的16個(gè)碼字中挑選個(gè)碼字中挑選

49、8個(gè)碼個(gè)碼字來代替字來代替3B碼。碼。 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在碼表。例如：在3B碼中有碼中有2個(gè)個(gè)“0”，變?yōu)椋優(yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)個(gè)“”；在在3B碼中有碼中有2個(gè)個(gè)“1”， 變?yōu)樽優(yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)個(gè)“0”。而。而000用用0001和和1110交替使用；交替使用； 111用用0111和和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字，禁止使用的碼字， 稱為稱為禁字禁字，例如，例如0000和和1111。 作為普遍規(guī)則，引入作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字來描述碼字的

50、均勻性，并以的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂所謂“碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和”，是在，是在nB碼的碼字中，用碼的碼字中，用“-1”代表代表“0”碼，碼， 用用“+1”代表代表“”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個(gè)碼字如果整個(gè)碼字“”碼的數(shù)目多于碼的數(shù)目多于“0”碼，則碼，則WDS為正；為正；如果如果“0”碼的數(shù)目多于碼的數(shù)目多于“1”碼，碼， 則則WDS為負(fù)；為負(fù)；如果如果“0”碼和碼和“1”碼的數(shù)目相等，則碼的數(shù)目相等，則WDS為為0。例如：例如：對于對于0111，WDS=+2；對于；對于0001， WDS

51、=-2；對于；對于0011，WDS=0。 nB碼的選擇原則是：盡可能選擇碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，最小的碼字， 禁禁止使用止使用|WDS|最大的碼字。最大的碼字。以以3B4B為例，應(yīng)選擇為例，應(yīng)選擇WDS=0和和WDS=2的碼字，的碼字， 禁止禁止使用使用WDS=4的碼字。的碼字。表表4.3 示出根示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。組和負(fù)組交替使用。 表表 4.3 一種一種3B4B碼表碼表 我國我國3次群和次群和4次群次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下：碼

52、，其編碼規(guī)則如下： 5B碼共有碼共有(25)32個(gè)碼字，變換個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，個(gè)碼字，其中其中WDS=0有有20個(gè)，個(gè)，WDS=2有有15個(gè)，個(gè)，WDS=-2有有15個(gè)，共個(gè)，共有有50個(gè)個(gè)|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時(shí)只需碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連個(gè)碼字，為減少連“”和連和連“0”的數(shù)目，的數(shù)目， 刪去：刪去： 000011、 110000、 001111和和111100。當(dāng)然禁用。當(dāng)然禁用WDS=4和和6的碼字。的碼字。 表表4.4示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種示出根據(jù)這個(gè)規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組

53、交碼表，正組和負(fù)組交替使用。替使用。 表中正組選用表中正組選用20個(gè)個(gè)WDS=0和和12個(gè)個(gè)WDS=+2，負(fù)組選，負(fù)組選用用20個(gè)個(gè)WDS=0和和12個(gè)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。確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)是：碼的特點(diǎn)是： (1) 碼流中碼流中“0”和和“1”碼的概率相等，碼的概率相等， 連連“0”和連和連“1”的的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富。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。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

54、冗余碼，在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測。便于在線誤碼檢測。 mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求碼的缺點(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)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，不宜用這量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。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，就是把整個(gè)編有兩種編譯碼電路：一種是組合邏輯電路，就是把整個(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，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)好的碼表全部存國外設(shè)備大多采用這種

55、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)器儲(chǔ)到一塊只讀存儲(chǔ)器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。種方法。 圖 4.22 碼表存儲(chǔ)編碼器原理 并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并組別變換ABC變前時(shí)鐘已變換的輸出4B碼流變換時(shí)鐘待變換輸入信號(hào)碼流以以3B4B碼為例，碼表存儲(chǔ)碼為例，碼表存儲(chǔ)編碼器的工作原理示于圖編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設(shè)計(jì)好的碼表首先把設(shè)計(jì)好的碼表存入存入PROM內(nèi)，待變換的信內(nèi)，待變換的信號(hào)碼流通過串號(hào)碼流通過串 - 并變換電路并變換電路變?yōu)樽優(yōu)?比特一組的碼比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為，并

56、行輸出作為PROM的的地址碼，在地址碼作用下，地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲(chǔ)的碼表，根據(jù)存儲(chǔ)的碼表， 輸出輸出與地址對與地址對應(yīng)的并行應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過并碼，再經(jīng)過并 - 串變換電路，讀出已串變換電路，讀出已變換的變換的4B碼流。碼流。 圖中圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當(dāng)三條線為組別控制控制線，當(dāng)WDS=2時(shí)，時(shí)， 從從A、B分別送出控制信號(hào)，分別送出控制信號(hào)， 通過通過C線決定組別。線決定組別。 并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并組別變換ABC變前時(shí)鐘已變換的輸出4B碼流變換時(shí)鐘待變換輸入信號(hào)碼流譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯譯碼器與編碼器

57、基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時(shí)，把送來的已變換的碼時(shí)，把送來的已變換的4B信號(hào)碼流，每信號(hào)碼流，每4比特并聯(lián)為比特并聯(lián)為一組，一組， 作為作為PROM的地址，然后讀出的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過并碼，再經(jīng)過并 - 串變換還原為原來的信號(hào)碼流。串變換還原為原來的信號(hào)碼流。 其他的其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復(fù)雜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。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)制原始碼流分成每插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特比特(mB)-一組，一組，然后在每組然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個(gè)碼，組成碼末尾按一定規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼個(gè)碼為一組的線路碼流。為一組的線路碼流。 根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、碼、mB1H碼和碼和mB1P碼。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，把原始碼流分成每碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特比特(mB)一組，一組， 然后在每組然后在每組mB碼的末尾插入碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，比特補(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼稱為這個(gè)補(bǔ)碼稱為C