光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)

1、光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)第1頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一6.1 調(diào)制信號(hào)的格式 為了有利于信息在信道中傳輸和接收時(shí)便于處理，我們往往先對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，再對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。光信號(hào)除了可調(diào)制光載波信號(hào)的幅度、頻率、相位外，還可調(diào)制光強(qiáng)。由于光強(qiáng)不同于電信號(hào)的電壓或電流有正值與負(fù)值，它只有正值（即光強(qiáng)或光功率沒有負(fù)值），因此稱它為單極性信號(hào)，而電壓信號(hào)稱為雙極性信號(hào)。 第2頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.1.1 單極性與雙極性 單極性信號(hào)是二電平信號(hào)，它在零與正電平之間擺動(dòng)。單極性信號(hào)可以看成是用電或光信號(hào)表示的開關(guān)信號(hào)。在光纖通信中，單極性信

2、號(hào)也稱為開關(guān)鍵控。它與雙極性信號(hào)的最大區(qū)別是，傳送線路上產(chǎn)生的直流分量DC不為零。雙極性信號(hào)由于在正電平與負(fù)電平之間交替變化，因此在傳輸線路上產(chǎn)生的DC分量為零。單極性與雙極性信號(hào)的編碼如圖6.1所示。 第3頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖6.1 單極性與雙極性信號(hào) 第4頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.1.2 歸零(RZ)與不歸零(NRZ) 光纖通信中常用的調(diào)制方案為開關(guān)鍵控， 這種調(diào)制方案中編碼“1”表示對(duì)應(yīng)比特周期內(nèi)有一光脈沖或光源LD或LED處于開狀態(tài)，編碼“0”表示對(duì)應(yīng)的比特周期內(nèi)無光脈沖或光源LD或LED處于關(guān)狀態(tài)。光脈沖的寬度

3、為比特周期的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)1 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，光脈沖時(shí)間寬度為1 ns。編碼既可以采用直接將光源調(diào)諧在開或關(guān)兩種狀態(tài)的方法來完成，也可以用數(shù)字比特通過外調(diào)制器方法來完成，下面將具體介紹。 第5頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 開關(guān)鍵控調(diào)制可以采用許多信號(hào)格式， 最常用的為NRZ、 RZ和短脈沖三種格式。 NRZ稱為不歸零碼，編碼“1”對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期，“0”對(duì)應(yīng)無光脈沖出現(xiàn)。如果是連續(xù)兩個(gè)“1”比特，則光脈沖持續(xù)兩個(gè)比特周期。RZ碼稱為歸零碼， “1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的一半，“0”對(duì)應(yīng)無光脈沖出現(xiàn)。短脈沖是由RZ變化而

4、來的，其“1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的很小一部分，“0”對(duì)應(yīng)無光脈沖出現(xiàn)。它們的信號(hào)格式如圖6.2所示。 第6頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖6.2 開關(guān)鍵控?cái)?shù)據(jù)調(diào)制格式 第7頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 NRZ碼與其他格式相比， 其主要優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)的頻帶寬度窄， 只是RZ碼的一半， 缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”時(shí)， 光脈沖沒有“有”和“無”的交替變化， 這對(duì)于接收時(shí)對(duì)比特時(shí)鐘的提取是不利的。 RZ碼克服了這個(gè)問題， 解決了連“1”的問題， 但長(zhǎng)連“0”問題仍然存在。 第8頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，

5、星期一 以上所有格式都存在直流分量DC波動(dòng)即不平衡問題。開關(guān)鍵控調(diào)制方案獲得DC平衡是很重要的，這使得接收時(shí)設(shè)計(jì)判決閾值變得容易，有利于數(shù)字處理的恢復(fù)。 為了保證光信號(hào)有足夠的交替變化和提供DC平衡， 系統(tǒng)中常采用擾碼和分組碼方案。 第9頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.1.3 擾碼 擾碼是一個(gè)比特流與另一個(gè)比特流的一到一的映射， 即將一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特流在發(fā)送之前一對(duì)一地映射為另一比特流。 在發(fā)送端， 擾碼器將輸入的比特流與經(jīng)過仔細(xì)挑選的另一個(gè)比特流進(jìn)行異或運(yùn)算， 另一比特流序列的選取原則是應(yīng)盡量使輸出比特的長(zhǎng)連“1”或“0”出現(xiàn)的概率盡可能地小。 第10頁，共

6、53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 在接收端通過解擾器， 使其輸出的碼流中將原比特流恢復(fù)出來。 擾碼最大的優(yōu)點(diǎn)是不占用額外的帶寬， 缺點(diǎn)是并不能保證DC平衡， 也不能保證序列中不出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”。 但擾碼中出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”和不平衡的概率是很小的， 只要認(rèn)真選取映射關(guān)系就能保證這一點(diǎn)。第11頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.1.4 線路碼（5B/6B、 8B/10B） 另一個(gè)解決DC不平衡的方法是采用分組碼， 有許多不同類型的分組碼。 二進(jìn)制的線性分組碼的一種形式為： 將k個(gè)比特變換成n個(gè)比特， 然后再發(fā)送出去， 接收端將n比特再映射成原來

7、的k個(gè)比特。 分組碼經(jīng)過設(shè)計(jì)可使DC平衡， 能提供足夠多的信號(hào)交替變化。 這種分組碼的典型例子是（8，10）、 （5，6）,表示為8B10B， 5B6B。 第12頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 分組碼提高了速率， 因而占用了額外的帶寬， 對(duì)于4B5B， 則k=4， n=5， 意味著原來的1 Gb/s 比特率在編碼之后增加到1.25 Gb/s， 就是說要多付出25% 的帶寬開銷。 第13頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一6.2 直接調(diào)制IM光發(fā)送機(jī) 直接強(qiáng)度調(diào)制是光纖通信中最簡(jiǎn)單、 最經(jīng)濟(jì)、 最容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方式， 適用于半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極

8、管LED， 這是因?yàn)樗鼈兊妮敵龉β逝c注入電流成正比（LD閾值以上）， 只需通過改變注入電流就可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。 光功率的變化能夠響應(yīng)注入電流信號(hào)的高速變化。 第14頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.2.1 模擬調(diào)制 所謂模擬信號(hào)的直接調(diào)制， 就是讓LED或LD的注入電流跟隨輸入的模擬量變化， 從而使LED或LD的輸出光功率跟隨模擬信號(hào)變化， 如圖6.3所示。 第15頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖6.3 LED和LD的模擬調(diào)制第16頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.2.2 數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)的光強(qiáng)度調(diào)制原理如圖6.

9、4所示。 第17頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖 6.4 數(shù)字IM調(diào)制原理第18頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一6.3 外 調(diào) 制 6.3.1 電折射調(diào)制器 電折射調(diào)制器利用了晶體材料的電光效應(yīng)，常用的晶體材料有：鈮酸鋰晶體（LiNbO3）、鉭酸鋰晶體（LiTaO3）和砷化鎵（GaAs）。 第19頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的非線性效應(yīng)， 具體講是指晶體的折射率發(fā)生了變化。當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度成正比時(shí)，稱為線性電光效應(yīng)，即普克爾效應(yīng)；當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)的幅度平方成正比變

10、化時(shí)，稱為克爾效應(yīng)。電光調(diào)制主要采用普克爾效應(yīng)。 最基本的電折射調(diào)制器是電光相位調(diào)制器，它是構(gòu)成其他類型的調(diào)制器如電光幅度、電光強(qiáng)度、電光頻率、電光偏振等的基礎(chǔ)。電光相位調(diào)制器的基本原理框圖如圖6.5所示。 第20頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖6.5 電光相位調(diào)制器的基本原理框圖第21頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 當(dāng)一個(gè)A sin(t+0)的光波入射到電光調(diào)制器（Z=0）， 經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的外電場(chǎng)作用區(qū)后，輸出光場(chǎng)(Z=L)即已調(diào)光波為A sin(t+ 0 +)，相位變化因子受外電壓的控制從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。 兩個(gè)電光相位調(diào)制器組合后便可以構(gòu)

11、成一個(gè)電光強(qiáng)度調(diào)制器。這是因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)相光波在相互疊加輸出時(shí)發(fā)生了干涉，當(dāng)兩個(gè)光波的相位同相時(shí)光強(qiáng)最大，當(dāng)兩個(gè)光波的相位反相時(shí)光強(qiáng)最小，從而實(shí)現(xiàn)了外加電壓控制光強(qiáng)的開和關(guān)的目標(biāo)。 第22頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.3.2 M-Z型調(diào)制器 M-Z型調(diào)制器是由一個(gè)Y型分路器、 兩個(gè)相位調(diào)制器和Y型合路器組成的， 其結(jié)構(gòu)如圖6.6所示。 相位調(diào)制器就是上述的電折射調(diào)制器。輸入光信號(hào)被Y型分路器分成完全相同的兩部分，兩個(gè)部分之一受到相位調(diào)制，然后兩部分再由Y型合路器耦合起來。按照信號(hào)之間的相位差，兩路信號(hào)在Y型合路器的輸出產(chǎn)生相消和相長(zhǎng)干涉，就得到了“通”和“斷”的信號(hào)

12、。 第23頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖6.6 M-Z型調(diào)制器第24頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.3.3 ASK/PSK/FSK方式 振幅鍵控ASK是用電的比特流（調(diào)制頻率）直接調(diào)制光載波信號(hào)強(qiáng)度的技術(shù)。對(duì)其值為“1”的比特， 光載波具有最大的振幅；對(duì)其值為“0”的比特，光載波具有最小的振幅。對(duì)于單極性信號(hào)，ASK也稱為開關(guān)鍵控。 ASK采用的編碼有RZ和NRZ兩種類型。 第25頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 ASK方式能夠用于IM/DD系統(tǒng)，但是要直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器時(shí)，信號(hào)的相位也會(huì)偏移。在IM/DD檢測(cè)

13、時(shí)相位偏移不重要，因?yàn)橄辔恍畔⒉黄鹱饔茫撬鼘?duì)檢測(cè)是有影響的。 第26頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 相移鍵控PSK調(diào)制光束，所有比特的頻率和幅度不變。對(duì)于二進(jìn)制PSK，相位是0和180。 PSK是使用電折射調(diào)制器的外調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有外加電壓時(shí)， 相位差用下式表示： （6.1） 式中，m正比于所加電壓，Lm是施加電壓讓折射率改變的長(zhǎng)度。 第27頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 頻移鍵控FSK是調(diào)制光載波的頻率，光載波的頻率改變?yōu)閒，f+f對(duì)應(yīng)邏輯“1”，f-f對(duì)應(yīng)邏輯“0”。 FSK是兩個(gè)狀態(tài)（開與關(guān)）的數(shù)字調(diào)頻FM技術(shù)。第28頁，共53頁

14、，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的器件是DFB半導(dǎo)體激光器。當(dāng)注入電流改變時(shí)，它們輸出光波的頻率發(fā)生偏移。小的注入電流變化（1 mA）就會(huì)使光波的頻率改變約1 GHz。DFB激光器是高調(diào)制效率、高調(diào)制速率的很好的相干FSK光源。 第29頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一6.4 光 接 收 機(jī) 目前，IM/DD系統(tǒng)的解調(diào)方案的框圖如圖6.9所示, 它屬于非相干解調(diào)。光檢測(cè)器接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成與光功率成正比的光生電流信號(hào)，前置放大器將微弱的電流信號(hào)放大到所需的電平電流信號(hào)。如果是數(shù)字信號(hào)，還要送后續(xù)的判決電路完成數(shù)字信號(hào)的再生，具體的電路形式由不同的

15、編碼和調(diào)制方案決定。光放大器放置在光檢測(cè)器前作為前置光放大器。必要時(shí)可在前置光放大器前加光濾波器，用來選擇所需的通道信號(hào)。 第30頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 圖6.9 數(shù)字光接收機(jī)（DD解調(diào)）框圖第31頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.4.1 理想的數(shù)字光接收機(jī) 從原理上講， 解調(diào)過程是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，接收機(jī)根據(jù)比特周期內(nèi)有光還是無光來判定是“1”比特還是“0”比特， 如果有光出現(xiàn)， 則對(duì)應(yīng)“1”比特發(fā)送， 如果無光出現(xiàn)， 則對(duì)應(yīng)“0”比特發(fā)送， 這就是所謂的直接檢測(cè)DD。第32頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 光功

16、率為P的光信號(hào)到達(dá)光檢測(cè)器時(shí)，可以看成是平均速率為P/hfc的光子流，h為普朗克常數(shù)， h=6.6310-34J/Hz(焦耳/赫茲)， fc為光波頻率，hfc為單個(gè)光子的能量。該光子流是一滿足泊松分布的隨機(jī)過程。 第33頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 對(duì)于這種簡(jiǎn)單的接收機(jī)，發(fā)送“0”比特時(shí)是不會(huì)誤碼的，只有發(fā)送“1”比特時(shí)才會(huì)誤碼，因?yàn)榘l(fā)送“1”比特期間沒有光子被檢測(cè)到就判定為“0”比特發(fā)送，有光子被檢測(cè)到就判定為“1”比特。第34頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 因此，沒有接收到任何光子的概率，設(shè)“0”和“1”是等概的，則理想光接收機(jī)的誤碼率

17、為 參數(shù)B為比特速率，M=P/hfcB，為“1”比特期間接收的平均光子數(shù)， 這就是理想光接收機(jī)的誤碼率，也稱為量子極限條件下的誤碼率。為了達(dá)到10-12的誤碼率，則每個(gè)比特的平均光子數(shù)M=27。 第35頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.4.2 實(shí)際的光接收機(jī) 在實(shí)際的直接檢測(cè)接收機(jī)中，光信號(hào)在光檢測(cè)器上被轉(zhuǎn)變?yōu)楣馍娏鞯耐瑫r(shí)，還附加有額外的噪聲信號(hào)。第36頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.4.3 前置電放大器噪聲 在接收機(jī)的光檢測(cè)器之后，為了將微弱的電流信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，通常需要一個(gè)前置放大器。 前置放大器中采用的元器件(如電阻)會(huì)產(chǎn)生

18、熱噪聲， 由于放大器的放大，輸入端的熱噪聲在輸出端得到了增強(qiáng)。第37頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.4.4 光放大器噪聲 簡(jiǎn)單的直接檢測(cè)接收機(jī)的性能主要受接收機(jī)中熱噪聲的限制，這可以通過在光檢測(cè)器前采用光放大器來改善。光放大器提供了光輸入信號(hào)的功率， 但不幸的是， 在放大光信號(hào)的同時(shí)， 放大的自發(fā)輻射作為一種噪聲也出現(xiàn)在輸出端。 第38頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 6.4.5 誤碼率 理想光接收機(jī)有一定的誤碼率，實(shí)際的光接收機(jī)的誤碼率還涉及到各種不同的噪聲影響。接收機(jī)通過對(duì)光生電流進(jìn)行取樣，從而判決每個(gè)比特周期發(fā)送的是“0”還是“1”。

19、由于噪聲電流的存在, 接收機(jī)有可能做出錯(cuò)誤的判決，因而導(dǎo)致了誤碼。 實(shí)際上，接收機(jī)靈敏度還與比特率有關(guān)。第39頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖6.12 接收機(jī)靈敏度與比特率的關(guān)系曲線 第40頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 實(shí)際中，在放大器和光檢測(cè)器之間采用了光濾波器，降低了各種噪聲，但也限制了系統(tǒng)的帶寬。 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的前放接收機(jī)，其靈敏度為每比特幾百個(gè)光子數(shù)；而對(duì)于不采用光放大器的簡(jiǎn)單的PIN光接收機(jī)，其靈敏度為每比特幾千個(gè)光子。 第41頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一6.5 相 干 接 收 由以上分析可知，簡(jiǎn)單的直

20、接檢測(cè)光接收機(jī)由于受噪聲限制，不可能獲得很高的靈敏度，這可以通過在光接收機(jī)前面采用一個(gè)光放大器來改善，另一個(gè)提高靈敏度的方法是相干檢測(cè)接收機(jī)。 相干檢測(cè)的主要思想是將另一個(gè)本振光信號(hào)， 即所謂的本振激光與信號(hào)進(jìn)行混合來提高信號(hào)的功率。 第42頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 在光通信中，相干檢測(cè)包括采用本振與光信號(hào)混頻。一個(gè)典型的相干光檢測(cè)系統(tǒng)的框圖如圖6.13所示。 其中，本振Lo是一個(gè)優(yōu)質(zhì)的激光器， 用它來產(chǎn)生本振光。本振光和光線路來的光信號(hào)在光耦合器中混合，然后一起投射到光檢測(cè)器PIN中相干混頻， 混頻后的差頻信號(hào)經(jīng)后接信號(hào)處理系統(tǒng)處理后進(jìn)行判決。 由于光信號(hào)在常

21、規(guī)光纖線路中傳輸時(shí)， 其相位和偏振面會(huì)發(fā)生緩慢的變化， 因此為了使本振光和光信號(hào)的相位和偏振面一致， 可利用光鎖相環(huán)來跟蹤相位的變化， 通過偏振控制器來調(diào)整偏振， 如圖6.13中所示的偏振控制器。 第43頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖 6.13 相干光波檢測(cè)系統(tǒng)框圖 第44頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 光相干檢測(cè)和無線電相干接收技術(shù)一樣， 也有外差和零差兩種， 在式(6.33)中， 當(dāng)S=L時(shí)， 即無中頻， 這時(shí)光相干檢測(cè)為零差檢測(cè); 當(dāng)SL時(shí)， 有中頻IF=S-L， 這時(shí)光相干檢測(cè)為外差檢測(cè)。 由于接收機(jī)檢測(cè)的輸出信號(hào)電流IS隨本振光功

22、率PL增大而增大， 即得到所謂的“本振增益”，所以相干檢測(cè)系統(tǒng)光接收機(jī)的靈敏度較高，比直接檢測(cè)可提高1025 dB。 第45頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 檢測(cè)器的輸出電流不僅與被檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度或功率有關(guān)， 還與光載波的相位或頻率有關(guān)， 這說明不僅可以用光信號(hào)的強(qiáng)度傳遞信息，還有可能通過調(diào)制光載波的相位或頻率來傳遞信息。而在直接檢測(cè)技術(shù)中不允許進(jìn)行頻率或相位的調(diào)制， 所有有關(guān)信號(hào)的相位和頻率的信息都丟失了。 第46頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 與IM-DD光波系統(tǒng)相比，干檢測(cè)系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是： (1) 光接收機(jī)的靈敏度高， 比直接檢測(cè)高1025 dB， 可大大延長(zhǎng)無中繼傳輸距離（在1550 nm波長(zhǎng)可延長(zhǎng)至100 km）； (2) 相干檢測(cè)選擇性高，可用于信道間隔小到110 GHz的光頻多路復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多信道復(fù)用，有效使用光纖帶寬。 此外，相干傳輸也有利于提高系統(tǒng)抗非線性效應(yīng)的能力。 第47頁，共53頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 在如圖6.13所示的相干檢測(cè)系統(tǒng)框圖中， 光的接收技術(shù)主要是指零差或外差接收技術(shù)，主要包括本振激光器、光耦合器、光偏振控制以及檢測(cè)器PIN等。 光偏振控制技術(shù)是相干檢測(cè)系統(tǒng)的特有技術(shù)。當(dāng)接收機(jī)本振光的偏振與信號(hào)光的偏振態(tài)一致時(shí)，才能獲得良好