光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)-課件

第九章光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)內(nèi)容摘要：光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成和功能由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。功能是將來(lái)自于電端機(jī)的信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。2.光接收機(jī)構(gòu)成和功能由(光放大器)光檢測(cè)器和放大電路組成。功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大電路放大，送到接收端的電端機(jī)。本章重點(diǎn)：

理解掌握光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)的功能、電路工作原理。第九章光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)內(nèi)容摘要：1

一、光發(fā)射機(jī)應(yīng)滿足的技術(shù)要求

(1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率；

(2)發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)位于光纖的三個(gè)低損耗窗口；

(3)可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制；

(4)可靠性高，要求它工作壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定性好（功率、偏振、光譜、溫度）；

(5)發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離。

第一節(jié)光發(fā)射機(jī)一、光發(fā)射機(jī)應(yīng)滿足的技術(shù)要求第一節(jié)光發(fā)射機(jī)2激光二極管發(fā)光二極管1．光功率較大，100mW——101

mw光功率較小，僅1mw——2mW2．帶寬大、調(diào)制速率高，102MHz——101

GHz帶寬小、調(diào)制速率低，101——102MHz。3．光束方向性強(qiáng)，發(fā)散度小。方向性差，發(fā)散度大。4．與光纖的耦合效率高，可達(dá)80％以上。與光纖的耦合效率低，僅百分之幾。5．光譜較窄。光譜較寬。6．制造工藝難度大，成本高。制造工藝難度小，成本低。7．在要求光功率較穩(wěn)定時(shí)，需要APC和ATC?？稍谳^寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。8．輸出特性曲線的線性度較好。在大電流下易飽和。9．有模式噪聲。無(wú)模式噪聲。10．可靠性一般?？煽啃暂^好。11．工作壽命短。工作壽命長(zhǎng)。11．工作壽命短。3

光源發(fā)光的波長(zhǎng)、通信容量、模式以及通信距離四者之間的定性關(guān)系:光源發(fā)光的波長(zhǎng)、通信容量、模式以及通信距離四者之間的4二、光發(fā)送原理

在光纖通信系統(tǒng)中，由于信息由LED和LD發(fā)出的光波攜帶，因此光發(fā)射機(jī)主要有調(diào)制電路和控制電路組成。二、光發(fā)送原理5光發(fā)送系統(tǒng)說(shuō)明:

在數(shù)字通信中，輸入電路將輸入的PCM脈沖信號(hào)變換成NRZ碼后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制光源(直接調(diào)制)，或送到光調(diào)制器調(diào)制光源輸出的連續(xù)光波(外調(diào)制)，加載到光源上。對(duì)直接調(diào)制，驅(qū)動(dòng)電路需給光源加一直流偏置；而外調(diào)制方式中光源的驅(qū)動(dòng)為恒定電流，以保證光源輸出連續(xù)光波。

自動(dòng)偏置和自動(dòng)溫度控制電路是為了穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度。光發(fā)射機(jī)中還有報(bào)警電路，用以檢測(cè)和報(bào)警光源的工作狀態(tài)。

光發(fā)送系統(tǒng)說(shuō)明:6----從本質(zhì)上講，光載波調(diào)制和無(wú)線電波載波調(diào)制一樣，也即有調(diào)幅、調(diào)強(qiáng)、調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)偏等多種調(diào)制方式。但為了便于解調(diào)，在光頻段多采用強(qiáng)度調(diào)制。----從調(diào)制方式與光源的關(guān)系上來(lái)分，強(qiáng)度調(diào)制的方法有兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制——用電信號(hào)直接調(diào)制光源器件的偏置電流，使光源發(fā)出的光功率隨信號(hào)而變化。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。外調(diào)制——基于電光、磁光、聲光效應(yīng)，讓光源輸出的連續(xù)光載波通過(guò)光調(diào)制器，光信號(hào)通過(guò)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制。需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)。---三、光波的調(diào)制

----從本質(zhì)上講，光載波調(diào)制和無(wú)線電波載波調(diào)制一樣，也即有7模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制（按調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)分）：模擬調(diào)制，分為兩類：一類是利用模擬基帶信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制；另一類采用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，再用該已調(diào)制的副載波去調(diào)制光載波。模擬調(diào)制的調(diào)制速率較低，均使用直接調(diào)制方式。

----2.數(shù)字調(diào)制,主要指PCM脈碼調(diào)制。即先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成一組二進(jìn)制脈沖代碼，再對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通斷調(diào)制。數(shù)字調(diào)制也可使用直接調(diào)制和外調(diào)制。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制（按調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)分）：8模擬調(diào)制：連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上，選擇適當(dāng)直流偏置的大小，使靜態(tài)工作點(diǎn)位于發(fā)光管特性曲線線性段的中點(diǎn)，可以減小光信號(hào)的非線性失真。

調(diào)制線性的好壞取決于調(diào)制深度m。設(shè)調(diào)制電流幅值為ΔI，偏置電流為IB，則m定義為：

(8-1)四．LED的直接調(diào)制原理模擬調(diào)制：四．LED的直接調(diào)制原理9數(shù)字調(diào)制：信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用單向脈沖電流的“有”、“無(wú)”(“1”碼和“0”碼)控制發(fā)光管的發(fā)光與否。直接調(diào)制時(shí)，模擬系統(tǒng)或數(shù)字系統(tǒng)都是通過(guò)控制流經(jīng)發(fā)光管電流的辦法達(dá)到調(diào)制輸出光功率的目的。但由于二者功率不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)與偏置電路也不同。數(shù)字調(diào)制：101．LED的模擬驅(qū)動(dòng)電路

在模擬系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路提供一定的工作點(diǎn)偏置電流及足夠的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流，以使光源能夠輸出足夠的功率。

非線性失真必須低于

-30dB～-50dB。但由于LED本身存在非線性失真，在高質(zhì)量要求的信號(hào)傳輸中，還需要線性補(bǔ)償電路。

LED對(duì)溫度不很敏感，因此一般不采用APC和ATC電路。五．光源的驅(qū)動(dòng)電路1．LED的模擬驅(qū)動(dòng)電路在模擬系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路提供一11

鍺二極管和電阻串聯(lián)后與LED并聯(lián)，在大電流時(shí)起分流作用，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電流范圍，提高LED的線性。

圖為一種簡(jiǎn)單而又具有高速特性的共發(fā)射極跨導(dǎo)式驅(qū)動(dòng)器。將基極電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榧姌O電流以驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。晶體管工作在甲類工作狀態(tài)，調(diào)整基極偏置，使晶體管和發(fā)光管都偏置在各自的線性區(qū)。鍺二極管和電阻串聯(lián)后與LED并聯(lián)，在大電流時(shí)起分流作12LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供幾十至幾百毫安（mA）的“開(kāi)”“關(guān)”電流。

碼速不高時(shí)，可以不加偏置；但在高碼速時(shí)，需加小量的正向偏置電流，有利于保持二極管電容上的電荷。

2．LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。2．L13

圖8-6(a)為晶體管共射驅(qū)動(dòng)電路，晶體管用作飽和開(kāi)關(guān)，提供電流增益β，其兩端的電壓降較小，飽和壓降Vcc≈0.3V。

圖(c)為發(fā)射極耦合開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路，可傳輸300Mb／s以上的數(shù)字信號(hào)。

晶體管Tl和T2是發(fā)射極耦合式開(kāi)關(guān)，T3為恒流源。發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流由恒流源決定。這種電路類似線性差分放大器，實(shí)際作開(kāi)關(guān)用。由于它超越了線性范圍工作，輸入端過(guò)激勵(lì)時(shí)；仍沒(méi)有達(dá)到飽和，所以開(kāi)關(guān)速率更高。圖(b)中的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)使電路得到2.5ns的光上升時(shí)間，可傳輸100Mb／s的數(shù)字信號(hào)。但發(fā)射極的負(fù)載不是純電阻，電路發(fā)生振蕩。RlCl并聯(lián)串接于發(fā)射極電路，組成發(fā)射極跟隨電路，提供電壓階躍，以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電流開(kāi)始時(shí)，對(duì)發(fā)光管電容充電所造成的光驅(qū)動(dòng)電流的下降，從而使驅(qū)動(dòng)器可工作在高碼速情況下。圖8-6(a)為晶體管共射驅(qū)動(dòng)電路，晶體管用作飽和開(kāi)14

由于LD通常用于高速系統(tǒng)，且是閾值器件，它的溫度穩(wěn)定性較差，與LED相比，其調(diào)制技術(shù)要復(fù)雜的多，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝，都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。為了保證LD有穩(wěn)定的輸出光功率、光譜、消光比，需要有各種輔助電路，例如功率控制電路、溫控電路、限流保護(hù)電路和各種告警電路等。

4.LD的驅(qū)動(dòng)電路

由于LD通常用于高速系統(tǒng)，且是閾值器件，它的溫度穩(wěn)定15

采用直接調(diào)制方式時(shí)，偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)。選擇直流預(yù)偏置電流應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

(1)加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張弛振蕩得到一定程度的抑制。偏置電流和調(diào)制電流的選擇

由圖中可以看出，由于LD加了足夠的預(yù)偏置電流，調(diào)制電流脈沖幅度較??；預(yù)偏置后張弛振蕩大大減弱；譜線減少，光譜寬度變窄；電光延遲的減小。采用直接調(diào)制方式時(shí)，偏置電流的選擇直接影響激光器的高16(2)太大的直流偏置會(huì)使激光器的消光比惡化。消光比——激光器在全"l"碼時(shí)發(fā)送的光功率(P1)與全"0"碼時(shí)發(fā)射的光功率(Po)之比，用dB表示為：光源的消光比將直接影響接收機(jī)的靈敏度。

為保證一定的靈敏度，消光比一般應(yīng)大于10dB。激光器的偏置電流IB過(guò)大，會(huì)使消光比惡化，降低接收機(jī)的靈敏度。通常取IB＝(0.85～0.90)Ith。驅(qū)動(dòng)脈沖電流的峰-峰值ΔIm一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith。(2)太大的直流偏置會(huì)使激光器的消光比惡化。消光比——激光器17

激光器的直接調(diào)制電路有許多種，但概括起來(lái)有兩類：一類是單管集電極驅(qū)動(dòng)電路，另一類是射極耦合開(kāi)關(guān)電路。圖中，三極管的輸出特性在放大區(qū)表現(xiàn)為恒流源，可以用集電極電流驅(qū)動(dòng)光源。DT為驅(qū)動(dòng)管，當(dāng)電信號(hào)加在DT基極時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)集電極電路中的激光器，使之輸出的光功率隨信號(hào)的變化而變化。DT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。激光器的直接調(diào)制電路激光器的直接調(diào)制電路有許多種，但概括起來(lái)有兩類：18TTL開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路

下圖中晶體管BG2和BG3為發(fā)射極耦合對(duì)，組成非飽和電流選擇開(kāi)關(guān)。當(dāng)BG2基極電位高于BG3基極電位時(shí)，BG2導(dǎo)通，恒流源的驅(qū)動(dòng)電流Im全部流過(guò)BG2，故流過(guò)LD的電流為零。反之，當(dāng)BG2基極電位低于BG3基極電位時(shí)，BG3導(dǎo)通，所有驅(qū)動(dòng)電流都通過(guò)LD。

電流開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程由輸入數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成ECL電平來(lái)控制，ECL電平"l"碼時(shí)，輸出為-1.8V，"0"碼時(shí)，輸出為十0.8V，經(jīng)過(guò)BGl和D1電平移動(dòng)后加到BG2基極，而B(niǎo)G3基極電平固定在-2.6V，它由溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖絍bb經(jīng)BG4和D2電平移動(dòng)得到。Vbb＝-1.31V是"l"碼和"0"碼電平的中間值。選擇適當(dāng)?shù)妮斎腚妷?，使晶體管不驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)，就能起到快速開(kāi)關(guān)作用，同時(shí)恒流源可使開(kāi)關(guān)噪聲很小。TTL開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路電流開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程由輸入19

在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會(huì)使Ith增大，量子效率下降，導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。

光功率自動(dòng)控制有許多方法：一是自動(dòng)跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動(dòng)控制；三是P-I曲線效率控制法等。最簡(jiǎn)的是通過(guò)直接檢測(cè)光功率控制偏置電流。自動(dòng)功率控制電路(APC)在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會(huì)使Ith增大，量20

利用LD組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測(cè)LD背向輸出光功率的大小。若功率小于某一額定值時(shí)，通過(guò)反饋電路后驅(qū)動(dòng)電流增加，并達(dá)到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅(qū)動(dòng)電流減小，以保證LD輸出功率基本上恒定不變。利用LD組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測(cè)LD背向輸出光21

該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過(guò)調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。

調(diào)節(jié)R2使再生信號(hào)與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。

當(dāng)輸出光功率產(chǎn)生變化時(shí)，平衡破壞，反饋偏置電路將自動(dòng)調(diào)整IB，使輸出功率恢復(fù)到原來(lái)的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。IB該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的22

圖8-13的原理：控制LD偏置電流——保持輸出光脈沖幅度的恒定。

在運(yùn)放的輸入端，再生信號(hào)由輸入信號(hào)再生處理后得到，它固定在0V～-lV間。LD組件中PIN管接收LD的背面輸出光，它受到與正面輸出光同樣的溫度及老化影響，從而可用來(lái)反饋控制LD輸出光功率。

該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過(guò)調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。調(diào)節(jié)R2使再生信號(hào)與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。當(dāng)輸出光功率產(chǎn)生變化時(shí)，平衡破壞，反饋偏置電路將自動(dòng)調(diào)整IB，使輸出功率恢復(fù)到原來(lái)的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。

R3Cl構(gòu)成LD的慢啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)啟電源或有突發(fā)的電沖擊時(shí)，由于電路的時(shí)間常數(shù)很大(～lms)，IB只能慢慢增大。前面的控制電路首先進(jìn)入穩(wěn)定控制狀態(tài)，然后IB緩慢增大，保護(hù)LD免受沖擊。圖8-13的原理：控制LD偏置電流——保持輸出光脈沖23

溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過(guò)APC電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常值。但是，如果環(huán)境溫度升高較多，經(jīng)APC調(diào)節(jié)后，IB增大較多，則LD的結(jié)溫因此也升高很多，致使Ith繼續(xù)增大，造成惡性循環(huán)，從而影響了LD的使用壽命。自動(dòng)溫度控制電路(ATC)

因此，為保證激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須采用自動(dòng)溫度控制電路(ATC)使激光器的工作溫度始終保持在20攝氏度左右。LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成，如圖所示。溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通24

圖8-17是溫度控制電路，LD組件中的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，在20℃時(shí)阻值Rt＝10kΩ～12kΩ，ΔRt／ΔT≈-0．5／℃。它與Rl，R2，R3組成橋式電路，其輸出電壓加到差分放大器的同相和反相輸入端，在某溫度下，電橋達(dá)到平衡。LD溫度升高時(shí)，Rt下降，BGl正向?qū)?，通過(guò)制冷器Rc的電流Ic加大，使LD的溫度下降。Rt

T↑→Rt(電壓下降)

↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓圖8-17是溫度控制電路，LD組件中的熱敏電阻具有25

微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。當(dāng)直流電流通過(guò)兩種半導(dǎo)體組成的電偶時(shí)，出現(xiàn)一端吸熱另一端放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。微型半導(dǎo)體制冷器的溫差可以達(dá)到30℃～40℃。吸熱放熱微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材26

不論內(nèi)制冷還是外制冷半導(dǎo)體制冷器都是非常重要的。圖8-16為半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(a)為單個(gè)熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，(b)為熱電偶組件，它是由多個(gè)熱電偶按電學(xué)上串聯(lián)、熱學(xué)上并聯(lián)的方式組成的。

單個(gè)熱電偶是由P型和N型摻雜的半導(dǎo)體組成，它被焊接在銅連接片上，并用陶瓷面板將銅連接片與外表面電絕緣。當(dāng)未接外電路時(shí)，跨越它兩端形成的溫度差使它的兩端產(chǎn)生一與溫度差成比例的電位差。此時(shí)將其與外電路的負(fù)載連接起來(lái)，將產(chǎn)生電流，從而輸出電功率，這就是一個(gè)熱電偶器件。

將熱電偶與直流電源相連，如圖(a)所示，直流電流通過(guò)熱電偶將產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，在它的一端吸收熱量，與之相連的物體將被冷卻；另一端排放熱量，將散熱器與之接觸，該熱電偶起到制冷器的作用。如果改變直流電流的方向，制冷器的吸熱、散熱端將互換。

由于熱電偶堆是由多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)的，熱電偶的個(gè)數(shù)越多，制冷量越大，在實(shí)際使用過(guò)程中，可根據(jù)所需的溫差，選擇不同的熱電偶堆。不論內(nèi)制冷還是外制冷半導(dǎo)體制冷器都是非常重要27----制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。半導(dǎo)體LD總是和其他一些部件封裝在一起，形成一個(gè)完整的LD組件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-15所示，它將LD芯片、半導(dǎo)體制冷器和具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻等封裝在一個(gè)體積很小的密封盒內(nèi)，控制電路放在盒外，這屬于內(nèi)制冷方式。內(nèi)制冷方式結(jié)構(gòu)緊湊、控制效率高、使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長(zhǎng)。通常內(nèi)制冷較外制冷方式更直接、有效。----外制冷方式是將外加半導(dǎo)體制冷器與山組件的密封盒緊密接觸，通過(guò)控制電路給外加制冷器加直流，達(dá)到控制LD周圍環(huán)境溫度的目的。----制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。半導(dǎo)體LD總是和其他28

具體控制過(guò)程如下：

T↑→Rt↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓。實(shí)際上激光器在連續(xù)工作時(shí)，管芯溫度會(huì)持續(xù)上升，從而使得熱敏電阻Rt總保持在Rt≠R3即電橋總不平衡，于是Ic維持一定值，即控制電路始終為致冷器提供恒定的工作電流Ic。在光發(fā)送電路中，由于采用了ATC和

APC電路，使LD輸出光功率

的穩(wěn)定度保持在較高的水平上。在環(huán)境溫度為十5℃～十50℃范圍內(nèi)，LD輸出光功率的不穩(wěn)定度小于5％。具體控制過(guò)程如下：29①光源的過(guò)流保護(hù)電路為了使光源不致因通過(guò)大電流而損壞，需對(duì)光源進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。圖8-18所示是激光器的過(guò)流保護(hù)電路，圖中T3為激光器提供偏流IB。保護(hù)電路由晶體管T4、電阻Rl組成。

----正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導(dǎo)通降壓，因而T4截止，保護(hù)電路不工作。激光器的保護(hù)及告警電路

當(dāng)偏流IB過(guò)大，致使Rl上的壓降VRl劇增，并超過(guò)T4的導(dǎo)通壓降時(shí)，T4飽和導(dǎo)通，使Vce4≈0，從而導(dǎo)致T3截止，激光器不因IB過(guò)大而被損壞。①光源的過(guò)流保護(hù)電路激光器的保護(hù)及告警電路當(dāng)30②無(wú)光告警電路

----圖8-19所示為無(wú)光告警原理圖。圖中A2的反向端為直流參考電壓VD，其同相端則為代表LD輸出光功率平均值的Vf。當(dāng)LD發(fā)光正常時(shí)，PIN管檢測(cè)到的光電流經(jīng)A1放大后送入A2的同相端。這時(shí)，Vf＞VD，因此A2輸出高電平，致使無(wú)光告警指示燈LED不亮。當(dāng)LD不發(fā)光時(shí)，PIN管檢測(cè)不到光信號(hào)，因而Vf＜VD，A2輸出低電平，使無(wú)光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。另一路高電平為正常、低電平為告警的無(wú)光告警信號(hào)則被送入監(jiān)控系統(tǒng)處理。②無(wú)光告警電路31③壽命告警電路當(dāng)閾值電流增大到開(kāi)始使用時(shí)的1.5倍時(shí)，就認(rèn)為L(zhǎng)D的壽命終止。所以壽命告警電路通常采用監(jiān)測(cè)偏流IB的值來(lái)判斷激光器壽命是否終止。即當(dāng)IB＞1.5Itho(Itho為L(zhǎng)D開(kāi)始啟用時(shí)的閾值電流)時(shí)，壽命告警電路就告警。

----圖8-20所示為壽命告警電路原理圖。圖中T3為激光器提供偏流IB，T4、R1組成過(guò)流保護(hù)電路。由于Vl≈IBRl，所以調(diào)整電位器W使V2＝1.5IthoR1。當(dāng)LD工作正常時(shí)，IB＜1.5Itho，則Vl＜V2，A1輸出高電平，壽命告警燈不亮。如果IB＞1.5Itho，則激光器壽命終止，這時(shí)Vl＞V2，A1輸出低電平，壽命告警燈發(fā)黃色告警顯示。同樣有一路高電平正常、低電平告警的壽命告警信號(hào)送到監(jiān)控系統(tǒng)。③壽命告警電路32

光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息。其輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。本章重點(diǎn)討論接收機(jī)前端的噪聲特性、模擬及數(shù)字接收機(jī)的性能，如信噪比或誤碼率、接收機(jī)靈敏度等。第二節(jié)光接收機(jī)光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳33

光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式，見(jiàn)上圖所示。它們均由反向偏壓下的光電檢測(cè)器、低噪聲前置放大器及其他信號(hào)處理電路組成，是一種直接檢測(cè)(DD)方式。與模擬接收機(jī)(a)相比，數(shù)字接收機(jī)(b)更復(fù)雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時(shí)提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大電路。它們?cè)诟唠娖较鹿ぷ?，不影響?duì)光接收機(jī)基本性能的分析。一、光接收機(jī)的構(gòu)造

模擬式數(shù)字式光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式，34

光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD。(1)PIN管比較簡(jiǎn)單，只需10V～20V的偏壓即可工作，且不需偏壓控制，但它沒(méi)有增益。因此使用PIN管的接收機(jī)的靈敏度不如APD管的高；(2)AFD管具有10～200倍的內(nèi)部電流增益，可提高光接收機(jī)的靈敏度。但使用APD管比較復(fù)雜，需要幾十到200V的偏壓。1、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收35

溫度變化較嚴(yán)重地影響APD管的增益特性。通常需對(duì)APD管的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益不變，或采用溫度補(bǔ)償措施以保持其增益不變。

對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。

由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱(nA～μA)，必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣決定接收靈敏度的主要因素。溫度變化較嚴(yán)重地影響APD管的增益特性。36

經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在將信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，也會(huì)引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。主放大器在放大前置放大器的輸出信號(hào)時(shí)，也會(huì)將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起放大。前置放大器的性能優(yōu)劣對(duì)接收機(jī)的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。

----主放大器主要用來(lái)提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號(hào)電乎一般為mV量級(jí)，而主放大器的輸出信號(hào)一般為1V～3V(峰／峰值)。2、前置放大器經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載37

均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。均衡器的輸出信號(hào)通常分為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)，送入自動(dòng)增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡器輸出的升余弦信號(hào)恢復(fù)為“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)。3、均衡器均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖38

定時(shí)提取電路用來(lái)恢復(fù)采樣所需的時(shí)鐘。

衡量接收機(jī)性能的主要指標(biāo)是接收靈敏度。在接收機(jī)的理論中，中心的問(wèn)題是如何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機(jī)靈敏度主要取決于光電檢測(cè)器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器和放大器的噪聲。定時(shí)提取電路用來(lái)恢復(fù)采樣所需的時(shí)鐘。39

由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部分電路稱為線性通道。線性通道主要完成對(duì)信號(hào)的線性放大，以滿足判決電平的要求。1．前置放大器

接收機(jī)的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。光電二極管接收由光纖耦合來(lái)的光信號(hào)。在實(shí)際電路分析中，可將光電二極管看成是一個(gè)與其結(jié)電容Cd并聯(lián)的電流源，等效電路如右圖所示，其中RL為負(fù)載電阻。二、線性通道由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部40

接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個(gè)因素，一般來(lái)說(shuō)有三種不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗前端，如右圖所示。圖中Ci為總的輸入電容，其中包括光電二極管的結(jié)電容和前置放大器的晶體管引起的電容。右圖為接收機(jī)前端設(shè)計(jì)。1、接收機(jī)前端接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個(gè)因素41

在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻Ri較大，優(yōu)點(diǎn)：增大前置放大器的輸入電壓，較大的Ri值也可以降低熱噪聲和增加接收靈敏度；缺點(diǎn)是帶寬Δf較窄。這種電路的帶寬可表示為（6-3）

輸入電路的總電阻Ri由放大器的輸入電阻Rb和光電二極管的直流負(fù)載電阻RL并聯(lián)而成。等效輸入電阻Ri表示為

（6-4）

輸入電路引入的熱噪聲表示為

（6-5）在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻Ri較大，42

由此可見(jiàn)：RL越大，帶寬越小。可以采用均衡器對(duì)高頻提升的辦法來(lái)增加帶寬，在接收靈敏度達(dá)到要求的前提下，

可以用降低Ri的辦法來(lái)增加帶寬，

這種前端叫作低電阻前端。但這種電路方式的熱噪聲較大，當(dāng)然，接收靈敏度也較低。(1)高阻抗放大器的均衡：要解決高阻抗放大器帶寬窄、信號(hào)脈沖失真嚴(yán)重引起的碼間干擾，必須用很強(qiáng)的均衡。通過(guò)微分網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償高頻分量的滾降，使接收機(jī)的頻響特性在要求的帶寬內(nèi)變?yōu)槠街?，以改善輸出脈沖的波形。但嚴(yán)格的均衡是很困難的，因放大器的輸入導(dǎo)納主要取決于總的輸入電容且又隨晶體管的不同及雜散電容大小而變化。由此可見(jiàn)：RL越大，帶寬越小?？梢圆捎镁馄鲗?duì)高頻提43

右圖為均衡器電路的幾個(gè)例子。(a)為無(wú)源均衡器；(b)為采用運(yùn)算放大器的均衡器；(c)雙極晶體管的有源均衡器。右圖為均衡器電路的幾個(gè)例子。44

無(wú)源均衡器是簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：

--------------------------(6-6)

式中,。對(duì)于完全均衡，ω1與前置放大器的轉(zhuǎn)折頻率相匹配，

這樣放大器帶寬因均衡器而展寬到ω2。傳遞函數(shù)值減小了ω2/ω1倍，將其稱為均衡比，一般可達(dá)到幾十。對(duì)于這種無(wú)源均衡器，高頻時(shí)增益為1，對(duì)低頻的衰減等于均衡比。

無(wú)源均衡器是簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：

-45

對(duì)于圖(b)、(c)中的有源均衡濾波器，其傳遞函數(shù)為：

(6-7)

式中ω1、ω2與無(wú)源均衡器相同，但k＝R3/R2，即均衡器的增益決定于R3，可與ω1、ω2獨(dú)立進(jìn)行選擇。高阻抗放大器存在的第二個(gè)問(wèn)題是動(dòng)態(tài)范圍小。例如，在無(wú)源均衡器中，均衡過(guò)程實(shí)質(zhì)上是通過(guò)對(duì)帶內(nèi)低頻信號(hào)的衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此放大器的增益必須非常高，以保證放大器輸出至均衡器的信號(hào)足夠強(qiáng)，而最大輸出電壓受電源電壓和偏置條件的限制，因此接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍受到了限制。對(duì)于圖(b)、(c)中的有源均衡濾波器，其46(2)跨阻抗放大器跨阻抗前置放大器同時(shí)具有高接收靈敏度和頻帶寬的特點(diǎn)，與高阻抗前置放大器相比，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。在跨阻抗前置放大器設(shè)計(jì)中，電阻RL作為一個(gè)反饋電阻跨接在反向放大器的兩端。盡管RL很大，但負(fù)反饋?zhàn)饔檬狗糯笃鞯牡刃л斎胱杩菇档虶倍，G是放大器的增益，這樣帶寬與高阻抗前置放大器比較增加了G倍。因此在大多數(shù)光接收機(jī)中，均采用跨阻抗前置放大器的方式。(2)跨阻抗放大器47

圖6-25為跨阻抗前置放大器的電路圖。圖中Rf為并聯(lián)反饋電阻；Cf為漏散電容；Rb為光電檢測(cè)器及晶體管的偏置電阻；C為并聯(lián)電容。如光電檢測(cè)器與接收放大器直流耦合，則反饋電阻又可作光電檢測(cè)器的負(fù)載電阻，Rb可不用，該電路的傳遞函數(shù)為:圖6-25為跨阻抗前置放大器的電路圖。圖中48

實(shí)用中Rb>>Rf，A>>l。則放大器的頻響特性如圖8-27(b)所示，其3dB帶寬為：

(6-9)

若漏散電容Cf很小，CfA??C，則2=A/RfC。與高阻抗放大器相比跨阻抗前置放大器帶寬要寬得多，至少展寬了A倍，而且通過(guò)跨阻的增加，帶寬還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，這時(shí)接收機(jī)可以不需均衡，或只要少量均衡，動(dòng)態(tài)范圍增大了等于均衡比的量。實(shí)用中Rb>>Rf，A>>l。則放大器的頻響特性如圖49

雖然跨阻抗放大器的帶寬比高阻抗放大器提高了A倍，但也不能通過(guò)無(wú)限增大開(kāi)環(huán)增益來(lái)不斷提高帶寬。因?yàn)樗艿搅藘蓚€(gè)限制：一是隨著A的增加，漏電容的影響也隨之增加，最后變?yōu)橹饕挠绊懀欢菫榱诉_(dá)到高A，必須增加并聯(lián)反饋環(huán)內(nèi)的放大級(jí)數(shù)，對(duì)寬帶應(yīng)用來(lái)說(shuō)，會(huì)引起附加的傳播延遲及相位漂移，使噪聲及相位的富裕度減小，引起不穩(wěn)定。因此反饋環(huán)內(nèi)的放大級(jí)數(shù)限于三級(jí)以下(＞100MHz)或僅一級(jí)(>1GHZ)。

雖然跨阻抗放大器的帶寬比高阻抗放大器提高了A倍，但也50

當(dāng)然反饋電阻的引進(jìn)，在高阻放大器上增加了一個(gè)熱噪聲源，其譜密度為：

（6-10）

當(dāng)時(shí)，放大器反饋電阻Rf的熱噪聲將起主要作用。隨著Rf的增加，該項(xiàng)噪聲隨之減小，但帶寬也減小，二者必須折中考慮。當(dāng)然反饋電阻的引進(jìn)，在高阻放大器上增加了一個(gè)熱噪聲源51

右圖反映了接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的關(guān)系。可見(jiàn)：動(dòng)態(tài)范圍的下限主要受接收機(jī)靈敏度的限制；

上限受前置放大器的飽和及過(guò)載的限制。

右圖反映了接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的52

與高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，可歸納如下：①放大器的總電阻小，電路的時(shí)間常數(shù)小，減小了波形失真，通常不必考慮均衡；

②動(dòng)態(tài)范圍大；③輸出電阻小，放大器不宜感應(yīng)噪聲，不宜發(fā)生串話和電磁干擾；④負(fù)反饋使放大器的特性容易控制，穩(wěn)定性也顯著提高；

⑤靈敏度在寬帶應(yīng)用時(shí)僅比高阻抗放大器低2～3dB。與高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置放大器有許多53

目前光接收機(jī)中最常用的是以場(chǎng)效應(yīng)管(FET)構(gòu)成最前端的跨阻抗前置放大器，光電檢測(cè)器一般多采用PIN管。為了盡量減小引線電容等雜散電容，提高響應(yīng)速度和靈敏度，通常利用混合集成工藝，將PIN光電二極管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)前置放大器電路混合集成為PIN-FET光接收組件。效果較好，已被光接收電路普遍采用。目前光接收機(jī)中最常用的是以場(chǎng)效應(yīng)管(FET)構(gòu)54

圖(a)為44.7MHz光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)前端。光檢測(cè)器為Si-APD，晶體管為輸入電容小、β大的普通晶體管。晶體管BGl和BG2構(gòu)成一反饋對(duì)，Rf為并聯(lián)反饋電阻，BG2的500的發(fā)射極接地電阻是為了消除振蕩。BG3提供3.7倍的增益，使得在最小輸入光功率時(shí)，輸出信號(hào)的峰／峰值達(dá)到4mV,有效跨阻達(dá)14.8kΩ。當(dāng)誤碼率為10-9，APD最佳增益為80時(shí)，接收靈敏度為-55dBm。兩個(gè)跨阻抗前端的實(shí)際例子圖(a)為44.7MHz光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)55----圖(b)為1300nm波段的接收機(jī)前端電路，Rf＝400Ω時(shí)平坦帶寬為2GHz。此處采用微波Si-BJT(NE6400，fc＝10GHz)，因GaAs-MES-FET在噪聲方面的優(yōu)勢(shì)在高速跨阻抗接收機(jī)中已經(jīng)消失，放大器第一級(jí)采用并聯(lián)負(fù)反饋，使引起不穩(wěn)定的環(huán)路延遲減到最小。其中包括了漏散電容的Cf可以補(bǔ)償放大器的高頻響應(yīng)。第二級(jí)為串聯(lián)負(fù)反饋(通過(guò)級(jí)間阻抗失配來(lái)實(shí)現(xiàn))，集電極電阻為50Ω，以便與負(fù)載匹配。----圖(b)為1300nm波段的接收機(jī)前端電路，Rf56

放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是放大器件，常采用雙極性晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)作為輸入級(jí)，其中最常用的是Si-JFET及Si-BJT。頻率較低時(shí),由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入阻抗高、噪聲小常被采用。頻率高時(shí)，常使用雙極性晶體管。BJT用于APD檢測(cè)器時(shí)，接收機(jī)的噪聲主要受倍增增益支配。但對(duì)低噪聲高速應(yīng)用來(lái)說(shuō)GaAs-FET具有最佳性能，但其價(jià)格較高。放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是放大器件，常采用雙極性晶體57第九章光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)內(nèi)容摘要：光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成和功能由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。功能是將來(lái)自于電端機(jī)的信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。2.光接收機(jī)構(gòu)成和功能由(光放大器)光檢測(cè)器和放大電路組成。功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大電路放大，送到接收端的電端機(jī)。本章重點(diǎn)：

理解掌握光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)的功能、電路工作原理。第九章光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)內(nèi)容摘要：58

一、光發(fā)射機(jī)應(yīng)滿足的技術(shù)要求

(1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率；

(2)發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)位于光纖的三個(gè)低損耗窗口；

(3)可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制；

(4)可靠性高，要求它工作壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定性好（功率、偏振、光譜、溫度）；

(5)發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離。

第一節(jié)光發(fā)射機(jī)一、光發(fā)射機(jī)應(yīng)滿足的技術(shù)要求第一節(jié)光發(fā)射機(jī)59激光二極管發(fā)光二極管1．光功率較大，100mW——101

mw光功率較小，僅1mw——2mW2．帶寬大、調(diào)制速率高，102MHz——101

GHz帶寬小、調(diào)制速率低，101——102MHz。3．光束方向性強(qiáng)，發(fā)散度小。方向性差，發(fā)散度大。4．與光纖的耦合效率高，可達(dá)80％以上。與光纖的耦合效率低，僅百分之幾。5．光譜較窄。光譜較寬。6．制造工藝難度大，成本高。制造工藝難度小，成本低。7．在要求光功率較穩(wěn)定時(shí)，需要APC和ATC?？稍谳^寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。8．輸出特性曲線的線性度較好。在大電流下易飽和。9．有模式噪聲。無(wú)模式噪聲。10．可靠性一般?？煽啃暂^好。11．工作壽命短。工作壽命長(zhǎng)。11．工作壽命短。60

光源發(fā)光的波長(zhǎng)、通信容量、模式以及通信距離四者之間的定性關(guān)系:光源發(fā)光的波長(zhǎng)、通信容量、模式以及通信距離四者之間的61二、光發(fā)送原理

在光纖通信系統(tǒng)中，由于信息由LED和LD發(fā)出的光波攜帶，因此光發(fā)射機(jī)主要有調(diào)制電路和控制電路組成。二、光發(fā)送原理62光發(fā)送系統(tǒng)說(shuō)明:

在數(shù)字通信中，輸入電路將輸入的PCM脈沖信號(hào)變換成NRZ碼后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制光源(直接調(diào)制)，或送到光調(diào)制器調(diào)制光源輸出的連續(xù)光波(外調(diào)制)，加載到光源上。對(duì)直接調(diào)制，驅(qū)動(dòng)電路需給光源加一直流偏置；而外調(diào)制方式中光源的驅(qū)動(dòng)為恒定電流，以保證光源輸出連續(xù)光波。

自動(dòng)偏置和自動(dòng)溫度控制電路是為了穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度。光發(fā)射機(jī)中還有報(bào)警電路，用以檢測(cè)和報(bào)警光源的工作狀態(tài)。

光發(fā)送系統(tǒng)說(shuō)明:63----從本質(zhì)上講，光載波調(diào)制和無(wú)線電波載波調(diào)制一樣，也即有調(diào)幅、調(diào)強(qiáng)、調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)偏等多種調(diào)制方式。但為了便于解調(diào)，在光頻段多采用強(qiáng)度調(diào)制。----從調(diào)制方式與光源的關(guān)系上來(lái)分，強(qiáng)度調(diào)制的方法有兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制——用電信號(hào)直接調(diào)制光源器件的偏置電流，使光源發(fā)出的光功率隨信號(hào)而變化。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。外調(diào)制——基于電光、磁光、聲光效應(yīng)，讓光源輸出的連續(xù)光載波通過(guò)光調(diào)制器，光信號(hào)通過(guò)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制。需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)。---三、光波的調(diào)制

----從本質(zhì)上講，光載波調(diào)制和無(wú)線電波載波調(diào)制一樣，也即有64模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制（按調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)分）：模擬調(diào)制，分為兩類：一類是利用模擬基帶信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制；另一類采用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，再用該已調(diào)制的副載波去調(diào)制光載波。模擬調(diào)制的調(diào)制速率較低，均使用直接調(diào)制方式。

----2.數(shù)字調(diào)制,主要指PCM脈碼調(diào)制。即先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成一組二進(jìn)制脈沖代碼，再對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通斷調(diào)制。數(shù)字調(diào)制也可使用直接調(diào)制和外調(diào)制。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制（按調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)分）：65模擬調(diào)制：連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上，選擇適當(dāng)直流偏置的大小，使靜態(tài)工作點(diǎn)位于發(fā)光管特性曲線線性段的中點(diǎn)，可以減小光信號(hào)的非線性失真。

調(diào)制線性的好壞取決于調(diào)制深度m。設(shè)調(diào)制電流幅值為ΔI，偏置電流為IB，則m定義為：

(8-1)四．LED的直接調(diào)制原理模擬調(diào)制：四．LED的直接調(diào)制原理66數(shù)字調(diào)制：信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用單向脈沖電流的“有”、“無(wú)”(“1”碼和“0”碼)控制發(fā)光管的發(fā)光與否。直接調(diào)制時(shí)，模擬系統(tǒng)或數(shù)字系統(tǒng)都是通過(guò)控制流經(jīng)發(fā)光管電流的辦法達(dá)到調(diào)制輸出光功率的目的。但由于二者功率不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)與偏置電路也不同。數(shù)字調(diào)制：671．LED的模擬驅(qū)動(dòng)電路

在模擬系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路提供一定的工作點(diǎn)偏置電流及足夠的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流，以使光源能夠輸出足夠的功率。

非線性失真必須低于

-30dB～-50dB。但由于LED本身存在非線性失真，在高質(zhì)量要求的信號(hào)傳輸中，還需要線性補(bǔ)償電路。

LED對(duì)溫度不很敏感，因此一般不采用APC和ATC電路。五．光源的驅(qū)動(dòng)電路1．LED的模擬驅(qū)動(dòng)電路在模擬系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路提供一68

鍺二極管和電阻串聯(lián)后與LED并聯(lián)，在大電流時(shí)起分流作用，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電流范圍，提高LED的線性。

圖為一種簡(jiǎn)單而又具有高速特性的共發(fā)射極跨導(dǎo)式驅(qū)動(dòng)器。將基極電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榧姌O電流以驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。晶體管工作在甲類工作狀態(tài)，調(diào)整基極偏置，使晶體管和發(fā)光管都偏置在各自的線性區(qū)。鍺二極管和電阻串聯(lián)后與LED并聯(lián)，在大電流時(shí)起分流作69LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供幾十至幾百毫安（mA）的“開(kāi)”“關(guān)”電流。

碼速不高時(shí)，可以不加偏置；但在高碼速時(shí)，需加小量的正向偏置電流，有利于保持二極管電容上的電荷。

2．LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。2．L70

圖8-6(a)為晶體管共射驅(qū)動(dòng)電路，晶體管用作飽和開(kāi)關(guān)，提供電流增益β，其兩端的電壓降較小，飽和壓降Vcc≈0.3V。

圖(c)為發(fā)射極耦合開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路，可傳輸300Mb／s以上的數(shù)字信號(hào)。

晶體管Tl和T2是發(fā)射極耦合式開(kāi)關(guān)，T3為恒流源。發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流由恒流源決定。這種電路類似線性差分放大器，實(shí)際作開(kāi)關(guān)用。由于它超越了線性范圍工作，輸入端過(guò)激勵(lì)時(shí)；仍沒(méi)有達(dá)到飽和，所以開(kāi)關(guān)速率更高。圖(b)中的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)使電路得到2.5ns的光上升時(shí)間，可傳輸100Mb／s的數(shù)字信號(hào)。但發(fā)射極的負(fù)載不是純電阻，電路發(fā)生振蕩。RlCl并聯(lián)串接于發(fā)射極電路，組成發(fā)射極跟隨電路，提供電壓階躍，以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電流開(kāi)始時(shí)，對(duì)發(fā)光管電容充電所造成的光驅(qū)動(dòng)電流的下降，從而使驅(qū)動(dòng)器可工作在高碼速情況下。圖8-6(a)為晶體管共射驅(qū)動(dòng)電路，晶體管用作飽和開(kāi)71

由于LD通常用于高速系統(tǒng)，且是閾值器件，它的溫度穩(wěn)定性較差，與LED相比，其調(diào)制技術(shù)要復(fù)雜的多，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝，都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。為了保證LD有穩(wěn)定的輸出光功率、光譜、消光比，需要有各種輔助電路，例如功率控制電路、溫控電路、限流保護(hù)電路和各種告警電路等。

4.LD的驅(qū)動(dòng)電路

由于LD通常用于高速系統(tǒng)，且是閾值器件，它的溫度穩(wěn)定72

采用直接調(diào)制方式時(shí)，偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)。選擇直流預(yù)偏置電流應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

(1)加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張弛振蕩得到一定程度的抑制。偏置電流和調(diào)制電流的選擇

由圖中可以看出，由于LD加了足夠的預(yù)偏置電流，調(diào)制電流脈沖幅度較??；預(yù)偏置后張弛振蕩大大減弱；譜線減少，光譜寬度變窄；電光延遲的減小。采用直接調(diào)制方式時(shí)，偏置電流的選擇直接影響激光器的高73(2)太大的直流偏置會(huì)使激光器的消光比惡化。消光比——激光器在全"l"碼時(shí)發(fā)送的光功率(P1)與全"0"碼時(shí)發(fā)射的光功率(Po)之比，用dB表示為：光源的消光比將直接影響接收機(jī)的靈敏度。

為保證一定的靈敏度，消光比一般應(yīng)大于10dB。激光器的偏置電流IB過(guò)大，會(huì)使消光比惡化，降低接收機(jī)的靈敏度。通常取IB＝(0.85～0.90)Ith。驅(qū)動(dòng)脈沖電流的峰-峰值ΔIm一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith。(2)太大的直流偏置會(huì)使激光器的消光比惡化。消光比——激光器74

激光器的直接調(diào)制電路有許多種，但概括起來(lái)有兩類：一類是單管集電極驅(qū)動(dòng)電路，另一類是射極耦合開(kāi)關(guān)電路。圖中，三極管的輸出特性在放大區(qū)表現(xiàn)為恒流源，可以用集電極電流驅(qū)動(dòng)光源。DT為驅(qū)動(dòng)管，當(dāng)電信號(hào)加在DT基極時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)集電極電路中的激光器，使之輸出的光功率隨信號(hào)的變化而變化。DT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。激光器的直接調(diào)制電路激光器的直接調(diào)制電路有許多種，但概括起來(lái)有兩類：75TTL開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路

下圖中晶體管BG2和BG3為發(fā)射極耦合對(duì)，組成非飽和電流選擇開(kāi)關(guān)。當(dāng)BG2基極電位高于BG3基極電位時(shí)，BG2導(dǎo)通，恒流源的驅(qū)動(dòng)電流Im全部流過(guò)BG2，故流過(guò)LD的電流為零。反之，當(dāng)BG2基極電位低于BG3基極電位時(shí)，BG3導(dǎo)通，所有驅(qū)動(dòng)電流都通過(guò)LD。

電流開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程由輸入數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成ECL電平來(lái)控制，ECL電平"l"碼時(shí)，輸出為-1.8V，"0"碼時(shí)，輸出為十0.8V，經(jīng)過(guò)BGl和D1電平移動(dòng)后加到BG2基極，而B(niǎo)G3基極電平固定在-2.6V，它由溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖絍bb經(jīng)BG4和D2電平移動(dòng)得到。Vbb＝-1.31V是"l"碼和"0"碼電平的中間值。選擇適當(dāng)?shù)妮斎腚妷?，使晶體管不驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)，就能起到快速開(kāi)關(guān)作用，同時(shí)恒流源可使開(kāi)關(guān)噪聲很小。TTL開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路電流開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程由輸入76

在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會(huì)使Ith增大，量子效率下降，導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。

光功率自動(dòng)控制有許多方法：一是自動(dòng)跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動(dòng)控制；三是P-I曲線效率控制法等。最簡(jiǎn)的是通過(guò)直接檢測(cè)光功率控制偏置電流。自動(dòng)功率控制電路(APC)在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會(huì)使Ith增大，量77

利用LD組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測(cè)LD背向輸出光功率的大小。若功率小于某一額定值時(shí)，通過(guò)反饋電路后驅(qū)動(dòng)電流增加，并達(dá)到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅(qū)動(dòng)電流減小，以保證LD輸出功率基本上恒定不變。利用LD組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測(cè)LD背向輸出光78

該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過(guò)調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。

調(diào)節(jié)R2使再生信號(hào)與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。

當(dāng)輸出光功率產(chǎn)生變化時(shí)，平衡破壞，反饋偏置電路將自動(dòng)調(diào)整IB，使輸出功率恢復(fù)到原來(lái)的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。IB該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的79

圖8-13的原理：控制LD偏置電流——保持輸出光脈沖幅度的恒定。

在運(yùn)放的輸入端，再生信號(hào)由輸入信號(hào)再生處理后得到，它固定在0V～-lV間。LD組件中PIN管接收LD的背面輸出光，它受到與正面輸出光同樣的溫度及老化影響，從而可用來(lái)反饋控制LD輸出光功率。

該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過(guò)調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。調(diào)節(jié)R2使再生信號(hào)與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。當(dāng)輸出光功率產(chǎn)生變化時(shí)，平衡破壞，反饋偏置電路將自動(dòng)調(diào)整IB，使輸出功率恢復(fù)到原來(lái)的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。

R3Cl構(gòu)成LD的慢啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)啟電源或有突發(fā)的電沖擊時(shí)，由于電路的時(shí)間常數(shù)很大(～lms)，IB只能慢慢增大。前面的控制電路首先進(jìn)入穩(wěn)定控制狀態(tài)，然后IB緩慢增大，保護(hù)LD免受沖擊。圖8-13的原理：控制LD偏置電流——保持輸出光脈沖80

溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過(guò)APC電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常值。但是，如果環(huán)境溫度升高較多，經(jīng)APC調(diào)節(jié)后，IB增大較多，則LD的結(jié)溫因此也升高很多，致使Ith繼續(xù)增大，造成惡性循環(huán)，從而影響了LD的使用壽命。自動(dòng)溫度控制電路(ATC)

因此，為保證激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須采用自動(dòng)溫度控制電路(ATC)使激光器的工作溫度始終保持在20攝氏度左右。LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成，如圖所示。溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通81

圖8-17是溫度控制電路，LD組件中的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，在20℃時(shí)阻值Rt＝10kΩ～12kΩ，ΔRt／ΔT≈-0．5／℃。它與Rl，R2，R3組成橋式電路，其輸出電壓加到差分放大器的同相和反相輸入端，在某溫度下，電橋達(dá)到平衡。LD溫度升高時(shí)，Rt下降，BGl正向?qū)?，通過(guò)制冷器Rc的電流Ic加大，使LD的溫度下降。Rt

T↑→Rt(電壓下降)

↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓圖8-17是溫度控制電路，LD組件中的熱敏電阻具有82

微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。當(dāng)直流電流通過(guò)兩種半導(dǎo)體組成的電偶時(shí)，出現(xiàn)一端吸熱另一端放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。微型半導(dǎo)體制冷器的溫差可以達(dá)到30℃～40℃。吸熱放熱微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材83

不論內(nèi)制冷還是外制冷半導(dǎo)體制冷器都是非常重要的。圖8-16為半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(a)為單個(gè)熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，(b)為熱電偶組件，它是由多個(gè)熱電偶按電學(xué)上串聯(lián)、熱學(xué)上并聯(lián)的方式組成的。

單個(gè)熱電偶是由P型和N型摻雜的半導(dǎo)體組成，它被焊接在銅連接片上，并用陶瓷面板將銅連接片與外表面電絕緣。當(dāng)未接外電路時(shí)，跨越它兩端形成的溫度差使它的兩端產(chǎn)生一與溫度差成比例的電位差。此時(shí)將其與外電路的負(fù)載連接起來(lái)，將產(chǎn)生電流，從而輸出電功率，這就是一個(gè)熱電偶器件。

將熱電偶與直流電源相連，如圖(a)所示，直流電流通過(guò)熱電偶將產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，在它的一端吸收熱量，與之相連的物體將被冷卻；另一端排放熱量，將散熱器與之接觸，該熱電偶起到制冷器的作用。如果改變直流電流的方向，制冷器的吸熱、散熱端將互換。

由于熱電偶堆是由多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)的，熱電偶的個(gè)數(shù)越多，制冷量越大，在實(shí)際使用過(guò)程中，可根據(jù)所需的溫差，選擇不同的熱電偶堆。不論內(nèi)制冷還是外制冷半導(dǎo)體制冷器都是非常重要84----制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。半導(dǎo)體LD總是和其他一些部件封裝在一起，形成一個(gè)完整的LD組件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-15所示，它將LD芯片、半導(dǎo)體制冷器和具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻等封裝在一個(gè)體積很小的密封盒內(nèi)，控制電路放在盒外，這屬于內(nèi)制冷方式。內(nèi)制冷方式結(jié)構(gòu)緊湊、控制效率高、使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長(zhǎng)。通常內(nèi)制冷較外制冷方式更直接、有效。----外制冷方式是將外加半導(dǎo)體制冷器與山組件的密封盒緊密接觸，通過(guò)控制電路給外加制冷器加直流，達(dá)到控制LD周圍環(huán)境溫度的目的。----制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。半導(dǎo)體LD總是和其他85

具體控制過(guò)程如下：

T↑→Rt↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓。實(shí)際上激光器在連續(xù)工作時(shí)，管芯溫度會(huì)持續(xù)上升，從而使得熱敏電阻Rt總保持在Rt≠R3即電橋總不平衡，于是Ic維持一定值，即控制電路始終為致冷器提供恒定的工作電流Ic。在光發(fā)送電路中，由于采用了ATC和

APC電路，使LD輸出光功率

的穩(wěn)定度保持在較高的水平上。在環(huán)境溫度為十5℃～十50℃范圍內(nèi)，LD輸出光功率的不穩(wěn)定度小于5％。具體控制過(guò)程如下：86①光源的過(guò)流保護(hù)電路為了使光源不致因通過(guò)大電流而損壞，需對(duì)光源進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。圖8-18所示是激光器的過(guò)流保護(hù)電路，圖中T3為激光器提供偏流IB。保護(hù)電路由晶體管T4、電阻Rl組成。

----正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導(dǎo)通降壓，因而T4截止，保護(hù)電路不工作。激光器的保護(hù)及告警電路

當(dāng)偏流IB過(guò)大，致使Rl上的壓降VRl劇增，并超過(guò)T4的導(dǎo)通壓降時(shí)，T4飽和導(dǎo)通，使Vce4≈0，從而導(dǎo)致T3截止，激光器不因IB過(guò)大而被損壞。①光源的過(guò)流保護(hù)電路激光器的保護(hù)及告警電路當(dāng)87②無(wú)光告警電路

----圖8-19所示為無(wú)光告警原理圖。圖中A2的反向端為直流參考電壓VD，其同相端則為代表LD輸出光功率平均值的Vf。當(dāng)LD發(fā)光正常時(shí)，PIN管檢測(cè)到的光電流經(jīng)A1放大后送入A2的同相端。這時(shí)，Vf＞VD，因此A2輸出高電平，致使無(wú)光告警指示燈LED不亮。當(dāng)LD不發(fā)光時(shí)，PIN管檢測(cè)不到光信號(hào)，因而Vf＜VD，A2輸出低電平，使無(wú)光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。另一路高電平為正常、低電平為告警的無(wú)光告警信號(hào)則被送入監(jiān)控系統(tǒng)處理。②無(wú)光告警電路88③壽命告警電路當(dāng)閾值電流增大到開(kāi)始使用時(shí)的1.5倍時(shí)，就認(rèn)為L(zhǎng)D的壽命終止。所以壽命告警電路通常采用監(jiān)測(cè)偏流IB的值來(lái)判斷激光器壽命是否終止。即當(dāng)IB＞1.5Itho(Itho為L(zhǎng)D開(kāi)始啟用時(shí)的閾值電流)時(shí)，壽命告警電路就告警。

----圖8-20所示為壽命告警電路原理圖。圖中T3為激光器提供偏流IB，T4、R1組成過(guò)流保護(hù)電路。由于Vl≈IBRl，所以調(diào)整電位器W使V2＝1.5IthoR1。當(dāng)LD工作正常時(shí)，IB＜1.5Itho，則Vl＜V2，A1輸出高電平，壽命告警燈不亮。如果IB＞1.5Itho，則激光器壽命終止，這時(shí)Vl＞V2，A1輸出低電平，壽命告警燈發(fā)黃色告警顯示。同樣有一路高電平正常、低電平告警的壽命告警信號(hào)送到監(jiān)控系統(tǒng)。③壽命告警電路89

光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息。其輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。本章重點(diǎn)討論接收機(jī)前端的噪聲特性、模擬及數(shù)字接收機(jī)的性能，如信噪比或誤碼率、接收機(jī)靈敏度等。第二節(jié)光接收機(jī)光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳90

光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式，見(jiàn)上圖所示。它們均由反向偏壓下的光電檢測(cè)器、低噪聲前置放大器及其他信號(hào)處理電路組成，是一種直接檢測(cè)(DD)方式。與模擬接收機(jī)(a)相比，數(shù)字接收機(jī)(b)更復(fù)雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時(shí)提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大電路。它們?cè)诟唠娖较鹿ぷ?，不影響?duì)光接收機(jī)基本性能的分析。一、光接收機(jī)的構(gòu)造

模擬式數(shù)字式光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式，91

光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD。(1)PIN管比較簡(jiǎn)單，只需10V～20V的偏壓即可工作，且不需偏壓控制，但它沒(méi)有增益。因此使用PIN管的接收機(jī)的靈敏度不如APD管的高；(2)AFD管具有10～200倍的內(nèi)部電流增益，可提高光接收機(jī)的靈敏度。但使用APD管比較復(fù)雜，需要幾十到200V的偏壓。1、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收92

溫度變化較嚴(yán)重地影響APD管的增益特性。通常需對(duì)APD管的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益不變，或采用溫度補(bǔ)償措施以保持其增益不變。

對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。

由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱(nA～μA)，必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣決定接收靈敏度的主要因素。溫度變化較嚴(yán)重地影響APD管的增益特性。93

經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在將信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，也會(huì)引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。主放大器在放大前置放大器的輸出信號(hào)時(shí)，也會(huì)將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起放大。前置放大器的性能優(yōu)劣對(duì)接收機(jī)的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。

----主放大器主要用來(lái)提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號(hào)電乎一般為mV量級(jí)，而主放大器的輸出信號(hào)一般為1V～3V(峰／峰值)。2、前置放大器經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載94

均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。均衡器的輸出信號(hào)通常分為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)，送入自動(dòng)增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡器輸出的升余弦信號(hào)恢復(fù)為“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)。3、均衡器均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖95

定時(shí)提取電路用來(lái)恢復(fù)采樣所需的時(shí)鐘。

衡量接收機(jī)性能的主要指標(biāo)是接收靈敏度。在接收機(jī)的理論中，中心的問(wèn)題是如何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機(jī)靈敏度主要取決于光電檢測(cè)器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器和放大器的噪聲。定時(shí)提取電路用來(lái)恢復(fù)采樣所需的時(shí)鐘。96

由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部分電路稱為線性通道。線性通道主要完成對(duì)信號(hào)的線性放大，以滿足判決電平的要求。1．前置放大器

接收機(jī)的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。光電二極管接收由光纖耦合來(lái)的光信號(hào)。在實(shí)際電路分析中，可將光電二極管看成是一個(gè)與其結(jié)電容Cd并聯(lián)的電流源，等效電路如右圖所示，其中RL為負(fù)載電阻。二、線性通道由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部97

接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個(gè)因素，一般來(lái)說(shuō)有三種不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗前端，如右圖所示。圖中Ci為總的輸入電容，其中包括光電二極管的結(jié)電容和前置放大器的晶體管引起的電容。右圖為接收機(jī)前端設(shè)計(jì)。1、接收機(jī)前端接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個(gè)因素98

在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻Ri較大，優(yōu)點(diǎn)：增大前置放大器的輸入電壓，較大的Ri值也可以降低熱噪聲和增加接收靈敏度；缺點(diǎn)是帶寬Δf較窄。這種電路的帶寬可表示為（6-3）

輸入電路的總電阻Ri由放大器的輸入電阻Rb和光電二極管的直流負(fù)載電阻RL并聯(lián)而成。等效輸入電阻Ri表示為

（6-4）

輸入電路引入的熱噪聲表示為

（6-5）在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻Ri較大，99

由此可見(jiàn)：RL越大，帶寬越小?？梢圆捎镁馄鲗?duì)高頻提升的辦法來(lái)增加帶寬，在接收靈敏度達(dá)到要求的前提下，

可以用降低Ri的辦法來(lái)增加帶寬，

這種前端叫作低電阻前端。但這種電路方式的熱噪聲較大，當(dāng)然，接收靈敏度也較低。(1)高阻抗放大器的均衡：要解決高阻抗放大器帶寬窄、信號(hào)脈沖失真嚴(yán)重引起的碼間干擾，必須用很強(qiáng)的均衡。通過(guò)微分網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償高頻分量的滾降，使接收機(jī)的頻響特性在要求的帶寬內(nèi)變?yōu)槠街?，以改善輸出脈沖的波形。但嚴(yán)格的均衡是很困難的，因放大器的輸入導(dǎo)納主要取決于總的輸入電容且又隨晶體管的不同及雜散電容大小而變化。由此可見(jiàn)：RL越大，帶寬越小。可以采用均衡器對(duì)高頻提100

右圖為均衡器電路的幾個(gè)例子。(a)為無(wú)源均衡器；(b)為采用運(yùn)算放大器的均衡器；(c)雙極晶體管的有源均衡器。右圖為均衡器電路的幾個(gè)例子。101

無(wú)源均衡器是簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：

--------------------------(6-6)

式中,。對(duì)于完全均衡，ω1與前置放大器的轉(zhuǎn)折頻率相匹配，

這樣放大器帶寬因均衡器而展寬到ω2。傳遞函數(shù)值減小了ω2/ω1倍，將其稱為均衡比，一般可達(dá)到幾十。對(duì)于這種無(wú)源均衡器，高頻時(shí)增益為1，對(duì)低頻的衰減等于均衡比。

無(wú)源均衡器是簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，