光纖通信課件劉增基-西安電子科技大學(xué)出版社4

第4章光端機(jī)

4.1光發(fā)射機(jī)

4.2光接收機(jī)

4.3線路編碼返回主目錄第4章光端機(jī)

4.1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)換為光信號(hào)，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)制來(lái)實(shí)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。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4.1直接光強(qiáng)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

4.1.1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“窗口”一致，即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm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/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(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，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，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

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(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(kāi)通延遲(電光延遲)時(shí)間，光脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和開(kāi)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，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(APC)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，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼，線路編碼的其它原因見(jiàn)4.3節(jié)所述。

4.1.2調(diào)制特性

1.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，其振蕩頻率fr(=ωr/2π)一般為0.5~2GHz。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)。圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形td

張弛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(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(guò)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)“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“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)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，見(jiàn)圖4.4(c)所示

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ωr及其幅度衰減時(shí)間τo和電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為：式中，τo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。τsp和τph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，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，即τspτph。由式(4.1)~式(4.3)可以看到：

(1)張弛振蕩頻率ωr隨τsp、τph的減小而增加，隨j的增加而增加。這個(gè)振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。

(2)張弛振蕩幅度衰減時(shí)間τo與τsp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小。(3)電光延遲時(shí)間td與τsp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小(j>jth)。由此可見(jiàn)，增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率ωr，減小其幅度衰減時(shí)間τo，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)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

數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開(kāi)關(guān)電路，最常用的是差分電流開(kāi)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)單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管[WTBZ]LED作為光源的光發(fā)射機(jī)。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10Mb/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(kāi)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(kāi)關(guān)電路，它提供了恒定的偏置電流。當(dāng)三極管截止頻率fr≥4.5GHz時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)300Mb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點(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)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，

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

1.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(guò)，溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過(guò)閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生。圖4.10(a)和(b)分別示出溫度通過(guò)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對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)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，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)”。“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”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)

2.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，并把它傳遞給控制電路，通過(guò)控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。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(guò)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。4.13ATC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(méi)有電位差，傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器A的信號(hào)為零，流過(guò)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(guò)程可以表示如下：

T(環(huán)境)→T(LD、熱沉)→RT→I(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)

4.2.1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)方框圖示于圖4.14，主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、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。

圖4.14數(shù)字光接收機(jī)方框圖

1.光檢測(cè)器

光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)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(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(0.85μm、1.31μm和1.55μm)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，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

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，它的作用是提供足夠的增益，并通過(guò)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。

再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它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(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)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(guò)2GHz，甚至達(dá)到10GHz。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開(kāi)發(fā)單片光接收機(jī)，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(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，對(duì)于工作在1.3~1.6μm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InGaAsOEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5Gb/s。InGaAsOEIC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(guò)接觸片連接在一起。圖4.15光電集成接收機(jī)

4.2.2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，這部分噪聲的危害可以通過(guò)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(cè)和放大過(guò)程中引入的隨機(jī)噪聲，只能通過(guò)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)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。

圖4.16光接收機(jī)的噪聲等效模型場(chǎng)效應(yīng)管(FET)前置放大器跨阻型前置放大器-雙極型晶體管跨阻型前置放大器-場(chǎng)效應(yīng)管光檢測(cè)器等效噪聲特性請(qǐng)參看3.2節(jié)的內(nèi)容。

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)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。

圖4.17光接收機(jī)的前置級(jí)放大電路(a)雙極型晶體管；(b)場(chǎng)效應(yīng)管；(c)跨阻型

4.2.3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)的比值來(lái)表示。

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(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“１”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門(mén)限值，一般取D=Im/2。圖4.18計(jì)算誤碼率的示意圖

在“１”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；

在“0”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I0>D，則可能被誤判為“１”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(jī)變量的取值，其均值為零，方差為σ2。

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“１”碼的誤碼率了。

在發(fā)“0”碼時(shí)，平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。這時(shí)沒(méi)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

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(guò)D值的概率，即式中x=I0/

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(mén)限值仍為D，則只要取樣值Im-I1>Im-D或I1-Im<D-Im，就可能把“１”碼誤判為“0”碼。所以，把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：式中y=(I1-Im)/。

“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)可以表示為式中Q=Q=

Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對(duì)“0”碼進(jìn)行取樣判決時(shí)，判決門(mén)限值D超過(guò)放大器平均噪聲電流的倍數(shù)。由此可見(jiàn)，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,BER≈10-9，Q≈7，BER=10-12。圖4.19誤碼率和Q的關(guān)系

4.2.4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(jī)所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm為單位。由定義得到

Pr=10lg(4.14)

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

假設(shè)光檢測(cè)器的暗電流為零，放大器完全沒(méi)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)。它的靈敏度只受到光檢測(cè)器的量子噪聲的限制，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(méi)有光輸入時(shí)，放大器就完全沒(méi)有電流輸出，因此“0”碼誤判為“１”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(méi)有產(chǎn)生光電流，放大器沒(méi)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Pe=(4.15)Pe,01+Pe,10=exp(-n)

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)，每個(gè)光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為T(mén)b，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率為〈P〉min=

式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，h=6.628×10-34J·s為普朗克常數(shù)，f=c/λ，f、λ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η。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Pr=10lg(4.17)

對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe≤10-9，根據(jù)式(4.15)得到n≥21。這表明至少要有21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10-9。設(shè)η=0.7，并把相關(guān)的常數(shù)代入式(4.17)，計(jì)算出的不同λ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)的靈敏度超擾比Q與入射光功率的關(guān)系

在發(fā)“0”碼的情況下，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=gρP1=2gρ〈P〉式中，g為APD倍增因子(對(duì)于PINPD，g=1)，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度

〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率

在放大器輸出端“１”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

Q=(4.19)給定Q值，便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率式中，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，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=〈i2q〉A(chǔ)2，〈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<<NA，g=1，式(4.20)可以簡(jiǎn)化為

〈P〉min=式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率。這樣計(jì)算光接收機(jī)的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒(méi)有考慮下列因素：波形引起的碼間干擾的影響；均衡器頻率特性的影響；光檢測(cè)器暗電流和信號(hào)含直流光的影響。這些使靈敏度降低的影響，一般不能忽略。圖4.20典型短波長(zhǎng)光接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系的關(guān)系圖中誤碼率限定為1×10-9，假設(shè)光檢測(cè)器量子效率η=0.5，附加噪聲系數(shù)x=0.4，暗電流id=1nA，滾降因子β=1，相對(duì)脈沖展寬σ/T=0.3。由圖可見(jiàn)，在限定誤碼率的條件下，決定光接收機(jī)靈敏度的主要因素是傳輸速率和光檢測(cè)器、前置放大器的特性，特別是噪聲特性。4.21實(shí)測(cè)誤碼率與平均接收光功率

4.2.5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，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。

主放大器一般由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平Im。Im=IP1A，利用式(4.18)得到

A=(4.22)式中，g為APD倍增因子，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度，〈P〉為“0”碼和“1”碼的平均光功率。

主放大器的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使光接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。

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)所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。根據(jù)定義DR=10lg(4.23)

動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，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15dB。

AGC一般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測(cè)器的偏壓和放大器的輸出；對(duì)于PIN光接收機(jī)，AGC只控制放大器的輸出。4.3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)碾p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，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)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無(wú)光脈沖”表示“0”碼。但是簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：

(1)在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)，給光接收機(jī)的判決帶來(lái)困難。

(2)在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長(zhǎng)串連“１”碼或長(zhǎng)串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。(3)不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)，不利于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)的維護(hù)。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍裕唧w要求有：

(1)能限制信號(hào)帶寬，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，有利于提高光接收機(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)盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時(shí)信息豐富。

(3)能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過(guò)大的帶寬。

4.3.1擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(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。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對(duì)應(yīng)的前饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)。

擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…

但是，擾碼仍具有下列缺點(diǎn)：①不能完全控制長(zhǎng)串連“１”和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn)；

②沒(méi)有引入冗余，不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)；③信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。

因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求，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路編碼。

4.3.2mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

1.mBnB碼編碼原理最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。

因此最大的連“０”和連“１”的數(shù)目不會(huì)超過(guò)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?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(jiàn)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)“１”；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”(WDS)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“１”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個(gè)碼字“１”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(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4.3一種3B4B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“１”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)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