搜索
光纤通信光技术与光纤通信第一章概述第二章光纤与光缆第三章通信用光器件第四章光纤通信系统第五章光纤通信中的高新技术光纤通信第四章光纤通信系统§4.1光端机§4.2数字光纤通信系统§4.3模拟光纤通信系统§4.4光缆系统的测量方法§4.5光缆工程的验收与维护光纤通信§4.1光端机一、光发射机二、光接收机三、线路编码光纤通信一、光发射端机数字光发射机的原理框图光发射机应满足的要求光源的调制光源的驱动电路激光器的温度控制与功率控制电路光源与光纤的耦合光纤通信1、数字光发射机的原理框图光发射机的主要功能是将电端机送来的电信号转换为适合于光纤中传输的光信号，其原理框图如下：线路编码控制电路光纤光源调制电路LED/LD电信号光信号光纤通信2、光发射机应满足的要求光发射机的设计应满足系统提出的技术要求如下：稳定的输出功率。输出光功率通常指耦合进光纤的光功率，即入纤功率，根据不同系统的要求，通常在0.01~5mW范围内，并要求在环境温度变化或器件老化过程中，输入光功率要保持恒定。消光比EXT应尽量小，一般应小于0.1。消光比也称光脉冲的断通功率比EXT＝Poff/Pon，是指激光器在全“0”码时发送的功率与全“1”码时发送的功率之比，为保证接收机的灵敏度不受或少收影响，EXT应尽量小。输出光脉冲的上升时间、下降时间、和延迟时间应尽量短。应尽量抑制驰豫振荡。光纤通信3、光源的调制－1将电信号转变为光信号通常有两种形式：直接调制和间接调制直接调制方法适用于半导体光源，它将要传送到信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输出。输出光波电场幅值的平方与调制信号成正比，是一种光强度调制(IM)。间接调制是利用晶体的电光、磁光、声光效应等性质对光辐射进行调制，既适用半导体光源，也适用于其它类型的光源。光纤通信光源的调制－2间接调制最常用的是外调制的方法，即在光辐射产生后再加载调制信号。其具体方法是在激光器输出端外的光路上放置光调制器，在调制器上加调制调压，使通过调制器的光束得到调制。间接调制可以采用铌酸锂调制器(L－M)、电吸收调制器(EAM)和Ⅲ/Ⅴ族马赫－曾德干涉型调制器(MZ-M)实现对强度调制直接检波(IM-DD)光波系统，并非一定要采用外调制的方案，但在高速长距离光波系统中，采用间接调制有利于提高系统的性能。在PSK相干光纤通信系统的发射机中，一般用外调制器，这将在后面章节中进行讨论。光纤通信两种调制方案(a)直接调制(b)间接调制(外调制)光纤通信光源的调制－3直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。按调制信号形式，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制两种。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音和视频信号)对光源进行调制，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。适当选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。光纤通信光源的调制－4数字信号调制主要指PCM编码调制，先将连续变化的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用矩形脉冲的有(“1”码)无(“0”码)来表示信号。光纤通信直接光强数字调制原理(a)LED数字调制原理(b)LD的数字调制原理光纤通信共发射极驱动电路射极耦合LD驱动电路4、光源的驱动电路光纤通信反馈稳定LD驱动电路光纤通信温度引起的光输出的变化5、激光器的温度控制与功率控制电路光纤通信温度控制方框图激光器致冷器热敏电阻控制电路热导光纤通信ATC电路原理光纤通信APC电路原理光纤通信6、光源与光纤的耦合光源与光纤耦合的有效程度都用耦合效率或耦合损耗来表示，其大小取决于光源和光纤的类型。LED与单模光纤的耦合效率ηc1%，LD与单模光纤的耦合效率的典型值为ηc＝30～50%光纤通信二、光接收端机1、光接收机的原理框图及各部分的作用2、光接收机的电路结构和特性光接收机的前端光接收机的线性通道数据重建电路集成光接收机3、光接收机的噪声4、数字光接收机的灵敏度5、光中继器与分插复用器光纤通信1、光接收机的原理框图及各部分的作用数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原发射机的数字序列光信号经光纤传输到达接收端有两个问题：①幅度衰减（有损耗）；②脉冲展宽（有色散）光纤通信光电检测器前置放大器主放大器均衡滤波判决器译码器AGC电路时钟恢复光信号电信号输出光接收机的原理框图接口电路光纤通信接收机各部分的作用－1光电检测器：将光信号转换为电信号前置放大器：低噪声放大，其噪声直接影响到接收机灵敏度的高低主放大器：放大信号并具有增益调节功能，使入射光功率在一定范围内变化时，输出幅度保持恒定均衡滤波：对失真的波形进行补偿（均衡），保证判决时无码间干扰，即将输出波形均衡成具有升余弦频谱，判决时消除码间干扰时钟恢复：从信号中提取同步时钟光纤通信接收机各部分的作用-2判决器：在时钟作用下再生出原信号译码器：与光发射机中的线路编码（或扰码）相对应AGC电路：自动增益控制，保证光接收机具有一定的输入动态范围接口电路：解决光接收机和电接收机之间阻抗和电压的匹配问题，保证光接收机输出信号顺利地送入电接收机前三者解决问题1，4~6解决问题2光纤通信原理框图又可分为3部分：接收机的前端部分、线性通道、再生电路部分数字光接收机方框图2、光接收机的电路结构和特性光纤通信①光接收机的前端光接收机的前端电路由光电二极管和前置放大器构成。其作用是将光纤线路末端耦合到光电二极管的光比特流转换为时变电流，然后进行预放大，以便后级作进一步处理前置放大器主要是提高信噪比光纤通信光接收机的前端电路－1有三种常用前置放大器：低阻型前端：简单，易于实现，对均衡器要求较低，因为带宽宽，高频损失小，补偿容易，前置级的动态范围也较大，但灵敏度较低，噪声比较高高阻型前端：与低阻型前端相反。为减小低阻抗前端热噪声，可采用此设计方案，但是负载阻抗增大后，将使前置放大器动态范围缩小，而且当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失过大，对均衡电路要求较高，很难实现，所以它一般只适用于低速系统光纤通信光接收机前端电路－2跨(互)阻型前端：该前端是将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，因而又称互阻抗前端，它是一个性能优良的电流—电压转换器，即使负载电阻很高，而负反馈使有效输入阻抗降低G倍，G是前置放大器的增益，从而使其带宽比高阻抗前端增加了G倍，动态范围也提高了，所以具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。一般有两级放大，第一级为电压负反馈，第二级为射极补偿电路，以提升高频分量新型前放：采用InGaAs光电二极管和微波场效应管FET混合集成技术，制成PIN—FET前端封装管，可获得良好性能光纤通信光接收机的前置极放大电路(a)双极型晶体管(b)场效应管(c)跨阻型双极型晶体管：低阻型前放，电路的时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统；场效应管：高阻型前放，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统；跨阻型：改善了带宽特性和动态范围。并具有良好的噪声特性光纤通信②光接收机的线性通道光接收机的线性通道由一个高增益放大器(主放大器)和一个低通滤波器组成。有时在主放大器前接入一个均衡器以校正前端有限的带宽。自动增益控制(AGC)将放大器的平均输出电压限制在固定电平而不随输入光功率而变。低通滤波器使电压脉冲整形，降低噪声，控制可能出现的码间串扰(ISI)。接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽Δf小于B的低通滤波器接收机设计中其它部件的带宽均大于滤波器带宽，因此接收机带宽主要由线性通道的低通滤波器决定。当ΔfB时，电脉冲展宽超过了规定时隙的检测，引起码间串扰，滤波器设计时应避免产生这种现象。光纤通信③数据重建电路由判决电路和时钟恢复电路组成。其任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。即从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行判决，以得到原始码流。判决码元主要是确定判决时刻(峰值点上)、判决电平(40~50%的峰值)、码元宽度(取决于时钟周期)。最佳取样时间相应于在“1”和“0”信号电平相差最大位置，可由眼图决定。光纤通信④集成光接收机集成光接收机的倒装式结合光电子集成技术光纤通信3、光接收机的噪声接收系统的噪声说明量子噪声：因接收光子数的起伏引起的噪声内部散弹噪声：由探测器本身产生电子数的无规则起伏而引起的噪声暗电流噪声：无光照时产生的电流所引起的噪声背景噪声：由环境的辐射光波所产生的噪声放大器噪声：一是电阻热运动产生，二是有源器件的输入输出有波动引起光纤通信光检测器放大器偏置电阻光子流RL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•放大器噪声•热噪声接收机噪声及其分布光纤通信4、数字光接收机的灵敏度(1)接收机的常用参数误码率(BER)灵敏度动态范围(2)理想光接收机的灵敏度(3)光接收机灵敏度的恶化光纤通信(1)接收机的常用参数1.误码率(BER)定义：传输码流中出现误差的概率工程上：不同时间测BER不同规定测24小时对瞬时有一大误码，平均后很小，则需用其它参数来衡量，如误码秒标准：ITU-T规定，BER=10-9，设计时要求BER=10-11当BER=10-6时系统告警，BER=10-3时系统倒换)()(nmBER传输总码元数出现误差码元数光纤通信计算误码率的示意图光纤通信(1)接收机的常用参数2.灵敏度定义：为保证一定误码率(BER)，光接收机所需要接收的最小光功率。单位：dBm(dBm)=10lg功率值/1mw(1个mw为0dBm)意义：接收机接收微弱信号的能力如-40dBm和-45dBm，应选择-45dBm光纤通信(1)接收机的常用参数3.动态范围定义：在保证一定的BER的前提下，所允许接收到最大光功率和最小光功率之比。单位：dB意义：对输入信号的适应能力例如：某发射极发射功率－3dBm，光纤线路长40km，线路损耗0.5dB/km，接收机灵敏度为－29dBm,动态范围为20dB，问接收机能否接收到该信息。光纤通信误码率BER随Q参数的变化Q—超扰比当Q7时，BER10-12，Q=6时，BER＝10-9,接收机灵敏度相当于Q=6时的平均光功率光纤通信(2)理想光接收机的灵敏度理想光接收机的条件：①系统的频带无限宽(任何频率份量无损失，发1个光脉冲，收1个光脉冲)②光源消光比为零(发0码时，接收光能为零)③光检测器暗电流为零(发0码时，检测器输出为零)④放大器无噪声(传0码时，放大器输出为零)由以上假设条件，发0收1的可能不存在，误码只发生在发1收0的情况。光纤通信(2)理想光接收机的灵敏度分析：光子计数法光入射时，产生的电子－空穴对的数目和时间无法精确测量，它服从泊松分布P(n)=Nne-N/n!其中n—产生的电子空穴对数目N—产生的电子空穴对数目的平均值P(n)—产生的电子空穴对数目为n时的概率光纤通信理想光接收机的灵敏度设bmax为“1”码时所含的平均光能BER=P(n=0)=EXP(-bmax/hf)若BER=10-9，则bmax=21hf（21个光子）即在理想光接收机中，在误码率为10-9的条件下，“1”码中至少得有21个光子灵敏度Pmin=bmax/2Tη=10.5hfB/ηB=1/T——为码速21个光子——也称量子极限光纤通信理想光接收机的灵敏度波长λ/μm1.311.55速率fb/(Mb.s-1)34140140622灵敏度Pr/dBm-71.1-63.8-65.7-59.2光纤通信典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系光纤通信实测误码率与平均接收光功率的关系光纤通信(3)光接收机灵敏度的恶化实际光发送机发出的信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度的值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。造成功率代价的因素主要有:一类是光信号在光纤中传输时发生的，不传输就不存在；另一类是即使