第四章_光纤通信系统原理

Chapter4光纤通信系统原理1光纤通信Chapter4光纤通信系统原理3第四章光纤通信系统原理Chapter4光纤通信系统原理4学习内容4.1光发射机4.2光接收机4.3光纤通信系统的设计Chapter4光纤通信系统原理54.1光发射机Chapter4光纤通信系统原理6直接调制外调制受调制的光源特性参数:功率、幅度、频率和相位广泛应用:直接光强（功率）调制光调制Chapter4光纤通信系统原理7直接调制直接调制:调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。光源的发光强度调制(IM)。直接调制优点:简单、经济、容易实现等调制信号的形式:光源的直接调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制Chapter4光纤通信系统原理8直接光强数字调制的工作原理对LD施加了偏置电流Ib，由图可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功利和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。Chapter4光纤通信系统原理9LD调制特性(1)电光延迟(2)张驰振荡(3)小信号输入的频率响应(4)频率啁啾Chapter4光纤通信系统原理10外调制光源内调制的优点是电路简单容易实现，但是，在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光源的外调制方式。目前使用的外调制方式有：(1)电光调制（2）声光调制（3）磁光调制Chapter4光纤通信系统原理11控制电路等构成核心:光源及驱动电路光发射机的构成光发送机的构成:输入接口光源驱动电路监控电路Chapter4光纤通信系统原理12光发射机(数字)框图Chapter4光纤通信系统原理13对光发射机性能的要求光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入光纤中传输。包括以下方面：(1)光源特性(2)调制特性(3)输出特性Chapter4光纤通信系统原理14数字光发射机Chapter4光纤通信系统原理15数字光发射机框图Chapter4光纤通信系统原理16数字光发射机对光源的要求系统对光源的要求是很高的，包括：1．波长稳定性要求：WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求，波长的漂移将导致信道之间的串扰。2．功率稳定性要求：某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能。（调制速率、谱线宽度）Chapter4光纤通信系统原理17数字光发射机设计原则数字光发射机核心:光源和电路光源:实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路:其设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映电信号。Chapter4光纤通信系统原理18光发射机的控制电路（辅助电路）光源的控制电路:温度控制（ATC）和功率控制（APC）电路，它们的作用:消除温度变化和器件老化的影响,稳定发射机性能。其它的控制电路:光源慢启动保护电路、激光器反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和激光器关断电路。Chapter4光纤通信系统原理19光发射机的调制电路（主要电路）光源注入合适的偏置电流和调制电流就能发射光，也就是说可以通过直接调制电流信号从而调制光信号，这也就是直接调制名称的由来。在发射机中是由驱动电路完成的提供恒定的偏置电流和调制电流，并采用一定的机制保持光功率不变。驱动电路由调制电路和控制电路两部分组成。调制电路为主要电路。Chapter4光纤通信系统原理20光发射机的线路编码电路线路编码：又称信道编码，之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变化为适合于光纤传输的单极性码，此外它可以消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于在光纤中传输、接收及监测。定时信息扰码二进制、字变换码、插入型码。Chapter4光纤通信系统原理21线路编码在PDH通信时代，线路码型可以说是种类繁多、五花八门，但归根结底可以分为三大类，当然每一类码型中又可分为许多种。这三大类就是：扰码二进制mBnB码插入比特码Chapter4光纤通信系统原理22扰码二进制发送端用扰码器对数字电信号码流进行扰码，打乱原来的排列顺序以形成新的码流来调制光发送机，而在接收端进行反扰码以恢复原来的码流。优点：实现简单；能比较有效地抑制长连“0”和平衡码流；由于不增加码率所以光功率代价为0(码率增加会使灵敏度降低)。缺点：由于码率没有增加，难以实现误码检测、公务联络等功能。在PDH通信中很少采用这种线路码型；但在SDH通信中却全部采用此种码Chapter4光纤通信系统原理23光发射机的电路（实现）驱动电路自动功率控制电路自动温度控制电路告警电路和保护电路Chapter4光纤通信系统原理24驱动电路驱动电路作用:将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源的输出上。LED的驱动电路比较简单，而LD的驱动电路相当的复杂。驱动电路应该能对光源同时提供偏置电流和随信号而变化的调制电流。大多数光纤通信系统采用数字调制方式。模拟驱动电路:保证光源的输出光功率随信号电压的幅度、相位成线性地变化。Chapter4光纤通信系统原理25实现之一:共射极驱动电路Chapter4光纤通信系统原理26实现之二:射随驱动电路Chapter4光纤通信系统原理27实现之三:射极耦合驱动电路Chapter4光纤通信系统原理28自动功率控制电路目的:稳定激光器的输出功率，需要在发射机中具有自动功率控制（APC）电路。机理：APC电路一般利用一只与LD封装在一起的PIN监测LD后向输出的光，根据PIN输出的大小而自动地改变对LD的偏置电流，使其输出光功率保持恒定。可能引起激光器输出功率变化的两个因素是芯片温度的变化和激光器的老化效应。Chapter4光纤通信系统原理29APC自动光功率控制电路和偏置电路VEEA2-+R1VRLDIbPINA1+-VEEV2V1自动功率控制电路Chapter4光纤通信系统原理30自动温度控制电路半导体激光器的输出特性受温度影响很大，当温度发生变化时，LD的P-I特性和光谱特性都要发生变化，因此在光发射机中需要自动温度控制（ATC）电路以保证激光器在恒定温度下工作。一般说来，在实用化的半导体激光器封装中，都带有一个半导体致冷器和一只能够监测激光器芯片温度变化的热敏电阻。Chapter4光纤通信系统原理31ATC自动光功率控制电路VcA+-R1CoolerVcW1R3RtR2Rf自动温度控制电路Chapter4光纤通信系统原理32告警电路和保护电路无光告警、寿命告警电路等保护电路（缓启动，限流）Chapter4光纤通信系统原理33数字光发射机的性能指标1、平均发送光功率平均发送光功率是发送机耦合到光纤的伪随机数据序列的平均功率在光发送机的输出端值。发送机发送的光功率与传送的数据信号中“1”所占的比例有关，“1”越多发送光功率越大。当传送的数据信号是伪随机序列时，“1”和“0”大致各占一半，将这种情况下的光功率定义为平均发送光功率。通常光发送机的发送功率要有1~1.5dB的余量。Chapter4光纤通信系统原理342、消光比EXT消光比是最坏反射条件时，全调制条件下，发射光信号平均光功率与不发射光信号平均光功率的比值。用公式表示为（dB）EX=10log10(A/B)其中A为传号时的平均光功率，B代表空号时的平均光功率（噪声）。激光器正常工作时设置的偏置电流略小于阈值电流，以便缩短光源的导通时间，这样即使在空号时仍有相当的发光功率，消光比不可能无穷大。光发送机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”码光脉冲功率的七分之一。Chapter4光纤通信系统原理353、边模抑制比SMSRSMSR的定义为：在全调制的条件下主纵模的光功率M1和最大边模光功率M2之比。即SMSR=10lg(M1/M2)一般规定光发送机的SMSR大于30dB，即主纵模的光功率是最大边模光功率的1000倍以上。Chapter4光纤通信系统原理364、谱宽即光发送机中所用光源器件的谱线宽度。光源器件的谱宽越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的光纤色散就越小，就越利于进行大容量的传输。Chapter4光纤通信系统原理374.2光接收机Chapter4光纤通信系统原理38光接收机的组成作用：把接收来的光信号转变为原来的电信号，它的性能的优劣直接影响整个光纤通信系统的性光纤通信系统有模拟和数字两大类，光接收机也相应的有两大类，即模拟接收机和数字接收机。Chapter4光纤通信系统原理39直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复。直接检测数字光纤通信接收机Chapter4光纤通信系统原理40数字光接收机框图Chapter4光纤通信系统原理41数字光接收机主要由接收电路和判决电路两大部分组成。接收电路由光电检测器和前置放大器、均衡器、主放大器、偏置电路和自动增益控制电路五部分组成。判决电路由判决器、时钟恢复电路和译码器组成。光接收机从接收信号到恢复原来的电信号输出的工作过程……Chapter4光纤通信系统原理42光电检测器：把外来光信号转换成电信号送入到前置放大器，这一级的噪声对整个电信号的放大影响甚大，设计时要严格选择方案。主放大器：提供足够增益，将信号放大到判决电路所需要的电平；同时放大器增益受到AGC电路的控制，使输出信号的幅度在一定范围内不受输入信号的影响。均衡器：保证均衡以后的波形有利于判决，尽量减小码间干扰。判决器和时钟恢复电路：对信号进行再生，并用译码器对信号译码，使信号恢复到和光端机输入的电信号一样。Chapter4光纤通信系统原理43光接收机前端光接收机前端作用：将光纤线路末端耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进(1)一般采用PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能(2)光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前置放大器。Chapter4光纤通信系统原理44一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：(1)低阻抗前端(2)高阻抗前端(3)跨(互)阻抗前端Chapter4光纤通信系统原理45前置放大器的等效电路Chapter4光纤通信系统原理46ＦＥＴ放大器Chapter4光纤通信系统原理47双极性晶体管放大器Chapter4光纤通信系统原理48R1T1PIN跨阻抗放大器VCCT3R2T2R3RfR5ReC2R4C1Chapter4光纤通信系统原理49线性能道光接收机的线性通道：由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，此外，还应包括峰值检测和自动增益控制(AGC)电路，用来控制放大器增益。Chapter4光纤通信系统原理50主放大器的作用①将前置放大器输出的信号放大到判决电路所②它还是一个增益可调节的放大器，当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。对于APD的光接收机还通过控制APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。Chapter4光纤通信系统原理51均衡滤波器作用：均衡波形有利判决。均衡滤波器是必不①没有均衡滤波器将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干②有均衡滤波器均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。Chapter4光纤通信系统原理52均衡滤波器：使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。均衡滤波器的作用Chapter4光纤通信系统原理53数据恢复数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路判决电路和时钟恢复电路的任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。Chapter4光纤通信系统原理54辅助电路光接收机还有一些辅助电路，如：(1)钳位电路。(2)温度补偿电路。(3)告警电路。Chapter4光纤