第4章光端機

4.1光發(fā)射機

4.2光接收機

4.3線路編碼返回主目錄第4章光端14.1光發(fā)射機

?數(shù)字光發(fā)射機的功能:

?電端機輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號

?用耦合技術注入光纖線路

?用數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制

?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

4.1光發(fā)射機2輸出光信號pItIin輸入電信號pI（a）

LED數(shù)字調(diào)制原理輸出光信號輸入電信號IinIthIb(b)

LD的數(shù)字調(diào)制原理

?當激光器的驅(qū)動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅(qū)動電流I基本上是線性關系?輸出光功率和輸入電流成正比，輸出光信號反映輸入電信號輸出光信號pItIin輸入電信號pI（a）LED數(shù)字調(diào)制原3

4.1.1光發(fā)射機基本組成

數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖4.2所示，主要有光源和電路兩部分。

光源是實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能。電路的設計應以光源為依據(jù)，使輸出光信號準確反映輸入電信號。4.1.1光發(fā)射機基本組成4防止LD輸出的激光反射，實現(xiàn)光的單向傳輸保持LD組件內(nèi)恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性使LD有恒定的光輸出功率數(shù)據(jù)電接口線路編碼驅(qū)動電路調(diào)制器光隔離器LD功控溫控光發(fā)射機防止LD輸出的激光反射，實現(xiàn)光的單向傳輸保持LD組件內(nèi)恒定的51.光源

對通信用光源的要求如下(1)發(fā)射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應在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，即遠場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。1.光源(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即6(3)允許的調(diào)制速率要高或響應速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。(4)

器件應能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長。(5)此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。以上各項中，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指標。(3)允許的調(diào)制速率要高或響應速度要快，以72.調(diào)制電路和控制電路直接光強調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有: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，還有偏置電路。對調(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))應大于10，以保證足夠的光接收信噪比。2.調(diào)制電路和控制電路8(2)輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲(電光延遲)時間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延遲時間應足夠短，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。(3)對激光器應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)射機正常工作。(4)應采用自動功率控制(APC)和自動溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。(2)輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲(電光9

3.線路編碼電路電端機輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負脈沖，要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。3.線路編碼電路104.1.2調(diào)制特性半導體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)許多復雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振蕩和自脈動現(xiàn)象。這些特性嚴重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的設計時要給予充分考慮。4.1.2調(diào)制特性11張弛振蕩：當電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振蕩。是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來的固有特性。自脈動：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。張弛振蕩和自脈動的結(jié)合。激光器激射以后，先出現(xiàn)一個張弛振蕩的過程，隨后則開始持續(xù)自脈動。光電瞬態(tài)響應波形：張弛振蕩：當電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振121.電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象半導體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應波形如圖4.3所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(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。1.電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象13

圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應波形

張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。當最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形失真嚴重，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應低于張弛振蕩頻率。td圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應波形14電光延遲要產(chǎn)生碼型效應。當電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應”。如圖4.4，在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個脈沖到來前，有較長的連“0”碼，由于電光延遲時間長和光脈沖上升時間的影響，因此脈沖變小。第二個脈沖到來時，由于第一個脈沖的電子復合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，脈沖較大。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應。15

“碼型效應”的特點是：在脈沖序列中較長的連“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，這種效應越明顯。用適當?shù)摹斑^調(diào)制”補償方法，可以消除碼型效應，見圖4.4(c)所示。12電脈沖光脈沖2ns5ns2ns

圖4.4碼型效應（a)、(b)碼型效應波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)“碼型效應”的特點是：在脈沖序列中較長的連“016碼型效應：

由于瞬態(tài)性質(zhì)，輸出光脈沖會出現(xiàn)碼型效應。碼型效應起因：當?shù)谝粋€電流脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電荷以指數(shù)形式衰減，回到初始狀態(tài)有一個時間過程sp，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于sp，會使第二個電流脈沖到來時，前一個電流脈沖注入的電荷并沒有完全復合消失，有源區(qū)的存儲電荷起到直流預偏置的作用，于是第二個光脈沖延遲時間減小，輸出光脈沖的幅度和寬度增加。消除方法：增加直流偏置電流。電流脈沖光脈沖兩個連“1”的現(xiàn)象碼型效應：碼型效應起因：當?shù)谝粋€電流脈沖過后，存儲在有源區(qū)的17(4.1)(4.2)(4.3)式中，τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時間，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τsp>>τph。通過LD速率方程組的瞬態(tài)解得到的張弛振蕩頻率ωr及其幅度衰減時間τo和電光延遲時間td的表達式為：(4.1)(4.2)(4.3)式中，τo是張弛18(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間τo與τsp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小。(3)電光延遲時間td與τsp為相同數(shù)量級，并隨j的增加而減小(j>jth)。

由此可見，增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率ωr，減小其幅度衰減時間τo，以及減小電光延遲時間td，因此對LD施加偏置電流是非常必要的。(1)張弛振蕩頻率ωr隨τsp、τph的減小而增加，隨192.自脈動現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當注入電流達到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動頻率可達2GHz，嚴重影響LD的高速調(diào)制特性。2.自脈動現(xiàn)象20電脈沖光脈沖圖4.5激光器自脈沖動現(xiàn)象自脈動現(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,自脈動發(fā)生的區(qū)域和P-I曲線扭折區(qū)域相對應。電脈沖光脈沖圖4.5激光器自脈沖動現(xiàn)象自脈21

4.1.3調(diào)制電路和自動功率控制數(shù)字信號調(diào)制電路應采用電流開關電路，最常用的是差分電流開關電路。

圖4.6示出由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動電路，這種簡單的驅(qū)動電路主要用于以發(fā)光二極管LED作為光源的光發(fā)射機。

4.1.3調(diào)制電路和自動功率控制22圖4.6共發(fā)射極驅(qū)動電路

這種驅(qū)動電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應采用差分電流開關電路。數(shù)字信號Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動LED。數(shù)字信號“0”碼和“1”碼對應于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對輸出光信號幅度的要求確定。圖4.6共發(fā)射極驅(qū)動電路這種驅(qū)動電路23圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動電路，適合于激光器系統(tǒng)使用。電流源為由V1和V2組成的差分開關電路，它提供了恒定的偏置電流。圖4.7射極耦合LD驅(qū)動電路圖

在V2基極上施加直流參考電壓UB，V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓，數(shù)字電信號Uin從V1基極輸入。當信號為“0”碼時，V1基極電位比UB高而搶先導通，V2截止，LD不發(fā)光；反之，當信號為“１”碼時，V1基極電位比UB低，V2搶先導通，驅(qū)動LD發(fā)光。UB圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動電路，適合于激24V1和V2處于輪流截止和非飽和導通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。當三極管截止頻率fr≥4.5GHz時，這種電路的調(diào)制速率可達300Mb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點是動態(tài)范圍小，功耗較大。UBV1和V2處于輪流截止和非飽和導通狀態(tài)，有25圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路，其主體和圖4.7相同，只是由V3支路為LD提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號均值的控制。

圖

4.8反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD26把PD檢測器的輸出監(jiān)測電壓UPD、信號參考電壓和直流參考電壓UR施加到運算放大器A1的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制V3基極電壓和偏置電流Ib，其控制過程如下：PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLD

在反饋電路中引入信號參考電壓的目的，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。把PD檢測器的輸出監(jiān)測電壓UPD、信號參考電27一個更加完善的自動功率控制(APC)電路如圖4.9所示。從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測器檢測、運算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時，輸入信號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。一個更加完善的自動功率控制(APC)電路如284.1.4溫度特性和自動溫度控制1.激光器的溫度特性溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流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

?溫度對輸出光脈沖會產(chǎn)生“結(jié)發(fā)熱效應”。4.1.4溫度特性和自動溫度控制29PPII

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20。C25。C20。C70。CPPII30起因：注入電流導致溫升，進而引起閾值電流的變化，從而輸出光功率也發(fā)生變化。在電流脈沖持續(xù)階段，輸出光功率隨時間而減??；而當電流脈沖過后，輸出光功率隨時間而增加。消除方法：適當增加偏置電流

結(jié)發(fā)熱效應：

半導體激光器是對溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變化會使激光器的閾值電流以及輸出光功率發(fā)生變化，注入電流的熱效應也會發(fā)生類似的變化——結(jié)發(fā)熱效應。是激光器的另一種瞬態(tài)調(diào)制效應。起因：注入電流導致溫升，進而引起閾值電流的變化，從而輸出光功31I1I0t=0t=T圖4.11結(jié)發(fā)熱效應電流脈沖光脈沖如圖4.11所示，設t=0時電脈沖到來，注入電流為I1，由于電流的熱效應，在脈沖持續(xù)時間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時間t而升高，激光器的閾值電流隨t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨t而減小。當t=T時電流脈沖過后，注入電流從I1減小到I0，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨t而降低，閾值電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大。I1I0t=0t=T圖4.11結(jié)發(fā)熱效應電流脈沖光32

“結(jié)發(fā)熱效應”將引起調(diào)制失真。與調(diào)制速率對激光器瞬態(tài)特性的影響相反，低調(diào)制速率的“結(jié)發(fā)熱效應”更加明顯。這是因為隨著調(diào)制速率的提高，碼元時間間隔縮短，使結(jié)區(qū)溫度來不及發(fā)生變化?！敖Y(jié)發(fā)熱效應”將引起調(diào)制失真。33

2.自動溫度控制半導體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長波長半導體激光器對溫度更加敏感。為保證輸出特性的穩(wěn)定，對激光器進行溫度控制是十分必要的。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。2.自動溫度控制34

致冷器的冷端和激光器的熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。激光器導熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PDDFB-LD組件溫控電路通常由比例放大、PID（比例-積分-微分）電路、電流放大組成控制精度達到0.01C致冷器的冷端和激光器的熱沉接觸，熱敏電阻作35目前，微致冷大多采用半導體致冷器，它是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的電偶來實現(xiàn)致冷的。用若干對電偶串聯(lián)或并聯(lián)組成的溫差電功能器件，溫度控制范圍可達30~40℃。為提高致冷效率和溫度控制精度，把致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)，溫度控制精度可達±0.5℃。從而使激光器輸出平均功率和發(fā)射波長保持恒定，避免調(diào)制失真。目前，微致冷大多采用半導體致冷器，它是利用半36ATC電路主要由R1、R2、R3和熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過電橋把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。運算放大器A的差動輸入端跨接在電橋的對端，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。ATC電路主要由R1、R2、R3和熱敏電阻RT組成“換能”37在設定溫度(例如20℃)時，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點沒有電位差，傳輸?shù)竭\算放大器A的信號為零，流過致冷器TEC的電流也為零。當環(huán)境溫度升高時，LD的管芯和熱沉溫度也升高，使具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT的阻值減小，電橋失去平衡。這時B點的電位低于A點的電位，運算放大器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。在設定溫度(例如20℃)時，調(diào)節(jié)R3使電38這個控制過程可以表示如下：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3.18所示。這個控制過程可以表示如下：T(環(huán)境)→T(LD、394.2光接收機4.2.1光接收機基本組成直接強度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖示于圖4.14。

主要包括：

光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。4.2光接收機4.2.1光接收機基本40光信號光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器時鐘恢復輸出AGC電路性能指標:接收靈敏度、誤碼率或信噪比前端時鐘提取與數(shù)據(jù)再生（CDR）線性通道對信號進行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。光信號光電前置主放均衡判時鐘恢復輸出AGC電路性能指標:接收411、光接收機的前端（1）前端：由光電二極管和前置放大器組成。作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變電流，然后進行預放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級作進一步處理。是光接收機的核心。要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬電信號光信號光電變換前置放大1、光接收機的前端（1）前端：由光電二極管和前置放大器組成421、光接收機的前端（2）

光檢測器是光接收機實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關鍵器件，其性能特別是響應度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。

對光檢測器的要求如下：(1)波長響應要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；(2)響應度要高，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；(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。1、光接收機的前端（2）光檢測器是光接收機實現(xiàn)光43光檢測器的選擇：要視具體應用場合而定。PIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應速度快。APD最大的優(yōu)點是它具有載流子倍增效應，其探測靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路。從簡化接收機電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測器。前置放大器的主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場效應晶體管(FET)。PIN/FET和APD/FET。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。光檢測器的選擇：要視具體應用場合而定。目前，適44光纖通信課件第四章451、光接收機的前端（3）根據(jù)不同應用要求，前端的設計有三種不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收機前端的等效電路低阻抗前端從頻帶要求出發(fā)選擇偏置電阻RL優(yōu)點：電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動態(tài)范圍較大缺點：靈敏度低，噪聲較高1、光接收機的前端（3）根據(jù)不同應用要求，前端的設計有三種不461、光接收機的前端（4）高阻抗前端盡量加大偏置電阻，把噪聲減至盡可能小的值優(yōu)點：噪聲較低缺點：動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對均衡電路提出很高要求.多用于低速系統(tǒng).跨阻抗前端電壓并聯(lián)負反饋放大器（電流-電壓轉(zhuǎn)換器）優(yōu)點：寬頻帶（等效輸入電阻很小）、低噪聲（反饋電阻可以取得很大）、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點，被廣泛采用。1、光接收機的前端（4）高阻抗前端盡量加大偏置電阻，把噪聲減472、光接收機的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形，使之成為有利于判決碼間干擾最小的升余弦波形?？筛鶕?jù)輸入信號（平均值）大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定。用以擴大接收機的動態(tài)范圍。提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。主放大器均衡濾波AGC電路2、光接收機的線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形，使之483、判決再生與時鐘提取任務：把線性通道輸出的升余弦波形恢復成數(shù)字信號為確定是“1”或是“0”，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路重新輸入一個“0”。為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準確的時鐘信息作為標定，以保證與發(fā)送端一致。判決器時鐘恢復輸出3、判決再生與時鐘提取任務：把線性通道輸出的升余弦波形恢復49判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳取樣時間相應于“1”和“0”信號電平相差最大的位置，可有眼圖決定。判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳取504.光電集成接收機圖4.14中除光檢測器以外的所有元件都是標準的電子器件，很容易用標準的集成電路(IC)技術將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術都能夠使集成電路的工作帶寬超過2GHz，甚至達到10GHz。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機，即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內(nèi)的全部元件。4.光電集成接收機51對于工作在1.3~1.6μm波長的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機。在1991年試驗成功的單路InGaAsOEIC接收機，其運行速率達5Gb/s。InGaAsOEIC接收機也可以用混合法實現(xiàn)。如圖4.15所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在InP基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。對于工作在1.3~1.6μm波長的系統(tǒng)，人們52圖4.15光電集成接收機圖4.15光電集成接收機53

4.2.2噪聲特性光接收機的噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。光接收機的噪聲有兩部分：

外部電磁干擾產(chǎn)生

這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除；

內(nèi)部產(chǎn)生這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設計與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。我們要討論的噪聲是指內(nèi)部產(chǎn)生的隨機噪聲。4.2.2噪聲特性54光接收機噪聲的主要來源是:光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。圖4.16光接收機的噪聲等效模型光接收機噪聲的主要來源是:光檢測器的噪聲和前置55圖4.16示出光接收機的噪聲等效模型，由光檢測器和放大器兩部分組成。

〈iq2〉光檢測器的量子噪聲功率譜密度分別表示為Sq

〈id2〉暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)，其相應的功率譜密度Sdip光檢測器的輸出光生電流R光檢測器的偏置電阻C光檢測器的電容(結(jié)電容和其他電容)圖4.16示出光接收機的噪聲等效模型，由光56放大器分解為:

理想放大器相應的功率譜密度SI

等效噪聲電流源〈i02〉相應的功率譜密度SE

電壓源〈u02〉，相應的功率譜密度Rin放大器的輸入電阻。放大器分解為:57分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：散粒噪聲分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。光檢測器放大器偏置電阻光子流h58光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：量子噪聲的產(chǎn)生是由于光信號入射到光檢測器上時，光電子的產(chǎn)生和收集過程具有統(tǒng)計特性(泊松分布)。光電效應產(chǎn)生的光生載流子數(shù)是隨機起伏的，這是光檢測過程的基本特性，從而使當其他條件都達到最佳化時，接收機靈敏度具有一個最低極限。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲熱噪聲59光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：暗電流噪聲：當沒有光信號照射光檢測器時，外界的一些雜散光或熱運動也會產(chǎn)生一些電子——空穴對，光檢測器還會產(chǎn)生一些電流，這種殘留電流稱為暗電流。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲熱噪聲60光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：漏電流噪聲：當光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時，會引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測器的合理設計，良好的結(jié)構(gòu)和嚴格的工藝降低。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲熱噪聲61光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：APD倍增噪聲：當使用雪崩光電二極管時，倍增過程的隨機特性產(chǎn)生附加的噪聲。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲熱噪聲62光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機噪聲及其分布圖：熱噪聲：是在有限溫度下，導電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和振動離子間熱相互作用引起的一種隨機脈動。光檢測器放大器偏置電阻光子流hRL量子噪聲暗電流噪聲熱噪聲63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：

場效應管(FET)前置放大器(4.5)(4.4)雙極型晶體管(BJT)前置放大器放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型，64跨阻型前置放大器-雙極型晶體管

(4.6)跨阻型前置放大器-場效應管(4.7)跨阻型前置放大器-雙極型晶體管(4.6)跨阻型前置65

圖4.17光接收機的前置級放大電路(a)雙極型晶體管；(b)場效應管；(c)跨阻型圖4.17光接收機的前置級放大66三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是輸入阻抗低，電路時間常數(shù)RC小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。(2)場效應管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高，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)點是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。三種類型前置放大器的比較：67

4.2.3誤碼率

由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個隨機過程，其取樣值是隨機變量，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機對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)，用較長時間間隔內(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)的比值來表示。4.2.3誤碼率68噪聲引起誤碼的圖解說明噪聲引起誤碼的圖解說明69碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計算。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為判決門限值，一般取D=Im/2。碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓)的概70在“１”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；在“0”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I0>D，則可能被誤判為“１”碼。在“１”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I71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。

光接收機輸出噪聲的概率分布十分復雜，一般假設噪聲電流(或電壓)的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為:式中x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值，其均值為零，方差為σ2。(4.8)要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且72在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設了噪聲的概率分布后，現(xiàn)在可以分別計算“0”碼和“１”碼的誤碼率了。在發(fā)“0”碼時，平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率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:(4.9)在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設73根據(jù)誤碼率的定義，把“0”碼誤判為“1”碼的概率，應等于I0值超過D值的概率，即式中x=I0/在發(fā)“1”碼時，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為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。(4.10a)(I0>D)(4.10b)根據(jù)誤碼率的定義，把“0”碼誤判為“1”碼74式中y=(I1-Im)/?！?”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認為Pe,01=Pe,10時，可以使誤碼率達到最小。(4.11a)(Im-I1)>(Im-D)(4.11b)把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：式中y=(I1-Im)/。(4.11a75因此，總誤碼率(BER)可以表示為：(4.12)式中Q=(4.13a)Q=(4.13b)因此，總誤碼率(BER)可以表示為：(4.12)式中(4.176Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對“0”碼進行取樣判決時，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流的倍數(shù)。由此可見，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。例如：Q=6,BER≈10-9，Q≈7，BER=10-12。Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對77二進制信號的誤碼概率I1I0二進制信號的誤碼概率I1I078I1I0二進制信號的誤碼概率I1I0二進制信號的誤碼概率79二進制信號的誤碼概率I1I0二進制信號的誤碼概率I1I080二進制信號的誤碼概率I1I0二進制信號的誤碼概率I1I081Q被廣泛用來說明接收機的特性。Q=6，BER=10E-9Q>7，BER<10E-12通常:2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應于BER=10E-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應于BER=10E-10；Q被廣泛用來說明接收機的特性。通常:82Pr=10lg(4.14)

4.2.4靈敏度

靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標。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

靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。

提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。Pr=10lg831.理想光接收機的靈敏度假設光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機稱為理想光接收機。

它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。1.理想光接收機的靈敏度84首先考慮理想光接收機的誤碼率。當光檢測器沒有光輸入時，放大器就完全沒有電流輸出，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一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。這個概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe,10=exp(-n)，n為一個碼元的平均光子數(shù)。

當“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時，誤碼率為：Pe=(4.15)

Pe,01+Pe,10=exp(-n)首先考慮理想光接收機的誤碼率。當光檢測器沒有85現(xiàn)在考慮理想光接收機的靈敏度。設傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb，一個碼元平均光子數(shù)為n，那么光接收機所需最小平均接收功率為: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，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)換時的量子效率為η?！碢〉min=（4.16）現(xiàn)在考慮理想光接收機的靈敏度。設傳輸?shù)氖?6Pr=10lg(4.17)

對于數(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個光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時誤碼率小于或等于10-9。設η=0.7，并把相關的常數(shù)代入式(4.17)，計算出的不同λ和不同fb的Pr值列于表4.1。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。把這些關系代入式(4.16)，得到理想光接收機靈敏度:Pr=1087-65.7-59.2-71.1-63.8靈敏度pr/dB度fb/(Mb.s-1)1.551.31波長/表4.1理想光接收機的接收機-65.7-59.2-71.188

2.實際光接收機的靈敏度影響實際光接收機靈敏度的因素很多，利用誤碼率的公式可以計算最小平均接收光功率。為此，應建立超擾比Q與入射光功率的關系。在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號的光功率P0=0，輸出光電流I0=0。在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號的光功率P1和光電流I1的關系為式中，g為APD倍增因子(對于PINPD，g=1)，ρ為光檢測器的響應度，〈P〉=(P1+P0)/2為“0”碼和“１”碼的平均光功率。I1=gρP1=2gρ〈P〉2.實際光接收機的靈敏度式中，g為APD89

Q=(4.19)式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，（4.20）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”90N0=NAN1=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器的平均噪聲功率，ND=〈i2q〉A2，〈i2q〉為均方量子噪聲電流，如式(3.22)和式(3.26)所示。對于PIN光電二極管，ND<<NA，g=1，式(4.20)可以簡化為式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率?！碢〉min=(4.21)

91設PIN-PD光接收機的工作參數(shù)如下：光波長λ=0.85μm，傳輸速率fb=8.448Mb/s，光電二極管響應度ρ=0.4，互阻抗前置放大器(FET)的nA≈10-18。要求誤碼率Pe=10-9，即Q=6，由式(4.21)計算得到〈P〉min=1.5×10-8W，Pr=-48.2dBm。這樣計算光接收機的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒有考慮下列因素：波形引起的碼間干擾的影響；均衡器頻率特性的影響；光檢測器暗電流和信號含直流光的影響。設PIN-PD光接收機的工作參數(shù)如下：光波92圖4.20示出典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關系曲線。圖中誤碼率限定為1×10-9，假設光檢測器量子效率η=0.5，附加噪聲系數(shù)x=0.4，暗電流id=1nA，滾降因子β=1，相對脈沖展寬σ/T=0.3。圖4.20示出典型短波長光接收機靈敏度與傳93圖4.20典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關系的關系由圖可見，在限定誤碼率的條件下，決定光接收機靈敏度的主要因素是：

傳輸速率和光檢測器

前置放大器的噪聲特性圖4.20典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關系的關944.21實測誤碼率與平均接收光功率作為例子，圖4.21示出一個長波長系統(tǒng)的實測誤碼率和平均接收光功率的關系。4.21實測誤碼率與平均接收光功率作為例子954.2.5自動增益控制和動態(tài)范圍放大器是一個普通的寬帶高增益放大器，由于前置放大器輸出信號幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。主放大器一般由多級放大器級聯(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=I1A，利用式(4.18)得到A=(4.22)式中，g為APD倍增因子，ρ為光檢測器的響應度，〈P〉為“0”碼和“1”碼的平均光功率。4.2.5自動增益控制和動態(tài)范圍96主放大器的另一個功能是實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使光接收機具有一定的動態(tài)范圍，以保證在入射光強度變化時輸出電流基本恒定。

動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機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)

主放大器的另一個功能是實現(xiàn)自動增益控制(AG97對于APD光接收機，AGC控制光檢測器的偏壓和放大器的輸出；對于PIN光接收機，AGC只控制放大器的輸出。動態(tài)范圍是光接收機性能的另一個重要指標，它表示光接收機接收強光的能力，數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應大于15dB。由于使用條件不同，輸入光接收機的光信號大小要發(fā)生變化，為實現(xiàn)寬動態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流運算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實現(xiàn)。對于APD光接收機，AGC控制光檢測器的偏壓和984.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，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)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。4.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從99簡單的二電平碼會帶來如下問題：

?在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個數(shù)是隨機變化的，因而直流分量也會發(fā)生隨機波動(基線漂移)，給光接收機的判決帶來困難。

?在隨機碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時誤差。

?不能實現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務)的誤碼檢測，不利于長途通信系統(tǒng)的維護。簡單的二電平碼會帶來如下問題：100

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有：(1)能限制信號帶寬，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的靈敏度。(2)能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“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)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸1014.3.1擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍裕谙到y(tǒng)光發(fā)射機的調(diào)制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存器實現(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…4.3.1擾碼例如：擾碼前：1102①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)②沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監(jiān)測；③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，所以許多光纖通信設備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。擾碼有下列缺點：①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”103

4.3.2mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內(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。

4.3.2mBnB碼1041.mBnB碼編碼原理最簡單的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)目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。1.mBnB碼編碼原理105以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表4.2。01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有106為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。設計者應根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變?yōu)?B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字107作為普遍規(guī)則，引入“碼字數(shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數(shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個碼字“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；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。作為普遍規(guī)則，引入“碼字數(shù)字和”(WDS)來108

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)這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小109線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表4.3一種3B4B碼表線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WD110我國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個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。

由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。當然禁用WDS=±4和±6的碼字。表4.4示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。我國3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路111光纖通信課件第四章112線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）模式1（正組）WD113mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點是：(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富。(2)高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，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。mBnB碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設備中，不宜用這種碼型。mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據(jù)傳輸特1142.編譯碼器有兩種編譯碼電路：?一種是組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊，國外設備大多采用這種方法。

?一種是把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設備一般采用這種方法。

2.編譯碼器115以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。首先把設計好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號碼流通過串-并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據(jù)存儲的碼表，輸出與地址對應的并行4B碼，再經(jīng)過并-串變換電路，讀出已變換的4B碼流。以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。116圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WDS=±2時，從A、B分別送出控制信號，通過C線決定組別。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼時，把送來的已變換的4B信號碼流，每4比特并聯(lián)為一組，作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經(jīng)過并-串變換還原為原來的信號碼流。其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度有所區(qū)別而已。圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WD1174.3.3插入碼插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB)-一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。

4.3.3插入碼1181.插入碼的編碼原理

mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼，這個補碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。補碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數(shù)目最少。mB1C碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例如：mB碼為：100110001101……mB1C碼為：1001110100101010……C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測；同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。1.插入碼的編碼原理mB1C碼的結(jié)構(gòu)如圖4.23所示，例119mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應的碼位上插入一個混合碼(H碼)，所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的補碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的傳輸。120常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼為例，它的優(yōu)點是碼速提高不大，誤碼增值小；可以實現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

缺點是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求。常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4121在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗碼，其作用和C碼相似，但P碼有以下兩種情況：(1)P碼為奇校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內(nèi)“1”碼的個數(shù)為奇數(shù)，例如：mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1000000100101101……當檢測得m+1個碼內(nèi)“１”碼為奇數(shù)時，則認為無誤碼。在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗碼，其作用和122(2)P碼為偶校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內(nèi)“１”碼的個數(shù)為偶數(shù)，例如：mB碼為：100000001110……mB1P碼為：1001000000111100……當檢測得m+1個碼內(nèi)“１”碼為偶數(shù)時，則認為無誤碼。例如：1232.編譯碼器和mBnB碼不同，mB1H碼沒有一一對應的碼結(jié)構(gòu)，所以mB1H碼的變換不能采用碼表法，一般都采用緩存插入法來實現(xiàn)。

圖4.24示出4B1H編碼器原理，它由緩存器、寫入時序電路、插入邏輯和讀出時序電路四部分組成。4B1H碼是每4個信號碼插入一個H碼，因此變換后碼速增加1/4。設信號碼的碼速為34368kb/s，經(jīng)4B1H變換后，線路碼的碼速為(5/4)34368kb/s=42960kb/s。34368kb/s的NRZ信號碼送入緩存器。

2.編譯碼器124圖4.244B1H編碼器原理圖4.244B1H編碼器原理125

緩存器是4D觸發(fā)器，它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號作為寫入時序脈沖，隨機但有順序地把34368kb/s信號碼流分為4比特一組，與H碼一起并聯(lián)送入插入邏輯。

插入邏輯電路實際上是一個5選1的電路，它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42960kb/s的4B1H碼。圖4.25示出4B1H譯碼器原理，它由B碼還原、H碼分離、幀同步和相應的時鐘頻率變換電路組成。把42960kb/s的4B1H碼加到緩存器，因4B1H碼是5比特為一組，所以緩存器應有5級，并用不同的時鐘寫入。緩存器是4D觸發(fā)器，它利用鎖相環(huán)中的4分頻126圖4.254B1H譯碼器原理圖4.254B1H譯碼器原理127

頻率變換電路要保證向各個部分提供所需的準確時鐘信號。通過緩存器，實際上已把B碼和H碼分開，只要用34368kHz的時鐘把B碼按順序讀出，B碼就還原了。B碼的還原電路實際上就是并串變換電路，由4選1電路來實現(xiàn)。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用幾種線路碼的主要性能列于表4.5。頻率變換電路要保證向各個部分提供所需的準確時128光纖通信課件第四章129

第4章光端機

4.1光發(fā)射機

4.2光接收機

4.3線路編碼返回主目錄第4章光端1304.1光發(fā)射機

?數(shù)字光發(fā)射機的功能:

?電端機輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號

?用耦合技術注入光纖線路

?用數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制

?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

4.1光發(fā)射機131輸出光信號pItIin輸入電信號pI（a）

LED數(shù)字調(diào)制原理輸出光信號輸入電信號IinIthIb(b)

LD的數(shù)字調(diào)制原理

?當激光器的驅(qū)動電流大于閾值電流Ith時，