第四章光端機光發(fā)射機光發(fā)射機的基本組成與要求光發(fā)射機的線路編碼光發(fā)射機的光調(diào)制技術(shù)數(shù)字光發(fā)射機的驅(qū)動電路與輔助電路光接收機光接收機的基本組成與要求光接收機的主要電路光接收機的噪聲與靈敏度光發(fā)射機光發(fā)射機的性能指標(biāo)輸出光功率及其穩(wěn)定性出纖光功率：環(huán)境溫度變化或器件老化時，輸出光功率要保持恒定，例如穩(wěn)定度為5%-10%。光發(fā)射機的性能指標(biāo)消光比EXT消光比的意義反映光發(fā)射機的調(diào)制狀態(tài)（電光轉(zhuǎn)換效率）影響接收機的靈敏度光發(fā)射機的性能指標(biāo)光脈沖的上升時間、下降時間及開通延遲時間無張弛震蕩電路難易、電源功耗、成本光發(fā)射機光發(fā)射機的組成驅(qū)動光源控制編碼擾碼接口電端機PCM光發(fā)射機光纖接口碼型的變換對于數(shù)字電端機的接口碼型一般采用雙極性碼目前常用的雙極性碼有HDB3碼和CMI碼。HDB3碼適用于(2~34)Mb/s（1~3次群）的數(shù)字信號接口。CMI碼適用于140Mb/s數(shù)字信號接口。對于光數(shù)字系統(tǒng)光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此主要采用單極性碼用“有光脈沖”表示“1”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。對線路碼型的要求光纜線路系統(tǒng)對傳輸碼型的主要要求有：“0”和“1”分布均勻，減小基線漂移；減少碼流中長連“0”或長連“1”的碼字，以利于端機和中繼設(shè)備的定時提取，便于信號再生判決；運行誤碼監(jiān)測方便，能實現(xiàn)不中斷業(yè)務(wù)監(jiān)測；能傳輸監(jiān)控、公務(wù)和區(qū)間信號；碼型變換設(shè)備簡單可靠。擾碼即在發(fā)送端用擾碼器對數(shù)字電信號碼流進行擾碼，打亂原來的排列順序以形成新的碼流來調(diào)制光發(fā)送機，而在接收端進行反擾碼以恢復(fù)原來的碼流。偽隨機化擾碼擾碼的優(yōu)點是：改善定時使信號頻譜彌散而保持恒穩(wěn)擾碼的缺點是：不能完全控制長連“1”和連“0”；由于碼率沒有增加，難以實現(xiàn)誤碼檢測、公務(wù)聯(lián)絡(luò)等功能。在PDH通信中很少采用這種線路碼型；但在SDH通信中卻全部采用此種碼型。最典型的分組碼為mBnB碼，它是把輸入碼流中每m比特碼分為一組，然后變換為n比特。m、n均為正整數(shù)，且n>m，一般n=m+1。這樣，變換之后，碼組的比特數(shù)比變換前大，即輸入碼字共有2m種，輸出碼字可能組成2n種，使變換后的碼流有了“富余”（冗余）。有了它，在碼流中除了可以傳輸原來的信息外，還可以傳輸與誤碼檢測等有關(guān)的信息。另外，經(jīng)過適當(dāng)?shù)木幋a之后，可以改善定時信號的提取和直流分量的起伏等問題。編碼原理：字數(shù)字和的絕對值（｜WDS｜）最小。mBnB碼mBnB碼下表所示為常用的1B2B碼，亦稱為CMI碼1B2B（A組）2B（B組）0010110011111100005B6B碼5B6B碼被認為在編碼復(fù)雜性和比特冗余度之間是最合理的折衷，因此使用較為普遍。編碼的情況5B6B碼使碼流中每5位碼元分為一組，然后再將這5位碼變換為6位碼。按照數(shù)學(xué)排列組合的理論可知，由“0”、“1”這兩種二元信號組成的5位和6位碼，有如下排列：5位碼的排列數(shù)：25=32種6位碼的排列數(shù)：26=64種5B6B碼碼流平衡情況的分析觀察可發(fā)現(xiàn)，6位碼中含有三個“1”和三個“0”的平衡碼組共有20個。所謂平衡碼是指在一個碼組中，“0”和“1”的個數(shù)相等。顯然，這樣的碼型有利于保持信碼流中直流分量的穩(wěn)定性。而6位碼組中，四個“1”和兩個“0”或四個“0”和兩個“1”的非平衡碼組共有30個。我們只選用其中的12組。除上述兩種碼組外，還有14個。這14個6位碼中，“0”和“1”的個數(shù)懸殊太大，不利于穩(wěn)定碼流中的直流分量，因此不選用。5B6B碼型的一種方案

5B6B碼碼組的選用首先選取碼組中含有三個“0”和“1”的20個平衡碼組。再選含有四個“0”或四個“1”的30個非平衡碼組中的24個。其中正模式中“1”的個數(shù)多，負模式中“1”的個數(shù)少。當(dāng)信碼流中出現(xiàn)上述某個模式后，隨后的一組碼應(yīng)選用另一種模式。這樣，正、負碼交替使用，就保持了信碼流中“0”、“1”出現(xiàn)的總概率相等。對于“0”、“1”出現(xiàn)概率懸殊的14種碼組不予選用，以保持信碼流分量的穩(wěn)定。綜上所述，在5B6B的64個碼組中，有20個碼組未用。這樣，接收端一旦收到這20個碼組中的任意一個，必定是在傳輸中出現(xiàn)了誤碼。所以，可以用這種編碼方式對系統(tǒng)進行誤碼檢測。一般把這種不使用的碼字稱為禁字。5B6B碼5B6B碼的碼速提高率為H5B6B碼5B6B碼的輔助信息的傳送5B6B碼傳送輔助信號采用輔助信號對主信號調(diào)頂?shù)姆绞健］o助信號本身用基帶傳送或移頻鍵控的方法。輔助信號的碼率為64kb/s，以后其占用的頻帶在128kb/s以下，而主信號5B6B碼的功率譜密度在128kHz點已降到最大值的2‰以下，因此相互干擾很小。5B6B碼另一種傳送輔助信號的方式是將輸入碼字經(jīng)過5B6B碼變換之后，再進行一次輔助信息比特的插入。這相當(dāng)于進行了兩次碼型變換，提高了碼速，同時破壞了5B6B碼良好的傳輸性能。還有一種是利用5B6B碼的冗余信息來承載輔助信號的方法。

插入比特碼這種碼型是將信碼流中每m比特劃分為一組，然后在這組的末尾一位之后插入1個比特碼。由于插入的比特碼的功能不同，這種碼型又可分為三種形式。這種碼型是將信碼流每m比特分為一組，然后在其末位之后再插入一個反碼（又稱補碼）即C碼。C碼的作用是：如果第m位碼為“1”碼，則反碼為“0”；反之則為“1”。例如：8個碼元為一組的碼組為：11011001；編為8B1C碼時的碼組為：110110010。因此插入C碼可進行誤碼檢測，此外，還可減少連“0”或連“1”的不良影響。優(yōu)點：可減少連“0”連“1”數(shù)。缺點：只能對第m位檢錯。

1.mB1C碼mB1P碼是將輸入的二進制碼每m比特分為一組，檢查每組中傳號（即“1”碼）的奇偶性，根據(jù)校驗的結(jié)果，在m比特之后插入一比特奇偶校正位（1P），故稱為mB1P碼。若mB中的傳號為奇數(shù)個，則1P為傳號（“1”）；若mB中的傳號為偶數(shù)個，則1P為空號（“0”）。例如：8個碼元為一組的碼組為11011001；編為8B1P碼時的碼組為110110011。常見的是7≤m≤17構(gòu)成的碼。在實際使用中，mB1P碼往往和擾碼結(jié)合在一起使用。優(yōu)點：碼型簡單。缺點：連“0”連“1”數(shù)多，只能檢出一個誤碼。2.mB1P碼這種碼是將信碼流中每m比特碼分為一組，然后在其末位之后插入一個混合碼，稱為H碼。這種碼型具有多種功能，除可完成mB1P和mB1C碼的功能外，還可同時用來完成區(qū)間通信、公務(wù)聯(lián)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸以及誤碼檢測等功能。3．mB1H碼數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中幾種常用線路碼的性能光源的光調(diào)制方式直接調(diào)制（IM）把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號。間接調(diào)制（外調(diào)制/內(nèi)調(diào)制）利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光輻射的調(diào)制。電光效應(yīng)（普科克效應(yīng)、克爾效應(yīng)）磁光效應(yīng)（法拉第電磁場偏轉(zhuǎn)效應(yīng)）調(diào)制方式調(diào)制法

所利用的物理效應(yīng)間接調(diào)制直接調(diào)制電光調(diào)制磁光調(diào)制聲光調(diào)制其它電源調(diào)制聲光效應(yīng)（拉曼·布拉格衍射效應(yīng)）自由載流子吸收效應(yīng)、共振吸收效應(yīng)光源的直接調(diào)制原理模擬調(diào)制（LED）

工作于甲類狀態(tài)的電流放大器光源的直接調(diào)制原理數(shù)字調(diào)制開關(guān)電路光發(fā)射機的驅(qū)動電路驅(qū)動條件：偏置電流IB和調(diào)制電流Im大小的選擇選擇偏置電流：偏置接近閾值時，可以較小的調(diào)制電流獲得足夠的輸出光脈沖，減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響；加大偏置電流逼近閾值，可大大減小電光延遲時間，同時抑制張弛震蕩；偏置等于閾值時，散粒噪聲較嚴重；加大偏置電流會使消光比惡化，降低接收機靈敏度；

（a)、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形碼型效應(yīng)由電光效應(yīng)引起“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”碼丟失用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”方法補償。結(jié)發(fā)熱效應(yīng)設(shè)t=0時電脈沖到來，注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，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(dāng)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?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。結(jié)發(fā)熱效應(yīng)(a)直流驅(qū)動;(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制

GaAlAsDH激光器的光譜特性LED的驅(qū)動電路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)，并使靜態(tài)集電極電流即LED的偏置電流設(shè)Im＝24mA，m＝0.8，則IB＝30mA，工作電流范圍30±24mA采用鍺二極管和電阻與LED并聯(lián)，在大電流時起分流作用，擴大驅(qū)動電流范圍，提高LED的線性。模擬調(diào)制LED的驅(qū)動電路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，以補償驅(qū)動電流開始時，對發(fā)光管電容充電所造成的光驅(qū)動電流的下降，從而使驅(qū)動器可工作在高碼速情況下。晶體管工作于飽和區(qū)，開關(guān)速率較低。數(shù)字調(diào)制LD的驅(qū)動電路偏置電路恒流源-1.3V“0”:-0.8V“1”:-1.8V非飽和共射極差分電流開關(guān)閾值電流變化引起的光輸出的變化；外微分量子效率變化引起的光輸出的變化

控制電路--溫度變化及器件老化的影響LD的ATC控制電路自動溫度控制系統(tǒng)方框圖

激光器

致冷器

熱敏電阻

控制電路

帕爾帖效應(yīng)LD的自動溫度控制電路ATCLD的自動功率控制APC電路LD組件LD組件功率控制器激光器檢波器驅(qū)動器熱敏電阻溫控器致冷器1

2345678

910111213141.PIN（+）2.LD（-）3.外殼接地4.熱敏電阻5.熱敏電阻7.致冷器（-）8.致冷器（+）12.外殼接地14.PIN（-）LD組件DFB插拔式LD組件

DFB尾纖式LD組件

激光器的保護電路工作原理正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導(dǎo)通降壓，因而T4截止，保護電路不工作。當(dāng)偏流IB過大，致使Rl上的壓降VRl劇增并超過T4的導(dǎo)通壓降時，T4飽和導(dǎo)通，使Vce4≈0，從而導(dǎo)致T3截止，保護了激光器不致因偏流IB過大而被損壞。電流接通時的保護工作過程中的過流保護反向沖擊電流保護激光器的告警電路無光告警電路當(dāng)LD發(fā)光正常時，PIN管檢測到的光電流經(jīng)A1放大后送入A2的同相端。這時，Vf＞VD，因此A2輸出高電平，致使無光告警指示燈LED不亮。當(dāng)LD不發(fā)光時，PIN管檢測不到光信號，因而Vf＜VD，A2輸出低電平，使無光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。+-激光器的告警電路壽命告警電路當(dāng)IB＞1.5Ith時，就認為激光器的壽命終止調(diào)整電位器W使V2＝1.5Ith。當(dāng)激光器工作正常時，IB＜1.5Ith，則Vl＜V2，A1輸出高電平，壽命告警燈不亮。如果IB＞1.5Ith，則激光器壽命終止，這時Vl＞V2，A1輸出低電平，壽命告警燈發(fā)黃色告警顯示。光接收機光接收機的組成前端及噪聲線性通道及數(shù)據(jù)恢復(fù)光接收機的性能指標(biāo)誤碼率靈敏度動態(tài)范圍光接收機光接收機的組成光信號光檢測器前置放大主放大器均衡濾波判決器譯碼器AGC電路時鐘恢復(fù)前端線性通道數(shù)據(jù)恢復(fù)輸出偏壓控制光接收機的前端光接收機的前端包括光檢測器（PIN或APD）和前置放大器。前置放大器的作用是將光電二極管輸出的信號放大到合適的程度，以便送入主放大器和后續(xù)處理電路；接收機前端的設(shè)計需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個因素；用PIN和FET組成光電檢測器組件，效果良好。前置放大器低阻型前置放大器（雙極性）頻帶較寬動態(tài)范圍大噪聲較大高阻型前置放大器（FET）噪聲小頻帶窄，高頻分量損失嚴重動態(tài)范圍小互（跨）阻抗型前置放大器頻帶寬低噪聲動態(tài)范圍比高阻型有所改善Δf=(2πRLCT)-1Ri=RL/(1+G)常用的前置放大器電路光接收機的線性通道光接收機的線性通道包括一個高增益的主放大器和自動增益控制(AGC)電路以及一個均衡濾波器。主放大器是一個增益可調(diào)(受AGC控制)的放大器，它不僅可將前放輸出的信號放大到所需的電平，而且增益可調(diào)，以適應(yīng)在不同的輸入信號情況下仍能保證輸出電平的穩(wěn)定。均衡濾波器的作用是對失真的波形進行補償，以減小碼間干擾。AGC電路由均衡器的輸出提取信號控制主放大器的增益，以保證輸出信號的幅度固定不變。滾降濾波器形成的波形（a）有限長橫向濾波器（b）輸入單脈沖響應(yīng)（c）輸出單脈沖響應(yīng)時域均衡器的輸入輸出波形光接收機的數(shù)據(jù)恢復(fù)接收機的數(shù)據(jù)恢復(fù)部分由時鐘提取電路和判決電路構(gòu)成，其作用是把放大器輸出的具有升余弦頻譜的信號恢復(fù)成數(shù)字信號。時鐘提取電路從接收信號中提取出頻率f＝B的分量，從而得到比特時間TB＝1／B，以作為判決電路的同步判決信號。判決電路是一個帶有選通輸入的比較器，以由時鐘提取電路提供的時鐘脈沖作為取樣時間，將線性通道輸出的信號與一個閾值判決電平進行比較，根據(jù)信號電平是大于或小于閾值判決電平而決定信號是“1”或“0”碼。光接收機的性能指標(biāo)光接收機的信噪比光接收機的誤碼率光接收機的靈敏度光接收機的動態(tài)范圍光接收機的噪聲點噪聲由產(chǎn)生電子的隨機性和光敏二極管的暗電流引起式中，e指電子電荷(1.6e-19)，Ip為平均電流，Ip=RPin,Id

為暗電流，Δf為接收機的等效噪聲帶寬熱噪聲由光接收機前端負載電阻和其他電子元件中電子的隨機熱運動形成式中，F(xiàn)n為放大器的噪聲系數(shù)，T為絕對溫度(K)，k是玻耳茲曼常數(shù)(1.38e-23J/K)，RL為負載電阻。光接收機的信噪比PIN接收機的信噪比一般情況下，熱噪聲為PIN光接收機的主要噪聲，SNR與Pin2成正比，可以通過增加負載電阻RL來提高，也可通過使用低通濾波器降低Δf來提高。在接收光功率較高的情況下，點噪聲可能成為光接收機的主要噪聲，還可以忽略暗電流的影響，SNR隨Pin的增加而線性增加。光接收機的信噪比APD接收機的信噪比在相同的接收功率下，使用APD代替PIN光電二極管通?？梢垣@得較高的SNR。在以熱噪聲為主的情況下，APD接收機的SNR是PIN接收機的G2倍。在點噪聲為主的情況下，并忽略掉暗電流后，APD接收機的SNR只有PIN接收機的l／GX，說明在接收光功率較強時，不宜采用APD。存在一個最佳倍增