1、主講：成純富,湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 光信教研室,光纖通信系統(tǒng),本章內(nèi)容,4.1 光發(fā)射機(jī),將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào),光纖通信系統(tǒng),數(shù)字光發(fā)射機(jī)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，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)，使輸出準(zhǔn)確反映輸入信息。,圖4.2 數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖,光發(fā)射機(jī)基本組成,光源,通信用光源的要求： 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0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。 光譜單色性要好， 即譜線(xiàn)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，且線(xiàn)性良好、方向性要好以利于 提高光源與光纖之間的

2、耦合效率。,3) 調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快。 4) 常溫下工作， 要穩(wěn)定性好， 可靠性高，壽命長(zhǎng)。 5) 器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。,調(diào)制速率、譜線(xiàn)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)。,光源的調(diào)制方式,調(diào)制方式： 直接調(diào)制 間接調(diào)制（外調(diào)制） 一、直接調(diào)制的特點(diǎn)： 將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED 調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)（強(qiáng)度調(diào)制） 簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn) 響應(yīng)帶寬有限（2.5Gb/s） 引入調(diào)制啁啾（線(xiàn)性調(diào)頻問(wèn)題）,激光二極管的啁啾(Chirp)特性：在直接調(diào)制激 光二極管時(shí)，不僅輸出光

3、功率隨調(diào)制電流發(fā)生變 化，而且光的頻率也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，即在幅度調(diào)制 的同時(shí)還受到頻率調(diào)制。 帶有頻率啁啾的信號(hào)在單模光纖中傳播時(shí)，在色 散作用下，將增大非線(xiàn)性失真。 隨著調(diào)制速率增加，啁啾現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。 解決辦法：采用外部調(diào)制器。,、啁啾(類(lèi)似鳥(niǎo)鳴的啾聲),、外調(diào)制,將調(diào)制信號(hào)控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的強(qiáng)度等參數(shù)隨信號(hào)而變。 調(diào)制信號(hào)啁啾小。 外調(diào)制器以L(fǎng)N電光調(diào)制和EA電致吸收為主。,輸出光信號(hào),p,I,t,Iin,輸入電信號(hào),p,I,（a） LED數(shù)字調(diào)制原理,輸出光信號(hào),輸入電信號(hào),Iin,Ith,Ib,(b) LD的數(shù)字調(diào)制原理, 當(dāng)激光器的驅(qū)

4、動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)， 輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線(xiàn)性關(guān)系, 輸出光功率和輸入電流成正比，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào),直接光強(qiáng)度數(shù)字調(diào)制原理,半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì),半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可以進(jìn)行直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，被視為光纖通信中的理想光源。但在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)光電瞬態(tài)響應(yīng)。,電光延遲 張弛振蕩 自脈動(dòng),弛張振蕩：當(dāng)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(lái)的固有特性。,自脈動(dòng)：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)等幅的高頻振蕩。,弛張振蕩和自脈動(dòng)的結(jié)合。激光器激射以后，先

5、出現(xiàn)一個(gè)弛張振蕩的過(guò)程，隨后則開(kāi)始持續(xù)自脈動(dòng)。,光電瞬態(tài)響應(yīng)波形,1. 電光延遲,原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲， 一般為納秒量級(jí)。 降低方法：預(yù)偏置在Ith附近。,振蕩頻率fr(=r/2)，一般為0.52 GHz。 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,當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時(shí)，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后達(dá)到平衡值。 采用預(yù)偏置在Ith附近的方法，可減小張弛振蕩,2. 弛張振蕩,3、碼型效應(yīng)： 由

6、于瞬態(tài)性質(zhì)，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)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.,3、碼型效應(yīng)： 由于瞬態(tài)性質(zhì)，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)碼型效應(yīng)。,碼型效應(yīng)起因：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電流脈沖過(guò)后，存儲(chǔ)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(gè)時(shí)間過(guò)程sp，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于sp ，會(huì)使第二個(gè)電流脈沖到來(lái)時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電荷并沒(méi)有完全復(fù)合消失，有源區(qū)的存儲(chǔ)電荷起到直流預(yù)偏置的作用，于是第二個(gè)光脈沖延遲時(shí)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。,兩個(gè)連“1”的現(xiàn)象,(4

7、.1),(4.2),(4.3),式中，o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。sp和ph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，sp10-9s, ph10-12s，即spph。,張弛振蕩頻率r、 幅度衰減時(shí)間o和電光延遲時(shí)間td的表達(dá) 式為：,電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象,張弛振蕩頻率r隨sp、ph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o與sp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sp為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減小(jjth)。 由此可見(jiàn)，增加注

8、入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率r，減小其幅度衰減時(shí)間o，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。,電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象,不同于張弛振蕩，沒(méi)有阻尼，脈動(dòng)頻率范圍為0.24GHz,容易發(fā)生在閾值附近和P-I特性的扭曲區(qū)。 造成自脈動(dòng)的機(jī)理涉及量子噪聲效應(yīng)、有源區(qū)的缺陷及溫度感應(yīng)的變化等因素。 抑制這種現(xiàn)象主要靠控制材料的質(zhì)量，盡量減少有源區(qū)的缺陷。,4. 自脈動(dòng),起因：注入電流導(dǎo)致溫升，進(jìn)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(shí)間而減?。欢?dāng)電流脈沖過(guò)后，輸出光功率隨時(shí)間而增加。 消除方法：適當(dāng)增加偏置電流,5、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)： 半導(dǎo)

9、體激光器是對(duì)溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變化會(huì)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(yīng)也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的變化結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。是激光器的另一種瞬態(tài)調(diào)制效應(yīng)。,加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延 遲時(shí)間，同時(shí)使張馳振蕩得到一定程度的抑制. 偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸 出光脈沖，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響 另一方面，加大直流偏置電流將會(huì)使光信號(hào)消光比(EX) 惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大 值，因此偏置電流不能正好偏置在閾值處. 調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I

10、曲線(xiàn)，既要 有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)。如果 激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開(kāi) 自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域.,、數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇,直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有:偏置電路、調(diào) 制電路、控制電路和線(xiàn)路編碼電路 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。,調(diào)制電路和控制電路,(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， (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

11、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,圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路,調(diào)制電路,圖 4.7 射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖,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 4.8 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路,PLD UPD (UPD+ +UR) UA1 Ib PLD,控制電路功率、溫度控制電路,利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路 由V3支路為L(zhǎng)D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(hào)均值 的控制,把PD檢測(cè)器的輸出監(jiān)測(cè)電壓UPD、信號(hào)參考電壓 和直流參考電壓UR施加到運(yùn)算

12、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(guò)程如下：,控制電路自動(dòng)功率控制（APC電路）,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。,P,P,I,I,圖 4.10 溫度引起的輸出功率的變化 閾值電流變化引起的輸出功率的變化； (b) 外微分量子效率變化引起的輸出功率的變化,20。C,25。C,20。C,70。C,激光器的溫度特性,起因：注入電流導(dǎo)致溫升，進(jìn)而引起閾值電流的變化，從而輸

13、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(shí)間而減?。欢?dāng)電流脈沖過(guò)后，輸出光功率隨時(shí)間而增加。 消除方法：適當(dāng)增加偏置電流 對(duì)溫度進(jìn)行控制,結(jié)發(fā)熱效應(yīng)： 半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變化會(huì)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(yīng)也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的變化結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。是激光器的另一種瞬態(tài)調(diào)制效應(yīng)。,圖 4.12 溫度控制方框圖,激光器,致冷器,熱敏電阻,控制電路,熱導(dǎo),熱敏電阻,控制電路溫度控制電路,溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成,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

14、制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。,珀?duì)柼?yīng)（Peltier Effect）,兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。這就是珀?duì)柼?yīng)（Peltier Effect）,半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)由N、P型材料組成一對(duì)熱電 偶， 當(dāng)熱電偶通入直流電流后，因直流電通入的方向不 同， 將在電偶結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，稱(chēng)這種現(xiàn)象 為珀?duì)柼?yīng)。,ATC電路主要由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。,控制電路溫度控制電路,線(xiàn)路編碼,從PC

15、M設(shè)備（電端機(jī)）送來(lái)的電信號(hào)是適合PCM傳輸?shù)拇a型，為HDB3碼或CMI碼。信號(hào)進(jìn)入光發(fā)送機(jī)后，首先進(jìn)入輸入接口電路，進(jìn)行信道編碼，變成由“0”和“1”碼組成的不歸零碼（NRZ）。然后在碼型變換電路中進(jìn)行碼型變換，變換成適合于光線(xiàn)路傳輸?shù)膍BnB碼或插入碼，再送入光發(fā)送電路，將電信號(hào)變換成光信號(hào)，送入光纖傳輸。 HDB3碼：三階高密度雙極性碼 CMI（Coded Mark Inversion）碼是傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼的簡(jiǎn)稱(chēng)，與雙相碼類(lèi)似，它也是一種雙極性二電平碼。其編碼規(guī)則是“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。,信道編碼,RZ 編碼（Return-to-zero C

16、ode），即歸零編碼。 在 RZ 編碼中，正電平代表邏輯 1，負(fù)電平代表邏輯 0，并且，每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)返回到零電平，也就是說(shuō)，信號(hào)線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn) 3 種電平：正電平、負(fù)電平、零電平：因?yàn)槊课粋鬏斨蠖家獨(dú)w零，所以接受者只要在信號(hào)歸零后采樣即可，這樣就不再需要單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)。實(shí)際上， RZ 編碼就是相當(dāng)于把時(shí)鐘信號(hào)用歸零編碼放在了數(shù)據(jù)之內(nèi)。這樣的信號(hào)也叫做自同步（self-clocking）信號(hào)。 這樣雖然省了時(shí)鐘數(shù)據(jù)線(xiàn)，但是還是有缺點(diǎn)的，因?yàn)樵?RZ 編碼中，大部分的數(shù)據(jù)帶寬，都用來(lái)傳輸“歸零”而浪費(fèi)掉了。 那么，我們?nèi)サ暨@個(gè)歸零步驟，NRZ 編碼（Non-return-to-zero C

17、ode）就出現(xiàn)了，和 RZ 的區(qū)別就是 NRZ 是不需要?dú)w零。,電端機(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， 要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼,線(xiàn)路編碼電路,數(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“”碼， “無(wú)光脈沖”表示“0”碼。,簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題： 在碼流中，出現(xiàn)“”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(xiàn)漂移)， 給光接收機(jī)的判決帶來(lái)困難。 在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長(zhǎng)串連“”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。 不能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)，

18、不利于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)的維護(hù)。,(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(xiàn)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“”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) 能提供一定的冗余度(信息余量)，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。,數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用的線(xiàn)路碼型有： 擾碼、mBnB碼和插入碼。,選擇碼型應(yīng)滿(mǎn)足的具體要求：,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

19、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“”碼與“0”碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。,例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 ,擾碼, 不能完全控制長(zhǎng)串連“”和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn)； 沒(méi)有引入冗余， 不能進(jìn)行在線(xiàn)誤碼監(jiān)測(cè)； 信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線(xiàn)漂移。 因?yàn)閿_碼不能完全滿(mǎn)足光纖通信對(duì)線(xiàn)路碼型的要求， 所以許多光纖通信設(shè)備除采

20、用擾碼外還采用其它類(lèi)型的線(xiàn)路編碼。,擾碼有下列缺點(diǎn)：,擾碼缺點(diǎn)：,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(chēng)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。 mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。,mBnB碼,最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的連“”和連“”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

21、)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(xiàn)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)“”；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(chēng)為禁字，例如0000和1111。,mBnB碼編碼原理,mBnB碼編碼原理,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(xiàn)路碼的傳輸特性。 所謂“碼字

22、數(shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個(gè)碼字“”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。,mBnB碼編碼原理,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)

23、組交替使用。,mBnB碼編碼原理,mBnB碼編碼原理,5B6B碼的編碼規(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“”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

24、碼編碼原理,mBnB碼編碼原理,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(xiàn)漂移小 (3) 在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線(xiàn)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。,mBnB碼編碼原理,有兩種編譯碼電路： 一種是 組合邏輯電路，就是把整個(gè)編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模專(zhuān)用集成塊， 國(guó)外設(shè)備大多采用這種方法。 一種是把

25、設(shè)計(jì)好的碼表全部存儲(chǔ)到一塊只讀存儲(chǔ)器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國(guó)內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。 以3B4B碼為例，碼表存儲(chǔ)編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設(shè)計(jì)好的碼表存入PROM內(nèi)，待變換的信號(hào)碼流通過(guò)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(chǔ)的碼表， 輸出與地址對(duì)應(yīng)的并行4B碼，再經(jīng)過(guò)并 - 串變換電路，讀出已變換的4B碼流。,編譯碼器,圖 4.22 碼表存儲(chǔ)編碼器原理,編譯碼器,圖中A、B、C三條線(xiàn)為組別控制控制線(xiàn)，當(dāng)WDS=2時(shí)， 從A、B分別送出控制信號(hào)， 通過(guò)C線(xiàn)決定組別。 譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控

26、制部分。 譯碼時(shí)，把送來(lái)的已變換的4B信號(hào)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(guò)并 - 串變換還原為原來(lái)的信號(hào)碼流。,編譯碼器,插入碼是把輸入二進(jìn)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(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組的線(xiàn)路碼流。 根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。,插入碼,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(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼稱(chēng)為C碼， 所以稱(chēng)為mB1C碼。補(bǔ)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

27、： mB碼為： 100 110 001 101 mB1C碼為： 1001 1101 0010 1010,C碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線(xiàn)誤碼率監(jiān)測(cè)； 同時(shí)改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。,mB1C碼的編碼原理,圖 4.23 mB1C碼的結(jié)構(gòu),mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼(H碼)，所以稱(chēng)為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類(lèi)： 第一類(lèi)是C碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線(xiàn)誤碼率監(jiān)測(cè)； 第二類(lèi)是L碼，用于區(qū)間通信； 第三類(lèi)是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)、區(qū)間等信息的傳輸。,mB1H碼的編碼原理,

28、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(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值??； 可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)誤碼檢測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。 缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換， 可以滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的要求。,mB1H碼的編碼原理,在mB1P碼中，P碼稱(chēng)為奇偶校驗(yàn)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(yàn)碼時(shí)， 其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“1”碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)， 例如：,mB碼為： 100 000 001 110 mB1P碼為： 1000 0001 0010 1101 當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“”碼為奇數(shù)時(shí)，則認(rèn)為無(wú)誤碼

29、。,mB1P碼的編碼原理,(2) P碼為偶校驗(yàn)碼時(shí)，其插入規(guī)律是使m+1個(gè)碼內(nèi)“”碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，,例如： m B碼為： 100 000 001 110 mB1P碼為： 1001 0000 0011 1100 當(dāng)檢測(cè)得m+1個(gè)碼內(nèi)“”碼為偶數(shù)時(shí)， 則認(rèn)為無(wú)誤碼。,mB1P碼的編碼原理,和mBnB碼不同，mB1H碼沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖4.24示出4B1H編碼器原理，它由緩存器、寫(xiě)入時(shí)序電路、插入邏輯和讀出時(shí)序電路四部分組成。4B1H碼是每4個(gè)信號(hào)碼插入一個(gè)H碼， 因此變換后碼速增加1/4。 設(shè)信號(hào)碼的碼速為34 368 kb/

30、s， 經(jīng)4B1H變換后， 線(xiàn)路碼的碼速為(5/4)34 368 kb/s=42 960 kb/s。34 368 kb/s的NRZ信號(hào)碼送入緩存器。,編譯碼器,圖 4.24 4B1H編碼器原理,4B1H編碼器原理,緩存器是4D觸發(fā)器， 它利用鎖相環(huán)中的4分頻信號(hào)作為寫(xiě)入時(shí)序脈沖，隨機(jī)但有順序地把34 368 kb/s信號(hào)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(shí)際上是一個(gè)5選1的電路，它利用鎖相環(huán)中5分頻電路輸出讀出時(shí)序脈沖。由插入邏輯輸出碼速為42 960 kb/s的4B1H碼。,4B1H編碼器原理,圖 4.25 4B1H譯碼器原理,4B1H譯碼器原理,圖4.25示出4B

31、1H譯碼器原理，它由B碼還原、H碼分離、幀同步和相應(yīng)的時(shí)鐘頻率變換電路組成。把42960 kb/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(yīng)有5級(jí)， 并用不同的時(shí)鐘寫(xiě)入 頻率變換電路要保證向各個(gè)部分提供所需的準(zhǔn)確時(shí)鐘信號(hào)。通過(guò)緩存器，實(shí)際上已把B碼和H碼分開(kāi)， 只要用34 368 kHz的時(shí)鐘把B碼按順序讀出，B碼就還原了。 B碼的還原電路實(shí)際上就是并串變換電路，由4選1電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。,4B1H譯碼器原理,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)的組成： 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

32、動(dòng)增益控制(AGC)電路。,圖 4.14 數(shù)字光接收機(jī)方框圖,光檢測(cè)器,偏壓控制,前置放大器,AGC,電路,均衡器,判決器,時(shí)鐘,提取,主放大器,光信號(hào),4.2 光接收機(jī),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： 波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)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。,1.光檢測(cè)器,光檢測(cè)器的選擇：要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。 P

33、IN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線(xiàn)性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。 APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。 從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測(cè)器。,1.光檢測(cè)器,前置放大器： 特點(diǎn)：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(lèi)型。 作用：低噪聲吸收。 主放大器 特點(diǎn)：一般是多級(jí)放大器 作用：提供足夠的增益，將信號(hào)幅度放大到適合再生；并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，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。,2

34、. 放大器,均衡的目的： 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，以消除碼間干擾，減小誤碼率(即將信號(hào)波形變換為無(wú)碼間干擾的波形)。 再生電路： 組成：判決電路和時(shí)鐘提取電路 功能：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，以消除碼間干擾，減小誤碼率(即將接收的信號(hào)恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào))。,3. 均衡和再生,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)2 GHz，甚

35、至達(dá)到10 GHz。 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。,4. 光電集成接收機(jī),對(duì)于工作在1.31.6 m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InGaAs OEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5 Gb/s。InGaAs OEIC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. 光電集成接收機(jī),光接收機(jī)的噪聲將影響信噪比SNR和通信質(zhì)量。主要來(lái)

36、自光探測(cè)器和（前置）放大器的噪聲。分為兩類(lèi)：散粒噪聲和熱噪聲。,4.2.2 噪聲特性,光接收機(jī)的噪聲： 外部電磁干擾產(chǎn)生：這部分噪聲的危害可以通過(guò)屏蔽或?yàn)V波加以消除； 內(nèi)部產(chǎn)生：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。 光接收機(jī)噪聲的主要來(lái)源是: 光檢測(cè)器的噪聲 前置放大器的噪聲 因?yàn)榍爸眉?jí)輸入的是微弱信號(hào)，其噪聲對(duì)輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經(jīng)前置級(jí)放大的信號(hào)，只要前置級(jí)增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。,4.2.2 噪聲特性,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。 iq2光檢測(cè)

37、器的量子噪聲 功率譜密度表示為 Sq id2暗電流噪聲產(chǎn)生的均方噪聲電流， 功率譜密度 Sd ip 光檢測(cè)器的輸出光生電流 R 光檢測(cè)器的偏置電阻 C 光檢測(cè)器的電容(結(jié)電容和其他電容),圖 4.16 光接收機(jī)的噪聲等效模型,光接收機(jī)的噪聲等效模型,放大器分解為: 理想放大器 相應(yīng)的功率譜密度 SI 等效噪聲電流源和電壓源 相應(yīng)的功率譜密度 SE Rin 放大器的輸入電阻。 放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類(lèi)型。,圖 4.16 光接收機(jī)的噪聲等效模型,光接收機(jī)的噪聲等效模型,三種類(lèi)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

38、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,三種類(lèi)型前置放大器,誤碼率定義： 光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱(chēng)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。光接收機(jī)輸出噪聲的概率

39、分布十分復(fù)雜，一般假設(shè)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:,4.2.3 誤碼率,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2。 ,(4.8),圖 4.18 計(jì)算誤碼率的示意圖,4.2.3 誤碼率,I1“1”碼的(總)電流； I0“0”碼的(總)電流。 Im“”碼的平均(信號(hào))電流， “0”碼的平均(信號(hào))電流為0； D判決門(mén)限值，一般D=Im/2。,在“”碼時(shí)，如果在取樣時(shí)刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為“”碼。,“0”碼和“”碼的誤碼率計(jì)算： 1. 發(fā)“0”碼時(shí)的誤碼率 平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。 發(fā)“0”碼的條件下

40、噪聲的概率密度函數(shù)為 :,(4.9),4.2.3 誤碼率,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-I1Im-D或I1-ImD-Im，就可能把“”碼誤判為“0”碼。,4.2.3 誤碼率,(4.11a),把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：,2. 發(fā)“1”碼時(shí)的誤碼率,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

41、般認(rèn)為Pe,01=Pe,10時(shí)，可以使誤碼率達(dá)到最小。,總誤碼率(BER)可以表示為：,(4.12),Q稱(chēng)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)。,4.2.3 誤碼率,圖4.19 誤碼率和Q的關(guān)系,4.2.3 誤碼率,Q被廣泛用來(lái)說(shuō)明接收機(jī)的特性。 Q=6，BER=10-9 Q7， BER10-12,通常: 2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)應(yīng)于BER=10-9； 10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)應(yīng)于BER=10-10；,Pr =10lg (4.14),靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。 靈敏度Pr：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或

42、信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。由定義得到,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)。,4.2.4 靈敏度,1. 理想光接收機(jī)的靈敏度 理想光接收機(jī)：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(chēng)為理想光接收機(jī)。 理想光接收機(jī)的靈敏度：只受到光檢測(cè)器的量子噪聲的限制，所以又稱(chēng)為理想光接收機(jī)的的量子極限。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。,4.2.4 靈敏度,理想光接收機(jī)的誤碼率：

43、 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“”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：,4.2.4 靈敏度,對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率Pe10-9，根據(jù)式(4.15)得到n21。,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 :,式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結(jié)果，h=6.62810-34Js為普朗克常數(shù)，f=c/，f、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。,1. 理想光接收機(jī)的靈敏度,Pr= 10 lg (4.17),得理想光接收機(jī)靈敏度:,1. 理想光接收機(jī)的靈敏度,影響實(shí)際光接收機(jī)靈敏度的因素： 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、直流光和背景光的影響；判決閾值。 光檢測(cè)器的最小平均接收光功率計(jì)算： 在發(fā)“0”碼時(shí)，入射信號(hào)的光功率P0=0，輸出光電流I0=0。