光收发设备电路和系统.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第3章光收发设备,3.1 IM-DD,光纤通信系统,3.2,衰减和色散队中继距离影响,3.3,噪声及灵敏度分析,1,第1页,3.1 IM-DD光纤通信系统,3.1.1,光纤通信中线路码型,3.1.2 IM-DD,光纤通信系统结构,2,第2页,3.1.1 光纤通信中线路码型,在数字光纤通信系统中所传输信号是数字信号，而由交换机送来电信号符合,ITU-T,所要求脉冲编码调制,(PCM),通信系统中接口码速率和码型。,HDB,3,（三阶高密度双极性码）,CMI,（反转码）,PCM,系统中这些码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输,3,第3页,3.1.1 光纤通信中线路码型,在,PDH,光纤通信系统中是经过重新编码，通常称为线路编码，即在原有码流中插入脉冲。,在,PDH,光纤通信系统中，常使用线路编码有分组码、伪双极性码,(CMI,和,DMI),和插入码。,使用不一样线路编码，光端机输出信号速率不一样。所以在,PDH,系统中仅含有标准电接口，而无标准光接口。,但在,SDH,系统中，,SDH,信号速率与其线路速率是相同。,4,第4页,3.1.2 IM-DD,光纤通信系统结构,1,光发射机,2,光接收机,3,光纤通信系统,5,第5页,1光发射机,(1),光源调制特征,光源所采取调制方式包含内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。,在,IM-DD,光纤通信系统中，采取是内调制。,通常内调制适合用于半导体光源。,据调制信号性质不一样，内调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。,6,第6页,1光发射机,半导体光源直接调制原理,7,第7页,1光发射机,光数字发射机原理图,8,第8页,1光发射机,(2),对光发射机要求,光源发光波长要适当,适当输出光功率,很好消光比,调制特征好,另外还希望光发射机稳定性好，光源寿命长等。,9,第9页,1光发射机,(3),光发射机组成方框图和各部分功效,均衡放大：,赔偿由传输所产生衰减和畸变。,码型变换：,将,HDB3,码或,CMI,码改变为,NRZ,码。,复用：复用是指利用一个大传输信道来同时传送多个低容量信息以及开销信息过程。,10,第10页,1光发射机,扰码,为了确保所提取时钟频率以及相位与光发射机中时钟信号一致，必须防止所传信号码流中出现长“,0”,或长“,1”,现象。,处理这一问题方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反解扰电路，以恢复信号码流原来状态。经过扰码后数字信号经过调制电路对光源进行调制，让光源发出光信号强度跟随信号码流改变，形成对应光脉冲送入光纤。,时钟：,提取,PCM,中时钟信号，供给其它电路使用。,11,第11页,1光发射机,调制,(,驱动,),经过扰码后数字信号经过调制电路对光源进行调制，让光源发出光信号强度跟随信号码流改变，形成对应光脉冲送入光纤。,12,第12页,驱动电路,共发射极驱动电路,13,第13页,驱动电路,I,M,+I,B,I,B,I,M,单管集电极驱动,U,in,=0:BG,截止，,LD,不发光；,U,in,=1:BG,导通，有,LD,发光；,I,M,+I,B,14,第14页,驱动电路,射极耦合,LD,驱动电路图,U,in,=1,：,BG1,导通，,BG2,截止，,LD,无激光；,U,in,=0,：,BG1,截止，,BG2,导通，,LD,有激光；,15,第15页,驱动电路,反馈稳定,LD,驱动电路,16,第16页,1光发射机,自动功率控制,因为老化等原因影响，使得光发射机光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低现象。,为了保持光源输出功率稳定，在光发射机中常使用自动功率控制,(APC),电路。,17,第17页,1光发射机,激光器老化使输出光功率降低,18,第18页,1光发射机,激光器温度改变引发输出功率改变,19,第19页,自动功率控制电路,P,LD,降低，,I,PIN,降低，,V,A1,降低，,V,A3,升高，,I,B,增大，,P,LD,增大。,20,第20页,APC,电路原理,P,LD,降低，,I,PD,降低，,V,A1,降低，,V,A3,升高，,I,B,增大，,P,LD,增大。,21,第21页,1光发射机,自动温度控制,特征曲线对环境温度改变反应很灵敏，使输出光功率大小随温度出现改变。,在环境温度发生改变时，为了能使激光器输出特征保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制,(ATC),电路。,22,第22页,LD温度特征,环境温度改变引发输出光功率改变,23,第23页,LD温度特征,结发烧效应,24,第24页,自动温度控制,自动温度控制电路方框图,25,第25页,自动温度控制,自动温度控制（,ATC,）原理,26,第26页,自动温度控制,注：,温度控制只能控制温度改变引发输出光功率改变，不能控制因为器件老化而产生输出功率改变。,对于短波长激光器，普通只需加自动功率控制电路即可。,对于长波长激光器，因为其阀值电流随温度漂移较大，所以，普通还需加自动温度控制电路，以使输出光功率到达稳定。,27,第27页,1光发射机,其它保护、监测电路,LD,保护电路,无光告警电路,28,第28页,2光接收机,数字光纤通信接收光端机方框图,29,第29页,2光接收机,光电检测器,光电检测器作用是将由发送光端机经光纤传过来光信号转变为电信号，即含有光,/,电转换功效。,当前广泛使用光电检波管是,PIN,管和雪崩光电二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称为,APD,管。后者含有信号放大作用。,30,第30页,2光接收机,前置放大器,因为这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器。,对多数放大器前级提出尤其要求是非常必要，它应含有低噪声、高增益特征，这么才能得到较大信噪比。,31,第31页,1,）低阻型前置放大器,从频带要求出发选择偏置电阻，使之满足,下式,要求。,B,W,为码速率所要求放大器带宽,2光接收机,32,第32页,2光接收机,2,）高阻型前置放大器,普通只在码速率较低系统中使用,3,）跨（互）阻型前置放大器,实际上是电压并联负反馈放大器。当考虑其频率特征时，上截止频率为：,宽频带、低噪声；,动态范围比高阻型前置放大器有很大改进。,33,第33页,2光接收机,1319型高速光纤接收组件,34,第34页,2光接收机,主放大器,主放大器作用有下述两个方面。,将前置放大器输出信号放大到判决电路所需要信号电平。,它还是一个增益可调整放大器。,普通主放大器峰,峰值输出是几伏数量级。,35,第35页,2光接收机,LG1605限幅放大器,36,第36页,级联放大器噪声系数,NF1:,前置放大器噪声系数,K,P1,:,前置放大器功率增益系数,37,第37页,2光接收机,均衡器,拖尾现象,采取均衡器来使经过其后波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形拖尾在邻码判决时刻瞬时值应为零。,这么，即使经过均衡后输出波形仍有拖尾，不过这个拖尾在邻码判决这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码判决。,38,第38页,2光接收机,未经均衡出现脉冲拖尾现象,39,第39页,2光接收机,单个脉冲均衡前后波形比较,40,第40页,2光接收机,判决器和时钟恢复电路,判决器由判决电路和码形成电路组成。,判决器和时钟恢复电路合起来组成脉冲再生电路。,脉冲再生电路作用是将均衡器输出信号恢复成理想数字信号,41,第41页,2光接收机,判决器和时钟恢复电路,判决电路和码形成电路可由与非门电路和,R-S(,复位,位置,),触发器来组成。,42,第42页,2光接收机,脉冲再生电路原理方框图,43,第43页,2光接收机,信号再生示意图,44,第44页,2光接收机,时钟恢复电路方框图,45,第45页,c),非线性处理电路,将幅度判决输出,NRZ,矩形脉冲序列变为,RZ,矩形脉冲序列，以利于提取时钟信号。,46,第46页,2光接收机,NRZ码功率谱密度分布图,47,第47页,2光接收机,RZ码功率谱密度分布图,48,第48页,2光接收机,一个非线性处理电路,49,第49页,2光接收机,非线性处理电路中波形图,50,第50页,2光接收机,d),调谐放大,它作用是用非线性处理后波形来激励调谐放大器，然后在它谐振回路中选出时钟频率,fb,简谐波，经调谐放大后波形如图,4-17(d),所表示。,51,第51页,e),限幅,:,经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图,4-17(e),所表示波形。,52,第52页,f),整形、移相,整形电路将经限幅后波形变为矩形脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串相位调整到最正确判决时所需要相位，最终得到如图,4-17(f),所表示时钟信号。,53,第53页,2光接收机,时钟恢复电路波形图,54,第54页,2光接收机,光接收机动态范围和自动增益控制,光接收机动态范围,D,是在确保系统误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率,(,用,dBm,来描述,),和最大允许输入光功率,(,用,dBm,描述,),之差，其单位为,dB,。,它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就是光接收机动态范围。,55,第55页,2光接收机,光接收机动态范围和自动增益控制,光接收机自动增益控制,(AGC),就是用反馈环路来控制主放大器增益，在采取雪崩管光接收机中还经过控制雪崩管高压来控制雪崩管雪崩增益。,56,第56页,2光接收机,自动增益控制工作原理方框图,57,第57页,2光接收机,解扰、解复用和码型变换电路,将判决器输出信号进行解扰码和码型变换处理以恢复原码流。,发送端依据所输入信号性质不一样，将会采取不一样复用方式以提升信道利用率，因而接收端则需进行相反操作，即解复用。,58,第58页,2光接收机,辅助电路,辅助电路包含箝位电路、温度赔偿电路和告警电路等。,59,第59页,2光接收机,STM-16光接收器电原理图,60,第60页,3光纤通信系统,IM-DD光纤通信系统原理框图,61,第61页,3光纤通信系统,(1),光中继器,光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，因为光纤损耗和色散影响，将使光脉冲信号幅度受到衰减，波形出现失真，这么就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离传输。,62,第62页,3光纤通信系统,最简单光中继器原理方框图,63,第63页,3光纤通信系统,实用中继器方框图,64,第64页,3光纤通信系统,(2),监控系统,监控系统为监视、监测和控制系统简称。,在光纤通信监控系统中，通常采取是集中监控方式。,监控内容,监控内容分别包含监视和控制两部分。,监控信号传输,在数字通信系统中采取时分复用方式来完成监控信号传输，但不一样传输体制，其监控信号传输方式有所区分。,65,第65页,3.2,衰减和色散对中继距离影响,3.2.1,衰减和色散对中继距离影响,3.2.2 10Gbit/s,及,10Gbit/s,以上,SDH,光线路,3.2.3,使用光放大器,SDH,高速线路,66,第66页,3.2.1,衰减和色散对中继距离影响,1,衰减对中继距离影响,2,色散对中继距离影响,3,最大中继距离计算,67,第67页,1衰减对中继距离影响,一个中继段上传输衰减包含两部分，其一是光纤本身固有衰减，再者就是光纤连接损耗和微弯带来附加损耗。,组成光纤损耗原因很复杂，归结起来主要包含两大类：吸收损耗和散射损耗。,引发光纤损耗原因还有光纤弯曲和微弯产生损耗以及纤芯与包层中损耗等等。,68,第68页,2色散对中继距离影响,光纤本身存在色散，即材料色散、波导色散和模式色散。,对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单模光纤只包含材料色散和波导色散。,除此之外，还存在着与光纤色散相关种种原因，其中比较主要有三类：码间干扰、模分配噪声和啁啾声。,69,第69页,2色散对中继距离影响,(1),码间干扰对中继距离影响,系统传输速率越高，光纤色散系数越大，光源谱宽越宽。,70,第70页,2色散对中继距离影响,(2),模分配噪声对中继距离影响,激光器光谱特征,模分配噪声产生及影响,71,第71页,2色散对中继距离影响,普通激光器静态和动态谱线,72,第72页,2色散对中继距离影响,高速调制时多纵模随机起伏,73,第73页,2色散对中继距离影响,(3),啁啾声对中继距离影响,对于处于直接强度调制状态下单纵模激光器，其载流子密度改变随注入电流改变而改变。这么使有源区折射率指数发生改变，从而造成激光器谐振腔光通路长度对应改变，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是频率啁啾现象。,因为这种时间偏移是随机，因而当受上述影响光脉冲经过光纤后，在光纤色散作用下，能够使光脉冲波形发生展宽，所以接收取样点所接收信号中就会存在随机成份，这就是一个噪声,啁啾声。,74,第74页,3最大中继距离计算,中继距离是光纤通信系统设计一项主要任务。,在中继距离设计中应考虑衰减和色散这两个限制原因。,75,第75页,3最大中继距离计算,(1),衰减受限系统,在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统成本越低，取得技术经济效益越高。,极限值设计法,76,第76页,3最大中继距离计算,（,2,）色散受限系统,光纤色散与带宽,光纤每公里带宽与,L,公里带宽间关系,光纤带宽与半功率点宽度,W,之间关系,色散受限距离,a,多纵模激光器（,MLM,）和发光二极管（,LED,）,b,单纵模激光器（,SLM,）,c,采取外调制器,77,第77页,3.2.2 10Gbit/s,及,10Gbit/s,以上,SDH,光线路,1,光源频率啁啾影响,2,光纤色散特征影响,3,极化模色散影响,4,系统功率预算限制,78,第78页,1光源频率啁啾影响,为了能够直观地度量其影响，所以引入啁啾系数,a,来评定光源频率啁啾影响。,啁啾系数定义以下：,79,第79页,2光纤色散特征影响,通常将接收灵巧敏度下降1dB光纤长度称为色散受限距离。,通常在采取单纵模激光器光纤通信系统中，影响接收灵敏度原因有两个，其一是传输信号速率（即信号信息带宽），其二是频率啁啾。,80,第80页,3极化模色散影响,理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上在单模光纤中基模存在两个模式，即横向电场沿,y,方向极化和沿,x,方向极化两个模式，它们极化方向相互垂直，这两种模式分别为,LP,01,x,和,LP,01,y,。,但在实际光纤中，因为光纤形状、折射率以及应力等分布不均匀，两种模式纵向速度不一样，从而造成相移不一样，在时间上表现为不一样极化态之间群时延不一样，使脉冲波形出现展宽现象。,81,第81页,4系统功率预算限制,系统功率预算是指光纤通信系统中光源输出功率与接收灵敏度之差。,为了防止光纤工作于非线性状态，通常，光源输出光功率不得超出,3dBm,。,另外，信号经信道传输时或多或少都会受到信道噪声影响。,为了处理传输距离较短问题，人们在光纤通信系统中采取掺饵光纤放大器（,EDFA,）。,82,第82页,4.2.3,使用光放大器,SDH,高速线路,1,使用,EDFA,光纤通信系统主要优点,2,EDFA,在光纤通信系统中应用,3,无电再生最大中继距离,4,EDFA,在级联中可能出现问题及处理方法,83,第83页,1,使用,EDFA,光纤通信系统主要优点,（,1,）可扩展中继距离。,（,2,）含有透明性。,（,3,）可作中继器使用，节约成本。,（,4,）可扩大用户数。,84,第84页,2,EDFA,在光纤通信系统中应用,EDFA,在光纤通信系统中主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离传输。,（,1,）作为前置放大器,（,2,）作为功率放大器,（,3,）作光中继器使用,85,第85页,2,EDFA,在光纤通信系统中应用,EDFA应用,86,第86页,3无电再生最大中继距离,在使用光放大器光纤通信系统中一样要考虑衰减和色散影响。,衰减受限光纤通信系统中继距离能够表示为,87,第87页,4,EDFA,在级联中可能出现问题及处理方法,（,1,）噪声积累影响,（,2,）光纤非线性限制,（,3,）增益均衡,88,第88页,4,EDFA,在级联中可能出现问题及处理方法,EDFA增益不平坦性对多级级联影响,89,第89页,4.3 噪声及灵敏度分析,4.3.1 IM-DD,光纤通信系统噪声及灵敏度,4.3.2 EDFA,级联络统,90,第90页,4.3.1 IM-DD,光纤通信系统噪声及灵敏度,1,接收机噪声,2,接收灵敏度,91,第91页,1接收机噪声,（,1,）散粒噪声和热噪声,散粒噪声是指围绕一个平均统计值做随机起伏波动、由光电检测器件本身产生一个噪声。,热噪声是因为电子在光电检测器负载电阻,R,L,上做随机运动，而产生电流随机起伏现象，使所传输信号附加上了一个噪声，这种附加噪声就是热噪声。,92,第92页,1接收机噪声,（,2,）光接收机,SNR,PIN,只对所接收信号进行光电转换，而无放大功效。,而,APD,除含有光电转换功效外，还含有信号放大功效，即其平均输出功率为,I,P,=,RGP,in,，其中,R,为响应度。,SNR,随,P,in,线性增大，而且与量子效率,、接收机带宽,f,以及光子能量,h,f,相关。,最正确平均雪崩增益（,G,max,）,93,第93页,1接收机噪声,1.55m InGaAs APD,接收机最正确,APD,增益,G,max,与入射光功率,P,in,关系,94,第94页,2接收灵敏度,接收灵敏度是指在满足给定误码率（,BER=110,-10,）条件下，光接收机能够接收到最小平均光功率。,接收灵敏度是与系统误码性能相关物理量。,95,第95页,2接收灵敏度,（,1,）误码率,误码率是指这两种情况下误码概率可用下式给出：,96,第96页,比特误码率和,Q,参数关系,97,第97页,2接收灵敏度,（,2,）,Q,与接收灵敏度之间关系,98,第98页,4.3.2 EDFA级联络统,1,级联光放大器系统信噪比,2,级联光放大器系统接收灵敏度,99,第99页,1,级联光放大器系统信噪比,（,1,）自发辐射噪声,基中自发辐射光子中一部分叠加在放大光纤传输模上一起沿光纤传输，并会被后面放大器放大，这就产生了自发辐射噪声（,ASE,）。,ASE,总功率是由带宽为,B,0,光纤中全部模式所携带,ASE,积累。,ASE,总功率为,100,第100页,1,级联光放大器系统信噪比,（,1,）自发辐射噪声,自发辐射因子,n,sp,表示了放大器中粒子反转能力大小，可用下式表示：,101,第101页,1,级联光放大器系统信噪比,（,2,）光放大器级联影响,因为放大自发辐射噪声在抵达光接收机之前是展现积累关系，严重时会影响系统性能。,处理这一问题方法是在线路适当处加入光,电,光中继器，将此噪声去除。,102,第102页,2,级联光放大器系统接收灵敏度,（,1,）,EDFA,作为前置放大器直接检测系统,当光纤通信系统中使用了光放大器，此时系统中不但存在散粒噪声、热噪声，而且还会受到放大自发辐射影响。,103,第103页,2,级联光放大器系统接收灵敏度,采取,EDFA,作前置放大器时接收灵敏度与,F,A,和光滤波器带宽关系,104,第104页,2,级联光放大器系统接收灵敏度,(2)放大器级联,在EDFA级联光纤通信系统中，一方面其中每个光放大器都会产生放大器自发辐射(ASE)噪声，并沿线路继续传输，且与信号一起被后面光放大器放大，放大后自发辐射噪声在到达光接收机之前积累，并影响系统性能；其次当ASE电平增加时，它逐渐使光放大器出现饱和，并减小信号增益，在接收端SNR甚至下降更多。,105,第105页,2,级联光放大器系统接收灵敏度,信号功率,P,S,和,ASE,功率,P,ASE,沿级联光放大器线路改变,106,第106页,