光纤通信光发送设备.ppt

,光纤通信光发送设备,的,基本概念,1,光端机的基本概念,2,光发送电路,3,输入电路,1,光端机的基本概念,1.1,光端机的功能,光端机是位于电端机和光纤之间不可缺少的设备。光端机包含光发送和光接收两大单元。其中，光发送单元将电端机发出的电信号转换成符合一定要求的光信号后，送至光纤传输；光接收单元将光纤传送过来的光信号转换成电信号后，送至电端机处理。,图,3-1,光端机在光纤通信系统中的部位图,1.2,光端机基本框图,图,3-2,光端机的基本组成框图,2,光发送电路,2.1,基本组成和主要性能指标,1,光发送电路的基本组成,图,3-3,光发送电路的基本组成框图,2,光发送电路的主要性能指标,（,1,）平均发送光功率,P,T,是正常工作条件下光发送电路输出的平均光功率。通常,P,T,使用毫瓦分贝（,dBm,）单位，即,（,2,）,消光比（,EX,）,光发送电路输出全“,1,”,码时的平均输出光功率,P,1,与输出全“,0”,码时的平均输出光功率,P,0,之比，即,2.2,激光二极管（,LD,）,1,基本结构,图,3-4,激光二极管的基本结构框图,2,LD,的工作原理,（,1,）半导体材料的能级结构,半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度,E,g,=,E,c,-,E,v,在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目,N,V,远多于导带能级上的电子总数目,N,C,，即,N,V,N,C,。,图,3-5,半导体材料电子能级示意图,（,2,）半导体材料中电子能态的变化,自发辐射,发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干光。,受激辐射,发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。,受激吸收,在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量而跃迁到高能级上,。,在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数,N,C,成正比，受激吸收的概率与价带上的电子总数,N,V,成正比。所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的电子总数,N,C,远大于价带上的电子总数,N,V,，这称为粒子数反转状态。,（,3,）,PN,结的能带和电子分布,在热平衡状态下，能量为,E,的能级被一个电子占据的概率遵循费米（,Fermi,）分布，即,在通常室温下，本征半导体、,N,型半导体和,P,型半导体都是大多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产生放大作用。,（,4,）电激励,其作用是使半导体,PN,结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价带电子数，形成,粒子数反转状态，成为光放大的媒质。,（,5,）光学谐振腔,前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的,PN,结半导体材料，构成了光学谐振腔。,其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。,3,LD,的类型结构,（,1,）同质结,LD,由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层,PN,结，称为同质结,LD,。,例如：砷化镓（,GaAs,）同质结,LD,。,图,3-9 GaAs,同质结,LD,结构示意图,（,2,）异质结,LD,由不同的半导体材料经掺杂构成单层,PN,结或多层,PN,结。前者称为单异质结,LD,，后者称为多,异质结,LD,。,例如：,GaAlAs/GaAs,单异质结,LD,，,发光波长为,0.85m,。,InGaAsP/InP,双异质结,LD,，,发光波长为,1.31m,或,1.55m,，损耗小。,图,3-10,异质结,LD,结构示意图,（,3,）量子阱,LD,量子阱,LD,是由两种不同半导体的薄层材料交替堆叠构成的，其中一种是宽带隙半导体材料（如,GaAlAs,），另一种是窄带隙半导体材料（如,GaAs,）。夹在两层宽带隙半导体材料之间的窄带隙半导体材料起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，称为量子阱，构成有源层。,量子阱,LD,可分为单量子阱、多量子阱以及其他结构量子阱。,4,LD,的主要特性,（,1,）,LD,的伏安特性（,I,-,V,特性）,LD,在正向偏置电压下工作，通常其导通电压小于,1 V,。当偏置电压小于导通电压时，,LD,没有电流产生；当偏置电压大于导通电压时，,LD,有电流产生。,（,2,）,LD,的输出光功率特性（,P,-,I,特性）,I,th,称为阈值电流，当,I,I,th,时，,P,随,I,增大而急剧上升，在该区域内,LD,发出激光（受激辐射光）。,通常，,I,th,的大小在几十一百多毫安范围内。,I,th,随器件工作温度变化的关系为,由,P,-,I,特性曲线可以定义以下两个特性参数：,微分量子效率,d,通常取,P,/,I,0.8mW/10mA,为宜。,功率转换效率,p,工作中选用,LD,的准则：,选择,I,th,小的器件，以增加温度稳定性。,选择,I,th,附近,P,50,W,的器件，以增大消光比。,选择,P,-,I,特性比较直的器件,以防止功率自脉动现象。,（,3,）,LD,的光谱特性,LD,发出的激光有单模和多模之区别：,单模激光是指,LD,发出的激光是,单纵模,，其光谱只有,1,根谱线，谱线峰值波长,0,称为中心波长，谱线宽度,c,1,即需,讨论：,若,s,2,=,s,1,，则需,当,n,m,时，必定满足上式。,表明当输入、输出码速率相等时，为了保证有冗余度，必须使输出码符号数增加。,若,n,=,m,，则需,故得,s,2,s,1,。,表明当输入、输出码符号数相等时，为了保证有冗余度，必须使输出码速率增加。由于光纤线路码型是两电平信号（,n,=,m,=2,），属于此种情况，故需要提高输出码速率才能获得冗余度。,（,4,）字变换码：,m,B,n,B,码（,n,m,）,m,B,n,B,码的构造方法,将输入二进制码每,m,比特分成一组作为一个码字，在不改变每组时间宽度的条件下，根据一定的规则将其变换成,n,比特一组的新码输出，则新码速率是原码速率的,n,/,m,倍。,二进制,m,B,码有,2,m,个码字，,n,B,码则有,2,n,个码字。构建,m,B,n,B,码，就是要从,n,B,码的,2,n,个码字中挑选出,2,m,个码字使用，剩下,(2,n,-2,m,),个码字不使用。,取舍码字的参考规则是：尽量选用“,码字数码和,”,（,WDS,）,绝对值最小的码字，而禁用“码字数码和”绝对值最大的码字。,例：两种,1B2B,码 和一种,2B3B,码,输入,1B,输出,2B,方案一,方案二,模式,1,模式,2,0,01,01,同左,1,10,00,11,输入,2 B,输出,3B,模式,1,模式,2,00,001,同左,01,010,同左,10,100,同左,11,110,000,m,B,n,B,码的特点,电平跃变增多，最长连,“,0,”,数少，便于提取定时信息和恢复基线。,禁字码可供差错检测使用。,引入了一定的冗余码，但这些冗余码的比特值都是固定的，不能用来传送辅助信息。,（,5,）插入码型,m,B1P,码,将输入二进制码每,m,比特分为一组，在不改变每组时间宽度的条件下，每组末尾插入一位奇偶校验码（称为,P,码），即构成,m,B1P,码。,插入,P,码的规则是：,当该组码元内“,1”,的个数为偶数时（包括全,0,），则末尾插入码为“,1”,；当该组码元内“,1”,的个数为奇数时，则末尾插入码为“,0”,。称为偶,1,奇,0,规则。或者，当该组码元内“,1”,的个数为偶数时（包括全,0,），则末尾插入码为“,0”,；当该组码元内“,1”,的个数为奇数时，则末尾插入码为“,1”,。称为偶,0,奇,1,规则。,例：二进制码“,10000 00000 01111 11111”,，,其,5B1P,码为,“,10000,0,00000,1,01111,1,11111,0,”,（偶,1,奇,0,）,或,“,10000,1,00000,0,01111,0,11111,1,”,（偶,0,奇,1,）,m,B1P,码特点：,m,B1P,码速率是原来二进制码速率的,(,m,+1)/,m,倍。,当,m,为奇数时，则最长连“,0”,或连“,1”,数为,2,m,；当,m,为偶数时，则最长连“,0”,数为,2,m,，但无法减少连“,1”,数。,例如,4B1P,码“,10000000011111111111”,，其最长连“,0”,数为,2,m,=8,，而连“,1”,数则为,11,8,。,只能检测,1,个误码，出现双数误码时无法检出。,m,B1C,码,将输入二进制码每,m,比特分为一组，在不改变每组时间宽度的条件下，每组末尾插入该组内任一码元（通常为最末位码元）的补码（称为,C,码），即构成,m,B1C,码。,例如：二进制码,“,11010 11111,”,，其,5B1C,码为,“,11010,1,11111,0,”,（黄色数字为,C,码）。,m,B1C,码的特点：,m,B1C,码速率是原来二进制码速率的,(,m,+1)/,m,倍,。,插入最末位码元的补码时，最长连,“,0”,或连,“,1”,数为,m,+1,。,可以检测,1,个相关码元的误码。,m,B1H,码（光纤通信中使用较多）,将输入二进制码每,m,比特分为一组，在每组时间宽度内，按照一定的要求分别插入补码,C,、帧码,F,、公务（电话信道）码,S,C,、监控码,M,、数据码,D,和区间通信码,S,等（这些码统称为,H,码），即构成,m,B1H,码。,m,B1H,码速率是原来二进制码速率的,(,m,+1)/,m,倍。,【,例,3-1,】,4B1H,码（用于国产,GD34H,型光端机）,帧结构,：一帧由,16,个子帧组成，每一个子帧含有,10bit,。其中,B,是主通道通信码，每个子帧内有,8 bit,的,B,码；,C,1,、,C,2,、,、,C,16,分别为其前紧邻,B,码的补码，统称为,C,码；,H,1,、,H,2,、,、,H,16,统称为,H,码。,图,3-31 4B1H,码的帧结构,H,码的用途分别为,C,码的用途分别为,C*,称为区间通信选择码。当只用,30,条话路时，,C*,用,C,代替；当需用,230,条话路时，,C*,用区间通信码代替，即,C,2,C,4,C,6,C,8,C,10,C,12,C,14,C,16,分别取为,S,1,S,3,S,4,S,6,S,7,S,9,S,10,S,12,。,4B1H,码的特点,：,4B1H,码总速率等于输入二进制码速率（即,PCM,三次群速率）,4B1H,码速率增大倍数，即为,34368kb/s5/4=42960kb/s,1,帧长为,10bit16=160bit,，每个码元速率为,42960kb/s160=268.5kb/s,1,帧内主通道通信码（,B,码）共有,480,路，总速率为,268.5kb/s816=34368kb/s,1,帧内冗余码速率分别为,最长连,“,0,”,或连,“,1,”,数为,【,例,3-2】8B1H,码（用于国产,GD140H,型光端机）,帧结构：,一帧由,32,个子帧组成，每一个子帧含有,18,比特。其中,B,是主通道通信码，每个子帧内有,16,比特的,B,码；,C,为其前紧邻,B,码的补码；,H,1,H,2,H,32,统称为,H,码。,图,3-32 8B1H,码的帧结构,8B1H,码的特点：,8B1H,码速率等于输入二进制码速率（即,PCM,四次群速率）,8B1H,码速率增大倍数，即为,139264kb/s9/8=156672kb/s,1,帧长为,18bit32=576bit,，每个码元速率为,156672kb/s576=272kb/s,。,1,帧内主通道通信码（,B,）共有,1920,路，总速率为,272kb/s1632=139264kb/s,。,1,帧内冗余码速率分别为,区间通信总共,90,路。,最长连,“,0,”,或连,“,1,”,数为,18,（即两相邻,C,码之间的码,元个数,+,前,C,码）。,【,例,3-4】,插入型,5B6B,码（用于,34 Mb/s,140 Mb/s,）,为了传送辅助信息，需要在,5B6B,码基础上另外插入冗余码，这种改进型的,5B6B,码称为插入型,5B6B,码。,帧结构：,一帧由,2,个子帧组成，每个子帧含有,60,个,6,比特，每个,6,比特都是,5B6B,型。其中，,I,是主通道通信码，每个子帧内有,58,个,I,码；,F,1,和,F,2,为插入帧码，供同步使用；,OH,1,和,OH,2,为插入顶端信号，用来传送监控信息。,图,3-34,插入型,5B6B,码的帧结构,插入型,5B6B,码的主要参数如下：,插入型,5B6B,码总速率等于输入二进制码速率（即,PCM,三次群速率）乘以插入型,5B6B,码速率增大倍数，即为,34.368 Mb/s 6/5 60/58=42.663 724 Mb/s,1,帧长为,6 bit 60 2=720 bit,，每个码元速率为,42 663.72 4 kb/s720=59.255 kb/s,。,1,帧内主通道通信码（,B,）总速率为,59.255 kb/s(5 58 2)=34.368 Mb/s,，共有,480,路。,1,帧内冗余码速率分别为：,顶端信号,OH,1,和,OH,2,的总速率为,59.255 kb/s(6 2)=711.06 kb/s,；,帧信号,F,1,和,F,2,的总速率为,59.255 kb/s(6 2)=711.06 kb/s,；,所有,I,码的,1,个冗余比特的总速率为,59.255 kb/s (1 58 2)=6873.58 kb/s,。,3.3 HDB3,码输入电路,1,HDB3,码输入电路的基本组成,图,3-35 HDB3,码输入电路的主要组成框图,2,HDB3,码输入电路主要组成单元的功能,（,1,）均衡放大,将来自电端机的遭到衰减和畸变的,PCM,信号（双极性,HDB3,码）进行频率补偿和放大，输出两路互为反相的信号。,（,2,）双,/,单极性变换,将均衡放大输出的两路互为反相的信号分别经过与非门进行幅度判决，转换成单极性的,HDB3,和,HDB3,信号。,（,3,）定时提取,产生时钟频率的正弦波信号，经整形后得到时钟脉冲序列,CP,。,（,4,）定时判决,分别输出单极性,NRZ,和,NRZ,信号（含,B,V,脉冲）。,（,5,）,V,脉冲检出,（,6,）合路,得到,NRZ+B+V,输出信号。,（,7,）,B,V,脉冲扣除,（,8,）扰码,使码序列随机化，从而可以减少长连“,0”,和长连“,1”,数，有 利于下游电路提取时钟信号和抑制基线漂移。,（,9,）时钟频率变换,将定时提取电路输出的时钟脉冲序列,CP,L,变换成光线路码时钟脉冲序列,CP,H,，两者速率关系是：,（,10,）光纤码型编码,将扰码器输出的单极性,NRZ,信号（,CP,L,速率），按,m,比特一组形成,m,B,码，然后按变换规则构成,m,B1H,码或,m,B,n,B,码，此新码为,CP,H,速率，输送给光发送电路。,3.4 CMI,码输入电路,1,CMI,码输入电路的基本组成,图,3-44 CMI,码输入电路的主要组成框图,2,CMI,码输入电路主要组成单元的功能,（,1,）延时,（,2,）异或非门,（,3,）与门,（,4,）定时提取,（,5,）,D,触发器,（,6,）扰码,（,7,）时钟频率变换,（,8,）光纤码型编码,