第4章 光端机.ppt

单击此处编辑母版标题样式,主讲：成纯富,湖北工业大学理学院,光信教研室,光纤通信系统,本章内容,本章内容,Contents,chapter 4,4.1,光发射机,4.3,线路编码,4.2,光接收机,4.1,光发射机,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,光纤,光纤,中继器,光发射机,光源是光发射机的关键器件,光源,将电信号转变为光信号,光纤通信系统,数字光发射机,主要有,光源,和,电路,两部分。,光源,是实现电,/,光转换的关键器件，,决定着光发射机的性能。,电路的设计应以,光源,为依据，使,输出,准确反映,输入信息。,输入接口,线路编码,调制电路,光源,控制电路,电信号输入,光信号输出,图,4.2,数字光发射机方框图,光发射机基本组成,光源,通信用光源的要求：,1),发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波,长应在,0.85 m,、,1.31 m,和,1.55 m,附近。,光谱单色性要好，即谱线宽度要窄,，以减小光纤色散对,带宽的限制。,2),电,/,光转换效率,要高，,且线性良好、,方向性要好,以利于,提高光源与光纤之间的,耦合效率,。,3),调制速率要高或响应速度要快,。,4),常温下工作，,要稳定性好，可靠性高，寿命长。,5),器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。,调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性,，直接影 响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。,光源的调制方式,调制方式：,直接调制,间接调制（外调制）,一、直接调制的特点：,将要传送的信息转变为电流信号注入,LD,或,LED,调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）,简单、经济、容易实现,响应带宽有限（2.5,Gb/s,）,引入调制啁啾（线性调频问题）,Laser,Direct Modulation of Laser Diode,Bias+DATA,Issues-Complex Dynamics Yield,激光二极管的啁啾(,Chirp),特性：在直接调制激,光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变,化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制,的同时还受到频率调制。,带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色,散作用下，将增大非线性失真。,随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。,解决办法：采用外部调制器。,、,啁啾,(,类似鸟鸣的啾声,),、,外调制,将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变。,调制信号啁啾小。,外调制器以,LN,电光调制和,EA,电致吸收为主。,External Modulation of Laser Diode,Laser,Modulator,Bias,Bias+DATA,Issues-Additional Component,输出光信号,p,I,tI,in,输入电信号,p,I,（,a,）,LED,数字调制原理,输出光信号,输入电信号,I,in,I,th,I,b,(b),LD,的数字调制原理,当激光器的驱动电流大于阈值电流,I,th,时，,输出光功率,P,和驱动电流,I,基本上是,线性关系,输出,光功率,和,输入电流,成正比,，,输出光信号反映输入电信号,直接光强度数字调制原理,半导体激光器的瞬态性质,半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接调制的优点，被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现出复杂的动态性质,光电瞬态响应。,电光延迟,张弛振荡,自脉动,弛张振荡,：,当电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。,自脉动：,某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续等幅的高频振荡。,弛张振荡和自脉动的结合,。,激光器激射以后，先出现一个弛张振荡的过程，随后则开始持续自脉动。,光电瞬态响应波形,1.电光延迟,原因：,激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，,一般为纳秒量级。,降低方法：预偏置在,I,th,附近。,图,4.3,光脉冲瞬态响应波形,t,d,振荡频率,f,r,(=,r,/2),，一般为,0.52 GHz,。,张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率,当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，,因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率,当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。,采用预偏置在,I,th,附近的方法，可减小张弛振荡,2.弛张振荡,3、,码型效应：,由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应,。,码型效应,的,特点是：,在脉冲序列中较长的连“,0”,码后出,现的“,1”,码，其脉冲明显变小，而且连“,0”,码数目越多，,调制速率越高，这种效应越明显,.,1 2,电脉冲,光脉冲,2ns,5ns,2ns,图,4.4,码型效应,（,a),、,(b),码型效应波形；（,c,）,改善后波形,a),(b),(c),3、,码型效应：,由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应,。,码型效应起因：,当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程,sp,，,如果调制速率很高，脉冲间隔小于,sp,，会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。,消除方法：,增加直流偏置电流。,电流脉冲,光脉冲,两个连“1”的现象,(4.1),(4.2),(4.3),式中，,o,是张弛振荡幅度衰减到初始值的,1/e,的时间，,j,和,j,th,分别为,注入电流密度,和,阈值电流密度,。,sp,和,ph,分别为,电子自发复合寿命,和,谐振腔内光子寿命,。在典型的激光器中，,sp,10,-9,s,ph,10,-12,s,，即,sp,ph,。,张弛振荡频率,r,、,幅度衰减时间,o,和,电光延迟时间,t,d,的表达,式为：,电光延迟和张弛振荡,现象,张弛振荡频率,r,随,sp,、,ph,的,减小而增加,，随,j,的,增加,而增加,。这个振荡频率决定了,LD,的最高调制频率,(2),张弛振荡幅度衰减时间,o,与,sp,为,相同数量级,，并随,j,的,增加而减小,。,(3),电光延迟时间,t,d,与,sp,为,相同数量级,，并随,j,的,增加而减小,(jj,th,),。,由此可见,，增加注入电流,j,，,有利于提高张弛振荡频率,r,，,减小其幅度衰减时间,o,，,以及减小电光延迟时间,t,d,，,因此对,LD,施加偏置电流是非常必要的,。,电光延迟和张弛振荡,现象,不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为0.24,GHz,容易发生在阈值附近和,P-I,特性的扭曲区。,造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。,抑制这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。,4.,自脉动,电脉冲,光脉冲,图,4.5,激光器自脉冲动现象,起因：,注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功率随时间而增加。,消除方法：,适当增加偏置电流,5、,结发热效应：,半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会发生类似的变化结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。,加大偏置电流使其逼近激光器阈值，可以大大减小电光延,迟时间，同时使,张驰振荡,得到一定程度的抑制.,偏置于阈值附近，较小的调制脉冲电流即可得到足够的输,出光脉冲，从而可大大减小,码型效应和结发热效应,的影响,另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号,消光,比,(,EX),恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度,.,实验发现，异质结激光器的,散粒噪声,在阈值处出现最大,值，因此偏置电流不能正好偏置在阈值处.,调制电流幅度,I,m,的选择，应根据激光器的,P-I,曲线，既要,有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果,激光器在某些区域有自脉动现象发生，则,I,m,的选择应避开,自脉动,发生的区域.,、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择,直接光强调制的数字光发射机,主要电路有,:,偏置电路、,调,制电路、控制电路和线路编码电路,对调制电路和控制电路的,要求,如下：,(1),输出光脉冲的,通断比,(,全“,1”,码平均光功率和全“,0”,码平,均光功率的比值，或消光比的倒数,),应大于,10,，以保证,足够的光接收信噪比。,调制电路和控制电路,(2),输出光脉冲的宽度应远大于,开通延迟,(,电光延迟,),时间,，,(3),对激光器应施加足够的偏置电流,，以便抑制在较高速率,调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。,(4),应采用,自动功率控制,(APC),和,自动温度控制,(ATC),，,以保证输出光功率有足够的稳定性,图,4.6,共发射极驱动电路,调制电路,图,4.7,射极耦合,LD,驱动电路图,数字信号调制电路应采用,电流开关电路,，最常用的是,差分电流开关电路,低速率系统,高速率系统,图,4.8,反馈稳定,LD,驱动电路,P,LD,U,PD,(U,PD,+U,R,),U,A1,I,b,P,LD,控制电路功率、温度控制电路,利用反馈电流使输出光功率稳定的,LD,驱动电路,由,V3,支路为,LD,提供的偏置电流,I,b,受到激光器背向输出,光平均功率和输入数字信号均值 的控制,把,PD,检测器的输出监测电压,U,PD,、信号参考电压 和直流参考电压,U,R,施加到运算放大器,A1,的反相输入端，经放大后，控制,V3,基极电压和偏置电流,I,b,，其控制过程如下：,控制电路自动功率控制（,APC,电路）,从,LD,背向输出的光功率，经,PD,检测器检测、运算放大器,A1,放大后送到比较器,A3,的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经,A2,比较放大后，送到,A3,的同相输入端。,A3,和,V3,组成直流恒流源调节,LD,的偏流，使输出光功率稳定。,P,P,I,I,图,4.10,温度引起的输出功率的变化,阈值电流变化引起的输出功率的变化；,(b),外微分量子效率变化引起的输出功率的变化,20,。,C,25,。,C,20,。,C,70,。,C,激光器的温度特性,温度,升高,，阈值电流,增,加导致,输出光功率,下降,温度,升高，,外微分量子效,率,减小,，输出光功率,下降,起因：,注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，从而,输出光功率也发生变化,。在电流脉冲持续阶段，,输出光功率随时间而减小,；而当电流脉冲过后，,输出光功率随时间而增加。,消除方法：,适当增加偏置电流,对温度进行控制,结发热效应：,半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会发生类似的变化结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。,图,4.12,温度控制方框图,激光器,致冷器,热敏电阻,控制电路,热导,热敏电阻,热敏电阻,热敏电阻,热敏电阻,控制电路温度控制电路,温度控制装置一般由,致冷器,、,热敏电阻,和,控制电路,组成,致冷器,的冷端和激光器的热沉接触，,热敏电阻,作为传感,器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通,过,控制电路,改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。,珀尔帖效应,（,Peltier,Effect,）,两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（,Peltier,Effect,）,半导体材料的珀尔帖效应由,N,、,P,型材料组成一对热电,偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不,同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象,为珀尔帖效应。,ATC,电路,主要由,R,1,、,R,2,、,R,3,和热敏电阻,R,T,组成,“换能”电桥,，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器,A,的差动输入,端跨接在电桥的对端，用以改变三极管,V,的基极电流。,控制电路温度控制电路,T环境,)T(LD,、,热沉,)R,T,I(,致冷器,)T(LD),控制过程,线路编码,从,PCM,设备（电端机）送来的电信号是适合,PCM,传输的码型，为,HDB,3,码或,CMI,码。信号进入光发送机后，首先进入输入接口电路，进行,信道编码,，变成由,“,0,”,和,“,1,”,码组成的不归零码（,NRZ,）。然后在码型变换电路中进行码型变换，变换成适合于,光线路传输,的,mBnB,码或插入码，再送入光发送电路，将电信号变换成光信号，送入光纤传输。,HDB,3,码：,三阶高密度双极性码,CMI,（,Coded Mark Inversion,）码是传号反转码的简称，与双相码类似，它也是一种双极性二电平码。其编码规则是“,1”,码交替用“,11”,和“,00”,两位码表示；“,0”,码固定地用“,01”,表示。,信道编码,RZ,编码（,Return-to-zero Code,），即归零编码。在,RZ,编码中，正电平代表逻辑,1,，负电平代表逻辑,0,，并且，每传输完一位数据，信号返回到零电平，也就是说，信号线上会出现,3,种电平：正电平、负电平、零电平：因为每位传输之后都要归零，所以接受者只要在信号归零后采样即可，这样就不再需要单独的时钟信号。实际上，,RZ,编码就是相当于把时钟信号用归零编码放在了数据之内。这样的信号也叫做自同步（,self-clocking,）信号。,这样虽然省了时钟数据线，但是还是有缺点的，因为在,RZ,编码中，大部分的数据带宽，都用来传输,“,归零,”,而浪费掉了。,那么，我们去掉这个归零步骤，,NRZ,编码（,Non-return-to-zero Code,）就出现了，和,RZ,的区别就是,NRZ,是不需要归零。,电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光,源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的,单极性码,线路编码电路,数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”,表示“”码，“无光脉冲”表示“,0”,码。,简单的二电平码会带来如下问题：,在码流中，出现“”码和“,0”,码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生,随机波动,(,基线漂移,),，给光接收机的判决带来困难。,在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串连“,0”,码，这样可能造成位同步信,息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。,不能实现在线,(,不中断业务,),的误码检测，不利于长途通信系统的维护。,(1),能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。,(2),能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“”码和连“,0”,码的数目，使“,1”,码和“,0”,码的分布均匀，保证定时信息丰富。,(3),能提供一定的,冗余度,(,信息余量,),，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。,数字光纤通信系统常用的线路码型有：,扰码、,mBnB,码和插入码。,选择码型应满足的具体要求：,为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个,扰码器,，,将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。,相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。,扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。,扰码改变了“”码与“,0”,码的分布，从而改善了码流的一些特性。,例如：,扰码前：,1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0,扰码后：,1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1,扰码,不能完全控制长串连“”和长串连“,0”,序列的出现；,没有引入冗余，不能进行在线误码监测；,信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移。,因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外,还采用其它类型的线路编码。,扰码,有下列,缺点：,扰码缺点：,mBnB,码,是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有,m,个二进制码，记为,mB,，,称为一个,码字,，然后把一个码字变换为,n,个二进制码，记为,nB,，,并在同一个时隙内输出。,mBnB,码有,1B2B,、,3B4B,、,5B6B,、,8B9B,、,17B18B,等等。mBnB,码,最简单的,mBnB,码是,1B2B,码，即,曼彻斯特码,，这就是,把原码的“”变换为“,01”,，把“,1”,变换为“,10”,。,因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个，例如,1001,和,0110,。但是在相同时隙内，传输,1,比特变为传输,2,比特，码速提高了,1,倍。,以,3B4B,码为例，输入的原始码流,3B,码，共有,(2,3,)8,个码字，变换为,4B,码时，共有,(2,4,)16,个码字，见表,4.2,。,为保证信息的完整传输，必须从,4B,码的,16,个码字中挑选,8,个码字来代替,3B,码。设计者应根据,最佳线路码特性,的原则来选择码表。,例如：在,3B码中有,2,个“,0”,，变为,4B,码时补,1,个“”；在,3B,码中有,2,个“,1”,，变为,4B,码时补,1,个“,0”,。而,000,用,0001,和,1110,交替使用；,111,用,0111,和,1000,交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，称为,禁字,，例如,0000,和,1111,。,mBnB,码编码原理,0111 1111,111,0110 1110,110,0101 1101,101,0100 1100,100,0011 1011,011,0010 1010,010,0001 1001,001,0000 1000,000,4B,3B,表,4.2 3B,和,4B,的码字,mBnB,码编码原理,作为普遍规则，引入,“,码字数字和”,(WDS),来描述码字的均匀性，并以,WDS,的最佳选择来保证线路码的传输特性。,所谓,“码字数字和”,，是在,nB,码的码字中，用“,-1”,代表“,0”,码，用“,+1”,代表“”码，整个码字的代数和即为,WDS,。,如果整个码字“”码的数目多于“,0”,码，则,WDS,为正；如果“,0”,码的数目多于“,1”,码，则,WDS,为负；如果“,0”,码和“,1”,码的数目相等，则,WDS,为,0,。,例如：对于,0111,，,WDS=+2,；,对于,0001,，,WDS=-2,；,对于,0011,，,WDS=0,。,mBnB,码编码原理,nB,码,的,选择原则是：,尽可能选择,|WDS|,最小的码字，禁止使用,|WDS|,最大的码字。,以,3B4B,为例，应选择,WDS=0,和,WDS=2,的码字，禁止使用,WDS=4,的码字。,表,4.3,示出根,据这个规则编制的一种,3B4B,码表，表中正组和负组交替使用。,mBnB,码编码原理,线路码（,4B,）,信号码（,3B,）,模式,2,（负组）,模式,1,（正组）,WDS,码子,WDS,码子,-2,0010,+2,1101,111,7,-2,1000,+2,0111,110,6,0,1010,0,1010,101,5,0,1001,0,1001,100,4,0,01100,0110,011,3,0,0101,0,0101,010,2,-2,0001,+2,1110,001,1,-2,0100,+2,1011,000,0,表,4.3,一种,3B4B,码表,mBnB,码编码原理,5B6B,码,的,编码规则如下：,5B,码共有,(2,5,)32,个码字，变换,6B,码时共有,(2,6,)64,个码字，其中,WDS=0,有,20,个，,WDS=2,有,15,个，,WDS=-2,有,15,个，共有,50,个,|WDS|,最小的码字可供选择。,由于变换为,6B,码时只需,32,个码字，为减少连“”和连“,0”,的数目，删去：,000011,、,110000,、,001111,和,111100,。,当然禁用,WDS=4,和,6,的码字。表,4.4,示出根据这个规则编制的一种,5B6B,码表，,正组和负组交替使用,。表中正组选用,20,个,WDS=0,和,12,个,WDS=+2,，,负组选用,20,个,WDS=0,和,12,个,WDS=-2,。,mBnB,码编码原理,线路码（,6B,）,信号码（,5B,）,模式,2,（负组）,模式,1,（正组）,WDS,码子,WDS,码子,-2,000101,+2,111010,11111,31,-2,001001,+2,110110,11110,30,-2,010001,+2,10110,11101,29,0,111000,0,111000,11100,28,-2,000110,+2,111001,11011,27,0,110100,0,110100,11010,26,0,110010,0,110010,11001,25,续表,mBnB,码编码原理,mBnB,码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。,mBnB,码,的,特点是：,(1),码流中“,0”,和“,1”,码的概率相等，连“,0”,和连“,1”,的数目较少，定时信息丰富。,(2),高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小,(3),在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。,mBnB,码,的,缺点是,传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数,量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。,mBnB,码编码原理,有两种编译码电路：,一种是,组合逻辑电路,，就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方法。,一种是,把设计好的码表全部存储到一块只读存储器,(PROM),内而构成，国内设备一般采用这种方法。,以,3B4B,码为例，码表存储编码器的工作原理示于图,4.22,。首先把设计好的码表存入,PROM,内，待变换的信号码流通过串,-,并变换电路变为,3,比特一组的码,b,1,、,b,2,、,b,3,，,并行输出作为,PROM,的地址码，在地址码作用下，,PROM,根据存储的码表，输出与地址对,应的并行,4B,码，再经过并,-,串变换电路，读出已变换的,4B,码流。,编译码器,图,4.22,码表存储编码器原理,编译码器,图中,A,、,B,、,C,三条线为组别控制控制线，当,WDS=2,时，从,A,、,B,分别送出控制信号，通过,C,线决定组别。,译码器与编码器基本相同，只是除去组别控制部分。,译码时，把送来的已变换的,4B,信号码流，每,4,比特并联为一组，作为,PROM,的地址，然后读出,3B,码，再经过并,-,串变换还原为原来的信号码流。,编译码器,插入码,是把输入二进制原始码流分成每,m,比特,(,mB,)-,一组，然后在每组,mB,码末尾按一定规律插入一个码组成,m+1,个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为,mB1C,码、,mB1H,码和,mB1P,码。,插入码,mB1C,码,的,编码原理是,，把原始码流分成每,m,比特,(,mB,),一组，然后在每组,mB,码的末尾插入,1,比特补码，这个,补码,称为,C,码,，所以称为,mB1C,码,。补码插在,mB,码的,末尾，连“,0”,码和连“,1”,码的数目最少。,mB1C,码的结构如图,4.23,所示，例如：,mB,码为：,100 110 001 101,mB1C,码为：,1001 1101 0010 1010,C,码的作用是引入,冗余码,，可以进行,在线误码率监测,；同时改善了“,0码和“,1”,码的分布，有利于定时提取。,mB1C,码的编码原理,图,4.23 mB1C,码的结构,mB1H,码是,mB1C,码演变而成的，即在,mB1C,码中，扣除部分,C,码，并在相应的码位上插入一个,混合码,(H,码,),，所以称为,mB1H,码,。,所插入的,H,码可以根据不同用途分为三类：,第一类是,C,码，它是第,m,位码的补码，用于在线误码率监测；,第二类是,L,码，用于区间通信；,第三类是,G,码，用于帧同步、公务、数据、监测、区间等信息的传输。,mB1H,码的编码原理,常用的插入码是,mB1H,码，有,1B1H,码、,4B1H,码和,8B1H,码。以,4B1H,码,为例，它的,优点是,码速提高不大，误码增值小；可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。,缺点是,码流的频谱特性不如,mBnB,码。但在扰码后再进行,4B1H,变换，可以满足通信系统的要求。,mB1H,码的编码原理,在,mB1P,码中，,P,码称为,奇偶校验码,，其作用和,C,码相似，但,P,码有以下两种情况：,(1),P,码为奇校验码时,，其插入规律是使,m+1,个码内“,1”,码的个数为奇数，例如：,mB,码为：,100 000 001 110,mB1P,码为：,1000 0001 0010 1101,当检测得,m+1,个码内“”码为奇数时，则认为无误码。,mB1P,码的编码原理,(2),P码为偶校验码时,，其插入规律是使,m+1,个码内“”码的个数为偶数，,例如：,m B,码为：,100 000 001 110,mB1P,码为：,1001 0000 0011 1100,当检测得,m+1,个码内“”码为偶数时，则认为无误码。,mB1P,码的编码原理,和,mBnB,码不同，,mB1H,码没有一一对应的码结构，所以,mB1H,码的变换不能采用码表法，一般都采用,缓存插入法,来实现。,图,4.24,示出,4B1H,编码器原理,，它由缓存器、写入时序电路、插入逻辑和读出时序电路四部分组成。,4B1H,码是每,4,个信号码插入一个,H,码，因此变换后码速增加,1/4,。,设信号码的码速为34 368 kb/s,，,经,4B1H,变换后，线路码的码速为,(5/4)34 368 kb/s=42 960 kb/s,。,34 36,8 kb/s,的,NRZ,信号码送入缓存器。,编译码器,图,4.24 4B1H,编码器原理,4B1H,编码器原理,缓存器,是,4D,触发器，它利用锁相环中的,4,分频信号作为写入时序脉冲，随机但有顺序地把,34 368 kb/s,信号码流分为,4,比特一组，与,H,码一起并联送入插入逻辑。,插入逻辑电路实际上是一个,5,选,1,的电路，,它利用锁相环中,5,分频电路输出读出,时序脉冲。由插入逻辑输出码速为,42 960 kb/s,的,4B1H,码。,4B1H,编码器原理,图,4.25 4B1H,译码器原理,4B1H,译码器原理,图,4.25,示出,4B1H,译码器原理，,它由,B,码还原、,H,码分离、帧同步和相应的时钟频率变换电路组成。把,42960 kb/s,的,4B1H,码加到缓存器，因,4B1H,码是,5,比特为一组，所以缓存器应有,5,级，并用不同的时钟写入,频率变换电路要保证向各个部分提供所需的准确时钟信号。,通过缓存器，实际上已把,B,码和,H,码分开，只要用,34 368 kHz,的时钟把,B,码按顺序读出，,B,码就还原了。,B,码的还原电路实际上就是并串变换电路，由,4,选,1,电路来实现。,4B1H,译码器原理,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,光纤,光纤,中继器,光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。,光接收机,4.2,光接收机,4.2.1,光接收机基本组成,直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机的组成：,光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器,以及,自动增益控制,(AGC),电路,。,图,4.14,数字光接收机方框图,光检测器,偏压控制,前置放大器,AGC,电路,均衡器,判决器,时钟,提取,主放大器,光信号,4.2,光接收机,光检测器,是光接收机,实现光,/,电转换,的关键器件，其性能特别是,响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。,对光检测器的要求：,波长响应要和光纤,低损耗,窗口,(0.85 m,、,1.31 m,和,1.55 m),兼容；,(2),响应度要高,，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；,(3),噪声要尽可能低,，能接收极微弱的光信号；,(4),性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。,1.,光检测器,光检测器的选择：,要视具体应用场合而定。,PIN,光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。,APD,最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。,从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用,PIN,光电二极管作光探测器。,1.,光检测器,前置放大器：,特点：,低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决,于放大器的类型。,作用：,低噪声吸收。,主放大器,特点：,一般是多级放大器,作用,：,提供足够的增益，,将信号幅度放大到适合再生,；并通过它实现,自动增益控制,(AGC),，,使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。,主放大器,和,AGC,决定着光接收机的,动态范围。,2.,放大器,均衡的目的：,对经光纤传输、光,/,电转换和放大后已产生畸变,(,失真,),的电信号进行补偿；使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率,(,即将信号波形变换为无码间干扰的波形,),。,再生电路：,组成：,判决电路,和,时钟提取电路,功能：,从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以消除码间干扰，减小误码率,(,即将接收的信号恢复成标准数字信号,),。,3.,均衡和再生,除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路,(IC),技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅,(Si),还是砷化镓,(,GaAs)IC,技术都能够使集成电路的工作带宽超过,2 GHz,，,甚至达到,10 GHz,。,为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发,单片光接收机,，即用,“,光电集成电路,(OEIC),技术,”,在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。,4.,光电集成接收机,对于工作在,1.31.6 m,波长的系统，人们需要基于,InP,的,OEIC,接收机,。在,1991,年试验成功的单路,InGaAs,OEIC,接收机，其运行速率达,5,Gb/s,。,InGaAs,OEIC,接收机也可以用,混合法实现,。如图,4.15,所示，电元件集成在,GaAs,基片上，而光检测器集成在,InP,基片上，两个部分通过接触片连接在一起。,图,4.15,光电集成接收机,4.,光电集成接收机,光接收机的噪声将影响信噪比,SNR,和通信质量。主要来自光探测器和（前置）放大器的噪声。分为两类：,散粒噪声和热噪声。,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,散粒噪声,4.2.2,噪声特性,光接收机的,噪声：,外部电磁干扰产生,：,这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；,内部产生,：这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。,光接收机,噪声的主要来源是,:,光检测器的噪声,前置放大器的噪声,因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只,要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。,42.2,噪声特性,光接收机的噪声等效模型：由,光检测器,和,放大器,两部分组成。,i,q,2,光检测器的量子噪声 功率谱密度表示为,S,q,i,d,2,暗电流噪声产生的均方噪声电流，功率谱密度,S,d,i,p,光,检测器的输出光生电流,R,光检测器的偏置电阻,C,光检测器的电容,(,结电容和其他电容,),图,4.16,光接收机的噪声等效模型,光接收机的噪声等效模型,放大器分解为,:,理想放大器,相应的功率谱密度,S,I,等效噪声电流源和电压源,相应的功率谱密度,S,E,R,in,放大器的输入电阻。,放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型。,图,4.16,光接收机的噪声等效模型,光接收机的噪声等效模型,三种类型前置放大器的比较：,(1),双极型晶体管前置放大器,的主要,特点,是输入阻抗低，电路时间常数,RC,小于信号脉冲宽度,T,，,因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。,(2),场效应管前置放大器,的主要,特点,是,输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。,(3),跨阻型前置放大器,最大的,优点,是,改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。,图,4.17,光接收机的前置级放大电路,(a),双极型晶体管,(b),场效应管,(c),跨阻型,三种类型前置放大器,误码率定义：,光接收机对码元误判的概率称为,误码率,(,在二元制的情况下，等于误比特率，,BER)用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示,。,码元被误判的概率，可以用,噪声电流,(,压,),的概率密度函数,来计算。,光接收机输出噪声的概率分布,十分复杂，一般假设噪声电流,(,或电压,),的瞬时值服从高斯分布，其,概率密度函数为,:,4.2.3,误码率,式中,x,是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为,2,。,(4.8),图,4.18,计算误码率的示意图,4.2.3,误码率,I,1,“,1”,码的,(,总,),电流；,I,0,“,0”,码的,(,总,),电流。,I,m,“”码的平均,(,信号,),电流，“,0”,码的平均,(,信号,),电流为,0,；,D,判决门限值，一般,D=I,m,/2,。,在“”码时,，如果在取样时刻带有噪声的电流,I,1,D,，,则可能被误判为“”码。,“,0”,码和“”码的误码率计算：,1.,发“,0”,码时的误码率,平均噪声功率,N,0,=N,A,，,N,A,为前置放大器的平均噪声功率。,发“,0”,码的条件下噪声的概率密度函数为,:,(4.9),4.2.3,误码率,根据误码率的定义，,把“,0”,码误判为“,1”,码的概率，应等于,I,0,值超过,D,值的概率,，即,式中,x=I,0,/,在发“,1”,码时，平均噪声功率,N,1,=N,A,+N,D,。,N,D,是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。,这时,噪声电流的幅度为,I,1,-I,m,，,判决门限值仍为,D,，,则只要取样值,I,m,-I,1,I,m,-D,或,I,1,-I,m,(I,m,-D),(4.11b),把“,1”,码误判为“,0”,码的概率为：,2,.,发“,1”,码时的误码率,式中,y=(I,1,-I,m,)/,。,“,0”,码和“,1”,码的误码率一般是不相等的，但对于“,0”,码和“,1”,码等概率的码流而言，,一般认为,P,e,01,=P,e,10,时，可以使误码率达到最小。,总误码率,(BER),可以表示为：,(4.12),式中,Q=,(4.13a),Q=,(4.13b),Q,称为,超扰比,，含有信噪比的概念。它还表示在对“,0”,码进行取样判决时，判决门限值,D,超过放大器平均噪声电流,的倍数。,4.2.3,误码率,图,4.19,误码率和,Q,的关系,4.2.3,误码率,Q,被广泛用来说明接收机的特性。,Q=6,，,BER=10,-9,Q7,，,BER10,-12,通常,:,2.5Gb/s,系统的接收灵敏度对应于,BER=10,-9,；,10Gb/s,系统的接收灵敏度对应于,BER=10,-10,；,P,r,=10lg,(4.14),灵敏度,是衡量光接收机性能的综合指标。,灵敏度,P,r,：,在保证通信质量,(,限定误码率或信噪比,),的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率,P,min,