光纖通信_第6章 光發(fā)送機與光接收機

1、第第6章章 光發(fā)射機和光接收機光發(fā)射機和光接收機 6.1 調(diào)制信號的格式調(diào)制信號的格式 6.2 直接調(diào)制直接調(diào)制IM光發(fā)送機光發(fā)送機 6.3 外調(diào)制外調(diào)制 6.4 光接收機光接收機 6.5 相干接收相干接收 習(xí)題六習(xí)題六 6.1 調(diào)制信號的格式調(diào)制信號的格式 為了有利于信息在信道中傳輸和接收傳輸和接收時便于處理，我們往往先對數(shù)字信號進行編碼數(shù)字信號進行編碼，再對光信號進行調(diào)調(diào)制制。光信號除了可調(diào)制光載波信號的幅度、頻率、相位外，還可調(diào)制光強光強。由于光強不同于電信號的電壓或電流有正值與負(fù)值，它只有正值只有正值（即光強或光功率沒有負(fù)值），因此稱它為單極性信號單極性信號，而電壓信號稱為雙極性信號。

2、 6.1.1 單極性與雙極性 單極性信號是二電平信號二電平信號，它在零與正電平之間零與正電平之間擺動擺動。單極性信號可以看成是用電或光信號表示的開關(guān)信號。在光纖通信中，單極性信號也稱為開關(guān)鍵控開關(guān)鍵控。它與雙極性信號的最大區(qū)別是，傳送線路上產(chǎn)生的直直流分量流分量DC不為零不為零。雙極性信號由于在正電平與負(fù)電平之間交替變化，因此在傳輸線路上產(chǎn)生的DC分量為零。單極性與雙極性信號的編碼如圖6.1所示。 圖6.1 單極性與雙極性信號 單極性信號正值010110110光信號正值01011負(fù)值0110電信號雙極性信號 6.1.2 歸零(RZ)與不歸零(NRZ) 光纖通信中常用的調(diào)制方案為開關(guān)鍵控， 這種

3、調(diào)制方案中編碼“1”表示表示對應(yīng)比特周期內(nèi)有一光脈沖或光脈沖或光源光源LD或或LED處于開狀態(tài)處于開狀態(tài)，編碼編碼“0”表示表示對應(yīng)的比特周期內(nèi)無光脈沖或光源無光脈沖或光源LD或或LED處于關(guān)狀態(tài)處于關(guān)狀態(tài)。光脈沖光脈沖的寬度為比特周期的持續(xù)時間的寬度為比特周期的持續(xù)時間。對于一個1 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，光脈沖時間寬度為1 ns。編碼既可以采用直接將直接將光源調(diào)諧光源調(diào)諧在開或關(guān)兩種狀態(tài)的方法來完成，也可以用數(shù)字比特通過外調(diào)制器外調(diào)制器方法來完成，下面將具體介紹。 開關(guān)鍵控調(diào)制可以采用許多信號格式， 最常用的為NRZ、 RZ和短脈沖三種格式和短脈沖三種格式。 NRZ稱為不歸零碼稱為不歸零碼，編

4、碼“1”對應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時間為整個比特周期，“0”對應(yīng)無光脈沖出現(xiàn)。如果是連續(xù)兩個“1”比特，則光脈沖持續(xù)兩個比特周期。RZ碼稱為歸零碼碼稱為歸零碼， “1”比特對應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時間為整個比特周期的一半，“0”對應(yīng)無光脈沖出現(xiàn)。短脈沖短脈沖是由RZ變化而來的，其“1”比特對應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時間為整個比特周期的很小一部分，“0”對應(yīng)無光脈沖出現(xiàn)。它們的信號格式如圖6.2所示。 圖6.2 開關(guān)鍵控數(shù)據(jù)調(diào)制格式 NRZ格式RZ格式短脈沖二進制數(shù)據(jù)101101 NRZ碼與其他格式相比， 其主要優(yōu)點是占據(jù)的頻占據(jù)的頻帶寬度窄帶寬度窄， 只是RZ碼的一半， 缺點是當(dāng)出現(xiàn)長連“1”或“0”時， 光脈沖沒

5、有“有”和“無”的交替變化， 這對于接收時對比特時鐘的提取是不利時鐘的提取是不利的。 RZ碼克服了這個問題， 解決了連“1”的問題， 但長連“0”問題仍然存在。 以上所有格式都存在直流分量DC波動即不平衡問題。開關(guān)鍵控調(diào)制方案獲得DC平衡是很重要的，這使得接收時設(shè)計判決閾值變得容易，有利于數(shù)字處理的恢復(fù)。 為了保證光信號有足夠的交替變化和提供DC平衡， 系統(tǒng)中常采用擾碼和分組碼方案。 6.1.3 擾碼擾碼 擾碼是一個比特流與另一個比特流的一到一的映射， 即將一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特流在發(fā)送之前一對一地映即將一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特流在發(fā)送之前一對一地映射為另一比特流射為另一比特流。 在發(fā)送端， 擾碼器

6、將輸入的比特流與經(jīng)過仔細挑選的另一個比特流進行異或運算， 另一比特流序列的選取原則是應(yīng)盡量使輸出比特的長連“1”或“0”出現(xiàn)的概率盡可能地小。 在接收端通過解擾器解擾器， 使其輸出的碼流中將原比特流恢復(fù)出來。 擾碼最大的優(yōu)點是不占用額外的帶寬， 缺點是并不能保證并不能保證DC平衡平衡， 也不能保證序列中不出現(xiàn)不能保證序列中不出現(xiàn)長連長連“1”或或“0”。 但擾碼中出現(xiàn)長連“1”或“0”和不平衡的概率是很小的， 只要認(rèn)真選取映射關(guān)系映射關(guān)系就能保證這一點。 6.1.4 線路碼（5B/6B、 8B/10B） 另一個解決DC不平衡的方法是采用分組碼分組碼， 有許多不同類型的分組碼。 二進制的線性分組

7、碼的一種形式為： 將將k個比特變換成個比特變換成n個比特個比特， 然后再發(fā)送出去， 接收端將接收端將n比特再映射成原來的比特再映射成原來的k個比特個比特。 分組碼經(jīng)過設(shè)計可使DC平衡， 能提供足夠多的信號交替變化。 這種分組碼的典型例子是（8，10）、 （5，6）,表示為8B10B， 5B6B。 分組碼提高了速率， 因而占用了額外的帶寬， 對于4B5B， 則k=4， n=5， 意味著原來的1 Gb/s 比特率在編碼之后增加到1.25 Gb/s， 就是說要多付出25% 的帶寬開銷。 6.2 直接調(diào)制直接調(diào)制IM光發(fā)送機光發(fā)送機 直接強度調(diào)制直接強度調(diào)制是光纖通信中最簡單、 最經(jīng)濟、 最容易實現(xiàn)的

8、調(diào)制方式， 適用于半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED， 這是因為它們的輸出功率與注入電流成輸出功率與注入電流成正比正比（LD閾值以上）， 只需通過改變注入電流就可實改變注入電流就可實現(xiàn)光強度調(diào)制現(xiàn)光強度調(diào)制。 光功率的變化能夠響應(yīng)注入電流信號的高速變化。 6.2.1 模擬調(diào)制 所謂模擬信號的直接調(diào)制， 就是讓LED或或LD的注的注入電流跟隨輸入的模擬量變化，入電流跟隨輸入的模擬量變化， 從而使從而使LED或或LD的輸?shù)妮敵龉夤β矢S模擬信號變化出光功率跟隨模擬信號變化， 如圖6.3所示。 圖6.3 LED和LD的模擬調(diào)制LED輸出光功率PIIIB二極管電流激光器輸出光功率PII IthB二極管

9、電流圖 6.4 數(shù)字IM調(diào)制原理光 功 率 / dB電 流 信 號 / mA光 信 號時 間時間6.2.2 數(shù)字調(diào)制 數(shù)據(jù)信號的光強度調(diào)制原理如圖6.4所示。6.3 外外 調(diào)調(diào) 制制 6.3.1 電折射調(diào)制器 電折射調(diào)制器利用了晶體材料的電光效應(yīng)，常用的晶體材料有：鈮酸鋰晶體鈮酸鋰晶體（LiNbO3）、鉭酸鋰晶體（LiTaO3）和砷化鎵（GaAs）。 電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的非線性效外加電壓引起的晶體的非線性效應(yīng)，應(yīng)， 具體講是指晶體的折射率發(fā)生了變化具體講是指晶體的折射率發(fā)生了變化。當(dāng)晶體的當(dāng)晶體的折射率與外加電場幅度成正比時，稱為線性電光效應(yīng)，折射率與外加電場幅度成正比時，稱為線

10、性電光效應(yīng)，即普克爾效應(yīng)即普克爾效應(yīng)；當(dāng)晶體的折射率與外加電場的幅度平方成正比變化時，稱為克爾效應(yīng)。電光調(diào)制主要采用普克爾效應(yīng)。 最基本的電折射調(diào)制器是電光相位調(diào)制器電光相位調(diào)制器，它是構(gòu)成其他類型的調(diào)制器如電光幅度、電光強度、電光頻率、電光偏振等的基礎(chǔ)。電光相位調(diào)制器的基本原理框圖如圖6.5所示。 圖6.5 電光相位調(diào)制器的基本原理框圖波導(dǎo)LiNbO3光輸入已調(diào)光輸出長度 L電壓 當(dāng)一個A sin(t+0)的光波入射到電光調(diào)制器（Z=0）， 經(jīng)過長度為L的外電場作用區(qū)后，輸出光場(Z=L)即已調(diào)光波為A sin(t+ 0 +)，相位變化因子受外電壓的控制從而實現(xiàn)相位調(diào)制受外電壓的控制從而實現(xiàn)

11、相位調(diào)制。 兩個電光相位調(diào)制器電光相位調(diào)制器組合后便可以構(gòu)成一個電光強電光強度調(diào)制器度調(diào)制器。這是因為兩個調(diào)相光波在相互疊加輸出時發(fā)生了干涉，當(dāng)兩個光波的相位同相時光強最大，當(dāng)兩個光波的相位反相時光強最小，從而實現(xiàn)了外加電壓控制光強的開和關(guān)的目標(biāo)。 6.3.2 M-Z型調(diào)制器 M-Z型調(diào)制器型調(diào)制器是由一個Y型分路器、型分路器、 兩個相位調(diào)兩個相位調(diào)制器和制器和Y型合路器型合路器組成的， 其結(jié)構(gòu)如圖6.6所示。 相位調(diào)制器就是上述的電折射調(diào)制器。輸入光信號被Y型分路器分成完全相同的兩部分，兩個部分之一受到相位調(diào)制，然后兩部分再由Y型合路器耦合起來。按照信號之間的相位差，兩路信號在Y型合路器的輸

12、出產(chǎn)生相消和相長干涉，就得到了“通”和“斷”的信號。 圖6.6 M-Z型調(diào)制器光輸入已調(diào)光輸出LiNbO3觸點觸點相位調(diào)制 6.3.3 ASK/PSK/FSK方式 振幅鍵控ASK是用電的比特流（調(diào)制頻率）直接調(diào)制光載波信號強度的技術(shù)。對其值為“1”的比特， 光載波具有最大的振幅；對其值為“0”的比特，光載波具有最小的振幅。對于單極性信號，ASK也稱為開關(guān)鍵控。 ASK采用的編碼有RZ和NRZ兩種類型。 ASK方式能夠用于IM/DD系統(tǒng)，但是要直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器時，信號的相位也會偏移。在IM/DD檢測時相位偏移不重要，因為相位信息不起作用，但是它對檢測是有影響的。 相移鍵控PSK調(diào)制光束，所有

13、比特的頻率和幅度不變。對于二進制PSK，相位是0和180。 PSK是使用電折射調(diào)制器的外調(diào)制來實現(xiàn)的，當(dāng)有外加電壓時， 相位差用下式表示： mmL2 （6.1） 式中，m正比于所加電壓，Lm是施加電壓讓折射率改變的長度。 頻移鍵控FSK是調(diào)制光載波的頻率，光載波的頻率改變?yōu)閒，f+f對應(yīng)邏輯“1”，f-f對應(yīng)邏輯“0”。 FSK是兩個狀態(tài)（開與關(guān)）的數(shù)字調(diào)頻FM技術(shù)。 實現(xiàn)調(diào)頻的器件是DFB半導(dǎo)體激光器。當(dāng)注入電注入電流改變流改變時，它們輸出光波的頻率發(fā)生偏移輸出光波的頻率發(fā)生偏移。小的注入電流變化（1 mA）就會使光波的頻率改變約1 GHz。DFB激光器是高調(diào)制效率、高調(diào)制速率的很好的相干F

14、SK光源。 6.4 光光 接接 收收 機機 目前，IM/DD系統(tǒng)的解調(diào)方案的框圖如圖6.9所示, 它屬于非相干解調(diào)。光檢測器接收光信號并將其轉(zhuǎn)換光檢測器接收光信號并將其轉(zhuǎn)換成與光功率成正比的光生電流信號，前置放大器將微成與光功率成正比的光生電流信號，前置放大器將微弱的電流信號放大到所需的電平電流信號弱的電流信號放大到所需的電平電流信號。如果是數(shù)字信號，還要送后續(xù)的判決電路完成數(shù)字信號的再生判決電路完成數(shù)字信號的再生，具體的電路形式由不同的編碼和調(diào)制方案決定。光放光放大器放置在光檢測器前作為前置光放大器大器放置在光檢測器前作為前置光放大器。必要時可在前置光放大器前加光濾波器前置光放大器前加光濾波

15、器，用來選擇所需的通道信號。 圖6.9 數(shù)字光接收機（DD解調(diào)）框圖光濾波光放大器光檢測器前置放大器判決電路 6.4.1 理想的數(shù)字光接收機 從原理上講， 解調(diào)過程是相當(dāng)簡單的，接收機根接收機根據(jù)比特周期內(nèi)有光還是無光來判定是據(jù)比特周期內(nèi)有光還是無光來判定是“1”比特還是比特還是“0”比特比特， 如果有光出現(xiàn)， 則對應(yīng)“1”比特發(fā)送， 如果無光出現(xiàn)， 則對應(yīng)“0”比特發(fā)送， 這就是所謂的直接檢直接檢測測DD。 光功率為P的光信號到達光檢測器時，可以看成是平均速率為P/hfc的光子流，h為普朗克常數(shù)， h=6.6310-34J/Hz(焦耳/赫茲)， fc為光波頻率，hfc為單個光子的能量。該光子

16、流是一滿足泊松分布的隨機過程。 對于這種簡單的接收機，發(fā)送“0”比特時是不會誤碼的，只有發(fā)送“1”比特時才會誤碼，因為發(fā)送“1”比特期間沒有光子被檢測到就判定為“0”比特發(fā)送，有光子被檢測到就判定為“1”比特。 因此，沒有接收到任何光子的概率，設(shè)“0”和“1”是等概的，則理想光接收機的誤碼率為MBhfPeeBERc2121 參數(shù)B為比特速率，M=P/hfcB，為“1”比特期間接收的平均光子數(shù)， 這就是理想光接收機的誤碼率，也稱為量子極限條件下的誤碼率量子極限條件下的誤碼率。為了達到10-12的誤碼率，則每個比特的平均光子數(shù)M=27。 6.5 相相 干干 接接 收收 由以上分析可知，簡單的直接檢

17、測光接收機由于受噪聲限制，不可能獲得很高的靈敏度，這可以通過在光接收機前面采用一個光放大器來改善，另一個提高靈敏度的方法是相干檢測接收機。 相干檢測的主要思想是將另一個本振光信號， 即所謂的本振激光與信號進行混合來提高信號的功率。 圖 6.13 相干光波檢測系統(tǒng)框圖 光發(fā)送機光檢測器放大器電解調(diào)(外差)判決信號輸出偏振控制器本振L0頻率控制(外差)相位控制(零差)調(diào)制信號耦合器 由于接收機檢測的輸出信號電流接收機檢測的輸出信號電流IS隨本振光功率隨本振光功率PL增大而增大，增大而增大， 即得到所謂的即得到所謂的“本振增益本振增益”，所以相干檢測系統(tǒng)光接收機的靈敏度較高，比直接檢測可提直接檢測可提高高1025 dB。 檢測器的輸出電流不僅與被檢測信號強度或功率有關(guān)， 還與光載波的相位或頻率有關(guān)， 這說明不僅可以用光信號的強度傳遞信息，還有可能通過調(diào)制光載波的相位或頻率來傳遞信息。 與IM-DD光波系統(tǒng)相比，干檢測系統(tǒng)主要優(yōu)點是： (1) 光接收機的靈敏度高， 比直接檢測高1025 dB， 可大大延長無中繼