光纖通信系統(tǒng)課件

1、第五章 光纖通信系統(tǒng)5.1 光發(fā)射機(jī)5.2 光接收機(jī)5.3 光中繼器5.4 線路編碼5.1 光發(fā)射機(jī)光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖（光纜）和光端機(jī)。每一部光端機(jī)又包含光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)兩部分，通信距離長(zhǎng)時(shí)還要加光中繼器。光發(fā)送機(jī)完成E/O轉(zhuǎn)換，光接收機(jī)完成O/E轉(zhuǎn)換，光纖實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸，光中繼器延長(zhǎng)通信距離。對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求（1）有合適的輸出光功率 光發(fā)送機(jī)的輸出光功率，是指耦合進(jìn)光纖的功率，亦稱入纖功率。光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01mW5mW。 （2）有較好的消光比 消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比。可用下式表示對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求（3）調(diào)制特性要好

2、所謂調(diào)制特性好，是指光源的PI曲線在使用范圍內(nèi)線性特性好，否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。 除此之外，還要求電路盡量簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長(zhǎng)等。5.1.2光發(fā)送機(jī)的基本組成主要包括兩部分：輸入電路（輸入盤）和電光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤）。輸入電路包括均衡放大、碼型變換、擾碼、編碼、時(shí)鐘提取；電光轉(zhuǎn)換電路包括光源、光源的調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路、光源的控制電路及光源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等。 光發(fā)送機(jī)的基本組成 （1）均衡放大：補(bǔ)償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。 （2）碼型變換：將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼。 （3）擾碼：使信號(hào)達(dá)到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時(shí)鐘提取。 （4）時(shí)鐘提?。禾崛CM

3、中的時(shí)鐘信號(hào)，供給其它電路使用。 （5）編碼：將數(shù)碼流變?yōu)檫m合在光纖線路中傳送的線路碼型，同時(shí)又能進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)。 （6）調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路：完成電/光變換任務(wù)。 （7）光源：產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)。 （8）溫度控制和功率控制： 穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。 （9）其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路：如光源過流保護(hù)電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。自動(dòng)功率控制APC LD無偏置(a)及有偏置(b)時(shí)脈沖瞬態(tài)波形及光譜 LD的 Ith 對(duì)工作溫度是十分敏感的，隨著工作溫度的提高， P-I特性曲線向右移動(dòng)，這時(shí)閾值電流增大，斜率減小，見圖。自動(dòng)溫度控制（ATC）V1PINAt12345678

4、TECLD+U+UAR1111R2111R3111R4RBT(環(huán)境)T(LD)RTI(制冷器)T(LD) 為提高致冷效率和控制精度，半導(dǎo)體致冷器和熱敏電阻與LD芯片熱沉緊貼在一起，熱敏電阻把熱沉上的溫度變化變成電信號(hào)，經(jīng)放大后控制致冷器電流，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)恒溫，這樣可把溫度的變化控制在0.1。無光告警正常情況下，VVD，A4輸出高電平，因此無光告警指示燈LED不亮；當(dāng)無光時(shí)，VVD，A4輸出低電平，使無光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。壽命告警隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，LD閾值電流將逐漸增大。當(dāng)閾值電流增大到開始使用時(shí)的1.5倍時(shí)，就認(rèn)為激光器的壽命終止。 5.2 光接收機(jī)光接收機(jī)作用是將光纖傳輸后的幅

5、度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動(dòng)增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。5.2.1 光接收機(jī)的基本組成光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD。 對(duì)光電檢測(cè)器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。由于光電檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱（nA A），必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合稱為光接收機(jī)前端。前端的性能是決定光接收機(jī)靈敏度

6、的主要因素。 前置放大器前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計(jì)前置放大器就顯得特別重要。光電二極管把光比特流轉(zhuǎn)變成隨時(shí)間變化的電信號(hào)。前置放大器的作用是放大該電信號(hào)，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。前置放大器的設(shè)計(jì)要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。光接收機(jī)前置放大器等效電路負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但負(fù)反饋使輸入阻抗減小了G 倍，因此帶寬也比高阻抗放大器的擴(kuò)大了G 倍。它的靈敏度高、頻帶寬。動(dòng)態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收機(jī)常使用這種結(jié)構(gòu)的前放。轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器主放大器一般是多級(jí)放大器，它的功能主要是提供足夠高的增

7、益，把來自前置放大器的輸出信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平。并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC），以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)應(yīng)保持恒定輸出。前置放大器的輸出信號(hào)電平一般為mV量級(jí)，而主放大器的輸出信號(hào)一般為1V 3V（峰峰值）。主放大器均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。均衡器的輸出信號(hào)通常分為兩路，一部分用于判決；一部分用于AGC電路均衡器數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路。它的任務(wù)是把均衡器輸出的升余弦信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。首先要提取時(shí)鐘信號(hào)，在最佳的取樣時(shí)間對(duì)升余弦信號(hào)進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度

8、與判決閾值進(jìn)行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。最佳的判決時(shí)間應(yīng)是升余弦波形的正負(fù)峰值點(diǎn)，這時(shí)取樣幅度最大，抵抗噪聲的能力最強(qiáng)。選取最佳的判決時(shí)間光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制（AGC），就是利用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。在采用雪崩光電二極管（APD）的接收機(jī)中還通過控制雪崩管的高壓來控制雪崩管的雪崩增益。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)時(shí)，則通過反饋環(huán)路使上述增益降低；當(dāng)信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)，則通過反饋環(huán)路使上述增益提高，從而達(dá)到使送到判決器的信號(hào)穩(wěn)定，以利于判決。 自動(dòng)增益控制5.2.2 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲包括光電檢測(cè)器的噪聲和光接收機(jī)的電路噪聲。光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪

9、聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲。電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。光接收機(jī)的噪聲（1）量子噪聲：是指當(dāng)一個(gè)光電檢測(cè)器受到外界光照，其光子激勵(lì)而產(chǎn)生的光生載流子是隨機(jī)的，從而導(dǎo)致輸出電流的隨機(jī)起伏。這是檢測(cè)器固有的噪聲。 （2）暗電流噪聲 暗電流是指無光照射時(shí)光電檢測(cè)器中產(chǎn)生的電流。由于激勵(lì)出的暗電流是浮動(dòng)的，就產(chǎn)生了噪聲，稱為暗電流噪聲。 （3）雪崩管倍增噪聲 由于雪崩光電二極管的雪崩倍增作用是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號(hào)的浮動(dòng)，從而引入噪聲。 （4）光接收機(jī)的電路噪聲 主要指前置放大器噪聲，其中包括電阻熱噪聲及晶

10、體管組件內(nèi)部噪聲。5.2.3 接收機(jī)誤碼率和靈敏度比特誤碼率比特誤碼率圖(a)表示判決電路接收到的疊加了噪聲的 PCM 比特流圖(b)表示 “1” 碼信號(hào)和 “0” 碼信號(hào)在平均光生信號(hào)電流 I1（1碼）和I0 （0碼）附近的高斯概率分布，陰影區(qū)表示錯(cuò)誤識(shí)別概率。誤碼概率計(jì)算 BER和Q參數(shù)的關(guān)系5.3 光中繼器光信號(hào)在傳輸過程會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題： 光纖的損耗特性使光信號(hào)的幅度衰減，限制了光信號(hào)的傳輸距離； 光纖的色散特性使光信號(hào)波形失真，造成碼間干擾，使誤碼率增加。為了增加光纖的通信距離和通信容量，就需在光纖傳輸線路中每隔一定距離（50 70km）設(shè)置一個(gè)光中繼器。 光-電-光中繼器傳統(tǒng)的光中繼

11、器采用光電光（OEO）轉(zhuǎn)換形式的中繼器，它是由一個(gè)沒有碼型反變換且能完成光電變換的光接收端機(jī)、電放大器和一個(gè)沒有碼型變換且能完成電光變換的光發(fā)送端機(jī)組成。 全光中繼器目前全光放大器主要是摻鉺光纖放大器。用摻鉺光纖放大器作中繼器的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)備簡(jiǎn)單，沒有光電光的轉(zhuǎn)換過程，工作頻帶寬。缺點(diǎn)是，光放大器作中繼器時(shí)，對(duì)波形的整形不起作用。5.4 線路編碼PCM通信系統(tǒng)中的接口速率和碼型基 群二 次 群三 次 群四 次 群接口碼速率 (Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI從信源或編碼器輸出的信號(hào)一般為NRZ碼，但是在進(jìn)行數(shù)字傳輸時(shí)要考慮傳輸信道

12、的特點(diǎn)。為使終端信息比特與信道相匹配，需要把NRZ碼變換為適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，這個(gè)過程稱為線路編碼。 線路編碼的主要功能之一是，根據(jù)香農(nóng)(Shannon)信道編碼理論，把冗余度引入到信號(hào)碼流中，以盡量減少由于信道干擾效應(yīng)而引起的差錯(cuò)。從理論上講，只要包括所引入的冗余度在內(nèi)的信號(hào)碼率小于信道容量，就可以實(shí)現(xiàn)任何程度的無誤數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸（無誤程度取決于引入冗余度的大?。?。PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適合在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸。為此，在光端機(jī)中必須進(jìn)行碼型變換。 在PDH系統(tǒng)中，常用的線路編碼有分組碼mBnB，1B2B碼（CMI、DMI和雙相碼等）和插入碼， SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加

13、擾的NRZ碼。線路編碼光纖通信系統(tǒng)線路碼電纜數(shù)字通信系統(tǒng)中常采用的線路碼型： 三階高密度雙極性碼 HBD3 特點(diǎn)：1. 連“0”控制在三個(gè)以下； 2. 有+1/0/-1三個(gè)電平，極性交替出現(xiàn)； 3. 沒有直流分量的漂移。光纖通信的基本碼型：?jiǎn)螛O性不歸零碼 NRZ 單極性歸零碼 RZHBD3 0 1 1 0 0 0 1 0原碼RZ 0 1 1 1 0 0 0 1 0原碼HDB3碼 3階高密度雙極性碼 編碼規(guī)則：首先，將消息碼變換成AMI碼，然后，檢查AMI碼中連“0”的情況：當(dāng)沒有發(fā)現(xiàn)4個(gè)以上（包括4個(gè)）連“0”時(shí)，則不作改變，AMI碼就是HDB3碼。當(dāng)發(fā)現(xiàn)4個(gè)或4個(gè)以上連“0”的碼元串時(shí)，就將

14、第4個(gè)“0”變成與其前一個(gè)非“0”碼元（“1”或“1”）同極性的碼元。將這個(gè)碼元稱為“破壞碼元”，并用符號(hào)“V”表示，即用“+V”表示“1”，用“V”表示“1”。為了保證相鄰“V”的符號(hào)也是極性交替： * 當(dāng)相鄰“V”之間有奇數(shù)個(gè)非“0”碼元時(shí)，這是能夠保證的。 * 當(dāng)相鄰“V”之間有偶數(shù)個(gè)非“0”碼元時(shí)，不符合此“極性交替”要求。這時(shí)，需將這個(gè)連“0”碼元串的第1個(gè)“0”變成“B”或“B”。B的符號(hào)與前一個(gè)非“0”碼元的符號(hào)相反；并且讓后面的非“0”碼元符號(hào)從V碼元開始再交替變化。一般概念光纖通信系統(tǒng)線路碼PCM電端機(jī)HBD3碼型變換 設(shè)備單極性驅(qū)動(dòng)電路 光源線路碼 原則：1.能限制傳號(hào)“1

15、”的概率，節(jié)省發(fā)射功率； 2.能給接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息； 3.能對(duì)光電端機(jī)進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼檢測(cè)； 4.能提供輔助信號(hào)和區(qū)間通信信道等。通過增加線路碼率的冗余度實(shí)現(xiàn)。 意義：a.實(shí)現(xiàn)不間斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)； b.可與主信號(hào)傳送勤務(wù)通信； c.平衡碼流，不發(fā)生長(zhǎng)連“0”或“1”。碼 型碼型變換規(guī)則傳輸速率誤碼監(jiān)測(cè)適用系統(tǒng)1B2B碼CMI“1”：11,00交替“0”：012fi按編碼規(guī)則檢查PDH雙相碼“1”：10 “0”：012fi同上DMI“1”：11,00交替“0”：01（前二個(gè)碼為01，11時(shí)）10（前二個(gè)碼為10，00時(shí)）2fi同上分組碼mBnB在nB碼中選擇不均等值小的碼作公共碼；

16、正負(fù)模式交替nfi /m（1）查禁用碼字（2）利用DRS插入碼mB1P（1）P碼滿足奇校驗(yàn)規(guī)則（2）P碼滿足偶校驗(yàn)規(guī)則(m+1) fi /m奇偶校驗(yàn)mB1C(m+1)fi /m模2和=0mB1H加擾NRZ給輸入NRZ序列加擾fi無SDH常用的線路編碼分組碼常用mBnB表示，它是把輸入碼流每m比特分成一組，然后把每組編成n比特輸出。每組的m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，因此稱為BnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，通常nm，一般選取n=m+1常用的mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，它是把原信息碼的“0”變換為“01

17、”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“0”和連“1”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，例如1001和0110。但是碼速率提高了1倍。 mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號(hào)比較困難。分組碼插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特（mB）為一組，然后在每組mB碼末尾按一定的規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼為一組新的線路碼流。根據(jù)插入碼的用途不同，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼等。 （1）mB1C碼 mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特（mB）為一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補(bǔ)碼，這個(gè)補(bǔ)碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。例如：插入碼mB碼100110001101mBlC碼100111010

18、0101010插入碼（2）mB1H碼 mB1H碼是由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），所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。插入碼（3）mB1P碼 在mBlP碼中，P碼稱為奇偶校驗(yàn)碼，P碼有以下兩種情況。 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)，以6B1P為例： 6B碼： 110101 000111 101110 001101 6B1P碼： 1101011 0001110 1011101 0011010 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)“1”碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，以6B1P為例： 6B碼： 110101 000111 101110 001101 6B1P碼： 1101010 0001111 1011100 00110111B2B碼（1）CMI碼 CMI碼又稱傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼，它是一種1B2B碼。其變換規(guī)則是原碼的“0”碼用“01”碼代替，原碼的“1”碼用“00”或“11”交替代替。 （2）雙相碼 雙相碼又稱分相碼。也是一種1B2B碼。其變換規(guī)則是原碼的“0”碼用“01”碼代替，原碼的“1”碼用“10”代替