單元二話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)4話音在光纖通信系

單元二話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)4話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸教學(xué)活動(dòng)學(xué)習(xí)光端機(jī)功能、組成及性能。2/5/20231第4章

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

本章重點(diǎn)內(nèi)容是：1.光纖通信的特點(diǎn)；2．光纖通信系統(tǒng)的基本組成；3．光纖的結(jié)構(gòu)和分類、光纖的導(dǎo)光原理及主要工作特性；4．光源、光檢測(cè)器、光無(wú)源器件的工作原理和工作特性5．光端機(jī)的基本組成及各部分的主要作用；6．SDH的基本特點(diǎn)；7．SDH的標(biāo)準(zhǔn)速率與幀結(jié)構(gòu)；8．我國(guó)SDH的復(fù)用結(jié)構(gòu)；9．SDH網(wǎng)中的復(fù)用設(shè)備和數(shù)字交叉連接器；10．SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2/5/202324.3光端機(jī)

所謂光端機(jī)是光纖通信系統(tǒng)中的光纖傳輸終端設(shè)備。光端機(jī)包括光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)?？驁D如圖4-27光發(fā)送機(jī)的主要作用是將電端機(jī)送來(lái)的數(shù)字基帶電信號(hào)變換為光信號(hào)，并藕合進(jìn)光纖線路中進(jìn)行傳輸。光接收機(jī)的主要作用是將光纖傳輸微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生輸人到電接收端機(jī)。2/5/202334.3光端機(jī)

4.3.1光發(fā)射機(jī)1、數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能:

電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；用耦合技術(shù)注入光纖線路；用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。2、調(diào)制方式：直接調(diào)制和外調(diào)制。

受調(diào)制的光源特性參數(shù)有：功率、幅度、頻率和相位，廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率)調(diào)制。

2/5/20234IIPP輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)

(a)LED數(shù)字調(diào)制原理；(b)LD的數(shù)字調(diào)制原理

當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線性關(guān)系。輸出光功率和輸入電流成正比，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。2/5/202353、光發(fā)射機(jī)基本組成數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖所示，主要有光源和電路兩部分。

光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。

電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出圖

數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖2/5/202361）光源

對(duì)通信用光源的要求如下

：發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。2/5/20237允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。

器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。

2/5/202382）調(diào)制電路和控制電路直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有：調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路。

3）線路編碼電路電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。2/5/20239

4.3.2光接收機(jī)1、光接收機(jī)基本組成直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖。主要包括：光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。2/5/202310

1）光檢測(cè)器光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。對(duì)光檢測(cè)器的要求如下：波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；

響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流；

噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號(hào)；

性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測(cè)器有

PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。2/5/202311

2）放大器前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。

主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是：提供足夠的增益；并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。2/5/202312

3）均衡和再生

均衡的目的：對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償；

使輸出信號(hào)的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。

再生電路包括：判決電路和時(shí)鐘提取電路2/5/202313

2、光電集成接收機(jī)圖中除光檢測(cè)器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過(guò)2GHz，甚至達(dá)到10GHz。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發(fā)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測(cè)器在內(nèi)的全部元件。2/5/202314

在1991年試驗(yàn)成功的單路InGaAsOEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5Gb/s。

InGaAsOEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。如圖所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測(cè)器集成在InP基片上，兩個(gè)部分通過(guò)接觸片連接在一起。圖

光電集成接收機(jī)2/5/2023154.3.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無(wú)光脈沖”表示“0”碼。2/5/2023161、簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，因而直流分量也會(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)，給光接收機(jī)的判決帶來(lái)困難。

在隨機(jī)碼流中，容易出現(xiàn)長(zhǎng)串連“１”碼或長(zhǎng)串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時(shí)提取造成困難或產(chǎn)生較大的定時(shí)誤差。不能實(shí)現(xiàn)在線(不中斷業(yè)務(wù))的誤碼檢測(cè)，不利于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)的維護(hù)。2/5/202317

2、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有：能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。

能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時(shí)信息豐富。

能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測(cè)和公務(wù)通信。2/5/2023183、擾碼為了保證傳輸?shù)耐该餍?，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…2/5/202319擾碼有下列缺點(diǎn)：不能完全控制長(zhǎng)串連“１”和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn)；沒(méi)有引入冗余，不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)；信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求，所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。2/5/2023204、mBnB碼

mBnB碼是把輸入的二進(jìn)制原始碼流進(jìn)行分組，每組有m個(gè)二進(jìn)制碼，記為mB，稱為一個(gè)碼字，然后把一個(gè)碼字變換為n個(gè)二進(jìn)制碼，記為nB，并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。2/5/202321

mBnB碼編碼原理最簡(jiǎn)單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，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(guò)兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特，碼速提高了1倍。2/5/202322

以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有（23

）8個(gè)碼字，變換為4B碼時(shí)，共有(24)16個(gè)碼字，見(jiàn)表。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來(lái)代替3B碼。設(shè)計(jì)者根據(jù)最佳線路碼特性的原則來(lái)選擇碼表。例如：在3B碼中有2個(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“１”；在3B碼中有2個(gè)“1”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。2/5/202323

01111111111

01101110110

01011101101

01001100100

00111011011

00101010010

00011001001

000010000004B3B

表

3B和4B的碼字

2/5/202324作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來(lái)描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來(lái)保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字?jǐn)?shù)字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。如果整個(gè)碼字“１”碼的數(shù)目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數(shù)目多于“1”碼，則WDS為負(fù)；如果“0”碼和“1”碼的數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001，WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。2/5/202325

nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應(yīng)選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。

線路碼（4B）信號(hào)碼（3B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表

一種3B4B碼表2/5/202326

我國(guó)3次群和4次群光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規(guī)則如下：

5B碼共有(25)32個(gè)碼字，變換6B碼時(shí)共有(26)64個(gè)碼字，其中WDS=0有20個(gè)，WDS=±2有15個(gè)，WDS=-2有15個(gè)，共有50個(gè)|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時(shí)只需32個(gè)碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。禁