光發(fā)送機與光接收機

光發(fā)送機與光接收機第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.1調(diào)制信號的格式為了有利于信息在信道中傳輸和接收時便于處理，我們往往先對數(shù)字信號進(jìn)行編碼，再對光信號進(jìn)行調(diào)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。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（即光強或光功率沒有負(fù)值），因此稱它為單極性信號，而電壓信號稱為雙極性信號。第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.1.1單極性與雙極性單極性信號是二電平信號，它在零與正電平之間擺動。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。它與雙極性信號的最大區(qū)別是，傳送線路上產(chǎn)生的直流分量DC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。第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.1單極性與雙極性信號第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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，這種調(diào)制方案中編碼“1”表示對應(yīng)比特周期內(nèi)有一光脈沖或光源LD或LED處于開狀態(tài)，編碼“0”表示對應(yīng)的比特周期內(nèi)無光脈沖或光源LD或LED處于關(guān)狀態(tài)。光脈沖的寬度為比特周期的持續(xù)時間。對于一個1Gb/s的數(shù)據(jù)速率，光脈沖時間寬度為1ns。編碼既可以采用直接將光源調(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)制器方法來完成，下面將具體介紹。第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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。NRZ稱為不歸零碼，編碼“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，“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。第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.2開關(guān)鍵控數(shù)據(jù)調(diào)制格式第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

NRZ碼與其他格式相比，其主要優(yōu)點是占據(jù)的頻帶寬度窄，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。第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日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。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.1.3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)送之前一對一地映射為另一比特流。在發(fā)送端，擾碼器將輸入的比特流與經(jīng)過仔細(xì)挑選的另一個比特流進(jìn)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。第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日在接收端通過解擾器，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DC平衡，也不能保證序列中不出現(xiàn)長連“1”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)系就能保證這一點。第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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，有許多不同類型的分組碼。二進(jìn)制的線性分組碼的一種形式為：將k個比特變換成n個比特，然后再發(fā)送出去，接收端將n比特再映射成原來的k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。第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日分組碼提高了速率，因而占用了額外的帶寬，對于4B5B，則k=4，n=5，意味著原來的1Gb/s比特率在編碼之后增加到1.25Gb/s，就是說要多付出25%的帶寬開銷。第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.2直接調(diào)制IM光發(fā)送機

直接強度調(diào)制是光纖通信中最簡單、最經(jīng)濟(jì)、最容易實現(xiàn)的調(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正比（LD閾值以上），只需通過改變注入電流就可實現(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。第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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LD的注入電流跟隨輸入的模擬量變化，從而使LED或LD的輸出光功率跟隨模擬信號變化，如圖6.3所示。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.3LED和LD的模擬調(diào)制第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.4數(shù)字IM調(diào)制原理第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.3外調(diào)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（LiNbO3）、鉭酸鋰晶體（LiTaO3）和砷化鎵（GaAs）。第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的非線性效應(yīng)，具體講是指晶體的折射率發(fā)生了變化。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)，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，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。

第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.5電光相位調(diào)制器的基本原理框圖第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日當(dāng)一個Asin(ωt+Φ0)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Asin(ωt+Φ0+ΔΦ)，相位變化因子ΔΦ受外電壓的控制從而實現(xiàn)相位調(diào)制。

兩個電光相位調(diào)制器組合后便可以構(gòu)成一個電光強度調(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)。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.3.2M-Z型調(diào)制器

M-Z型調(diào)制器是由一個Y型分路器、兩個相位調(diào)制器和Y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型合路器的輸出產(chǎn)生相消和相長干涉，就得到了“通”和“斷”的信號。

第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.6M-Z型調(diào)制器第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.3.3ASK/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。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日相移鍵控PSK調(diào)制光束，所有比特的頻率和幅度不變。對于二進(jìn)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：（6.1）

式中，δm正比于所加電壓，Lm是施加電壓讓折射率改變的長度。第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日頻移鍵控FSK是調(diào)制光載波的頻率，光載波的頻率改變?yōu)棣，f+Δf對應(yīng)邏輯“1”，f-Δf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)。第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日實現(xiàn)調(diào)頻的器件是DFB半導(dǎo)體激光器。當(dāng)注入電流改變時，它們輸出光波的頻率發(fā)生偏移。小的注入電流變化（1mA）就會使光波的頻率改變約1GHz。DFB激光器是高調(diào)制效率、高調(diào)制速率的很好的相干FSK光源。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.4光接收機目前，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。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，具體的電路形式由不同的編碼和調(diào)制方案決定。光放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，用來選擇所需的通道信號。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.9數(shù)字光接收機（DD解調(diào)）框圖第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

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，接收機根據(jù)比特周期內(nèi)有光還是無光來判定是“1”比特還是“0”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測DD。第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日光功率為P的光信號到達(dá)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=6.63×10-34J/Hz(焦耳/赫茲)，fc為光波頻率，hfc為單個光子的能量。該光子流是一滿足泊松分布的隨機過程。第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日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。第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日因此，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。為了達(dá)到10-12的誤碼率，則每個比特的平均光子數(shù)M=27。第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.4.2實際的光接收機在實際的直接檢測接收機中，光信號在光檢測器上被轉(zhuǎn)變?yōu)楣馍娏鞯耐瑫r，還附加有額外的噪聲信號。第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.4.3前置電放大器噪聲在接收機的光檢測器之后，為了將微弱的電流信號進(jìn)行低噪聲放大，通常需要一個前置放大器。前置放大器中采用的元器件(如電阻)會產(chǎn)生熱噪聲，由于放大器的放大，輸入端的熱噪聲在輸出端得到了增強。第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.4.4光放大器噪聲簡單的直接檢測接收機的性能主要受接收機中熱噪聲的限制，這可以通過在光檢測器前采用光放大器來改善。光放大器提供了光輸入信號的功率，但不幸的是，在放大光信號的同時，放大的自發(fā)輻射作為一種噪聲也出現(xiàn)在輸出端。第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日

6.4.5誤碼率理想光接收機有一定的誤碼率，實際的光接收機的誤碼率還涉及到各種不同的噪聲影響。接收機通過對光生電流進(jìn)行取樣，從而判決每個比特周期發(fā)送的是“0”還是“1”。由于噪聲電流的存在,接收機有可能做出錯誤的判決，因而導(dǎo)致了誤碼。實際上，接收機靈敏度還與比特率有關(guān)。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.12接收機靈敏度與比特率的關(guān)系曲線第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日實際中，在放大器和光檢測器之間采用了光濾波器，降低了各種噪聲，但也限制了系統(tǒng)的帶寬。對于一個實際的前放接收機，其靈敏度為每比特幾百個光子數(shù)；而對于不采用光放大器的簡單的PIN光接收機，其靈敏度為每比特幾千個光子。第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.5相干接收由以上分析可知，簡單的直接檢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(jìn)行混合來提高信號的功率。第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日在光通信中，相干檢測包括采用本振與光信號混頻。一個典型的相干光檢測系統(tǒng)的框圖如圖6.13所示。其中，本振Lo是一個優(yōu)質(zhì)的激光器，用它來產(chǎn)生本振光。本振光和光線路來的光信號在光耦合器中混合，然后一起投射到光檢測器PIN中相干混頻，混頻后的差頻信號經(jīng)后接信號處理系統(tǒng)處理后進(jìn)行判決。由于光信號在常規(guī)光纖線路中傳輸時，其相位和偏振面會發(fā)生緩慢的變化，因此為了使本振光和光信號的相位和偏振面一致，可利用光鎖相環(huán)來跟蹤相位的變化，通過偏振控制器來調(diào)整偏振，如圖6.13中所示的偏振控制器。第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日圖6.13相干光波檢測系統(tǒng)框圖第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日光相干檢測和無線電相干接收技術(shù)一樣，也有外差和零差兩種，在式(6.33)中，當(dāng)ωS=ωL時，即無中頻，這時光相干檢測為零差檢測;當(dāng)ωS≠ωL時，有中頻ωIF=ωS-ωL，這時光相干檢測為外差檢測。由于接收機檢測的輸出信號電流IS隨本振光功率PL增大而增大，即得到所謂的“本振增益”，所以相干檢測系統(tǒng)光接收機的靈敏度較高，比直接檢測可提高10～25dB。第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日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。而在直接檢測技術(shù)中不允許進(jìn)行頻率或相位的調(diào)制，所有有關(guān)信號的相位和頻率的信息都丟失了。第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日與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10～25dB，可大大延長無中繼傳輸距離（在1550nm波長可延長至100km）；

(2)相干檢測選擇性高，可用于信道間隔小到1～10GHz的光頻多路復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)多信道復(fù)用，有效使用光纖帶寬。此外，相干傳輸也有利于提高系統(tǒng)抗非線性效應(yīng)的能力。第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日在如圖6.13所示的相干檢測系統(tǒng)框圖中，光的接收技術(shù)主要是指零差或外差接收技術(shù)，主要包括本振激光器、光耦合器、光偏振控制以及檢測器PIN等。光偏振控制技術(shù)是相干檢測系統(tǒng)的特有技術(shù)。當(dāng)接收機本振光的偏振