光纖第四章 光端機(jī)

第4章 光端機(jī)

1本章內(nèi)容和重點(diǎn)光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)線路碼型本章重點(diǎn)光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的功能、電路組成和工作原理。光通信常用線路碼型。第4章光端機(jī)2學(xué)習(xí)本章目的和要求掌握光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的組成框圖及工作原理。熟悉光中繼器的組成框圖及工作原理。掌握光通信常用的線路碼型。第4章光端機(jī)3信源：將用戶原始信息轉(zhuǎn)換為基帶電信號。電發(fā)射機(jī)：將基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?。包括?shù)模轉(zhuǎn)換多路復(fù)用光發(fā)射機(jī)：將電信號轉(zhuǎn)換為適合光纖傳輸?shù)墓庑盘?。光纖通信系統(tǒng)組成信源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信宿話音300-3400Hz模擬基帶電信號已調(diào)光信號PCM基群或高次群電信號PCM基群或高次群電信號300-3400Hz的基帶信號話音第4章光端機(jī)4光端機(jī)在光纖通信系統(tǒng)中的作用光發(fā)射端機(jī)：將來自電端機(jī)的數(shù)字電信號經(jīng)過碼型變換，調(diào)制，以一定的耦合技術(shù)注入光纖中傳輸。光接收端機(jī)：將從光纖中收到光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大再生還原為原來的電信號。第4章光端機(jī)54.1光發(fā)射機(jī)

作用：是把從電端機(jī)送來的電信號轉(zhuǎn)變成光信號，并送入光纖線路進(jìn)行傳輸。對光發(fā)射機(jī)的要求：（1）有合適的輸出光功率光發(fā)射機(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0.01mW～5mW。（2）有較好的通斷比通斷比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比?？捎孟率奖硎?/p>

式中，P11為全“1”碼時的平均光功率；P00為全“0”碼時的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。64.1光發(fā)射機(jī)（3）調(diào)制特性要好所謂調(diào)制特性好，是指光源的P?I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，還要求電路盡量簡單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長等。74.1光發(fā)射機(jī)LED調(diào)制IPIP直接光調(diào)制圖：偏置電流8輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路輸入接口：將電端機(jī)送來的HDB3碼變換為普通二進(jìn)制碼。線路編碼：將普通二進(jìn)制碼變換為適合在光纖鏈路上傳輸?shù)拇a型。調(diào)制電路：為光源提供調(diào)制電流?？刂齐娐罚褐饕茿PC電路、ATC電路、光源保護(hù)電路等。光源：一般為發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。4.1.1光發(fā)射機(jī)的基本組成及功能91、光發(fā)射機(jī)對光源的要求：（1）發(fā)射波長應(yīng)當(dāng)與光纖的低損耗窗口相一致，且光譜寬度窄。（2）電光效率高，線形好，方向性好。（3）響應(yīng)速度高。（4）工作壽命長，穩(wěn)定度高，體積小重量輕。4.1.1光發(fā)射機(jī)的基本組成及功能10

2、調(diào)制和控制電路的要求：（1）輸出光脈沖的消光比足夠大。（2）輸出的光脈沖寬度應(yīng)當(dāng)足夠大，以克服電光延遲。（3）應(yīng)有足夠的偏置電壓，以抑制高速調(diào)制下的張弛現(xiàn)象。（4）輸出光功率應(yīng)足夠穩(wěn)定。4.1.1光發(fā)射機(jī)的基本組成及功能11內(nèi)調(diào)制外調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制：以信號去改變光的功率大小。1、調(diào)制方式4.1.2光源的調(diào)制12內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）：直接用電信號去驅(qū)動光源。成熟的調(diào)制方式設(shè)備簡單，但有啁啾，不利于高速調(diào)制。LED調(diào)制IPIPLD調(diào)制直接光調(diào)制圖：偏置電流4.1.2光源的調(diào)制13外調(diào)制：利用外調(diào)制器對激光器輸出直流光信號進(jìn)行調(diào)制。激光電信號激光器直流驅(qū)動電路光信號解決了啁啾現(xiàn)象，適于高速數(shù)字信號（SDH/SONET）、模擬CATV、軍事雷達(dá)等，并且可進(jìn)行幅度、相位、頻率調(diào)制，但對光源和光調(diào)制器要求很高。4.1.2光源的調(diào)制14間接調(diào)制（外調(diào)制）作用：電光調(diào)制：普科爾（克爾）效應(yīng)—晶體的折射率與外加電場幅度成線性（非線性）變化。聲光調(diào)制：聲光效應(yīng)—被介質(zhì)中彈性波衍射的光波的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨超聲場變化。（利用聲光晶體）磁光調(diào)制：法拉第效應(yīng)—外加磁場引起線偏振光偏振方向旋轉(zhuǎn)。4.1.2光源的調(diào)制15（1）電光調(diào)制（線性電光效應(yīng)）

光強(qiáng)——強(qiáng)度調(diào)制頻率——頻率調(diào)制相位——相位調(diào)制基本原理是利用電光晶體的電光效應(yīng)，當(dāng)外加電場變化時，將引起它們的折射率隨之變化。4.1.2光源的調(diào)制16（2）聲光調(diào)制工作原理：當(dāng)調(diào)制信號變化時，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體產(chǎn)生振動形成超聲波。這個聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化，使介質(zhì)的折射率跟著變化，從而形成光強(qiáng)隨之變化。結(jié)果使光波受到調(diào)制。4.1.2光源的調(diào)制17

（3）磁光調(diào)制4.1.2光源的調(diào)制工作原理：利用法拉第效應(yīng)得到的一種光外調(diào)制。入射光信號經(jīng)過起偏器，使入射光變?yōu)槠窆?，偏振光通過磁棒時，其偏振方向隨繞在磁棒上的線圈的調(diào)制信號而變化；當(dāng)偏振方向與后面的檢偏器方向垂直時，輸出光強(qiáng)最小。從而使輸出光強(qiáng)隨調(diào)制信號變化，實現(xiàn)了光的外調(diào)制。182、影響調(diào)制的因素內(nèi)調(diào)制存在的問題：電光延遲、張弛振蕩、自脈動（1）電光延遲激光器的輸出光信號滯后于電信號的現(xiàn)象。td原因：有源區(qū)的電子密度必須增加到一定的閾值才會有光出來。影響：出現(xiàn)碼型效應(yīng)，限制調(diào)制速度。4.1.2光源的調(diào)制194.1.2光源的調(diào)制

碼型效應(yīng)電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時可能使單個“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”，如圖（a）、（b）所示。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，如圖（c）所示。20（2）張弛振蕩當(dāng)電脈沖注入激光器后，輸出光脈沖頂部有一個幅度逐漸衰減的振蕩。影響：當(dāng)調(diào)制速度接近張弛振蕩的頻率時，容易產(chǎn)生誤判，影響了調(diào)制的速度。原因：光子激發(fā)與電子注入的時間延遲。通過增加偏置電流可以改善電光延遲和張弛振蕩。4.1.2光源的調(diào)制21電光延遲和張弛振蕩產(chǎn)生的物理機(jī)制：電流脈沖注入電子密度增加激射光子密度增加電子密度減少影響受激輻射的速度

對激光器加直流偏置可以減少電光延遲時間，抑制張弛振蕩。4.1.2光源的調(diào)制22（3）自脈動現(xiàn)象有些激光器在脈沖調(diào)制下或直流驅(qū)動下，當(dāng)注入電流足夠大時，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩。影響調(diào)制速度4.1.2光源的調(diào)制23發(fā)射機(jī)的電路實現(xiàn)

驅(qū)動電路自動功率控制電路（APC）自動溫度控制電路（ATC）告警電路和保護(hù)電路

244.1.3調(diào)制電路及自動功率控制

1、自動功率控制（APC）

主要功能：（1）自動補(bǔ)償光源由于環(huán)境溫度變化和老化效應(yīng)而引起的輸出光功率的變化，保持其輸出光功率不變，或保持其變化幅度不超過數(shù)字光纖通信工程設(shè)計要求的指標(biāo)范圍。（2）自動控制光發(fā)送機(jī)的輸入信號碼流中長連“0”序列或無信號輸入時使光源不發(fā)光。

254.1.3調(diào)制電路及自動功率控制

1、共發(fā)射極LED驅(qū)動電路下圖所示為由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動電路，這種驅(qū)動電路主要用于以LED作為光源的數(shù)字光發(fā)射機(jī)。適用于10Mbit/s以下的低速率系統(tǒng)。

264.1.3調(diào)制電路及自動功率控制

2、射極耦合跟隨器LD驅(qū)動電路下圖是射極耦合跟隨器LD驅(qū)動電路，適合于LD系統(tǒng)使用。這種電路為恒流源，電流噪聲小，缺點(diǎn)是動態(tài)范圍小，功耗較大。

UB274.1.3調(diào)制電路及自動功率控制

3、反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路下圖是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路，其控制過程如下：284.1.3調(diào)制電路及自動功率控制

4、帶自動功率控制的LD驅(qū)動電路更加完善的帶自動功率控制（APC）的電路如圖所示。圖4-10APC電路原理294.1.4溫度特性及自動溫度控制

1．激光器的溫度特性溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生，如圖（a）和（b）所示。當(dāng)溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。

溫度對輸出光脈沖的另一個影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。如圖所示“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。304.1.4溫度特性及自動溫度控制溫度引起的光功率輸出的變化結(jié)發(fā)熱效應(yīng)314.1.4溫度特性及自動溫度控制

2．光源的自動溫度控制（ATC）（1）溫度控制裝置的組成溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖示出了溫度控制裝置的方框圖。自動溫度控制原理方框圖324.1.4溫度特性及自動溫度控制（2）自動溫度控制（ATC）原理下圖示出ATC電路原理圖?？刂七^程可以表示如下：ATC電路原理334.1.4溫度特性及自動溫度控制

注：溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。對于短波長激光器，一般只需加自動功率控制電路即可。對于長波長激光器，由于其閥值電流隨溫度的漂移較大，因此，一般還需加自動溫度控制電路，以使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定。344.2數(shù)字光接收機(jī)

光接收機(jī)作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號變換為電信號，并對電信號進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱光接收機(jī)前端。前端性能是決定光接收機(jī)的主要因素。354.2.1光接收機(jī)的基本組成強(qiáng)度調(diào)制—直接檢波（IM-DD）的光接收機(jī)方框圖如圖所示，主要包括光電檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘恢復(fù)電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）電路等。數(shù)字光接收機(jī)方框圖36偏壓控制光檢測器光信號前置放大器主放大器均衡器AGC電路判決器時鐘提取輸出再生碼流光檢測器：將線路中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。（1）響應(yīng)波長與光纖的工作窗口相匹配。（2）響應(yīng)度高。（3）噪聲盡可能小。（4）性能穩(wěn)定。偏壓控制：提供光電檢測器的反向偏壓。37前置放大器由于該放大器與光電檢測器相連故稱為前置放大器。在一般的光纖通信系統(tǒng)中，經(jīng)光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的。為了保證通信質(zhì)量，顯然，必須將這種微弱的電信號通過多級放大器進(jìn)行放大。但是多級放大在放大過程中會引入噪聲，故，對多級放大器的前級就有特殊的要求，應(yīng)是低噪聲，高增益的。具體放大器類型如上圖所示。38偏壓控制光檢測器光信號前置放大器主放大器均衡器AGC電路判決器時鐘提取輸出再生碼流主放大器有兩個方面:①將前置放大器的輸出信號放大到判決電路所需的信號電平②還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器。當(dāng)光電檢測器輸入的信號出現(xiàn)起伏時，通過光接收機(jī)的自動增益控制電路對主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍內(nèi)不受輸入信號的影響。一般主放大器的峰值輸出是幾伏數(shù)量級。39偏壓控制光檢測器光信號前置放大器主放大器均衡器AGC電路判決器時鐘提取輸出再生碼流AGC電路：控制主放大器的放大倍數(shù)，以輸出恒定幅度的電信號。均衡器：①沒有均衡器將出現(xiàn)的問題:若無均衡器，信號在經(jīng)過前幾級的器件后，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象，將會使前、后碼原的波型重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。40均衡前：t均衡后：

②均衡器的作用:

它的作用是使經(jīng)過均衡器以后的波形成有利于判決的波形。經(jīng)過均衡以后的波形，在本碼判決時刻，波形的瞬時值應(yīng)為最大值；而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個拖尾在關(guān)鍵時刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。41偏壓控制光檢測器光信號前置放大器主放大器均衡器AGC電路判決器時鐘提取輸出再生碼流時鐘提取和判決電路：通過時鐘提取電路提取發(fā)送時鐘，按時鐘信號將均衡器中出來的畸變信號恢復(fù)為0、1信號。0101011100

10發(fā)端信號均衡前均衡后時鐘提取再生信號424.2.2光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(jī)的噪聲包括光電檢測器的噪聲和光接收機(jī)的電路噪聲。這些噪聲的分布如圖所示。光電檢測器的噪聲包括量子噪聲、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。接收機(jī)的噪聲及其分布434.2.2光接收機(jī)的噪聲特性（1）量子噪聲：是指當(dāng)一個光電檢測器受到外界光照，其光子激勵而產(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。這是檢測器固有的噪聲。（2）暗電流噪聲暗電流是指無光照射時光電檢測器中產(chǎn)生的電流。由于激勵出的暗電流是浮動的，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的浮動，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體管組件內(nèi)部噪聲。44光接收機(jī)的噪聲等效模型4.2.2光接收機(jī)的噪聲特性45放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型，根據(jù)放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計算。常用前置放大電路有三種類型，其輸出的等效噪聲功率NA為：

場效應(yīng)管(FET)前置放大器(4.5)(4.4)雙極型晶體管(BJT)前置放大器4.2.2光接收機(jī)的噪聲特性46跨阻型前置放大器-雙極型晶體管

(4.6)跨阻型前置放大器-場效應(yīng)管(4.7)4.2.2光接收機(jī)的噪聲特性47光接收機(jī)的前置級放大電路圖

(a)雙極型晶體管；(b)場效應(yīng)管；(c)跨阻型4.2.2光接收機(jī)的噪聲特性484.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——誤碼率誤碼率：光接收機(jī)對碼元誤判的概率。用較長時間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。

碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計算。494.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——誤碼率如圖所示：I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。Im是“１”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2。在“１”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I1<D，則可能被誤判為“0”碼；在“0”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I0>D，則可能被誤判為“１”碼。

504.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——誤碼率經(jīng)分析計算，總誤碼率(BER)可以表示為：(4.12)式中超擾比

Q=(4.13a)Q=(4.13b)或51圖4.19誤碼率和Q的關(guān)系4.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——誤碼率524.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——誤碼率造成誤碼的主要內(nèi)部機(jī)理：1）各種噪聲源2）色散引起的碼間干擾3）定時抖動產(chǎn)生的誤碼534.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——靈敏度

Pr=10lg

靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。

提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。靈敏度Pr的定義：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm為單位。由定義得到54

1.理想光接收機(jī)的靈敏度假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。

它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機(jī)噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。

4.2.3光接收機(jī)的靈敏度

Pr=10lg

理想光接收機(jī)靈敏度:55

-65.7-59.2

-71.1-63.8靈敏度pr/dBm

140622

34140速度fb/(Mb.s-1)1.551.31波長/m表4.1理想光接收機(jī)的接收機(jī)4.2.3光接收機(jī)的靈敏度56

2.實際光接收機(jī)的靈敏度

4.2.3光接收機(jī)的靈敏度給定Q值，便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率

Q=對于PIN光電二極管，ND<<NA，g=1，上式可以簡化為

〈P〉min=式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率57動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。根據(jù)定義4.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——動態(tài)范圍

DR=10lg

動態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。58例：

某光纖通信系統(tǒng)中光源平均發(fā)送光功率為-28dBm，光纖線路傳輸距離為20km，損耗系數(shù)為0.5dB/km，（1）試求接收端收到的光功率為多少？（2）若接收機(jī)靈敏度為-40dBm，試問該信號能否被正常接收？（3）若光源平均發(fā)送光功率增大至-10dBm，光接收機(jī)剛好能將其正常接收，試求光接收機(jī)動態(tài)范圍為多少？4.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——動態(tài)范圍59例：

在滿足一定誤碼率的條件下，光接收機(jī)最大接收光功率為0.1mW，最小接收光功率為1000nW，（1）試求接收機(jī)靈敏度和接收機(jī)動態(tài)范圍。（2）已知某個接收機(jī)的靈敏度為-40dBm，動態(tài)范圍為dBm，若收到的光功率為2μW，系統(tǒng)能否正常工作？4.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——動態(tài)范圍60主放大器一般由多級放大器級聯(lián)構(gòu)成，其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平Im。由Im=I1A，得到4.2.3光接收機(jī)的主要指標(biāo)——動態(tài)范圍

主放大器的另一個功能是實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使光接收機(jī)具有一定的動態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時輸出電流基本恒定。

A=

61一、編碼原因

PCM通信系統(tǒng)中的接口速率和碼型，如下表所示。

電端機(jī)0+1--1光端機(jī)0+1（雙極性碼）（單級性碼）4.3光線路編碼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HDB3HDB3HDB3CMI62雙極性與單極性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OOK。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，最大值會達(dá)到正電平的一半。單極性與雙極性信號的編碼如圖所示。63圖

單極性與雙極性信號64簡單的二進(jìn)制編碼的問題：（1）0、1碼隨機(jī)變化，因而直流分量隨機(jī)變化，影響了判決電平。（2）隨機(jī)碼流中容易出現(xiàn)常串連0和連1，使同步提取困難。（3）沒有誤碼檢測能力。所以必須重新編碼。？編碼的要求怎么樣？4.3光線路編碼？思考：簡單的二進(jìn)制碼是否可行？65二、光線路編碼的要求：

（1）限制帶寬,減少功率譜中的高頻和低頻分量，以減少直流分量的變化。

-----有利于電平判決，減少誤碼（2）避免長的連0和連1。

-----有利于定時信息的提?。?）能提供一定的冗余碼

-------冗余碼用于平衡碼流或者誤碼檢測或公務(wù)通信4.3光線路編碼664.3光線路編碼

擾碼

SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼，它是利用一定規(guī)則對信號碼流進(jìn)行擾碼，經(jīng)過擾碼后使線路碼流中的“0”和“1”出現(xiàn)的概率盡量相同，因此碼流中不會出現(xiàn)長連“0”或長連“1”的情況，從而有利于接收端提取時鐘信號。

67

為保證傳輸?shù)耐该餍裕谙到y(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，需要附加一個擾碼器，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，附加一個解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應(yīng)的前饋移位寄存器實現(xiàn)。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…4.3光線路編碼68①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)②沒有引入冗余，不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測；③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，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。擾碼有下列缺點(diǎn)：694.3光線路編碼碼型碼型變換規(guī)則傳輸速率誤碼監(jiān)測適用系統(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（前二個碼為01，11時）10（前二個碼為10，00時）2fi同上分組碼mBnB在nB碼中選擇不均等值小的碼作公共碼；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碼滿足奇校驗規(guī)則（2）P碼滿足偶校驗規(guī)則(m+1)fi/m奇偶校驗mB1C(m+1)fi/m模2和=0mB1H加擾NRZ給輸入NRZ序列加擾fi無SDH表4.1 常用的線路編碼704.3光線路編碼

1．分組碼（mBnB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個二進(jìn)制碼，記為mB，變換為n個二進(jìn)制碼，記為nB，因此稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數(shù)，通常n＞m，一般選取n=m+1。常用的mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。最簡單的mBnB碼是1B2B碼，它是把原信息碼的“0”變換為“01”，把“1”變換為“10”，即曼徹斯特碼。因此最大的連“0”和連“1”的數(shù)目不會超過兩個，例如1001和0110。但是碼速率提高了1倍。

71以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變?yōu)?B碼時補(bǔ)1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變?yōu)?B碼時補(bǔ)1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規(guī)定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。4.3光線路編碼72

01111111111

01101110110

01011101101

01001100100

00111011011

00101010010

00011001001

000010000004B3B

表4.23B和4B的碼字

73作為普遍規(guī)則，引入“碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來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，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。

如果整個碼字“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。

4.3光線路編碼74

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。表4.3示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負(fù)組交替使用。4.3光線路編碼75線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼字WDS碼字-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表4.3一種3B4B碼表4.3光線路編碼76我國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個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數(shù)目，刪去：000011、110000、001111和111100。當(dāng)然禁用WDS=±4和±6的碼字。表4.4示出根據(jù)這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負(fù)組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負(fù)組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。4.3光線路編碼7778線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負(fù)組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續(xù)表79

mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點(diǎn)是：

(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富。

(2)高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小

(3)在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測。

mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。4.3光線路編碼80編譯碼器有兩種編譯碼電路：

?一種是組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(guī)模專用集成塊，國外設(shè)備大多采用這種方法。

?一種是把設(shè)計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。4.3光線路編碼814.3光線路編碼圖4.22碼表存儲編碼器原理824.3光線路編碼

2．插入碼

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)律插入一個碼，組成m+1個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。

834.3光線路編碼

（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，這個補(bǔ)碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。

C碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測；同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。圖844.3光線路編碼

（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；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)測等信息的傳輸。85

（2）mB1H碼常用的插入碼是mB1H碼，有1B1H碼、4B1H碼和8B1H碼。以4B1H碼為例，它的優(yōu)點(diǎn)是碼速提高不大，誤碼增值?。豢梢詫崿F(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

缺點(diǎn)是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進(jìn)行4B1H變換，可以滿足通信系統(tǒng)的要求。

864.3光線路編碼mB碼100000001110…mBlP碼1000000100101101…

（3）mB1P碼在mBlP碼中，P碼稱為奇偶校驗碼，P碼有以下兩種情況。

①P碼為奇校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內(nèi)“1”碼的個數(shù)為奇數(shù)，例如：

當(dāng)檢測得m＋1個碼內(nèi)“1”碼為奇數(shù)時，則認(rèn)為無誤碼。②P碼為偶校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內(nèi)“1”碼的個數(shù)為偶數(shù)，例如：當(dāng)檢測得m+1個碼內(nèi)“l(fā)”碼為偶數(shù)時，則認(rèn)為無誤碼。mB碼100000001110…mBlP碼1001000000111100…87圖4.244B1H編碼器原理88圖4.254B1H譯碼器原理89

3．1B2B碼偽雙極性碼(CMI和DMI)也是一種字變換型碼，也可以認(rèn)為它們是1