光纖通信中的光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)

-----光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)第四章通信學(xué)院工程技術(shù)教研室光端機(jī)的性能指標(biāo)；

光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成；光端機(jī)的組成及工作原理；PDH、SDH兩種傳輸體制；主要內(nèi)容掌握發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能指標(biāo)掌握光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成；掌握發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的框圖和工作原理理解PDH、SDH兩種傳輸體制。教學(xué)重點(diǎn)4.2線路編碼4.5光-電-光中繼器的原理4.1光發(fā)射機(jī)原理4.3光發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成

光纖通信系統(tǒng)、主要由光發(fā)送設(shè)備、光接收機(jī)設(shè)備、光傳輸設(shè)備組成。光發(fā)送設(shè)備和光接收機(jī)設(shè)備常稱為光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，兩者合在一起為光端機(jī)。

光發(fā)射機(jī)作用：把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶信號對光源進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號對光源進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)。4.1光發(fā)射機(jī)原理4.1光發(fā)射機(jī)原理一、光發(fā)射機(jī)框圖擾碼線路編碼調(diào)制電路光源背向光監(jiān)測碼型變換均衡放大輸入碼型變換電路APCAPC光發(fā)送電路時鐘提取告警檢測

圖1光發(fā)射機(jī)的組成框圖電信號光信號

數(shù)字光發(fā)送機(jī)的基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測和保護(hù)電路等。HDB3碼NRZ碼加擾的NRZ碼二、光發(fā)射機(jī)原理

光發(fā)射機(jī)的作用是將從復(fù)用設(shè)備送來的HDB3信碼變換成NRZ碼，接著將NRZ碼編為適合在光纜線路上傳輸?shù)拇a型，最后在進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號并耦合進(jìn)光纖。4.1光發(fā)射機(jī)原理

（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）復(fù)用：用一個大傳輸信道同時傳送多個低速信號。（4）擾碼：使信號達(dá)到“0”、“1”等概出現(xiàn)，利于時鐘提取。（5）時鐘提?。禾崛CM時鐘信號，供給其它電路使用。（6）調(diào)制（驅(qū)動）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。（8）溫度控制和功率控制：穩(wěn)定工作溫度和輸出平均光功率。（9）其他保護(hù)、監(jiān)測電路：如光源過流保護(hù)電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。4.2線路編碼4.5光-電-光中繼器的原理4.1光發(fā)射機(jī)原理4.3光發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成PCM通信系統(tǒng)中的接口速率和碼型，如表1所示。表1 PDH接口碼速率與接口碼型

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)中廣泛使用的是加擾的NRZ碼。各種碼的編碼規(guī)律、傳輸速率如表2所示?；?/p>

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HDB3HDB3HDB3CMI4.2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(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表2 常用的線路編碼4.2光線路編碼

一、分組碼分組碼常用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”。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。

mBnB碼的缺點(diǎn)是傳輸輔助信號比較困難。4.2光線路編碼

二、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。（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。例如：mB碼100110001101…mBlC碼1001110100101010…4.2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。4.2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(yàn)碼，P碼有以下兩種情況。①P碼為奇校驗(yàn)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：②P碼為偶校驗(yàn)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：mB碼100000001110…mBlP碼1001000000111100…4.2光線路編碼三、1B2B碼（1）CMI碼

CMI碼又稱傳號反轉(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。

4.2光線路編碼（3）DMI碼

DMI碼又稱不同模式反轉(zhuǎn)碼，它是一種1B2B碼。其變換規(guī)則是原碼的“1”碼用“00”或“11”交替代替。原碼的“0”碼，若前二個碼為“01”，“11”時用“01”代替，前二個碼為“10”，“00”時用“10”代替。4.2光線路編碼四、擾碼

加擾的NRZ碼：SDH光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用。

形成方法：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。

信號序列擾亂方法有：用一個隨機(jī)序列與輸入信號序列進(jìn)行邏輯加，這樣就能把任何輸入信號序列變換為隨機(jī)序列，但完全隨機(jī)的序列不能再現(xiàn)。用偽隨機(jī)序列代替完全隨機(jī)序列進(jìn)行擾碼與解擾。

4.2光線路編碼圖3

擾亂器與解擾器的構(gòu)成4.2光線路編碼4.2線路編碼4.5光-電-光中繼器的原理4.1光發(fā)射機(jī)原理4.3光發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成4.3光發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo)

光發(fā)射機(jī)的平均輸出光功率衡量光發(fā)射機(jī)的輸出能力，測量平均輸出光功率的儀表是光功率計，光功率單位是dBm。一、光發(fā)射機(jī)的平均輸出光功率4.3光發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo)

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?？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。二、消光比（EXT）4.2線路編碼4.5光-電-光中繼器的原理4.1光發(fā)射機(jī)原理4.3光發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成

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。4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)一、作用

強(qiáng)度調(diào)制—直接檢波（IM-DD）的光接收機(jī)方框圖如圖4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。圖4數(shù)字光接收機(jī)方框圖（動畫）二、框圖4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)1．光電檢測器光電檢測器是把光信號變換為電信號的關(guān)鍵器件，對其要求是：①在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，光電檢測器能輸出盡可能大的光電流。②波長響應(yīng)要和光纖的3個低損耗窗口兼容。③有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。④產(chǎn)生的附加噪聲盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。⑤光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。⑥工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。⑦功耗和體積小，使用簡便。三、各部件功能4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)2．放大器光接收機(jī)的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分。對前置放大器要求是較低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益。前置放大器的的類型目前有3種：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器）。主放大器一般是多級放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來自前置放大器的輸出信號放大到判決電路所需的信號電平。并通過它實(shí)現(xiàn)自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號應(yīng)保持恒定輸出。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動態(tài)范圍。4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)3．均衡器均衡器的作用是對已畸變(失真)和有碼間干擾的電信號進(jìn)行均衡補(bǔ)償，減小誤碼率。

4．再生電路再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號，由判決器和時鐘恢復(fù)電路組成。

5．自動增益控制（AGC）

AGC就是用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。作用是增加了光接收機(jī)的動態(tài)范圍，使光接收機(jī)的輸出保持恒定。4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)AGC就是利用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收機(jī)的動態(tài)范圍。自動增益控制（AGC）電路原理框圖如5所示。圖5自動增益控制電路原理框圖1、光接收機(jī)的靈敏度光接收機(jī)的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分貝（dBm）來表示，即

(4-2)

4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)四、主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)字光接收機(jī)主要指標(biāo)有光接收機(jī)的靈敏度和動態(tài)范圍。光接收機(jī)的動態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)的最低輸入光功率（dBm）和最大允許輸入光功率（dBm）之差（dB）。

2、光接收機(jī)的動態(tài)范圍4.2線路編碼4.5光-電-光中繼器的原理4.1光發(fā)射機(jī)原理4.3光發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成

光信號在傳輸過程會出現(xiàn)兩個問題：①光纖的損耗特性使光信號的幅度衰減，限制了光信號的傳輸距離；②光纖的色散特性使光信號波形失真，造成碼間干擾，使誤碼率增加。以上兩點(diǎn)不但限制了光信號的傳輸距離，也限制了光纖的傳輸容量。為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設(shè)置光中繼器。4.5光-電-光中繼器的原理光中繼器的功能是補(bǔ)償光能量損耗，恢復(fù)信號脈沖形狀有：①補(bǔ)償衰減的光信號；②對畸變失真的信號波形進(jìn)行整形。光中繼器主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼），一種是全光中繼器。

一、光電中繼器的構(gòu)成傳統(tǒng)的光中繼器采用光—電—光（O-E-O）轉(zhuǎn)換形式的中繼器。如圖6所示。圖6典型的數(shù)字光中繼器原理方框圖二、光電中繼器的結(jié)構(gòu)形式有的設(shè)在機(jī)房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光纜在電桿上。4.5光-電-光中繼器的原理

目前全光放大器主要是摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖放大器是一個直接對光波實(shí)現(xiàn)放大的有源器件，其工作原理如圖7所示。用摻鉺光纖放大器作中繼器的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)備簡單，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，對波形的整形不起作用。圖7摻鉺光纖放大器用作光中繼器的原理框圖（動畫）4.5光-電-光中繼器的原理4.2線路編碼4.5光-電-光中繼器的原理4.1光發(fā)射機(jī)原理4.3光發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.4數(shù)字接收機(jī)的組成及技術(shù)指標(biāo)4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)有PDH(準(zhǔn)同步，PlesiochronousDigitalHierarchy)系統(tǒng)、SDH(同步)系統(tǒng)和DWDM系統(tǒng)。4.6PDH傳輸體制及長途光纜系統(tǒng)的構(gòu)成圖8PDH光纜通信系統(tǒng)的組成一、傳輸體制PDH數(shù)字光纜通信系統(tǒng)由PCM基群復(fù)用設(shè)備、高次群數(shù)字復(fù)用設(shè)、光端機(jī)、光中繼機(jī)和光纜等部分組成。PCM基群復(fù)用設(shè)備的主要作用足對話音信號進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后將30個話路進(jìn)行復(fù)接，組成基群幀結(jié)構(gòu)，速率為2048kb／s，在接收端則進(jìn)行相反的處理。高次群數(shù)字復(fù)用設(shè)備包括二次群復(fù)用設(shè)備、三次群復(fù)用設(shè)備、四次群復(fù)用設(shè)備等。其主要作用是將低次群復(fù)接組成高次群。例如．將4個標(biāo)稱速率為2048kb/s

實(shí)際速率為2048kb/s，偏差為的支路信號，曾先進(jìn)行正碼速調(diào)整，都調(diào)到2112kb／s．即讓4個支路速率都達(dá)到同步后．再復(fù)接組成8448kb／s的二次群。在接收端則進(jìn)行相反的變換。光端機(jī)的主要作用是：首先將從復(fù)用設(shè)備送來的信碼進(jìn)行變換，變成NRZ碼；然后進(jìn)行線路編碼，編為適合于光纜線路上傳輸?shù)拇a型；再進(jìn)行電／光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。在接收端，則進(jìn)行相反的變換。光纜的作用是傳送信息。二、系統(tǒng)構(gòu)成及作用

光中繼機(jī)的作用是進(jìn)行均衡、判決、再生，以延長傳輸距離。在光中繼機(jī)中要進(jìn)行光／電／光變換，先將從光纜送來的光信號變?yōu)殡娦盘枺缓髮﹄娦盘栠M(jìn)行處理，處理完成后又將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，送往下一段光纜繼續(xù)傳送(當(dāng)然，如果使用光纖放大器，就不必進(jìn)行光／電／光變換了)。PDH系列有兩種制式，一種是以1544kb／s為第一級比特率而構(gòu)成的，另一種是以2048kb/s為第一級比特構(gòu)成的。我國使用后一種制式，其基群、二次群、三次群、四次群的速率依次為2048kbps、8448kbps、34368kbps、139264kbps，話務(wù)容量為30、120、480、1920路。三、PDH系列有兩種制式圖27所示的是PDH光纜通信系統(tǒng)的一例。圖中MUX1—基群復(fù)用設(shè)備；MUX3—三次群復(fù)用設(shè)備；MUX2—二次群復(fù)用設(shè)備；MUX1-3—三次群跳群復(fù)用設(shè)備MUX4—四次群復(fù)用設(shè)備；0LT2—二次群光端機(jī)；OLT3—三次群光端機(jī)；OLT4一四次群光端機(jī)；接口0—音頻或64kb／s接口；接口1—2048kb／s接口；接口2—8448kb／s接口；接口3—34368kb／s接口；接口4—139264kb／s接口；四、PDHC長途光纜通信系統(tǒng)的構(gòu)成圖9PDH光纜通信系統(tǒng)舉例S點(diǎn)—光接口。S點(diǎn)是緊靠著光發(fā)送機(jī)的話動連接器盾的參考點(diǎn)，是光發(fā)送機(jī)與光纜線路之間的互連點(diǎn)；R點(diǎn)—光接口。R點(diǎn)是緊靠著光接收機(jī)的活動連接器前的參考點(diǎn)，是光接收機(jī)與光纜線路之間的互連點(diǎn)；REG一光中繼機(jī)。復(fù)用設(shè)備機(jī)架間連線使用同軸線，接口1、接口2、接口3的碼型為HDB3碼，接口4的碼型為CMI碼。1、二次群光纜通信系統(tǒng)的組成

由圖可見，由MUX1、MUX2、OLT2、光纜、光中繼機(jī)等就可組成二次群光纜通信系統(tǒng)。接口1、接口2為電接口，S和R點(diǎn)為光接口。系統(tǒng)的傳輸容量為120路。2、三次群光纜通信系統(tǒng)的組成