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1、第四章 光檢測器和光接收系統(tǒng),數字光接收機的功能是:把經光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號轉換為電信號，并放大處理，恢復為原始的數字碼流。 主要性能指標：靈敏度和動態(tài)范圍 4.1 光接收機基本組成 直接強度調制，采用直接檢測方式的數字光接收機方框圖示于圖4.14。 主要包括： 光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、 時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。,圖 4.14 數字光接收機方框圖,光檢測器,偏壓控制,前置放大器,AGC,電路,均衡器,判決器,時鐘,提取,再生碼流,主放大器,光信號,1. 光檢測器 光檢測器是光接收機實現光/電轉換的關鍵器件，其性能特別是響應

2、度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。 對光檢測器的要求如下： (1) 波長響應要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 響應度要高， 在一定的接收光功率下， 能產生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號； (4) 性能穩(wěn)定， 可靠性高， 壽命長， 功耗和體積小。 目前， 適合于光纖通信系統(tǒng)應用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。,2. 放大器 前置放大器應是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。 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(參看4.2.2節(jié))。 主放大器一般是多級放大器，

3、它的作用是： （1）提供足夠的增益 （2）并通過它實現自動增益控制(AGC)，使輸入光信號在一定范圍內變化時， 輸出電信號保持恒定。 主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。,3. 均衡和再生 均衡的目的： 對經光纖傳輸、光/電轉換和放大后已產生畸變(失真)的電信號進行補償。 使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。 再生電路包括：判決電路和時鐘提取電路 再生電路功能：從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。,4. 光電集成接收機 圖4.14中除光檢測器以外的所有元件都是標準的電

4、子器件， 很容易用標準的集成電路(IC)技術將它們集成在同一芯片上。 不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術都能夠使集成電路的工作帶寬超過2 GHz，甚至達到10 GHz。 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，即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件。,對于工作在1.31.6 m波長的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機。 在1991年試驗成功的單路InGaAs OEIC接收機，其運行速率達5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收機也可以用混合法實現。 如圖4.15所示， 電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在In

5、P基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。,圖 4.15 光電集成接收機,4.2 光檢測器,4.2.1 光電二極管工作原理 光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能， 是由半導體PN結的光電效應實現的。,在耗盡層兩側是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下， 形成和漂移電流相同方向的擴散電流。 漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。當與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產生電動勢，這種效應稱為光電效應。 當連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)， 便形成了光生電流。 當入射光變化時，光生電

6、流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號。 這種由PN結構成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產生的電子 - 空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。,如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當的反向偏壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴散分量。 由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時間， 使響應速度減慢。 為了解決這一矛盾， 就需要改進PN結光電二極管的結構。,4.2.2 PIN 光電二極管 PIN光電二極管的

7、產生 由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉換效率低，響應速度慢。 為改善器件的特性，在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結構便是常用的PIN光電二極管。,PIN光電二極管的工作原理和結構見圖3.20和圖3.21。 中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用(N)表示；兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P+和N+表示。 I層很厚， 吸收系數很小，入射光很容易進入材料內部被充分吸收而產生大量電子 - 空穴對，因而大幅度提高了光電轉換效率。 兩側P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據整個耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支

8、配地位，從而大大提高了響應速度。 另外，可通過控制耗盡層的寬度，來改變器件的響應速度。,圖3. 21 PIN光電二極管結構,式中， hf 為光子能量， e為電子電荷。,(3.13),(3.14),PIN光電二極管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光譜特性。 光電轉換效率用量子效率或響應度表示。量子效率的定義為一次光生電子 -空穴對和入射光子數的比值,響應度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值,式中，()和分別為I層的吸收系數和厚度。由式(3.15)可以看到，當()1時，1，所以為提高量子效率，I層的厚度要足夠大。,（1）量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結構。 假設器件表面

9、反射率為零，P層和N層對量子效率的貢獻可以忽略， 在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為,(3.15),（2） 量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收光譜()，對長波長的限制由式(3.6)確定，即c= h c/Eg。 圖3.22示出量子效率和響應度的光譜特性，由圖可見，Si 適用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 適用于1.31.6 m波段。響應度一般為0.50.6 (A/W)。,圖3-22 PIN光電二極管響應度 、量子效應率 與波長 的關系,(二) 響應時間和頻率特性。 光電二極管對高速調制光信號的響應能力用脈沖響應時間或截止頻率fc(帶寬B)表

10、示。 對于數字脈沖調制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間r和脈沖下降時間f。 當光電二極管具有單一時間常數0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數函數exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應時間 =r=f=2.20 (3.16),對于幅度一定，頻率為=2f 的正弦調制信號，用光生電流I()下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當光電二極管具有單一時間常數0時，,（3.17）,PIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間d和包括光電二極管在內的檢測電路RC常數所確定。,當調制頻率與

11、渡越時間d的倒數可以相比時， 耗盡層(I層)對量子效率()的貢獻可以表示為,(3.18),由()/(0)= 得到由渡越時間d限制的截止頻率,（3.19）,式中，渡越時間d= /vs， 為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場強度。 由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 減小耗盡層寬度，可以減小渡越時間d，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率。,圖3.23 內量子效率和帶寬的關系,式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負載電阻的總和，Cd為結電容Cj和管殼分布電容的總和。,式中，為材料介電常數，A為結面積，w為耗盡層寬度。,(3.20),(3.21),(三) 噪聲。 噪聲影響光

12、接收機的靈敏度。 噪聲包括散粒噪聲(Shot Noise)(由信號電流和暗電流產生) 熱噪聲(由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生) （ 1 ）均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22) e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。 2eIPB 稱為量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產生) 2eIdB是暗電流產生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產生的反向直流電流。,（1）均方熱噪聲電流, 式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結果。

13、 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為,4.2.3 雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流 I和反偏壓U的關系示于圖3.24。 隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。 當反向偏壓增加到一定數值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。 APD就是根據這種特性設計的器件。 根據光電效應，當光入射到PN結時， 光子被吸收而產生電子 - 空穴對。,如果電壓增加到使電場達到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。 高速運動的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產生新的電子 - 空穴對。 新產生的二次電子再次和原子碰撞。 如此多次

14、碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。 所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。,圖 3.24 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系,圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）,APD的響應度比PIN增加了g倍。,U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關的常數，R為體電阻。 當UUB時，RIo/UB1，上式可簡化為,對APD特性新引入的參數是倍增因子和附加噪聲指數 倍增因子 倍增因子g(一次光生電流產生的平均增益的倍數)定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。,(3.25),(3.26),(3.27),2. 過剩噪聲因子 雪

15、崩效應不僅對信號電流而且對噪聲電流同樣起放大作用。APD的均方量子噪聲電流為 i2q=2eIPBg2 (3.26a) 這是對噪聲電流直接放大產生的，并未引入新的噪聲成分。 引入新的噪聲成分， 并表示為附加噪聲因子F。 F(1)是雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數，設F=gx，APD的均方量子噪聲電流應為 i2q=2eIPBg2+x (3.26b) 式中， x為附加噪聲指數。,同理，APD暗電流產生的均方噪聲電流應為 i2d=2eId Bg2+x (3.27) 附加噪聲指數x與器件所用材料和制造工藝有關 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0

16、.50.7。 當式(3.26)和式(3.27)的g=1時，得到的結果和PIN相同,4.2.4 光電二極管一般性能和應用 表3.3和表3.4列出半導體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。 APD是有增益的光電二極管，在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。 靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN-PD。,4.3 光接收機的特性 4.3.1 噪聲特性 光接收機的噪聲有兩部分： 外部電磁干擾產生 這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除； 內部產生 這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設計與制造盡可能減小， 一般不可能完全消除。

17、,我們要討論的噪聲是指內部產生的隨機噪聲。 光接收機噪聲的主要來源是:光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是經前置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。,圖 4.16 光接收機的噪聲等效模型,圖4.16示出光接收機的噪聲等效模型， 由光檢測器和放大器兩部分組成。 iq2光檢測器的量子噪聲產生的均方噪聲電流(等效噪聲功 率) ，相應的功率譜密度表示為 Sq id2光檢測器的暗電流噪聲產生的均方噪聲電流(等效噪聲功率)， 其相應的功率譜密度 Sd ip 光檢測器的輸出光生電流 R 光檢測器的偏置電阻

18、C 光檢測器的電容(結電容和其他電容),放大器分解為: 理想放大器 等效噪聲電流源i02相應的功率譜密度 SI 等效噪聲電壓源u02，相應的功率譜密度SE Rin放大器的輸入電阻。,折合到電放大器輸入端的噪聲主要包括光檢測器產生的量子 噪聲、暗電流噪聲和電阻熱噪聲及放大器產生的噪聲。它們 的電流均方值分別為,其中， 為一次光生信號電流，Id 為暗電流。,放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型， 根據放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計算。常用三種類型前置放大電路示于圖4.17，,這樣，折合到放大器輸入端的均方噪聲電流為,圖 4.17 光接收機的前置級放大電路 (a) 雙極型晶體管； (b)

19、 場效應管； (c) 跨阻型,三種類型前置放大器的比較： (1) 雙極型晶體管前置放大器的主要特點是輸入阻抗低， 電路時間常數RC小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。 (2) 場效應管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高， 噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。 (3) 跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。,4.3.2 誤碼率 由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個隨機過程， 其取樣值是隨機變量，因此在判決時可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。 光接收機對碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下

20、，等于誤比特率，BER)， 用較長時間間隔內，在傳輸的碼流中，誤判的碼元數和接收的總碼元數的比值來表示。 碼元被誤判的概率， 可以用噪聲電流(壓)的概率密度函數來計算。 如圖4.18所示，I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。 Im是“”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。,圖 4.18 計算誤碼率的示意圖,在“”碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流I1D，則可能被誤判為“”碼。 要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。 光接收機輸出噪聲的概率分布十分復雜，一般假設噪聲電流(或電壓)的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數為

21、:,式中x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值， 其均值為零，方差為2。,(4.8),在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設了噪聲的概率分布后， 現在可以分別計算“0”碼和“”碼的誤碼率了。 在發(fā)“0”碼時， 平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器的平均噪聲功率。 這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流)。由式(4.8)得到發(fā)“0”碼的條件下噪聲的概率密度函數為 :,(4.9),根據誤碼率的定義，把“0”碼誤判為“1”碼的概率， 應等于I0值超過D值的概率，即,式中x=I0/,在發(fā)“1”碼時，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。

22、 這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為D，則只要取樣值Im-I1Im-D或I1-ImD-Im，就可能把“”碼誤判為“0”碼。,(4.10a),式中y=(I1-Im)/ 。 “0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”碼和“1”碼等概率的碼流而言，一般認為Pe,01=Pe,10時，可以使誤碼率達到最小。,(4.11a),把“1”碼誤判為“0”碼的概率為：,因此，總誤碼率(BER)可以表示為：,(4.12),Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對“0”碼進行取樣判決時，判決門限值D超過放大器平均噪聲電流 的倍數。,由此可見，只要知道Q值，就可根據式(4.12) 的積分求出

23、誤碼率，結果示于圖4.19。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。,圖4.19 誤碼率和Q的關系,Pr =10lg (4.14),4.3.3 靈敏度 靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標。靈敏度Pr的定義是，在保證通信質量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm為單位。由定義得到,靈敏度表示光接收機調整到最佳狀態(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。,1. 理想光接收機的靈敏度 假設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 - 空穴對所產生的光電流， 這種接收機稱

24、為理想光接收機。 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噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。,首先考慮理想光接收機的誤碼率。當光檢測器沒有光輸入時， 放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”碼誤判為“”碼的概率為0，即Pe, 01=0。 產生誤碼的惟一可能就是當一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產生光電流，放大器沒有電流輸出。 這個概率，即“1”碼誤判為“0”碼的概率Pe, 10=exp(-n)，n為一個碼元的平均光子數。 當“0”碼和“1”碼等概率出現時， 誤碼率為： n為一個碼元平均光子數,現在考慮理想光接收機的靈敏度。設傳輸的是非歸零碼(NRZ)，每個光脈

25、沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb， 一個碼元平均光子數為n，那么光接收機所需最小平均接收功率為 :,式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結果，h=6.62810-34Js為普朗克常數，f=c/，f、分別為光頻率和光波長，c為真空中的光速, 為光/電轉換時的量子效率。 利用Tb=1/fb，fb為傳輸速率,Pr= 10 lg (4.17),對于數字光纖通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率 ，根據式(4.15)得到n21。 這表明至少要有21個光子產生的光電流， 才能保證判決時誤碼率小于或等于10-9。 設=0.7，并把相關的常數代入式(4.17)， 計算出的不同和不同fb的Pr值列于表4.1。 這

26、是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。 由表 4.1 我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關系。,把這些關系代入式(4.16)， 得到理想光接收機靈敏度:,2. 實際光接收機的靈敏度 影響實際光接收機靈敏度的因素很多，計算也十分復雜， 這里只作簡要介紹。利用誤碼率的公式(4.12)、(4.13)可以計算最小平均接收光功率。 為此，應建立超擾比Q與入射光功率的關系。在發(fā)“0”碼的情況下，入射信號的光功率P0=0，輸出光電流I0=0。在發(fā)“1”碼的情況下，入射信號的光功率P1和光電流Ip1的關系為,式中，g為APD倍增因子(對于PINPD，g=1)，為

27、光檢測器的響應度，P=(P1+P0)/2為“0”碼和“”碼的平均光功率。,Q= (4.19),式中，N0和N1分別為傳輸“0”碼和“1”碼時的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，,（4.20）,在放大器輸出端“”碼的平均電流Im=I1A，A為放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到,給定Q值， 便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率,N0=NA N1=NA+ND 式中，NA是前置放大器的平均噪聲功率， 如式(4.4)式(4.7)所示；ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率， ， 為均方量子噪聲電流，如式(3.22)和式(3.26)所示。 對于PIN光電二極管，NDNA，g

28、=1，式(4.20)可以簡化為,式中nA=NA/A2是折合到輸入端的放大器噪聲功率。,設PIN-PD光接收機的工作參數如下：光波長=0.85 m，傳輸速率fb=8.448Mb/s，光電二極管響應度=0.4，互阻抗前置放大器(FET)的nA10-18。要求誤碼率Pe=10-9，即Q=6， 由式(4.21)計算得到Pmin=1.510-8W，Pr=-48.2 dBm。 這樣計算光接收機的靈敏度是一種粗略的方法，其中沒有考慮下列因素：波形引起的碼間干擾的影響；均衡器頻率特性的影響；光檢測器暗電流和信號含直流光的影響。,圖4.20示出典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關系曲線。圖中誤碼率限定為110

29、-9，假設光檢測器量子效率=0.5， 附加噪聲系數x=0.4，暗電流Id=1nA，滾降因子=1， 相對脈沖展寬/T=0.3。 由圖可見，在限定誤碼率的條件下， 決定光接收機靈敏度的主要因素是： 傳輸速率和光檢測器 前置放大器的噪聲特性 作為例子，圖4.21示出一個長波長系統(tǒng)的實測誤碼率和平均接收光功率的關系。,圖 4.20 典型短波長光接收機靈敏度與傳輸速率的關系的關系,4.21 實測誤碼率與平均接收光功率,A= (4.22),4.3.4 自動增益控制和動態(tài)范圍 放大器是一個普通的寬帶高增益放大器， 由于前置放大器輸出信號幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。 主放大器一般由多級放大器級聯(lián)

30、構成， 其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平Im。Im=Ip1A，利用式(4.18)得到,式中，g為APD倍增因子，為光檢測器的響應度，P為“0”碼和“1”碼的平均光功率。 主放大器的另一個功能是實現自動增益控制(AGC)，使光接收機具有一定的動態(tài)范圍，以保證在入射光強度變化時輸出電流基本恒定。,DR = 10lg (4.23),對于APD光接收機，AGC控制光檢測器的偏壓和放大器的輸出； 對于PIN光接收機，AGC只控制放大器的輸出。,動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率Pmax和所需最小平均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。根據

31、定義,動態(tài)范圍是光接收機性能的另一個重要指標，它表示光接收機接收強光的能力，數字光接收機的動態(tài)范圍一般應大于15 dB。,由于使用條件不同，輸入光接收機的光信號大小要發(fā)生變化，為實現寬動態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流運算放大器構成的反饋控制電路來實現。,4.4 線路編碼,在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸的雙極性碼。光源不可能發(fā)射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數字光纖通信系統(tǒng)傳輸的要求。 數字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“”碼， “無光脈沖”表示“0”碼。,簡單的二電平碼會帶來如下問題： 在碼流中，出現“”碼和“0”碼的個

32、數是隨機變化的， 因而直流分量也會發(fā)生隨機波動(基線漂移)， 給光接收機的判決帶來困難。 在隨機碼流中，容易出現長串連“”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產生較大的定時誤差。 不能實現在線(不中斷業(yè)務)的誤碼檢測， 不利于長途通信系統(tǒng)的維護。,數字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸的透明性，具體要求有： (1) 能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、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的靈敏度。 (2) 能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“”碼和連“0”碼的數目，使“1”碼和“0”碼的分

33、布均勻， 保證定時信息豐富。 (3) 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。,4.4.1 擾碼 為了保證傳輸的透明性，在系統(tǒng)光發(fā)射機的調制器前， 需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。 相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應的前饋移位寄存器實現。 擾碼改變了“”碼與“0”碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。,例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0

34、0 1 1 , 不能完全控制長串連“”和長串連“0”序列的出現 沒有引入冗余， 不能進行在線誤碼監(jiān)測； 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：,4.4.2 mBnB碼 mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內輸出。 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， nm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6

35、B、 8B9B、 17B18B等等。,1. mBnB碼編碼原理 最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的連“”和連“”的數目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特， 碼速提高了1倍。,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，見表4.2。 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。 設計者應根據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1個“”；

36、在3B碼中有2個“1”， 變?yōu)?B碼時補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。,作為普遍規(guī)則，引入“碼字數字和”(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“碼字數字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個碼字的代數和即為WDS。 如果整個碼字“”碼的數目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數目多于“1”碼， 則WDS為負；如果“0”碼和“1”碼的數目相等，則WDS為0。 例如：對于0111，WDS=

37、+2；對于0001， WDS=-2；對于0011，WDS=0。,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 示出根據這個規(guī)則編制的一種3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。,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

38、連“”和連“0”的數目， 刪去： 000011、 110000、 001111和111100。 當然禁用WDS=4和6的碼字。 表4.4示出根據這個規(guī)則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。 表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。,mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數目較少，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

39、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量的區(qū)間通信的設備中，不宜用這種碼型。,2. 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， 國外設備大多采用這種方法。 一種是把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內而構成，國內設備一般采用這種方法。 以3B4B碼為例，碼表存儲編碼器的工作原理示于圖4.22。 首先把設計好的碼表存入PROM內，待變換的信號碼流通過串 - 并變換電路變?yōu)?比特一組的碼b1、b2、b3，并行輸出作為PROM的地址碼，在地址碼作用下，PROM根據存儲的碼表， 輸出與地址對應

40、的并行4B碼，再經過并 - 串變換電路，讀出已變換的4B碼流。,圖 4.22 碼表存儲編碼器原理,圖中A、B、C三條線為組別控制控制線，當WDS=2時， 從A、B分別送出控制信號， 通過C線決定組別。 譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。 譯碼時，把送來的已變換的4B信號碼流，每4比特并聯(lián)為一組， 作為PROM的地址，然后讀出3B碼，再經過并 - 串變換還原為原來的信號碼流。 其他的mBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度有所區(qū)別而已。,4.4.3 插入碼 插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB)-一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線

41、路碼流。 根據插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。,1. 插入碼的編碼原理 mB1C碼的編碼原理是，把原始碼流分成每m比特(mB)一組， 然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼，這個補碼稱為C碼， 所以稱為mB1C碼。補碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數目最少。,mB1C碼的結構如圖4.23所示，例如： mB碼為： 100 110 001 101 mB1C碼為： 1001 1101 0010 1010,C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測； 同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。,mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部

42、分C碼，并在相應的碼位上插入一個混合碼(H碼)，所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據不同用途分為三類： 第一類是C碼，它是第m位碼的補碼，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、數據、監(jiān)測等信息的傳輸。,圖 4.23 mB1C碼的結構,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)點是碼速提高不大，誤碼增值??； 可以實現在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。 缺點是碼流的頻譜特性不如mBnB碼。但在擾碼后再進行4B1H變換， 可以滿足通信系統(tǒng)的要求。,在mB1P碼中，P碼稱為奇偶校驗碼， 其作用和C碼相似， 但P碼有以下兩種情況： (1) P碼為奇校驗碼時， 其插入規(guī)律是使m+1個碼內“1”碼的個數為奇數， 例如：,mB碼為： 100 000 001 110 mB1P碼為： 1000 0001 0010 1101 當檢測得m+1個碼內“”碼為奇數時，則認為無誤碼。,(2) P碼為偶校驗碼時，其插入規(guī)律是使m+1個碼內“”碼的個數為偶數，,例如： m B碼為： 100 000 001 110