第3章光收发设备(电路及系统)

1第3章光收发设备3.1IM-DD光纤通信系统3.2衰减和色散队中继距离的影响3.3噪声及灵敏度分析23.1IM-DD光纤通信系统3.1.1光纤通信中的线路码型3.1.2IM-DD光纤通信系统的结构33.1.1光纤通信中的线路码型•在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信号，而由交换机送来的电信号符合ITU-T所规定的脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码速率和码型。–HDB3（三阶高密度双极性码）–CMI（反转码）•PCM系统中的这些码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输43.1.1光纤通信中的线路码型•在PDH光纤通信系统中是通过重新编码，通常称为线路编码，即在原有的码流中插入脉冲。•在PDH光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码、伪双极性码(CMI和DMI)和插入码。•使用不同的线路编码，光端机的输出信号速率不同。因此在PDH系统中仅具有标准的电接口，而无标准的光接口。•但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同53.1.2IM-DD光纤通信系统的结构1．光发射机2．光接收机3．光纤通信系统61．光发射机(1)•光源所采用的调制方式包括内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。•在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。•通常内调制适用于半导体光源。•据调制信号的性质不同，内调制又可分为模拟信号的调制和数字信号的调制。71．光发射机•半导体光源的直接调制原理81．光发射机•光数字发射机原理图91．光发射机(2)①②③④此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长101．光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能①均衡放大：补偿由传输所产生的衰减和畸变。②码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。③复用：复用是指利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的信息以及开销信息的过程。111．光发射机④扰码•为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。•解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢复信号码流原来的状态。经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。•⑤时钟：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。121．光发射机⑥调制(驱动)•经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。13驱动电路共发射极驱动电路14驱动电路IM+IBIBIM单管集电极驱动Uin=0:BG截止，LD不发光；Uin=1:BG导通，有LD发光；IM+IB15驱动电路射极耦合LD驱动电路图Uin=1：BG1导通，BG2截止，LD无激光；Uin=0：BG1截止，BG2导通，LD有激光；16驱动电路反馈稳定LD驱动电路LDbARinPDPDLD1)(PIUUUUUP171．光发射机⑦自动功率控制•由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的•为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路。181．光发射机•激光器老化使输出光功率降低191．光发射机•激光器温度变化引起输出功率的变化20自动功率控制电路PLD降低，IPIN降低，VA1降低，VA3升高，IB增大，PLD增大。21APC电路原理PLD降低，IPD降低，VA1降低，VA3升高，IB增大，PLD增大。221．光发射机⑧自动温度控制•特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输•在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。23LD的温度特性•环境温度变化引起输出光功率的变化24LD的温度特性结发热效应25自动温度控制•自动温度控制电路方框图26自动温度控制自动温度控制（ATC）原理)LD()(R)LD()(TTIVVTTAB致冷器、热沉环境27自动温度控制注：温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化。对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。281．光发射机⑨其他保护、监测电路•LD保护电路•无光告警电路292．光接收机•数字光纤通信接收光端机方框图302．光接收机①•光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换功能。•目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称为APD管。后者具有信号放大的作用。312．光接收机②•由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称•对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的，它应具有低噪声、高增益的特性，这样321）低阻型前置放大器——从频带的要求出发选择偏置电阻，使之满足下式的要求。BW为码速率所要求的放大器的带宽tWtCBR212．光接收机332．光接收机2）高阻型前置放大器——一般只在码速率较低的系统中使用3）跨（互）阻型前置放大器——实际上是电压并联负反馈放大器。当考虑其频率特性时，上截止频率为：宽频带、低噪声；动态范围比高阻型前置放大器有很大改善。tHCRf121342．光接收机•1319型高速光纤接收组件352．光接收机•主放大器的作用有下述两个方面。–将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。–它还是一个增益可调节的放大器。•一般主放大器的峰—峰值输出是几伏数量级。362．光接收机•LG1605限幅放大器37•级联放大器的噪声系数1211PKNFNFNFNF1:前置放大器的噪声系数KP1:前置放大器的功率增益系数382．光接收机④•拖尾现象•采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。•这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，392．光接收机•未经均衡出现的脉冲拖尾现象402．光接收机•单个脉冲均衡前后波形的比较412．光接收机⑤•判决器由判决电路和码形成电路构成。•判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路。•脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号422．光接收机⑤判决器和时钟恢复电路•判决电路和码形成电路可由与非门电路和R-S(复位—位置)触发器来构成。432．光接收机•脉冲再生电路原理方框图442．光接收机•信号再生示意图452．光接收机•时钟恢复电路方框图46c)——将幅度判决输出的NRZ矩形脉冲序列变为RZ矩形脉冲序列，以利于提取时钟信号。472．光接收机•NRZ码的功率谱密度分布图482．光接收机•RZ码功率谱密度分布图492．光接收机•一种非线性处理电路502．光接收机•非线性处理电路中的波形图512．光接收机d)调谐放大——它的作用是用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率fb的简谐波，经调谐放大后的波形如图4-17(d)所示。52e)限幅:——经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图4-17(e)所示的波形。53f)整形、移相——整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到如图4-17(f)所示的时钟信号。542．光接收机•时钟恢复电路波形图552．光接收机⑥•光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm描述)之差，其单位为dB。•它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就是光接收机的动态范围。minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD562．光接收机⑥•光接收机的自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。572．光接收机•自动增益控制工作原理方框图582．光接收机⑦•将判决器输出的信号进行解扰码和码型变换处理以恢复原码流。•发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接592．光接收机⑧•辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等。602．光接收机•STM-16光接收器电原理图613．光纤通信系统•IM-DD光纤通信系统原理框图623．光纤通信系统(1)•光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传输。633．光纤通信系统•最简单的光中继器原理方框图643．光纤通信系统•实用的中继器方框图653．光纤通信系统(2)•监控系统为监视、监测和控制系统的简称。•在光纤通信的监控系统中，通常采用的是集中监控方①•监控的内容分别包括监视和控制两部分。②•在数字通信系统中采用时分复用的方式来完成监控信号的传输，但不同的传输体制，其监控信号的传输方式有所区别。663.2衰减和色散对中继距离的影响3.2.1衰减和色散对中继距离的影响3.2.210Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路3.2.3使用光放大器的SDH高速线路673.2.1衰减和色散对中继距离的影响1．衰减对中继距离的影响2．色散对中继距离的影响3．最大中继距离的计算681．衰减对中继距离的影响•一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损耗和微弯带来的附加损耗。•构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。•引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。692．色散对中继距离的影响•光纤自身存在色散，即材料色散、波导色散和模式色散。•对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单模光纤只包括材料色散和波导色散。•除此之外，还存在着与光纤色散有关的种种因素，其中比较重要的有三类：码间干扰、模分配噪声和啁啾声。702．色散对中继距离的影响(1)码间干扰对中继距离的影响•系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大，光源谱宽越宽。712．色散对中继距离的影响(2)模分配噪声对中继距离的影响①激光器的光谱特性②722．色散对中继距离的影响•普通激光器的静态和动态谱线732．色散对中继距离的影响•高速调制时多纵模的随机起伏742．色散对中继距离的影响(3)啁啾声对中继距离的影响•对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子密度的变化随注入电流的变化而变化。这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是频率啁啾现象。•因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就会存在随机成分，这就是一种噪声——啁啾声。753．最大中继距离的计算•中继距离是光纤通信系统设计的一项主要任务。•在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素。763．最大中继距离的计算(1)•在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高。•极限值设计法773．最大中继距离的计算（2）①②光纤每公里带宽与L③光纤带宽与半功率点宽度W④a多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LEDb单纵模激光器（SLMc783.2.210Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光线路1．光源频率啁啾影响2．光纤的色散特性影响3．极化模色散的影响4791．光源频率啁啾影响•为了能够直观地度量其影响，因此引入啁啾系数a来评估光源的频率啁啾影响。•啁啾系数的定义如下：dtdPPdtda21802．光纤的色散特性影响•通常将接收机灵敏度下降1dB光纤长度称为色