光纤通信课件第四章

光纤通信1第4章光端机光纤通信2本章内容和重点本章内容光发送机光接收机光中继器光线路码型本章重点光发送机和光接收机的功能、电路组成和工作原理。光通信常用线路码型。第4章光端机光纤通信3学习本章目的和要求掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理。熟悉光中继器的组成框图及工作原理。掌握光通信常用的线路码型。第4章光端机光纤通信4第4章光端机光发送机与光接收机统称为光端机。光端机位于电端机和光纤传输线路之间，如图4-1所示。图4-1光纤通信系统组成光纤通信系统主要包括光纤（光缆）和光端机。每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分，通信距离长时还要加光中继器。光发送机完成E/O转换，光接收机完成O/E转换，光纤实现光信号的传输，光中继器延长通信距离。光纤通信54.1光发送机作用：是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。对光发送机的要求：（1）有合适的输出光功率光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～5mW。（2）有较好的消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示（4-1）式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。)dB(lg100011PPEXT光纤通信64.1光发送机（3）调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。光纤通信74.1.1光发送机的基本组成数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图4-2。图4-2数字光发送机原理方框图光纤通信84.1.1光发送机的基本组成（1）均衡放大：补偿由电缆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：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。（4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。（5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。（6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。（7）光源：产生作为光载波的光信号。（8）温度控制和功率控制：稳定工作温度和输出的平均光功率。（9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。光纤通信94.1.2光源的调制1．光源光源的作用是产生作为光载波的光信号，对光源的要求是：①发送光波的中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。②电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。③允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大的传输容量。④器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。⑤器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。光纤通信104.1.2光源的调制2．调制方式有直接调制（内调制）和间接调制（外调制）。（1）直接调制①基本概念及调制原理直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。调制原理如图4-3所示。②特点调制简单、损耗小、成本低。但存在波长(频率)的抖动。光纤通信114.1.2光源的调制图4-3直接光强度数字调制原理图4-4间接调制激光器的结构光纤通信124.1.2光源的调制（2）间接调制①基本概念及调制原理间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制，如图4-4所示。②特点调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄，可以应用于≥2.5Gbit/s的高速大容量传输系统之中，而且传输距离也超过300km以上。光纤通信134.1.2光源的调制3．调制特性（1）电光延迟和张弛振荡现象半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图4-5所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。图4-5光脉冲瞬态响应波形光纤通信144.1.2光源的调制（2）码型效应电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失，这种现象称为“码型效应”，如图4-6（a）、（b）所示。用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应，如图4-6（c）所示。图4-6码型效应光纤通信154.1.3调制电路及自动功率控制（1）共发射极LED驱动电路图4-7所示为由三极管组成的共发射极驱动电路，这种驱动电路主要用于以LED作为光源的数字光发射机。适用于10Mbit/s以下的低速率系统。（2）射极耦合跟随器LD驱动电路图4-8是射极耦合跟随器LD驱动电路，适合于LD系统使用。这种电路为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。（3）反馈稳定LD驱动电路图4-9是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控制过程如下：LDbARinPDPDLD1)(PIUUUUUP光纤通信164.1.3调制电路及自动功率控制图4-8射极耦合LD驱动电路图图4-7共发射极驱动电路光纤通信174.1.3调制电路及自动功率控制图4-9反馈稳定LD驱动电路光纤通信184.1.3调制电路及自动功率控制（4）带自动功率控制的LD驱动电路更加完善的带自动功率控制（APC）的电路如图4-10所示。图4-10APC电路原理光纤通信194.1.4温度特性及自动温度控制1．激光器的温度特性温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率ηd产生，如图图4-11（a）和（b）所示。当温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。如图4-12所示“结发热效应”将引起调制失真。光纤通信204.1.4温度特性及自动温度控制图4-11温度引起的光功率输出的变化图4-12结发热效应光纤通信214.1.4温度特性及自动温度控制2．光源的自动温度控制（ATC）（1）温度控制装置的组成温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4-13示出了温度控制装置的方框图。图4-13自动温度控制原理方框图光纤通信224.1.4温度特性及自动温度控制（2）自动温度控制（ATC）原理图4-14示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：)LD()(R)LD()(TTITT致冷器、热沉环境图4-14ATC电路原理光纤通信234.1.4温度特性及自动温度控制注：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。光纤通信244.2数字光接收机光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。光纤通信254.2.1光接收机的基本组成强度调制—直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图4-15所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。图4-15数字光接收机方框图光纤通信264.2.1光接收机的基本组成1．光电检测器光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是：①在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。②波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。③有足够高的响应速度和足够的工作带宽。④产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。⑤光电转换线性好，保真度高。⑥工作性能稳定，可靠性高，寿命长。⑦功耗和体积小，使用简便。光纤通信274.2.1光接收机的基本组成2．放大器光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。前置放大器的的类型目前有3种：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（或跨导前置放大器）。主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。光纤通信284.2.1光接收机的基本组成3．均衡器均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。4．再生电路再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。5．自动增益控制（AGC）AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。光纤通信294.2.2光接收机的噪声特性光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。这些噪声的分布如图4-16所示。光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。图4-16接收机的噪声及其分布光纤通信304.2.2光接收机的噪声特性（1）量子噪声：是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。（2）暗电流噪声暗电流是指无光照射时光电检测器中产生的电流。由于激励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。（3）雪崩管倍增噪声由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。（4）光接收机的电路噪声主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。光纤通信314.2.3光接收机的主要指标数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。（1）光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即(4-2)（2）光接收机的动态范围光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即(4-3))dBm(mW1lg10minRPP)dB(lg1010lg1010lg10minmax3min3maxPPPPD＝光纤通信324.2.3光接收机的主要指标（3）自动增益控制（AGC）AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。自动增益控制（AGC）电路原理框图如图4-17所示。图4-17自动增益控制电路原理框图光纤通信334.3光中继器光信号在传输过程会出现两个问题：①光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；②光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。光