第四章+光发射机与光接收机课件.ppt
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1、1第第4 章章 光发射机与光接收机光发射机与光接收机 2本章内容本章内容l 光线路码型光线路码型l 光发送机光发送机l l 光接收机光接收机l l 光中继器光中继器l l 无源光器件无源光器件本章重点本章重点l l 光通信常用线路码型。光通信常用线路码型。l l 光发送机和光接收机的功能、电路组成和性能。光发送机和光接收机的功能、电路组成和性能。第第4 章章 光发射机与光接收机光发射机与光接收机 34.1 光线路编码光线路编码 PCM通信系统中的接口速率和码型,如表所示。通信系统中的接口速率和码型,如表所示。PDH接口码速率与接口码型接口码速率与接口码型基基 群群二二 次次 群群三三 次次 群
2、群四四 次次 群群接口码速率接口码速率(Mbit/s)2.0488.44834.368139.264接口码型接口码型HDB3HDB3HDB3CMI PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此,在光端机中必须进行码型变换。为此,在光端机中必须进行码型变换。在在PDH系统中,常用的线路编码有系统中,常用的线路编码有分组码分组码mBnB,1B2B码码(CMI、DMI和双相码等)和和双相码等)和插入码插入码,SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。码。线路编码的目的是:线路编码的目的是:误码
3、检测,传输辅助信息误码检测,传输辅助信息44.1 光线路编码光线路编码码码 型型码型变换规则码型变换规则传输速率传输速率误码监测误码监测适用系统适用系统1B2B码码CMI“1”:11,00交替交替“0”:012fi按编码规则检按编码规则检查查PDH双相码双相码“1”:10 “0”:012fi同上同上DMI“1”:11,00交替交替“0”:01(前二个码为(前二个码为01,11时)时)10(前二个码为(前二个码为10,00时)时)2fi同上同上分组码分组码mBnB正负模式交替正负模式交替nfi/m(1)查禁用码)查禁用码字字(2)利用)利用DRS插入码插入码mB1P(1)P码满足奇校验规则码满足
4、奇校验规则(2)P码满足偶校验规则码满足偶校验规则(m+1)fi/m奇偶校验奇偶校验mB1CC=Bm(m+1)fi/m模模2和和=0mB1H混合码混合码加扰加扰NRZ给输入给输入NRZ序列加扰序列加扰fi无无SDH常用的线路编码常用的线路编码5 1分组码分组码 分组码常用分组码常用mBnB表示,每进入表示,每进入mbit,出,出nbit,nm,形成,形成一种一一对应关系。般选取一种一一对应关系。般选取n=m+1。常用的常用的mBnB码有码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和和17B18B等。等。遵循让遵循让“0”,“1”均衡分布的原则,均衡分布的原则,mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困
5、难。码的缺点是传输辅助信号比较困难。4.1 光线路编码光线路编码6 1分组码分组码1B2B码码 (1)CMI码码 CMI码又称传号反转码,它是一种码又称传号反转码,它是一种1B2B码。其变换规则是原码。其变换规则是原码码的的“0”码用码用“01”码码代替,原码的代替,原码的“1”码用码用“00”或或“11”交替交替代替。代替。ITU-T建议建议CMI码作为码作为PDH四次群和四次群和SDH的的STM-1的接口码型。的接口码型。请总结请总结CMI码的优点。码的优点。4.1 光线路编码光线路编码7mB码码100110001101 2插入码插入码 每进入每进入mbit,插入一个码插入一个码组成组成m
6、+1bit输出。输出。(1)mB1C码码mBlC码码1001110100101010优点:能传递丰富的辅助信息及中途方便的上下话路。优点:能传递丰富的辅助信息及中途方便的上下话路。根据插入码的用途不同,可以分为根据插入码的用途不同,可以分为mB1C码、码、mB1H码码和和mB1P码等码等mBC 4.1 光线路编码光线路编码8(2)mB1H码码mBlH码,码,B为信息比特,为信息比特,H码为一个混合码。码为一个混合码。所插入的所插入的H码可以根据不同用途分为三类:码可以根据不同用途分为三类:C码,它是码,它是第第m位码的补码位码的补码,用于在线误码率监测,用于在线误码率监测G码,用于区间通信、帧
7、同步、公务、数据、监测等信息的传输。码,用于区间通信、帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。主要优点:由以上插入码来总结主要优点:由以上插入码来总结缺点:频谱特性不如缺点:频谱特性不如mBnB码码4.1 光线路编码光线路编码9C GF1S1S2S3F2S4S5S6F3S7S8S9F4S10S11S12BBBBH(2)mB1H码举例(码举例(4B1H)注释注释:F 帧同步(帧同步(1001););S5 检测码(监控通道);检测码(监控通道);S11 公务码;公务码;S2S8 为数据码;为数据码;S1S3S4S6S7S9S10S12 区间通信区间通信以上就是此种码型在以上就是此种码型在34M系统中
8、应用的帧结构,请问系统中应用的帧结构,请问4B1H编码编码后的码速是多少?其帧长为多少?后的码速是多少?其帧长为多少?34*5/4=43Mbps 帧长:帧长:32*5=160H H为为C C与与G G的交替混合码。的交替混合码。G G:F F1 1S S1 1S S2 2S S3 3 F F2 2S S4 4S S5 5S S6 6 F F3 3S S7 7S S8 8S S9 9 F F4 4S S1010S S1111S S12124.1 光线路编码光线路编码10 4扰码扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码,码,去除码流中去除码流中长连长连“
9、0”或长连或长连“1”的情况,从而有利于接收端提取时钟信号。的情况,从而有利于接收端提取时钟信号。信号序列扰乱方法有:信号序列扰乱方法有:l l 用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加,这样就能把,这样就能把任何输入信号序列变换为随机序列,但完全随机的序列不能再现。任何输入信号序列变换为随机序列,但完全随机的序列不能再现。l l 用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。用伪随机序列来代替完全随机序列进行扰码与解扰的作用。图图4-20所示为一个五级扰码器和解扰器的构成。所示为一个五级扰码器和解扰器的构成。4.1 光线路编码光线路编码11图4-20
10、 扰乱器与的构成移位寄移位寄存器存器请写出请写出Y=?Y=X()D3Y D5Y设寄存器的初始值为设寄存器的初始值为“00000”输入序列为输入序列为10101010100000000000请问请问Y=?,是否去除了长的连,是否去除了长的连“0”XD1YD2YD3YD4YD5YY=X()D3Y D5Y4.1 光线路编码光线路编码12Y=X()D3Y D5Yaa=0,a=0或或1解扰器的结构构成原理解扰器的结构构成原理 D3Y D5Y ()D3Y D5Y ()X=Y()D3Y D5YY=X()D3Y D5Y4.1 光线路编码光线路编码134.2 光发射机光发射机 光发送机与光接收机统称为光端机。光
11、端机位于电端机和光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,如图所示。纤传输线路之间,如图所示。光纤通信系统组成光纤通信系统组成 光纤通信系统主要包括光纤通信系统主要包括光纤(光缆)和光端机光纤(光缆)和光端机。每一部光。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。光发送机完成光中继器。光发送机完成E/O转换,光接收机完成转换,光接收机完成O/E转换,转换,光纤实现光信号的传输,光中继器延长通信距离。光纤实现光信号的传输,光中继器延长通信距离。14 作用:作用:是把从电端机送来的电信号转
12、变成光信号,并送入光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。纤线路进行传输。性能:性能:(1)有合适的输出光功率()有合适的输出光功率(dBm)光发送机的输出光功率,是指耦合进光纤的功率,亦称入纤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,一般为功率。光源应有合适的光功率输出,一般为0.01mW5mW。(2)有较好的消光比)有较好的消光比 消光比的定义为全消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全码平均发送光功率与全“0”码平均发码平均发送光功率之比。可用下式表示送光功率之比。可用下式表示式中,式中,P11为全为全“1”码时的平均光
13、功率;码时的平均光功率;P00为全为全“0”码时的平均码时的平均光功率。一般要求光功率。一般要求EXT10dB。)dB(lg100011PPEXT 4.2 光发射机光发射机15 (3)调制特性要好)调制特性要好 所谓调制特性好,是指光源的所谓调制特性好,是指光源的PI曲线在使用范围内线性特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。性好,否则在调制后将产生非线性失真。除此之外,还要求除此之外,还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长源寿命长等。等。4.2 光发射机光发射机164.2 光发送机的基本组成光发送机的基本组成 数字光发送机的基本
14、组成包括均衡放大、码型变换、复用、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、光源的控制电路扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路(ATC和和APC)及光源的监测和保护电路等。如图)及光源的监测和保护电路等。如图4-2。图图4-2 数字光发送机原理方框图数字光发送机原理方框图线路编码线路编码 174.2 光发送机的基本组成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。)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)码型变换:将HDB3码或码或CMI码变化为码变化为NRZ码。码。(3)复用:用一
15、个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。)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)扰码:使信号达到“0”、“1”等概率出现,利于时钟提取。等概率出现,利于时钟提取。(5)时钟提取:提取)时钟提取:提取PCM中的时钟信号,供给其它电路使用。中的时钟信号,供给其它电路使用。(6)调制(驱动)电路:完成电)调制(驱动)电路:完成电/光变换任务。光变换任务。(7)光源:产生作为光载波的光信号。)光源:产生作为光载波的光信号。(8)温度控制和功率控制:)温度控制和功率控制:稳定工作温度和输出的平均光功率。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
16、流保护电路、无光告警电)其他保护、监测电路:如光源过流保护电路、无光告警电路、路、LD偏流(偏流(34倍,寿命完结)告警等。倍,寿命完结)告警等。18反馈稳定LD驱动电路LDbAPDPDLD1PIUUUP19 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微和外微分量子效率分量子效率d产生,如下图(产生,如下图(a)和()和(b)所示。)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。脉冲幅度下降。温度引起的光功率输出的变化温度引起的光功率输出的变化20 光源的自动温
17、度控制(光源的自动温度控制(ATC)(1)温度控制装置的组成)温度控制装置的组成 温度控制装置由温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路致冷器、热敏电阻和控制电路组成,图组成,图4-13示示出了温度控制装置的方框图。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21 光源的自动温度控制(光源的自动温度控制(ATC)(2)自动温度控制()自动温度控制(ATC)原理)原理 ATC电路原理电路原理T()(LD)R()(LD)TTIT环境、热沉致冷器注意:注意:Rt是负温度是负温度系数系数22 注:注:温度控制温度控制只能控制温度变化只能控制温度变化引起的输出光功率的变化,引起的输出光功
18、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。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,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,除自动功率控制外,一般还需加自动温度控制电路,因此,除自动功率控制外,一般还需加自动温度控制电路,以使输出光功率达到稳定。以使输出光功率达到稳定。23光发送机小结光发送机小结光发送机的三部分可概括为?光发送机的三部分可概括为?均放均放码变换码变换E/OE/O概括为两部分如何?概括为两部分如何?均
19、放均放码变换码变换电信号处理电信号处理E/O244.3 数字光接收机数字光接收机 光接收机作用:光接收机作用:将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱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;的光信号变换为电信号;并对电信号进行放大、整形、再生后,形成与发送并对电信号进行放大、整形、再生后,形成与发送端相同的电信号,输入到电接收端机;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(并且用自动增益控制电路(AGC)保证稳定的输出。)保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是光接收机中的关键器件是半导体光检测器半导体光检测器,它和接收机中,它和接收机中的的前置
20、放大器前置放大器合称光接收机合称光接收机前端前端。前端性能前端性能是决定光接收机是决定光接收机性能的主要因素。性能的主要因素。25 强度调制强度调制直接检波(直接检波(IM-DD)的光接收机方框图如图所示的光接收机方框图如图所示数字光接收机方框图数字光接收机方框图 主要包括主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟光电检测器、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(恢复电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路)电路等。等。4.3.1 数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成26 1放大器放大器 光接收机的放大器包括光接收机的放大器包括前置放
21、大器和主放大器前置放大器和主放大器两部分。两部分。因为光接收机的噪声主要取决于因为光接收机的噪声主要取决于前端的噪声前端的噪声性能,所以性能,所以对前置放大器要求是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。较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。主放大器一般是主放大器一般是多级放大器多级放大器,它的功能主要是提供,它的功能主要是提供足够足够高的增益高的增益,把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所,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。使输出电信号应保持恒定输出。需的信号电平。使输出电信号应保持恒定输出。主放大器和主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。决定着光接
22、收机的动态范围。4.3.1 数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成27 2均衡器均衡器 均衡器的作用是对已畸变均衡器的作用是对已畸变(失真失真)和有码间干扰的电信号进行均和有码间干扰的电信号进行均衡补偿,减小误码率。衡补偿,减小误码率。3再生电路再生电路 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。号,由判决器和时钟恢复电路组成。4自动增益控制(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
23、出保持恒定。加了光接收机的动态范围,使光接收机的输出保持恒定。4.3.1 数字光接收机的基本组成数字光接收机的基本组成284.3.3 光接收机的主要指标光接收机的主要指标 数字光接收机主要指标有数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。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 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光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin(mW)。工程中常用)。工程中常用毫瓦分贝(毫瓦分贝(dBm)来表示,即)来表示,即)dBm(mW1lg1
24、0minRPP)dB(lg1010lg1010lg10minmax3min3maxPPPPD (2)光接收机的动态范围)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,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(接收机的最低输入光功率(dBm)和最大允许输入光功率)和最大允许输入光功率(dBm)之差()之差(dB)。即)。即29 (3)自动增益控制()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。就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。AGC的作用是的作用是增加了光接收机的动态范围。增加了光接收机的动态范围。自动增益控制
25、(自动增益控制(AGC)电路原理框图如图所示。)电路原理框图如图所示。自动增益控制电路原理框图自动增益控制电路原理框图4.3.3 光接收机的主要指标光接收机的主要指标304.4 光中继器光中继器 光信号在传输过程会出现两个问题:光信号在传输过程会出现两个问题:损耗损耗使光信号的使光信号的幅度衰减幅度衰减,限制了光信号的传输距离;,限制了光信号的传输距离;色散色散特性会造成特性会造成码间干扰码间干扰,使误码率增加。,使误码率增加。以上两点限制了光信号的传输距离与光纤的传输容量。以上两点限制了光信号的传输距离与光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量,必须设置光中继器以补为增加光纤的通信距离
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