7光端机

null第六章：光端机 第六章：光端机 6.1光源与光纤的耦合 6.2光调制 6.3光发射机 6.4光接收机 6.5光接收机噪声分析 6.6光接收机的误码率和接收灵敏度 6.7光中继器 6.1光源与光纤的耦合6.1光源与光纤的耦合 从光源发射出来的光功率尽可能多地送入光纤中传输，这就是光源与光纤的耦合问题。 1) 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合效率η，它定义为 η=PF/PS (6-1-1) 式中： PF—耦合进入光纤的光功率 PS—光源发射的功率。null2) 光源与光纤的耦合效率：与光源的类型(LED或LD)及光纤的类型(多模光纤或模光纤)有关。 LD与单模光纤的耦合效率较高，可以达到30～50%，而LED与单模光纤的耦合效率较低，可能小于1%。 null3) 光源与光纤的耦合方法，一般采用下面两种： 直接耦合和透镜耦合光源与光纤的透镜耦合如图所示光源与光纤的透镜耦合如图所示null一个理想的微透镜耦合结构应用下列四个特征： 足够大的数值孔径收集激光辐射 焦距完全匹配于激光器和光纤的模式 无球差 端面应增透镀覆以消除反射。6.2 光调制6.2 光调制要实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。 根据调制与光源的关系，光调制可分为：直接调制和间接调制。  1光源的直接调制1光源的直接调制直接调制就是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是光源的发光强度调制(IM)。 直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信系统中广泛采用的调制方式。 从调制信号的形式来说，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制null模拟调制: 类是利用模拟基带信号（未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流和低频开始,因而称为基带信号）直接对光源进行调制； 采用连续或脉冲的射频波（射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。)）作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。 由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。 数字调制:主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。 2LD调制特性2LD调制特性LD的直接调制具有许多突出的特点，它在光纤通信系统中应用极其广泛。 LD的调制特性如下： (1) 电光延迟 (2) 张驰振荡 (3) 小信号输入的频率响应 (4) 频率啁啾3光源的外部调制3光源的外部调制 光源内调制的优点是电路简单容易实现，但是，在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光源的外调制方式。 目前使用的外调制方式有： (1) 电光调制 (2) 声光调制 (3) 磁光调制6.3 光发射机 6.3 光发射机 1对光发射机性能的要求 光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入光纤中传输。 包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性2光发射机的组成2光发射机的组成目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发射机，原理如图示。数字通信中，输入电路将输入的信号编码后，通过驱动电路调制光源(直接调制)，或送到光调制器调制光源输出的连续光波(外调制)。对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置； 而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。 自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度， 此外，光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。3输入电路3输入电路输入电路由图6-3-3所示电路组成6.4光接收机6.4光接收机1 光接收机的组成 光接收机的作用是把接收来的光信号转变为原来的电信号，它的性能的优劣直接影响整个光纤通信系统的性能。 光纤通信系统有模拟和数字两大类，光接收机也相应的有两大类，即模拟接收机和数字接收机。null直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复。如图所示：2光接收机前端2光接收机前端 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。 (1) 光电检测器 一般采用PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能 (2) 前置放大器 光电检测器输出的光电流是十分微弱的，需要多级放大器进行放大，多级放大器的前级为前置放大器。null 一台性能优良的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。 根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的： (1)低阻抗前端 (2)高阻抗前端。 (3)跨(互)阻抗前端。3线性能道3线性能道 光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制(AGC)电路，用来控制放大器增益。null主放大器的作用有两个方面： ① 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。 ② 它还是一个增益可调节的放大器，当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。对于APD的光接收机还通过控制APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。null 均衡滤波器的作用是均衡波形有利判决。均衡滤波器是必不可少的。 ① 没有均衡滤波器将出现这些现象 将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。 ② 有均衡滤波器的波形 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。null均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。null4数据恢复 数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路 判决电路和时钟恢复电路的任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。 null 5辅助电路 光接收机除上面介绍的若干部分外，还有一些辅助电路，如： (1)钳位电路。 (2)温度补偿电路。  (3)告警电路。null6集成光接收机 光接收机的组成部件，除了光电二极管外，都是标准的电子元器件，采用标准集成电路(IC)工艺技术，很容易集成在同一芯片上，做成集成光接收机。 在高比特工作时，这种集成光接收机具有很多优点。90年代末用Si和GaAs集成电路工艺已制成带宽超过2GHz的集成光接收机，现在带宽超过10GHz的集成光接收机也已用于光波实验系统。 6.5 光接收机噪声分析6.5 光接收机噪声分析1数字光纤通信系统的信号变换特点 在数字光纤通信系统中，传输的是由“0”和“1”组成的二进制光脉冲信号，这是一种单极性码，即光功率在“接通”(“1”码)和“断开”(“0”码)两个电平上变动。 按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码(RZ码)与非归零码(NRZ码)两种。null图6-5-2为数字光纤通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点null2光接收机的噪声源 光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引入过程来分，可分为两类，即与信号光电检测器有关的噪声和与光电接收机电路有关的噪声。 与信号光电检测器有关的噪声包括：量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等等。 与光接收机电路有关的噪声包括：放大器噪声、负载电阻热噪声等。 null3噪声的评价方法 噪声是一种随机性的起伏量，是电信号中不需要的成分，它干扰实际系统中信号的传输和处理，影响和限制了系统的性能。 (1)噪声的大小可以用均方值来表示 (2)信噪比(SNR) SNR=平均信号功率/噪声功率 6.6光接收机的误码率和接收灵敏度6.6光接收机的误码率和接收灵敏度 光接收机的误码率和灵敏度是描述光接收机准确检测光信号能力的性能指标。1光接收机的误码率1光接收机的误码率光接收机的误码率BER定义为： BER=错误接收的码元数/传输的码元总数 那么光接收机的误码是如何产生的? 如图6-6-1所示：null若I＞ID，采样值为“1”，若I＜ID，采样值则为“0”。 如果传输的信码为“1”，可是I＜ID，则发生错误。 同样传输的信码为“0”，可是I＞ID，则同样发生错误，这两个错误都将引起误码。 null2光接收机的灵敏度和动态范围 光接收机的灵敏度可以用满足给定的误码率指标条件下而可靠工作所需要的最小平均光功率Pmin来表示。 最小平均光功率Pmin,在国际单位制中，它的单位是瓦(W)。 工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦(dBm)。 null光接收机的动态范围： 是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。这个范围用D来表示，一般在工程上用二者(用dBm描述)之差来表示。 一台质量好的光接收机应有较宽的动态范围。 6.7 光中继器6.7 光中继器 在光纤通信线路上，光纤的吸收和散射导致光信号衰减，光纤的色散将使光脉冲信号畸变。 导致信息传输质量降低，误码率增高，限制了通信距离。为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。null通常有两种中继方法： 一种是传统方法，采用光-电-光转换方式，亦称光电光混合中继器； 另一种采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器。 null光-电-光中继器，在光纤通信系统中，光中继器作为一种系统的基本单元，除了没有接口码型转换和控制部分外，在原理、组成元件与主要特性方面与光接收机与光发射机相同。