光发送机与光接收机(共53张PPT)精选

光发送机与光接收机第一页，共53页。6.1调制信号(xìnhào)的为了有利于信息在信道中传输和接收时便于处理，我们往往先对数字信号进行编码，再对光信号进行调制。光信号除了可调制光载波信号的幅度、频率、相位外，还可调制光强。由于光强不同于电信号的电压或电流有正值与负值，它只有正值（即光强或光功率(gōnglǜ)没有负值），因此称它为单极性信号，而电压信号称为双极性信号。第二页，共53页。另一个解决(jiějué)DC不平衡的方法是采用分组码，有许多不同类型的分组码。接收机通过对光生电流进行取样，从而判决每个比特周期发送的是“0”还是“1”。5电光相位(xiàngwèi)调制器的基本原理框图4数字(shùzì)IM调制原理2实际的光接收机对于这种简单的接收机，发送“0”比特时是不会(bùhuì)误码的，只有发送“1”比特时才会误码，因为发送“1”比特期间没有光子被检测到就判定为“0”比特发送，有光子被检测到就判定为“1”比特。光脉冲的宽度为比特周期的持续时间。第四十一页，共53页。由于噪声电流的存在,接收机有可能做出错误的判决，因而(yīnér)导致了误码。此外，相干传输也有利于提高系统抗非线性效应的能力。实际中，在放大器和光检测器之间采用了光滤波器，降低了各种(ɡèzhǒnɡ)噪声，但也限制了系统的带宽。第四十一页，共53页。ASK方式(fāngshì)能够用于IM/DD系统，但是要直接调制半导体激光器时，信号的相位也会偏移。参数B为比特速率，M=P/hfcB，为“1”比特期间接收的平均光子数，这就是理想光接收机的误码率，也称为量子极限条件(tiáojiàn)下的误码率。第三十四页，共53页。5电光相位(xiàngwèi)调制器的基本原理框图3ASK/PSK/FSK方式6.1.1单极性与双极性单极性信号是二电平信号，它在零与正电(zhèngdiàn)平之间摆动。单极性信号可以看成是用电或光信号示的开关信号。在光纤通信中，单极性信号也称为开关键控。它与双极性信号的最大区别是，传送线路上产生的直流分量DC不为零。双极性信号由于在正电(zhèngdiàn)平与负电平之间交替变化，因此在传输线路上产生的DC分量为零。单极性与双极性信号的编码如图所示。第三页，共53页。图6.1单极性与双极性信号(xìnhào)第四页，共53页。6.1.2归零(RZ)与不归零(NRZ)光纤通信中常用的调制为开关键控，这种调制方案中编码“1”表示对应比特周期内有一光脉冲或光源LD或LED处于开状态，编码“0”表示对应的比特周期内无光脉冲或光源LD或LED处于关状态。光脉冲的宽度为比特周期的持续时间。对于一个1Gb/s的数据速率，光脉冲时间宽度为1ns。编码既可以(kěyǐ)采用直接将光源调谐在开或关两种状态的方法来完成，也可以(kěyǐ)用数字比特通过外调制器方法来完成，下面将具体介绍。第五页，共53页。开关键控调制可以采用许多信号格式，最常用的为NRZ、RZ和短脉冲三种格式。NRZ称为不归零码，编码“1”对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期，“0”对应无光脉冲出现。如果(rúguǒ)是连续两个“1”比特，则光脉冲持续两个比特周期。RZ码称为归零码，“1”比特对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期的一半，“0”对应无光脉冲出现。短脉冲是由RZ变化而来的，其“1”比特对应有光脉冲且持续时间为整个比特周期的很小一部分，“0”对应无光脉冲出现。它们的信号格式如图所示。第六页，共53页。图6.2开关键控数据调制(tiáozhì)格式第七页，共53页。NRZ码与其他格式相比，其主要优点是占据的频带宽度窄，只是RZ码的一半，缺点是当出现长连“1”或“0”时，光脉冲没有“有”和“无”的交替变化，这对于接收时对比特时钟的提取(tíqǔ)是不利的。RZ码克服了这个问题，解决了连“1”的问题，但长连“0”问题仍然存在。第八页，共53页。以上所有格式都存在直流分量DC波动即不平衡问题。开关键控调制方案获得DC平衡是很重要的，这使得接收时设计判决(pànjué)阈值变得容易，有利于数字处理的恢复。为了保证光信号有足够的交替变化和提供DC平衡，系统中常采用扰码和分组码方案。第九页，共53页。6.1.3扰码扰码是一个比特流与另一个比特流的一到一的映射，即将一个待发送的数据比特流在发送之前一对一地映射为另一比特流。在发送端，扰码器将输入的比特流与经过仔细挑选的另一个比特流进行异或运算，另一比特流序列的选取原则是应尽量使输出比特的长连“1”或“0”出现(chūxiàn)的概率尽可能地小。第十页，共53页。在接收端通过解扰器，使其输出的码流中将原比特流恢复出来。扰码最大的优点是不占用额外的带宽，缺点是并不能保证DC平衡(pínghéng)，也不能保证序列中不出现长连“1”或“0”。但扰码中出现长连“1”或“0”和不平衡(pínghéng)的概率是很小的，只要认真选取映射关系就能保证这一点。第十一页，共53页。6.1.4线路码（5B/6B、8B/10B）另一个解决(jiějué)DC不平衡的方法是采用分组码，有许多不同类型的分组码。二进制的线性分组码的一种形式为：将k个比特变换成n个比特，然后再发送出去，接收端将n比特再映射成原来的k个比特。分组码经过设计可使DC平衡，能提供足够多的信号交替变化。这种分组码的典型例子是（8，10）、（5，6）,表示为8B10B，5B6B。第十二页，共53页。分组码提高了速率，因而占用了额外(éwài)的带宽，对于4B5B，则k=4，n=5，意味着原来的1Gb/s比特率在编码之后增加到1.25Gb/s，就是说要多付出25%的带宽开销。第十三页，共53页。6.2直接(zhíjiē)调制IM光发送机直接强度调制(tiáozhì)是光纤通信中最简单、最经济、最容易实现的调制(tiáozhì)方式，适用于半导体激光器LD和发光二极管LED，这是因为它们的输出功率与注入电流成正比（LD阈值以上），只需通过改变注入电流就可实现光强度调制(tiáozhì)。光功率的变化能够响应注入电流信号的高速变化。第十四页，共53页。6.2.1模拟调制所谓模拟信号的直接调制，就是让LED或LD的注入电流(diànliú)跟随输入的模拟量变化，从而使LED或LD的输出光功率跟随模拟信号变化，如图所示。第十五页，共53页。图6.3LED和LD的模拟(mónǐ)调制第十六页，共53页。6.2.2数字调制(tiáozhì)数据信号的光强度调制(tiáozhì)原理如图所示。第十七页，共53页。图6.4数字(shùzì)IM调制原理第十八页，共53页。6.3外调制6.3.1电折射调制器电折射调制器利用了晶体材料的电光(diànguāng)效应，常用的晶体材料有：铌酸锂晶体（LiNbO3）、钽酸锂晶体（LiTaO3）和砷化镓（GaAs）。第十九页，共53页。电光效应是指由外加电压引起的晶体的非线性效应，具体讲是指晶体的折射率发生了变化。当晶体的折射率与外加电场幅度成正比时，称为线性电光效应，即普克尔效应；当晶体的折射率与外加电场的幅度平方成正比变化时，称为克尔效应。电光调制主要采用普克尔效应。最基本(jīběn)的电折射调制器是电光相位调制器，它是构成其他类型的调制器如电光幅度、电光强度、电光频率、电光偏振等的基础。电光相位调制器的基本(jīběn)原理框图如图所示。 第二十页，共53页。图6.5电光相位(xiàngwèi)调制器的基本原理框图第二十一页，共53页。当一个Asin(ωt+Φ0)的光波入射到电光调制器（Z=0），经过长度为L的外电场作用区后，输出光场(Z=L)即已调光波为Asin(ωt+Φ0+ΔΦ)，相位变化因子ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。 两个电光相位调制器组合后便可以构成一个电光强度调制器。这是因为两个调相光波在相互(xiānghù)叠加输出时发生了干涉，当两个光波的相位同相时光强最大，当两个光波的相位反相时光强最小，从而实现了外加电压控制光强的开和关的目标。第二十二页，共53页。6.3.2M-Z型调制器M-Z型调制器是由一个Y型分路器、两个相位调制器和Y型合路器组成的，其结构如图所示。相位调制器就是上述的电折射调制器。输入光信号被Y型分路器分成(fēnchénɡ)完全相同的两部分，两个部分之一受到相位调制，然后两部分再由Y型合路器耦合起来。按照信号之间的相位差，两路信号在Y型合路器的输出产生相消和相长干涉，就得到了“通”和“断”的信号。 第二十三页，共53页。图6.6M-Z型调制器第二十四页，共53页。6.3.3ASK/PSK/FSK方式振幅键控ASK是用电的比特流（调制(tiáozhì)频率）直接调制(tiáozhì)光载波信号强度的技术。对其值为“1”的比特，光载波具有最大的振幅；对其值为“0”的比特，光载波具有最小的振幅。对于单极性信号，ASK也称为开关键控。ASK采用的编码有RZ和NRZ两种类型。第二十五页，共53页。ASK方式(fāngshì)能够用于IM/DD系统，但是要直接调制半导体激光器时，信号的相位也会偏移。在IM/DD检测时相位偏移不重要，因为相位信息不起作用，但是它对检测是有影响的。第二十六页，共53页。相移键控PSK调制光束，所有比特的频率和幅度不变。对于二进制PSK，相位是0°和180°。PSK是使用电折射调制器的外调制来实现(shíxiàn)的，当有外加电压时，相位差用下式表示：（）式中，δm正比于所加电压，Lm是施加电压让折射率改变(gǎibiàn)的长度。第二十七页，共53页。频移键控FSK是调制光载波的频率，光载波的频率改变(gǎibiàn)为Δf，f+Δf对应逻辑“1”，f-Δf对应逻辑“0”。FSK是两个状态（开与关）的数字调频FM技术。第二十八页，共53页。实现调频的器件是DFB半导体激光器。当注入电流改变时，它们(tāmen)输出光波的频率发生偏移。小的注入电流变化（1mA）就会使光波的频率改变约1GHz。DFB激光器是高调制效率、高调制速率的很好的相干FSK光源。第二十九页，共53页。6.4光接收机目前，IM/DD系统的解调方案的框图如图所示,它属于非相干解调。光检测器接收光信号并将其转换成与光功率成正比的光生电流信号，前置放大器将微弱的电流信号放大到所需的电平电流信号。如果是数字信号，还要送后续的判决电路完成(wánchéng)数字信号的再生，具体的电路形式由不同的编码和调制方案决定。光放大器放置在光检测器前作为前置光放大器。必要时可在前置光放大器前加光滤波器，用来选择所需的通道信号。第三十页，共53页。图6.9数字(shùzì)光接收机（DD解调）框图第三十一页，共53页。6.4.1理想的数字光接收机从原理上讲，解调过程是相当简单的，接收机根据比特周期内有光还是无光来判定是“1”比特还是“0”比特，如果有光出现，则对应“1”比特发送，如果无光出现，则对应“0”比特发送，这就是所谓(suǒwèi)的直接检测DD。第三十二页，共53页。由于光信号在常规光纤线路中传输时，其相位和偏振面会发生缓慢的变化，因此为了使本振光和光信号的相位和偏振面一致，可利用光锁相环来跟踪相位的变化，通过偏振控制器来调整偏振，如图中所示的偏振控制器。5电光相位(xiàngwèi)调制器的基本原理框图双极性信号由于在正电(zhèngdiàn)平与负电平之间交替变化，因此在传输线路上产生的DC分量为零。(2)相干检测选择性高，可用于信道间隔小到1～10GHz的光频多路复用技术，实现多信道复用，有效使用光纤带宽。按照信号之间的相位差，两路信号在Y型合路器的输出产生相消和相长干涉，就得到了“通”和“断”的信号。4数字(shùzì)IM调制原理此外，相干传输也有利于提高系统抗非线性效应的能力。光纤通信中常用的调制方案为开关键控，这种调制方案中编码“1”表示对应比特周期内有一光脉冲或光源LD或LED处于开状态，编码“0”表示对应的比特周期内无光脉冲或光源LD或LED处于关状态。对于单极性信号，ASK也称为开关键控。为了达到10-12的误码率，则每个比特的平均光子数M=27。第四十八页，共53页。RZ码和NRZ码有什么特点？如何解决线路不平衡和长连“0”或“1”的问题？扰码最大的优点是不占用额外的带宽，缺点是并不能保证DC平衡(pínghéng)，也不能保证序列中不出现长连“1”或“0”。而对于不采用光放大器的简单的PIN光接收机，其灵敏度为每比特几千个光子。RZ码和NRZ码有什么特点？如何解决线路不平衡和长连“0”或“1”的问题？光功率为P的光信号到达光检测器时，可以看成是平均速率为P/hfc的光子流，h为普朗克常数，h=6.63×10-34J/Hz(焦耳/赫兹)，fc为光波频率，hfc为单个光子的能量。该光子流是一满足(mǎnzú)泊松分布的随机过程。第三十三页，共53页。对于这种简单的接收机，发送“0”比特时是不会(bùhuì)误码的，只有发送“1”比特时才会误码，因为发送“1”比特期间没有光子被检测到就判定为“0”比特发送，有光子被检测到就判定为“1”比特。第三十四页，共53页。因此，没有接收到任何光子的概率(gàilǜ)，设“0”和“1”是等概的，则理想光接收机的误码率为参数B为比特速率，M=P/hfcB，为“1”比特期间接收的平均光子数，这就是理想光接收机的误码率，也称为量子极限条件(tiáojiàn)下的误码率。为了达到10-12的误码率，则每个比特的平均光子数M=27。第三十五页，共53页。6.4.2实际的光接收机在实际的直接检测接收机中，光信号在光检测器上被转变为光生(ɡuānɡshēnɡ)电流的同时，还附加有额外的噪声信号。第三十六页，共53页。6.4.3前置电放大器噪声在接收机的光检测器之后，为了将微弱的电流信号进行低噪声放大，通常需要一个前置放大器。前置放大器中采用的元器件(如电阻)会产生热噪声，由于(yóuyú)放大器的放大，输入端的热噪声在输出端得到了增强。第三十七页，共53页。6.4.4光放大器噪声简单的直接检测接收机的性能主要受接收机中热噪声的限制，这可以通过在光检测器前采用光放大器来改善。光放大器提供了光输入信号的功率，但不幸(bùxìng)的是，在放大光信号的同时，放大的自发辐射作为一种噪声也出现在输出端。第三十八页，共53页。6.4.5误码率理想光接收机有一定的误码率，实际的光接收机的误码率还涉及到各种不同的噪声影响。接收机通过对光生电流进行取样，从而判决每个比特周期发送的是“0”还是“1”。由于噪声电流的存在,接收机有可能做出错误的判决，因而(yīnér)导致了误码。实际上，接收机灵敏度还与比特率有关。第三十九页，共53页。图6.12接收机灵敏度与比特率的关系(guānxì)曲线第四十页，共53页。实际中，在放大器和光检测器之间采用了光滤波器，降低了各种(ɡèzhǒnɡ)噪声，但也限制了系统的带宽。对于一个实际的前放接收机，其灵敏度为每比特几百个光子数；而对于不采用光放大器的简单的PIN光接收机，其灵敏度为每比特几千个光子。第四十一页，共53页。6.5相干接收由以上分析可知，简单的直接检测光接收机由于受噪声限制(xiànzhì)，不可能获得很高的灵敏度，这可以通过在光接收机前面采用一个光放大器来改善，另一个提高灵敏度的方法是相干检测接收机。相干检测的主要思想是将另一个本振光信号，即所谓的本振激光与信号进行混合来提高信号的功率。第四十二页，共53页。在光通信中，相干检测包括采用本振与光信号混频。一个典型的相干光检测系统的框图如图所示。其中(qízhōng)，本振Lo是一个优质的激光器，用它来产生本振光。本振光和光线路来的光信号在光耦合器中混合，然后一起投射到光检测器PIN中相干混频，混频后的差频信号经后接信号处理系统处理后进行判决。由于光信号在常规光纤线路中传输时，其相位和偏振面会发生缓慢的变化，因此为了使本振光和光信号的相位和偏振面一致，可利用光锁相环来跟踪相位的变化，通过偏振控制器来调整偏振，如图中所示的偏振控制器。第四十三页，共53页。图6.13相干光波(guāngbō)检测系统框图第四十四页，共53页。光相干检测和无线电相干接收技术一样，也有外差和零差两种，在式(6.33)中，当ωS=ωL时，即无中频，这时光相干检测为零差检测;当ωS≠ωL时，有中频ωIF=ωS-ωL，这时光相干检测为外差检测。由于接收机检测的输出信号电流IS随本振光功率PL增大而增大，即得到(dédào)所谓的“本振增益”，所以相干检测系统光接收机的灵敏度较高，比直接检测可提高10～25dB。第四十五页，共53页。检测器的输出电流不仅与被检测信号强度或功率有关，还与光载波的相位或频率有关，这说明不仅可以用光信号的强度传递信息，还有可能通过调制光载波的相位或频率来传递信息。而在直接检测技术(jìshù)中不允许进行频率或相位的调制，所有有关信号的相位和频率的信息都丢失了。第四十六页，共53页。与IM-DD光波系统相比，干检测系统主要优点是：(1)光接收机的灵敏度高，比直接检测高10～25dB，可大大(dàdà)延长无中继传输距离（在1550nm波长可延长至100km）；(2)相干检测选择性高，可用于信道间隔小到1～10GHz的光频多路复用技术，实现多信道复用，有效使用光纤带宽。此外，相干传输也有利于提高系统抗非线性效应的能力。第四十七页，共53页。在如图所示的相干检测系统框图(kuàngtú)中，光的接收技术主要是指零差或外差接收技术，主要包括本振激光器、光耦合器、光偏振控制以及检测器PIN等。光偏振控制技术是相干检测系统的特有技术。当接收机本振光的偏振与信号光的偏振态一致时，才能获得良好的混频效果。第四十八页，共53页。对于本振激光器，在零差接收系统中，由于要求接收本振光和信号光的频率匹配，因此要求其频率稳定性很高才行。另外在零差系统中，系统对相位的敏感度较高，因此要维持(φS-φL)不变并不简单，通常需要技术相当复杂的光锁相环来实现。在外差接收系统中，虽然(suīrán)接收灵敏度要低一些，但它可以克服如上所述零差系统的一些难点，只是两个光源的φS和φL的波动需要控制。第四十九页，共53页。对于采用零差或外差方式接收后的各种调制样式(yàngshì)的信号，采用不同的解调技术进行信号解调，和无线电技术中解调的原理基本一致。第五十页，共53页。在20世纪80年代人们就对相干检测系统进行了深入的研究。至1990年，许多成功的试验已确立了这种通信方案的可行性。进入20世纪90年代，随着(suízhe)EDFA的问世，有人把EDFA和相干检测通信结合起来进行试验，一方面可得到很高的灵敏度，同时又可得到很多的频道，这使相干检测通信向多通道方向发展。第五十一页，共53页。当前世界上相干检测通信的实验系统甚多，并已经显示出优异(yōuyì)的性能，但由于目前有些技术和工艺如本振LD、光学系统和部件以及安装工艺等尚不成熟，因此难以满足商用的要求。但是我们可以相信，待这些技术成熟后，相干检测通信的实用前景是非常广阔的。第五十二页，共53页。习题六1.RZ码和NRZ码有什么特点？如何解决线路不平衡和长连“0”或“1”的问题？2.IM—DD通信系统(xìtǒng)的工作原理。第五十三页，共53页。