第5章 光纤传输设备与线路编码.pptx

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第5章光纤传输设备与线路编码,第5章光纤传输设备与线路编码,光发射机光接收机SDH光端机接口标准线路编码,第5章光纤传输设备与线路编码光纤通信系统的功能分为信号处理和信号传输两部分。

一般情况下，也常把完成信号传输功能的主要组成部分光端机、光缆和光中继器称为光纤传输系统。

光纤通信系统框图如图5.1所示。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.1,光纤通信系统框图,第5章光纤传输设备与线路编码光纤通信需要三个要素：

光源、光纤、光检测器。

其中，光源和光检测器都要有附加的电路配合才能工作，既使有了光发送电路和光接收电路，要完成信号的传递，并保证系统的传输质量和可靠性，还需要许多其它电路的配合。

这些电路合起来就构成了光端机，即光纤通信系统中的光纤传输终端设备。

光端机主要包括光发射机和光接收机，它们是光纤通信系统的重要部件，其作用是完成光/电转换或电/光转换。

光端机框图如图5.2所示。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.2,光端机框图,第5章光纤传输设备与线路编码光端机各部分功能如下：

接口变换反变换：

把来自PCM设备的HDB3或CM1接口信号变换成普通二进制信号，以便实现光调制和反变换还原。

扰码/解扰：

用以减少数字信号中过多、过长的连“0”和连“1”码，以便于时钟信号的提取和解扰码还原。

线路编码译码：

为了在不中断业务的情况下检测设备的误码率，适应光纤通信系统的传输特点，需要把原来的码型变换为线路码型，线路码经译码后还原。

光发射：

实质上是一个光调制器。

它把数字信号电脉冲调制成光脉冲，并把此脉冲耦合进入光纤。

第5章光纤传输设备与线路编码光接收：

由光检测器和低噪声的电子放大器组成。

来自光纤的光脉冲信号照射在光检测器上产生电脉冲信号，经过放大后输出。

均衡：

由于光纤传输可能使信号产生畸变和码间干扰，加以均衡后可以消除码间干扰并修正脉冲波形，改善信噪比，使之适合判决和定时提取。

通常均衡波为升余弦波。

定时再生：

通常由定时提取和判决再生两部分组成。

任务是把光接收电路输出的升余弦波恢复成数字信号。

本章着重介绍数字光发射机和数字光接收机的基本组成、工作特性和主要电路。

第5章光纤传输设备与线路编码,5.1光发射机数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。

电光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。

5.1.1光发射机的组成数字光发射机方框图如图5.3所示，主要有光源和控制电路两部分。

光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。

控制电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.3,数字光发射机方框图,第5章光纤传输设备与线路编码1.光源光纤通信系统传输的是光信号，因此光源是重要的器件之一。

它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送。

由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以下要求：

体积小，发射光束的方向性要好，与光纤之间有较高的耦合效率。

发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。

第5章光纤传输设备与线路编码电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而且稳定的输出光功率，且线性良好。

允许的调制速率要高、响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。

发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离。

温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。

可靠性高，要求它的工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性。

第5章光纤传输设备与线路编码能够满足以上要求的光源一般为半导体发光二极管（LED）和激光器（LD）。

前者可用于短距离、低容量或模拟系统，其成本低、可靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。

二者的性能比较如表5.1所示。

在选用时，应根据需要综合考虑。

第5章光纤传输设备与线路编码表5.1激光器与发光二极管性能比较,第5章光纤传输设备与线路编码2.调制电路和控制电路调制分为直接调制和外调制两种方式。

受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率和相位。

目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光功率调制。

激光器（LD）和发光二极管（LED）直接光功率数字调制原理如图5.4所示。

图中对LD施加了偏置电流Ib，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号的大小完全反映出输入电信号的变化。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.4直接光功率数字调制原理（a）LED数字调制原理；（b）LD的数字调制原理,第5章光纤传输设备与线路编码直接光功率调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。

对调制电路和控制电路的要求如下：

输出光脉冲的通断比应大于10，以保证足够的光接收信噪比。

输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。

第5章光纤传输设备与线路编码对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。

应采用自动功率控制（APC）电路和自动温度控制（ATC）电路，以保证输出光功率有足够的稳定性。

第5章光纤传输设备与线路编码3.线路编码电路光纤传输系统的线路编码很重要，因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。

第5章光纤传输设备与线路编码调制电路与控制技术调制特性半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性会出现许多畸变现象，将严重限制系统传输速率和通信质量，在电路的设计上要充分考虑。

（1）电光延迟。

半导体激光器在高速脉冲调制时，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，其数量级一般为ns。

电光延迟会导致码型效应，即当电光延迟时间与数字调制的码元时间为相同数量级时，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”。

第5章光纤传输设备与线路编码张弛振荡。

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。

张弛振荡的危害是限制调制速率，当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形就会严重失真，使接收机在抽样判决时增加误码率，实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。

自脉动。

某些激光器在脉冲调制时，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲会出现持续等幅的高频振荡，称为自脉动现象。

自脉动频率最高可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。

自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，在选择激光器时应特别注意。

第5章光纤传输设备与线路编码2.调制电路与功率控制电路1）调制电路光发射机的调制电路常采用电流开关电路。

用于LED光源的共发射极调制电路如图5.5所示。

半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，可以用集电极电流驱动光源。

数字信号的“0”和“1”码分别对应三极管的截止和饱和状态，电流的大小决定输出光信号幅度。

此调制电路适于10Mbs以下的低速率系统，更高速率系统常采用差分电流开关电路。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.5,共发射极驱动电路,第5章光纤传输设备与线路编码,第5章光纤传输设备与线路编码激光器驱动电路的调制速率，受电路所用电子器件性能的限制。

采用激光器和驱动电路集成在一起的单片集成电路，可以提高调制速率和改进光发射机的性能。

目前，光电混合集成电路的1.5m光发射机已能在5Gbs工作，采用异质结双极晶体管的光发射机调制速率已达10Gbs。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.6,射极耦合LD驱动电路,第5章光纤传输设备与线路编码2）功率控制电路在温度变化和工作时间较长时，LD的输出光功率会发生变化。

为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。

第5章光纤传输设备与线路编码光功率自动控制有许多方法：

一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是PI曲线效率控制法。

但最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种办法可收到良好的效果。

该办法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小，若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值；反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证激光器输出功率基本上恒定不变。

第5章光纤传输设备与线路编码一个完善的自动功率控制（APC）电路如图5.7所示。

从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。

同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。

A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.7,APC电路原理,第5章光纤传输设备与线路编码,3.温度控制电路温度变化会引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值，但如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。

因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用温度控制电路，使激光器的工作温度始终保持在20左右。

LD的温度控制由微型制冷器、热敏电阻及控制电路组成，如图5.8所示。

致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器功率输出特性保持恒定。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.8,LD的温度控制电路框图,第5章光纤传输设备与线路编码微制冷器多采用半导体制冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。

当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。

微型半导体制冷器的温差可以达到3040。

制冷方式分为内制冷和外制冷两种。

目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的LD组件，其内部结构如图5.9所示。

它将LD芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。

内制冷方式不仅结构紧凑，控制效率也很高，温度控制精度可达0.5，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.9,LD组件内部结构,第5章光纤传输设备与线路编码外制冷方式是将外加半导体制冷器与LD组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，达到控制LD周围环境温度的目的。

通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。

第5章光纤传输设备与线路编码,一种自动温度控制（ATC）电路原理如图5.10所示。

由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。

运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管VT的基极电流。

在设定温度（例如20）时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。

当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。

这时，B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，VT的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大，致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。

此控制过程可以表示如下：

第5章光纤传输设备与线路编码,图5.10,ATC电路原理,