光纤通信系统

光源的直接调制
❖ 数字调制主要是指PCM编码调制。编码调制是先将连 续的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二 进制脉冲代码，用矩形脉冲的有、无(“1”码和“0” 码)来表示信号。
外调制
❖ 电折射调制器：
利用晶体材料的电光效应
❖ M-Z型调制器
相位调制
❖ 声光布拉格调制器
声波在介质中传播是引起介质折射率发生疏密变化形成布拉格现象
❖光接收机噪声。 ❖光检测器的量子噪声。 ❖模式分配噪声。 ❖模式噪声。 ❖反射噪声。
误码率
❖ 判决仍然是根据对光生电流在比特周期内的取样值进行
❖ 设I0与I1分别为发送0和1比特周期内接收机对光生电流的取
样值，12、 0分2 别为噪声方差，设噪声为高斯噪声，Ith为阈值
mB1P：P码位奇偶校验码
➢ 奇校验、偶校验 ➢ 码速提高(m+1)/m倍，冗余度为|码速差|/原码速
控制电路
❖光源调制电路 ❖ATC电路 ❖APC电路 ❖LD过流保护电路
光发射机的主要指标
Ps
10 lg
ps I
❖ 输出光功率及其稳定性
从谓纤的出射端测得的光功率/环境温度变化或者器件
老化过程中，输出光功率保持恒定程度
用户 接收控制器
不适合用于对时间敏感的传输任务
FEC
在 FEC 技 术 应 用 中 ， 辅 助 信 息和主信息同时传输，若主信息 丢失或接收到误码，辅助信息可 以重构主信息。因此，FEC避免 了高带宽的光网络要求低延迟条 件时ARQ的缺点。
最常用的纠错码为循环码。 将它们标记为(n, m)，其中n等于 原比特数m加上冗余比特数。一 些已经得到应用的例子，如(224, 216) 短 化 的 汉 明 码 、 (192, 190) Reed-Solomon 码 、 (255, 239) Reed-Solomon 码、(18880, 18865) 和(2370, 2385)短化的汉明码。
数据重建电路
❖任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成 数字信号。
❖组成：时钟恢复和判决电路电路组成。
❖时钟恢复：将f＝B的谱分量与接收信号分离，
向判决电路提供码间隔 决过程同步。
TB＝的1信B 息，使判
❖判决电路：将时钟电路提供的时钟信号经过 适当相移后在最佳时刻（“1” 和“0”信号电 平相差最大的位置)对升余弦信号取样，并与 判决阈值比较后确定码元。
❖要求：无失真地检测和恢复微弱的光信号。 即要求前端具有低噪声、高灵敏度和足够的 带宽。
输入端的偏置电阻越大，放大器的输入电阻越高， 输出端的噪声越小；
输入端的偏置电阻越大，输入端的RC时间常数加 大，使放大器的高频特性变差。
前置放大器设计方案1
❖低阻抗前端：从频带的要求出发选择偏置电 阻，使之满足
前置放大器设计方案3
❖跨（互）阻抗前端：将偏置电阻连接为反相 放大器的反馈电阻。
❖特点：频带宽、噪声低、动态范围大等优点。
线性通道
❖主放大器：高增益放大器。 ❖自动增益控制电路（AGC）：将放大器的平
均输出电压控制在固定电平而不随输入平均 光功率而变。
❖低通滤波器：使电压脉冲整形，降低噪声， 控制可能出现的码间干扰。为降低噪声，采 用带宽BW小于比特率B的低通滤波器。
Rt
来自百度文库
1
2 BwCt
❖这种放大器的优点：电路简单，接收机不需 要或需要很少均衡，前置级的动态范围较大。
❖缺点：噪声较大。
前置放大器设计方案2
❖高阻抗前端：加大偏置电阻以降低噪声。 ❖特点：偏置电阻的增大使前置放大器的动态
范围缩小，当比特率较高时，输入端信号的 高频分量损失过大，对均衡电路要求较高， 很难实现。所以一般只适用于低速系统。
光纤通信系统及设计
outline
❖ 光发射机
调制、线路码
❖ 光接收机
性能参数、解调
❖ 光中继器
❖ 系统设计
光调制方式
❖ 直接调制：把要传送的信息转变为电流信号注入LD 或LED，从而获得相应的光信号，所以是采用电源 调制方法。
直接调制后的光波电场振幅的平方比例于调制信号，是一 种光强度调制(IM)的方法。仅适用于半导体光源(LD和 LED)。
可以用w/mw/电平表示 大小影响中继距离
EXT p0 p1
❖ 消光比
发全0码时的输出光功率与发全1码时输出光功率之比
反映光发射机的调制状态，太大，调制不完善，电/光 转换效率低
影响接收机的接收灵敏度，应不大于10%
光接收机
❖光接收机的作用：探测经过光纤传输的微弱 光信号，放大再生成原始的电信号。
光脉冲只能采 取单极性，因 此光脉冲包含 直流分量
交流耦合网络不能通 过码流包含的直流分 量，矩形脉冲经过交 流耦合网络时出现反 极性拖尾
脉冲序列的拖尾相互 交叠造成基线漂移
对于给定的判决阈值， 漂移将影响判决
RZ
特点：比特1的光脉冲仅占比特周期的一部分，典型的有33% RZ、50% RZ和67%RZ
❖光接收机的组成如下图
光接收机各组成部分功能
❖光电变换：光电检测器把光信号转换成电流信号。 ❖前置放大器：放大。它的噪声对多级放大器的输
出噪声影响很大 。
❖主放大器及AGC电路：主放大器提供足够的增益， 它的增益受AGC电路控制。
❖均衡滤波：保证判决时不存在码间干扰。 ❖判决及时钟恢复电路：对信号进行再生。 ❖译码器：如果在发射端进行了线路编码(或扰乱),
❖外调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效 应等性质来实现对激光辐射的调制。
间接调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其他类型 的激光器。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光 形成以后加载调制信号。
光源的调制方法
光源的直接调制
❖模拟信号调制：是直接用连续的模拟信号(如话音、 电视等信号)对光源进行调制。
❖ 电吸收MQW调制器
反向偏压时，吸收波长向长波长移动时产生光吸收
❖ ASK/PSK/FSK方式
ASK采用RZ、NRZ码型； PSK采用电折射率调制器的外调制，相位是0或180度 FSK光载波频率改变f
➢ 窄带FSK、宽带FSK
光发射机
❖数字激光发射机的主要组成部分：线路编码、 调制电路、光源、控制电路。
X
=
wc-wswcwc+ws
NRZ
-ws 0 ws
wc
RZ
曼彻斯特码
特点：每个比特周期内都发生电平翻转，根据翻转的极性不同 来区分0和1 一般采用NRZ和时钟信号的模二加运算获得
优点：在长连0和1的时候，仍然能保持时钟信息，易于编解码
分组码 mBnB
特点：将m位二进制比特编成n (n>m)位码并在相同的时间长度 内发送出去，即在数据流中引入冗余
缺点： 占用额外带宽
线路编码
❖作用：将传送码流转换成适合光纤中传输、 接收及监测的线路码型(调制信号格式)，适 应光纤线路传输和不中断业务检测误码的要 求。
❖由于光源不可能有负光能，所以要采用二电 平码。而简单的二电平码具有随信息随机起 伏的直流和低频分量，在接收端对判决不利， 因此需要进行线路编码以适应光纤线路的传 输的要求。
补偿电路
调制信号格式
❖作用：保证电、光端机间信号的幅度、阻抗 适配，而且要进行适当的码型变换，以适合 光发射端机的要求。
线路编码
设计光纤链路是，要考虑的一个重要因素是传输的光信号 格式，其重要性在于实际的系统中，能够：
1. 容易提取出时钟信息以便接收机的判决 2. 具有较强的抗色散和抗非线性效应 3. 在数据流中引入冗余码，使信道干扰引起的误码最小
但对高速光通信系统，应减少冗余码，以免占用过大的 带宽
❖扰码 ❖mBnB码 ❖插入码
线路码型种类
扰码
❖ 扰码：一个比特流到另一个比特流的映射
另一比特流的选择尽可能使输出码流中长连0和长连1出现 概率小，接近随机码流
缺点：
➢ 但是不能保证不出现，一对一的映射，有可能导致不理想的输出 序列
➢ 没有引入冗余，不能进行在线误码监测 ➢ 信号频谱中接近于直流的分量较大，不能解决基线漂移
在接收端需要有相应的译码(或解扰)电路。
光接收机的电路结构
❖光接收机的前端：由光电检测器和前置放大 器组成。
❖线性通道：由主放大器和均衡滤波器构成。 ❖数据重建电路：判决器和时钟恢复电路组成。
光接收机的前端
❖作用：将光纤输出端耦合到光电检测器中的 光比特流转换为时变电流，然后进行预放大， 以便后续电路进一步处理。
线路码型要求
❖ 码型中应包含足够的定时信息
使1和0均匀分布，保证定时信息丰富
❖能实现在线的误码检测，有利于长途通信系统的维 护
❖ 能限制信号带宽，减小功率谱中的高频和低频分量
减小基线漂移，提高输出功率的稳定性和减小码间干扰， 提高光接收机的灵敏度
❖能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和 公务通信
常用的光信号的传输格式包括：NRZ、RZ、PSK
NRZ
特点：使用一个充满完整周期的光脉冲代表1，没有光代表0
NRZ的优缺点
优点：码型产生简单，且容易解码 缺点：在出现长连0或1时不容易提取同步信息，容易产生基
线漂移增大判决难度，且没有内在差错检测 (纠错) 能 力；直流分量波动(不平衡问题)：所有发送的数字比特 的平均光功率不为零。不利于接收时设置判决阈值
❖ 扰码意味着将输入码序列扰乱,较简单的方法是采用 带有反馈线的m级移位寄存器实现。无冗余度。
❖一般光纤通信设备除采用扰码外，还采用其他的线 路码型
mBnB码
❖ 线路码(字变换码)是将输入二进制码流分成一个个的“码 字”，而输出用另一种对应的码字来代替。
采用分组码。 mBnB码是把原始码流按m比特分成一组,再按照一定的规则把这m比
理想数字光接收机
❖比特判决：
根据比特周期内有无光输出，即直接检测DD
光子流满足泊淞分布，发送1时才可能出现误码
设比特速率为B，则比特周期1/B内接收n个光子
的概率为
n
P
P(n)
-P
e hfcB
hfc B
n!
则BER为
BER
-P
1 e hfcB
1 e-M
2
2
光接收机的噪声源
❖散粒噪声：是一种电流涨落，由随机时间产 生的电子流组成。
优点：能避免长连0和长连1的出现 冗余的引入可以增强纠错能力
缺点：带宽比原来增大了n/m倍
例如：曼彻斯特码就是一种1B2B码，‘1’ ‘10’, ‘0’ ‘01’
纠错
用于补偿比特的丢失 - 自动请求重发(ARQ)和前向纠错(FEC)
ARQ
信源 发送控制器
自动请求重发(ARQ)
编码器
解码器
反馈信道
产生：NRZ信号乘以一个频率为信号比特率两倍的clk信号
wc-ws wc+ws
X
=
wc-wswcwc+ws
NRZ
-ws 0 ws
wc
RZ
RZ
优点：长连1仍带有时钟信息，抗非线性效应能力强 缺点：长连0时仍然容易导致时钟丢失；且占用的带宽为NRZ
的2倍，因此抗色散能力差；无误码检测与纠错能力。
wc-ws wc+ws
❖热噪声：在室温下，导电媒介中自由电子和 振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动， 这种随机脉动在负载电阻没有外加电压的情 况下表现为一种电流波动。
❖自发辐射噪声ASE：光滤波器与光监测器之 间使用的光放大器产生的放大的ASE
光接收机的其他噪声源
❖前置放大器噪声 ❖APD噪声 ❖光放大器噪声
实际光接收机的噪声来源
线路码型
❖RZ码与NRZ码：
OOK调制的信号格式：
➢NRZ：比特”1” 光脉冲持续1个比特周期、BW窄、长 连0和长连1问题，不利于接收时对比特时钟提取
➢RZ：比特”1” 光脉冲持续半个比特周期、BW宽、解 决了长连1问题
➢短脉冲：比特”1” 光脉冲持续1个比特周期的很小部分
直流分量波动：不平衡问题，所有发送的数字 比特的平均光功率不为零。不利于接收时设置判 决阈值
的区间通信设备中，不宜用
插入比特码
❖将输入二进制原始码流分成每m比特一组，然后在 每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个 码为一组的线路码流
❖ 依据插入码的规律分类
mB1C：插入码为1比特补码，该补码为mB码组中第i位的 反码。C码引入冗余，改善0和1的分布
mB1H：插入比特的位置，不完全插入C码，而是交替插 入F帧码、SC公务码、M检测码、D数据码、I区间通信 码等形成的混合插入码。利用冗余信息实现辅助信息的 传输，不中断业务可进行误码检测。
特码组变换成n比特的码组。 这里m,n均为正整数,且n＞m。每种mBnB码都有自己的码表。 典型码有(8,10)、(4、5) 增加带宽
❖ 特点
码流中0和1码概率相等，连0和连1的数目较少，定时信息丰富 高低频谱特性较好，基线漂移小 码流中引入一定的冗余码，便于在线检测 但传输辅助信号比较困难，若要求传输辅助信号或者要求有一定数量