1、 第第 4 4 章章 光端機光端機 4.1 4.1 光發射機光發射機 4.2 4.2 光接收機光接收機 4.3 4.3 線路編碼線路編碼返回主目錄第第 4 4 章光端機章光端機4.14.1光發射機光發射機功能：把電端機輸出的數字基帶電信號轉換為光信號，并用耦合技術有效注入光纖線路。電/光轉換是用承載信息的數字電信號對光源進行調制來實現的。調制分為直接調制和外調制兩種方式。受調制的光源特性參數有功率、 幅度、頻率和相位。目前技術上成熟并在實際光纖通信系統得到廣泛應用的是直接光強(功率)調制。 圖4.1示出激光器(LD)和發光二極管(LED)直接光強數字調制原理，對LD施加了偏置電流Ib。由圖可見

2、，當激光器的驅動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅動電流I基本上是線性關系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號反映輸入電信號。 LEDLD圖 4.1直接光強數字調制原理 4.1.14.1.1光發射機基本組成光發射機基本組成 數字光發射機的方框圖如圖4.2所示，主要有光源和電路兩部分。光源是實現電/光轉換的關鍵器件，在很大程度上決定著光發射機的性能。電路的設計應以光源為依據，使輸出光信號準確反映輸入電信號。 1. 1. 光源光源 對通信用光源的要求： (1) 發射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致（波長：0.85 m、 1.31 m和1.55 m）。光譜單色性要好。 (2) 電/

3、光轉換效率要高，且線性良好。發射光束的方向性好，遠場的輻射角小。 (3) 允許的調制速率高或響應速度快。 (4) 器件溫度穩定性好， 可靠性高，壽命長。 (5) 器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。 2. 2. 調制電路和控制電路調制電路和控制電路 直接光強調制的數字光發射機主要電路有調制電路、控制電路、線路編碼電路和偏置電路。 對調制電路和控制電路的要求如下： (1) 輸出光脈沖的通斷比(全“1”碼平均光功率和全“0”碼平均光功率的比值，或消光比的倒數)應大于10，以保證足夠的光接收信噪比。 (2) 輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲(電光延遲)時間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延

4、遲時間應足夠短，以便在高速率調制下，輸出的光脈沖能準確再現輸入電脈沖的波形。 (3) 對激光器應施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調制下可能出現的張弛振蕩，保證發射機正常工作。 (4) 應采用自動功率控制(APC)和自動溫度控制(ATC)， 以保證輸出光功率有足夠的穩定性。 3. 3. 線路編碼電路線路編碼電路 線路編碼之所以必要，是因為電端機輸出的數字信號是適合電纜傳輸的雙極性碼，而光源不能發射負脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸的單極性碼，線路編碼的其它原因見4.3節所述。 4.1.24.1.2調制特性調制特性 半導體激光器在高速脈沖調制下，會出現許多復雜的瞬態半導體激光器在高速脈沖調制

5、下，會出現許多復雜的瞬態現象，如常見的現象，如常見的電光延遲電光延遲、 張弛振蕩張弛振蕩和和自脈動現象自脈動現象。這些現。這些現象嚴重限制系統傳輸速率和通信質量，因此在電路的設計時要象嚴重限制系統傳輸速率和通信質量，因此在電路的設計時要給予充分考慮。給予充分考慮。 圖 4.3 光脈沖瞬態響應波形 1. 1. 電光延遲和張弛振蕩現象電光延遲和張弛振蕩現象輸出光脈沖和注入電流脈沖之輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱間存在一個初始延遲時間，稱為為電光延遲時間電光延遲時間t td d，其數量級，其數量級一般為一般為nsns。當電流脈沖注入激光器后，輸當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖

6、會出現幅度逐漸衰減出光脈沖會出現幅度逐漸衰減的振蕩，的振蕩， 稱為張弛振蕩稱為張弛振蕩，其，其振蕩頻率振蕩頻率f fr r(=(=r r/2)/2)一般為一般為0.52 GHz0.52 GHz。光脈沖電脈沖tdr 張弛振蕩和電光延遲通信系統的影響（限制調制速率）：張弛振蕩和電光延遲通信系統的影響（限制調制速率）： （1 1）當最高調制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形失真嚴重，）當最高調制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形失真嚴重，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調制頻率應低于張弛振蕩頻率。調制頻率應低于張弛振蕩頻率。 （2 2）

7、電光延遲要產生碼型效應。當電光延遲時間）電光延遲要產生碼型效應。當電光延遲時間t td d與數字與數字調制的碼元持續時間調制的碼元持續時間T/2T/2為相同數量級時，會使為相同數量級時，會使“0”0”碼過后的碼過后的第一個第一個“1 1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“”碼丟失，碼丟失， 這種現象稱為這種現象稱為“碼型效應碼型效應”。 圖4.4 碼型效應（a) 、(b)碼效應波形；（c）改善后波形電 脈 沖光 脈 沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12如圖如圖4.44.4，在兩個接連出現的，在兩個接連出現的“1”1”碼中，第一個

8、脈沖到來碼中，第一個脈沖到來前，有較長的連前，有較長的連“0”0”碼，碼， 由由于電光延遲時間長和光脈沖上于電光延遲時間長和光脈沖上升時間的影響，因此脈沖變小。升時間的影響，因此脈沖變小。第二個脈沖到來時，由于第一第二個脈沖到來時，由于第一個脈沖的電子復合尚未完全消個脈沖的電子復合尚未完全消失，有源區電子密度較高，因失，有源區電子密度較高，因此電光延遲時間短，此電光延遲時間短， 脈沖較脈沖較大。大。“碼型效應碼型效應”的特點是，的特點是， 在脈沖序列中較長的連在脈沖序列中較長的連“0”0”碼后出現的碼后出現的“1”1”碼，其脈沖碼，其脈沖明顯變小，而且連明顯變小，而且連“0”0”碼數碼數目越多

9、，調制速率越高，這種目越多，調制速率越高，這種效應越明顯。用適當的效應越明顯。用適當的“過調過調制制”補償方法，可以消除碼型補償方法，可以消除碼型效應，見圖效應，見圖4.4(c)4.4(c)所示。所示。 張弛振蕩頻率張弛振蕩頻率r r及其幅度衰減時間及其幅度衰減時間o o和電光延遲時間和電光延遲時間t td d的表的表達式為：達式為： 21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjln式中，式中，o o是張弛振蕩幅度衰減到初始值的是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e1/e的時間，的時間，j j和和j jthth分分別為注入電流密度和閾值電流密度。別為注入電流密度和閾值電流密度。s

10、psp和和phph分別為電子自發分別為電子自發復合壽命和諧振腔內光子壽命。在典型的激光器中，復合壽命和諧振腔內光子壽命。在典型的激光器中，spsp1010- -9 9s, s, phph1010-12-12s s，即，即spspphph。由式由式(4.1)(4.1)式式(4.3)(4.3)可以看到：可以看到： (1) (1) 張弛振蕩頻率張弛振蕩頻率r r隨隨spsp、phph的減小而增加，隨的減小而增加，隨j j的增加的增加而增加。這個振蕩頻率決定了而增加。這個振蕩頻率決定了LDLD的最高調制頻率。的最高調制頻率。 (2) (2) 張弛振蕩幅度衰減時間張弛振蕩幅度衰減時間o o與與spsp為

11、相同數量級，并隨為相同數量級，并隨j j的增加而減小。的增加而減小。 (3) (3) 電光延遲時間電光延遲時間t td d與與spsp為相同數量級，并隨為相同數量級，并隨j j的增加而減的增加而減小小(jj(jjthth) )。 由此可見，由此可見，增加注入電流增加注入電流j j，有利于提高張弛振蕩頻率，有利于提高張弛振蕩頻率r r，減小其幅度衰減時間減小其幅度衰減時間o o，以及減小電光延遲時間，以及減小電光延遲時間t td d，因此對，因此對LDLD施加偏置電流是非常必要的。施加偏置電流是非常必要的。 2. 2. 自脈動現象自脈動現象 某些激光器在脈沖調制甚至直流驅動下，當注入電流達到某些

12、激光器在脈沖調制甚至直流驅動下，當注入電流達到某個范圍時，由于激光器內部不均勻增益或不均勻吸收，在某個范圍時，由于激光器內部不均勻增益或不均勻吸收，在P P - I- I曲線扭折區域，輸出光脈沖出現持續等幅的高頻振蕩，這曲線扭折區域，輸出光脈沖出現持續等幅的高頻振蕩，這種現象稱為自脈動現象，如圖種現象稱為自脈動現象，如圖4.54.5所示。自脈動頻率可達所示。自脈動頻率可達2GHz2GHz，嚴重影響嚴重影響LDLD的高速調制特性。的高速調制特性。 電 脈沖光 脈沖圖4.5 激光器自脈沖動現象4.1.34.1.3調制電路和自動功率控制調制電路和自動功率控制 數字信號調制電路應采用數字信號調制電路應

13、采用電流開關電路電流開關電路， 最常用的是差最常用的是差分電流開關電路。分電流開關電路。 數字信號數字信號U Uinin從三極管從三極管V V的基極輸入，的基極輸入，通過集電極的電流驅動通過集電極的電流驅動LEDLED。數字。數字信號信號“0”0”碼和碼和“1”1”碼對應于碼對應于V V的的截止和飽和狀態，電流的大小根據截止和飽和狀態，電流的大小根據對輸出光信號幅度的要求確定。這對輸出光信號幅度的要求確定。這種驅動電路適用于種驅動電路適用于10 Mb/s10 Mb/s以下的以下的低速率系統，更高速率系統應采用低速率系統，更高速率系統應采用差分電流開關電路。差分電流開關電路。UCR2LEDC1R

14、1UinV圖圖 4.6 共發射極驅動電路共發射極驅動電路 圖圖4.74.7是常用的射極耦合驅動電路，適合于激光器系統使用。電流是常用的射極耦合驅動電路，適合于激光器系統使用。電流源為由源為由V V1 1和和V V2 2組成的差分開關電路，它提供了恒定的偏置電流。組成的差分開關電路，它提供了恒定的偏置電流。在在V V2 2基極上施加直流參考電壓基極上施加直流參考電壓U UB B， 數字數字電信號電信號U Uinin從從V V1 1基極輸入。基極輸入。 當信號為當信號為“0”0”碼時，碼時，V V1 1基極電位比基極電位比U UB B高而搶先導通，高而搶先導通，V V2 2截止，截止， LDLD不

15、發光；反之，當信號為不發光；反之，當信號為“”碼時，碼時，V V1 1基極電位比基極電位比U UB B低，低， V2V2搶搶先導通，驅動先導通，驅動LDLD發光。發光。V V1 1和和V V2 2處于輪流處于輪流截止和非飽和導通狀態，有利于提高調截止和非飽和導通狀態，有利于提高調制速率。當三極管截止頻率制速率。當三極管截止頻率f fr r4.5 4.5 GHzGHz時，這種電路的調制速率可達時，這種電路的調制速率可達300 300 Mb/sMb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點是動態范圍小，聲小，這種電路的缺點是動態范圍小，功耗較大。功耗較大。

16、 V2V1Ib電流源Io UEUinLD圖 4.7 射極耦合LD驅動電路圖 UB圖圖4.84.8是利用反饋電流是利用反饋電流使輸出光功率穩定的使輸出光功率穩定的LDLD驅動電路，其主體和圖驅動電路，其主體和圖4.74.7相同，只是由相同，只是由V V3 3支支路為路為LDLD提供的偏置電流提供的偏置電流I Ib b受到激光器背向輸出受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數字光平均功率和輸入數字信號均值信號均值U Uinin的控制。的控制。 在反饋電路中引入信號參考電壓的目的，是使在反饋電路中引入信號參考電壓的目的，是使LDLD的偏置電流的偏置電流I Ib b不不受碼流中受碼流中“0”0”碼和碼和“

17、1”1”碼比例變化的影響。碼比例變化的影響。 inUPLDUPD(UPD+ +UR)UA1 IbPLDV2V1電流源IoUin UV3A1CIbRf信號參考UR輸出監測PD檢測器LDUB1UA1Uin把把PDPD檢測器的輸出監測電壓檢測器的輸出監測電壓U UPDPD、信號參考電壓、信號參考電壓U Uinin和直流參考電壓和直流參考電壓U UR R施施加到運算放大器加到運算放大器A A1 1的反相輸入端，經放大后，控制的反相輸入端，經放大后，控制V V3 3基極電壓和偏置基極電壓和偏置電流電流I Ib b，其控制過程如下：，其控制過程如下：4.8 反饋穩定LD驅動電路 一個更加完善的自動功率控制

18、一個更加完善的自動功率控制(APC)(APC)電路如圖電路如圖4.94.9所示。從所示。從LDLD背向輸出背向輸出的光功率，經的光功率，經PDPD檢測器檢測、運算放大器檢測器檢測、運算放大器A A1 1放大后送到比較器放大后送到比較器A A3 3的反相輸入的反相輸入端。同時，輸入信號參考電壓和直流參考電壓經端。同時，輸入信號參考電壓和直流參考電壓經A A2 2比較放大后，送到比較放大后，送到A A3 3的同的同相輸入端。相輸入端。A A3 3和和V V3 3組成直流恒流源調節組成直流恒流源調節LDLD的偏流，使輸出光功率穩定。的偏流，使輸出光功率穩定。 V2V1信號參考UinA1A2A3PD直

19、流參考 U UV3IbLD圖 4.9 APC電路原理 4.1.44.1.4溫度特性和自動溫度控制溫度特性和自動溫度控制1. 1. 激光器的溫度特性激光器的溫度特性 激光器的溫度特性在激光器的溫度特性在3.13.1節已經討論過，溫度對激光器輸節已經討論過，溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流出光功率的影響主要通過閾值電流I Ithth和外微分量子效率和外微分量子效率d d產產生。圖生。圖4.10(a)4.10(a)和和(b)(b)分別示出溫度通過閾值電流和外微分量子分別示出溫度通過閾值電流和外微分量子效率引起的輸出光脈沖的變化：效率引起的輸出光脈沖的變化：溫度升高，閾值電流增加，外溫度升

20、高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。 (a)(b)20C20C70C25CPIPI 由于激光器結區溫度的變化使得輸出光脈沖的形狀發生變由于激光器結區溫度的變化使得輸出光脈沖的形狀發生變化，這種效應稱為化，這種效應稱為“結發熱效應結發熱效應”。溫度對輸出光脈沖的另一個影響是溫度對輸出光脈沖的另一個影響是“結發熱效應結發熱效應”。如圖如圖4.114.11所示：所示：（1 1）設）設t=0t=0時，時， 注入電流為注入電流為I I1 1，由于，由于電流的熱效應，溫度隨時間電流的熱效應，溫度隨時間t t而升高，而升高，激光器的閾值電流隨激光器的

21、閾值電流隨t t而增大，使輸出而增大，使輸出光脈沖的幅度隨光脈沖的幅度隨t t而減小。而減小。（2 2）當）當t=Tt=T時，注入電流從時，注入電流從I I1 1減小到減小到I I0 0，電流散發的熱量減少，結區溫度，電流散發的熱量減少，結區溫度隨隨t t而降低，閾值電流減小，使輸出光而降低，閾值電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大。脈沖的幅度增大。電流脈沖光脈沖t0t TI1I0低調制速率的低調制速率的“結發熱效應結發熱效應”更加明顯。將引起調制失真。更加明顯。將引起調制失真。圖 4.11 結發熱效應 2. 2. 自動溫度控制自動溫度控制 溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，溫度控

22、制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成， 圖圖4.124.12示出溫度控制裝置的方框圖。致冷器的冷端和激光器的示出溫度控制裝置的方框圖。致冷器的冷端和激光器的熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測激光器結區的溫度，并熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測激光器結區的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。出特性保持恒定。 圖圖 4.12 溫度控制方框圖溫度控制方框圖 激光器致冷器熱敏電阻控制電路熱導 圖圖4.134.13示出自動溫度控制示出自動溫度控制(ATC)(ATC)電路原理圖。由電路原理圖。由R R1

23、 1、R R2 2、 R R3 3和熱敏電阻和熱敏電阻RTRT組成組成“換能換能”電橋，通過電橋把溫度的變化轉電橋，通過電橋把溫度的變化轉換為電量的變化。運算放大器換為電量的變化。運算放大器A A的差動輸入端跨接在電橋的對的差動輸入端跨接在電橋的對端，用以改變三極管端，用以改變三極管V V的基極電流。的基極電流。 AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UVT(環境) T(LD、熱沉)RTI(致冷器)T(LD) 4.13 ATC電路原理 4.2 4.2 光接收機光接收機4.2.14.2.1光接收機基本組成光接收機基本組成 直接強度調制、直接檢測方式的數字光接收機方框圖

24、示于直接強度調制、直接檢測方式的數字光接收機方框圖示于圖圖4.144.14，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、 時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)(AGC)電路。電路。 光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號 圖圖 4.14 數字光接收機方框圖數字光接收機方框圖 1. 1. 光檢測器光檢測器 光檢測器是光接收機實現光光檢測器是光接收機實現光/ /電轉換的關鍵器件，其性電轉換的關鍵器件，其性能特別是能特別是響應度和噪聲響應度和噪聲直接影響

25、光接收機的靈敏度。對光檢直接影響光接收機的靈敏度。對光檢測器的要求如下：測器的要求如下： (1) (1) 波長響應要和光纖低損耗窗口波長響應要和光纖低損耗窗口(0.85 m(0.85 m、 1.31 m1.31 m和和1.55 m)1.55 m)兼容；兼容； (2) (2) 響應度要高，響應度要高， 在一定的接收光功率下，在一定的接收光功率下， 能產生最大能產生最大的光電流；的光電流； (3) (3) 噪聲要盡可能低，噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號；能接收極微弱的光信號； (4) (4) 性能穩定，性能穩定， 可靠性高，可靠性高， 壽命長，壽命長， 功耗和體積小。功耗和體積小。 目前，

26、適合于光纖通信系統應用的光檢測器有目前，適合于光纖通信系統應用的光檢測器有PINPIN光電光電二極管和雪崩光電二極管二極管和雪崩光電二極管(APD)(APD)。2. 2. 放大器放大器 前置放大器：前置放大器：要為低噪聲放大器要為低噪聲放大器。 主放大器：一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的主放大器：一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實現自動增益控制增益，并通過它實現自動增益控制(AGC)(AGC)，以使輸入光信號在，以使輸入光信號在一定范圍內變化時，輸出電信號保持恒定。一定范圍內變化時，輸出電信號保持恒定。主放大器和主放大器和AGCAGC決定著光接收機的動態范圍。決定著光

27、接收機的動態范圍。 3. 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡器：目的是對放大器出來的已產生畸變均衡器：目的是對放大器出來的已產生畸變( (失真失真) )的電信的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決，以消除碼間干擾，號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。減小誤碼率。 再生電路：包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從再生電路：包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發送的碼流。地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發送的碼流。

28、 4.2.24.2.2噪聲特性噪聲特性光接收機的噪聲有兩部分：光接收機的噪聲有兩部分：（1 1）外部電磁干擾噪聲外部電磁干擾噪聲。 這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除；濾波加以消除；（2 2）光接收機內部噪聲光接收機內部噪聲。這部分噪聲是在信號檢測和放大過。這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設計與制程中引入的隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設計與制造盡可能減小，一般不可能完全消除。造盡可能減小，一般不可能完全消除。主要討論內部產生的隨機噪聲。主要討論內部產生的隨機噪聲。 圖圖4.164.16示出光接收機的噪聲等

29、效模型，其噪聲來源分為兩部分：示出光接收機的噪聲等效模型，其噪聲來源分為兩部分：（1 1）由光檢測器產生。包括光檢測器的量子噪聲電流）由光檢測器產生。包括光檢測器的量子噪聲電流i i2 2q q和暗和暗電流噪聲電流噪聲i i2 2d d電流。電流。（2 2）由放大器產生。包括等效噪聲電流源）由放大器產生。包括等效噪聲電流源i i2 20 0和電壓源和電壓源u u2 20 0放大器Rin0SISECRSddSqqip放大器光電檢測器0圖圖 4.16 光接收機的噪聲等效模型光接收機的噪聲等效模型 4. 4. 光電集成接收機光電集成接收機為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發單片光接收為了適合

30、高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發單片光接收機，即用機，即用“光電集成電路光電集成電路(OEIC)(OEIC)技術技術”在同一芯片上集成包括在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件。光檢測器在內的全部元件。工作在短波長的接收機比較容易集成，對于工作在工作在短波長的接收機比較容易集成，對于工作在1.31.6 m1.31.6 m長長波長的接收機系統集成，傳輸數率達不到實用的要求（波長的接收機系統集成，傳輸數率達不到實用的要求（5Gb/s5Gb/s）。）。光 檢 測 器電 路 部 分GaAs基 片N-InP基 片P-接 觸 片N-接 觸 片 放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型。常用三放大

31、器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型。常用三種類型前置放大電路示于圖種類型前置放大電路示于圖4.174.17。三種類型前置放大器的比較：三種類型前置放大器的比較： (1) (1) 雙極型晶體管前置放大器的主要特點是輸入阻抗低，雙極型晶體管前置放大器的主要特點是輸入阻抗低， 電路時間電路時間常數常數RCRC小于信號脈沖寬度小于信號脈沖寬度T T，因而，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統。 (2) (2) 場效應管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高，場效應管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高， 噪聲小，高頻噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統特性較差，適用于低

32、速率傳輸系統。 (3) (3) 跨阻型前置放大器最大的優點是跨阻型前置放大器最大的優點是改善了帶寬特性和動態范圍改善了帶寬特性和動態范圍，并，并具有良好的噪聲特性。具有良好的噪聲特性。 偏壓(a)偏壓(b)偏壓(c)Rf(a) 雙極型晶體管； (b) 場效應管； (c) 跨阻型 4.2.34.2.3誤碼率誤碼率誤碼誤碼：把發射的：把發射的“0”0”碼誤判為碼誤判為“1”1”碼，或把碼，或把“1”1”碼誤判為碼誤判為“0”0”碼。碼。誤碼率誤碼率：光接收機對碼元誤判的概率稱為誤碼率：光接收機對碼元誤判的概率稱為誤碼率( (在在二元制的情況下，等于誤比特率，二元制的情況下，等于誤比特率，BER)B

33、ER)， 用較長時間間隔內，用較長時間間隔內，在傳輸的碼流中，誤判的碼元數和接收的總碼元數的比值來表在傳輸的碼流中，誤判的碼元數和接收的總碼元數的比值來表示。示。 圖 4.18 計算誤碼率的示意圖 tIsImI1(t)I0(t)判決門限D0碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流碼元被誤判的概率，可以用噪聲電流( (壓壓) )的概率密度函數來計算。如圖的概率密度函數來計算。如圖4.184.18所示，所示，I I1 1是是“1”1”碼的電流，碼的電流，I I0 0是是“0”0”碼的電流。碼的電流。 I Im m是是“”碼的平碼的平均電流，而均電流，而“0”0”碼的平均電流為碼的平均電流為0 0。D D為

34、判決門限值，一般取為判決門限值，一般取D=ID=Im m/2/2。在。在“”碼時，如果在取樣時刻帶有噪碼時，如果在取樣時刻帶有噪聲的電流聲的電流I I1 1DDD，則可能被誤判，則可能被誤判為為“”碼。要確定誤碼率，不僅要碼。要確定誤碼率，不僅要知道噪聲功率的大小，而且要知道噪知道噪聲功率的大小，而且要知道噪聲的概率分布。聲的概率分布。 光接收機輸出噪聲的概率分布十分復雜，一般假設噪聲電光接收機輸出噪聲的概率分布十分復雜，一般假設噪聲電流流( (或電壓或電壓) )的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數為的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數為2exp21)(22xxf 式中式中x x是代表噪聲這一

35、高斯隨機變量的取值，是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值， 其均值為其均值為零，方差為零，方差為2 2。 (4.8)2exp21)(02000NINIf 在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設了噪在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率，并假設了噪聲的概率分布后，聲的概率分布后， 現在可以分別計算現在可以分別計算“0”碼和碼和“”碼的誤碼的誤碼率了。碼率了。 在發在發“0”碼時碼時， 平均噪聲功率平均噪聲功率N0=NA，NA為前置放大器為前置放大器的平均噪聲功率。的平均噪聲功率。 這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流略去暗電流)

36、。由式得到發。由式得到發“0”碼的條件下噪聲的概率碼的條件下噪聲的概率密度函數為密度函數為 根據誤碼率的定義，把根據誤碼率的定義，把“0”碼誤判為碼誤判為“1”碼的概率，碼的概率， 應應等于等于I0值超過值超過D值的概率，即值的概率，即00200012exp21,dININPDedxxxND2exp210/2式中x=I0/0N 在發在發“1”碼時碼時，平均噪聲功率，平均噪聲功率N1=NA+ND。ND是在放大是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。這時噪聲電流的幅度為器輸出端光檢測器的平均噪聲功率。這時噪聲電流的幅度為I1-Im，判決門限值仍為，判決門限值仍為D，則只要取樣值，則只要取樣值Im-

37、I1Im-D或或I1-ImD-Im，就可能把，就可能把“”碼誤判為碼誤判為“0”碼。所以，把碼。所以，把“1”碼碼誤判為誤判為“0”碼的概率為：碼的概率為： )(2)(exp21,1121101mIDmeIIdNIINPmdyyPNIDem2exp21,1/ )(201式中y=(I1-Im)/ 。 N式中 Q= 10NDINDmQ= 10NNIm Q Q稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對稱為超擾比，含有信噪比的概念。它還表示在對“0”0”碼進行取樣判決時，判決門限值碼進行取樣判決時，判決門限值D D超過放大器平均噪聲電流超過放大器平均噪聲電流 的倍數。的倍數。 “0”“0”碼和碼和“1

38、”1”碼的誤碼率一般是不相等的，但對于碼的誤碼率一般是不相等的，但對于“0”0”碼碼和和“1”1”碼等概率的碼流而言，一般認為碼等概率的碼流而言，一般認為Pe,01Pe,01=P=Pe e, , 10 10時，可以使時，可以使誤碼率達到最小。因此，總誤碼率誤碼率達到最小。因此，總誤碼率(BER)(BER)可以表示為可以表示為dxxPQe2exp212N（4.12）1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q誤碼率 圖4.19 誤碼率和Q的關系由此可見，只要知道由此可見，只要知道Q Q值，值，就可根據式就可根據式(4.12) (4

39、.12) 的積的積分求出誤碼率，結果示于分求出誤碼率，結果示于圖圖4.194.19。例如：。例如：Q=6, BER10Q=6, BER10-9-9Q7Q7， BER=10BER=10-12-12。 4.2.44.2.4靈敏度靈敏度靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標。靈敏度是衡量光接收機性能的綜合指標。靈敏度靈敏度P Pr r： 在保證通信質量在保證通信質量( (限定誤碼率或信噪比限定誤碼率或信噪比) )的條件下，的條件下， 光接收機所需的最小平均接收光功率光接收機所需的最小平均接收光功率P Pminmin，并以，并以dBmdBm為單為單位。由定義得到位。由定義得到 P Pr r=10lg (4

40、.14)=10lg (4.14) 靈敏度表示光接收機調整到靈敏度表示光接收機調整到最佳狀態時，能夠接收微弱最佳狀態時，能夠接收微弱光信號的能力光信號的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。)(10)min(3dBmwP1. 1. 理想光接收機的靈敏度理想光接收機的靈敏度 假設光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統假設光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統可以檢測出單個光子形成的電子可以檢測出單個光子形成的電子 - - 空穴對所產生的光電流，空穴對所產生的光電流， 這種接收機稱為這種接收機稱為理想光接收機理想光接收機。其靈敏度只受到

41、光檢測器的量其靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制。子噪聲的限制。 首先考慮理想光接收機的誤碼率。當光檢測器沒有光輸入首先考慮理想光接收機的誤碼率。當光檢測器沒有光輸入時，時， 放大器就完全沒有電流輸出，因此放大器就完全沒有電流輸出，因此“0”0”碼誤判為碼誤判為“”碼的概率為碼的概率為0 0，即，即P Pe, 01e, 01=0=0。產生誤碼的惟一可能就是當一個光。產生誤碼的惟一可能就是當一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產生光電流，放大器沒有電流輸出。脈沖輸入時，光檢測器沒有產生光電流，放大器沒有電流輸出。 這個概率，即這個概率，即“1”1”碼誤判為碼誤判為“0”0”碼的概率碼的概率P Pe,

42、 10e, 10=exp(-n)=exp(-n)，n n為一個碼元的平均光子數。當為一個碼元的平均光子數。當“0”0”碼和碼和“1”1”碼等概率出現時，碼等概率出現時，誤碼率為誤碼率為 Pe= (4.15) 21Pe, 01+ Pe, 10= exp(-n) 2121 現在考慮理想光接收機的靈敏度。設傳輸的是非歸零碼(NRZ)，每個光脈沖最小平均光能量為Ed，碼元寬度為Tb， 一個碼元平均光子數為n，那么光接收機所需最小平均接收功率為 式中，因子2是“0”碼和“1”碼功率平均的結果，h=6.62810-34Js為普朗克常數，f=c/，f、分別為光頻率和光波長，c為真空中的光速。利用Tb=1/f

43、b，fb為傳輸速率； 并考慮光/電轉換時的量子效率為。把這些關系代入式(4.16)， 得到理想光接收機靈敏度Pmin= bbdTnhfTE22(4.16)Pr= 10 lg (4.17)2bnhcf 對于數字光纖通信系統，一般要求誤碼率對于數字光纖通信系統，一般要求誤碼率P Pe e10-910-9，根，根據式據式(4.15)(4.15)得到得到n21n21。這表明至少要有。這表明至少要有2121個光子產生的光電個光子產生的光電流，流， 才能保證判決時誤碼率小于或等于才能保證判決時誤碼率小于或等于1010-9-9。設。設=0.7=0.7，并，并把相關的常數代入式把相關的常數代入式(4.17)(

44、4.17)，計算出的不同，計算出的不同和不同和不同f fb b的的P Pr r值值列于表列于表4.14.1。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。由表值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。由表 4.1 4.1 我們我們明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關系。明顯看到了靈敏度與光波長和傳輸速率的關系。 2. 2. 實際光接收機的靈敏度實際光接收機的靈敏度 影響實際光接收機靈敏度的因素很多，計算也十分復雜，影響實際光接收機靈敏度的因素很多，計算也十分復雜， 這里只作簡要介紹。利用誤碼率的公式這里只作簡要介紹

45、。利用誤碼率的公式(4.12)(4.12)、(4.13)(4.13)可以計可以計算最小平均接收光功率。為此，應建立超擾比算最小平均接收光功率。為此，應建立超擾比Q Q與入射光功率與入射光功率的關系。在發的關系。在發“0”0”碼的情況下，入射信號的光功率碼的情況下，入射信號的光功率P P0 0=0=0，輸，輸出光電流出光電流I I0 0=0=0。在發。在發“1”1”碼的情況下，入射信號的光功率碼的情況下，入射信號的光功率P P1 1和和光電流光電流I I1 1的關系為的關系為 I I1 1=gP=gP1 1=2g=2gP P 式中，式中，g g為為APDAPD倍增因子倍增因子( (對于對于PIN

46、PDPINPD，g=1)g=1)，為光檢測器的為光檢測器的響應度，響應度，P P=(P1+P0)/2=(P1+P0)/2為為“0”0”碼和碼和“”碼的平均光功碼的平均光功率。率。 在放大器輸出端在放大器輸出端“”碼的平均電流碼的平均電流I Im m=I=I1 1A A，A A為放大器為放大器增益，利用式增益，利用式(4.13)(4.13)和式和式(4.18)(4.18)得到得到 Q= (4.19)Q= (4.19)給定給定Q Q值，值， 便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率便得到限定誤碼率的最小平均接收光功率102NNApgAgNNQP2)(10min式中，式中，N N0 0和和N N1 1分

47、別為傳輸分別為傳輸“0”0”碼和碼和“1”1”碼時的平均噪聲功率。碼時的平均噪聲功率。如前所述，在略去暗電流的情況下，如前所述，在略去暗電流的情況下， N N0 0=N=NA A , , N N1 1=N=NA A+N+ND D 式中，式中，N NA A是前置放大器的平均噪聲功率，如式是前置放大器的平均噪聲功率，如式(4.4)(4.4)式式(4.7)(4.7)所示；所示；N ND D是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率N ND D= =i i2q2qA2A2，i i2q2q為均方量子噪聲電流，如式為均方量子噪聲電流，如式(3.22)(3.22)和和式式(

48、3.26)(3.26)所示。所示。 對于對于PINPIN光電二極管，光電二極管，N ND Dmnm，一般選取一般選取n=m+1n=m+1。mBnBmBnB碼有碼有1B2B1B2B、3B4B3B4B、5B6B5B6B、 8B9B8B9B、 17B18B17B18B等等。等等。 1. mBnB1. mBnB碼編碼原理碼編碼原理 (1) 1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的連“”和連“”的數目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內，傳輸1比特變為傳輸2比特， 碼速提高了1倍。 (2)3B4B碼，輸入的原始碼流3B碼，共有(

49、23)8個碼字， 變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表4.2。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。 設計者應根據最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變為4B碼時補1個“”；在3B碼中有2個“1”，變為4B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同時，規定一些禁止使用的碼字， 稱為禁字，例如0000和1111。 表 4.23B和4B的碼字 WDS(WDS(碼字數字和碼字數字和) )：在：在nBnB碼的碼字中，用碼的碼字中，用“-1”-1”代表代表“0”0”碼，碼， 用用“

50、+1”+1”代表代表“”碼，整個碼字的代數和即為碼，整個碼字的代數和即為WDSWDS。 作用：作用：用來引入描述碼字的均勻性用來引入描述碼字的均勻性。如果整個碼字如果整個碼字“”碼的數目多于碼的數目多于“0”0”碼，則碼，則WDSWDS為正；如為正；如果果“0”0”碼的數目多于碼的數目多于“1”1”碼，碼， 則則WDSWDS為負；如果為負；如果“0”0”碼和碼和“1”1”碼的數目相等，則碼的數目相等，則WDSWDS為為0 0。例如：對于。例如：對于01110111，WDS=+2WDS=+2；對于對于00010001，WDS=-2WDS=-2；對于；對于00110011，WDS=0WDS=0。

51、nBnB碼的選擇原則是：盡可能選擇碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|WDS|最小的碼字，最小的碼字， 禁禁止使用止使用|WDS|WDS|最大的碼字。以最大的碼字。以3B4B3B4B為例，應選擇為例，應選擇WDS=0WDS=0和和WDS=WDS=2 2的碼字，的碼字， 禁止使用禁止使用WDS=WDS=4 4的碼字。表的碼字。表4.3 4.3 示出根據示出根據這個規則編制的一種這個規則編制的一種3B4B3B4B碼表，表中正組和負組交替使用。碼表，表中正組和負組交替使用。 表表 4.3 一種一種3B4B碼表碼表 我國我國3 3次群和次群和4 4次群光纖通信系統最常用的線路碼型是次群光纖通信系統最常

52、用的線路碼型是5B6B5B6B碼，碼，5B5B碼共有碼共有(2(25 5)32)32個碼字，變換個碼字，變換6B6B碼時共有碼時共有(2(26 6)64)64個碼個碼字。其編碼規則如下：字。其編碼規則如下： （1 1）選用其中）選用其中5050個個|WDS|WDS|最小的碼字。即最小的碼字。即2020個個WDS=0WDS=0，1515個個WDS=+2WDS=+2和和1515個個WDS=-2WDS=-2。（2 2）為減少連）為減少連“”和連和連“0”0”的數目，的數目， 刪去：刪去： 000011000011、 110000110000、 001111001111和和111100111100。表

53、表4.44.4示出根據這個規則編制的一種示出根據這個規則編制的一種5B6B5B6B碼表，正組和負組交碼表，正組和負組交替使用。替使用。 表中正組選用表中正組選用2020個個WDS=0WDS=0和和1212個個WDS=+2WDS=+2，負組選用，負組選用2020個個WDS=0WDS=0和和1212個個WDS=-2WDS=-2。 mBnB mBnB碼是一種分組碼，設計者可以根據傳輸特性的要求確碼是一種分組碼，設計者可以根據傳輸特性的要求確定某種碼表。定某種碼表。mBnBmBnB碼的特點是：碼的特點是： (1) (1) 碼流中碼流中“0”0”和和“1”1”碼的概率相等，碼的概率相等， 連連“0”0”

54、和連和連“1”1”的數目較少，定時信息豐富。的數目較少，定時信息豐富。 (2) (2) 高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小。高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小。 (3) (3) 在碼流中引入一定的冗余碼，在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測。便于在線誤碼檢測。 mBnBmBnB碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數量的區間通信的設備中，不宜用這傳輸輔助信號或有一定數量的區間通信的設備中，不宜用這種碼型。種碼型。 2. 2. 編譯碼器編譯碼器 有兩種編譯碼電路：有兩種編譯碼電路：（1 1）組合邏輯

55、電路。就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯）組合邏輯電路。就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規模專用集成塊，國外設備大多采用這種方片上，組成一個大規模專用集成塊，國外設備大多采用這種方法；法；（2 2）把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器）把設計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)(PROM)內而內而構成，國內設備一般采用這種方法。構成，國內設備一般采用這種方法。 圖 4.22 碼表存儲編碼器原理 并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并組別變換ABC變前時鐘已變換的輸出4B碼流變換時鐘待變換輸入信號碼流以以3B4B3B4B碼為例，首先把設計好碼為例，首先把設計好的

56、碼表存入的碼表存入PROMPROM內，待變換的內，待變換的信號碼流通過串信號碼流通過串 - - 并變換電并變換電路變為路變為3 3比特一組的碼比特一組的碼b b1 1、b b2 2、b b3 3，并行輸出作為，并行輸出作為PROMPROM的地址的地址碼，在地址碼作用下，碼，在地址碼作用下，PROMPROM根根據存儲的碼表，據存儲的碼表， 輸出與地址輸出與地址對應的并行對應的并行4B4B碼，再經過并碼，再經過并 - - 串變換電路，讀出已變換的串變換電路，讀出已變換的4B4B碼流。碼流。 圖中圖中A A、B B、C C三條線為組別控制控制線，當三條線為組別控制控制線，當WDS=WDS=2 2時，

57、時， 從從A A、B B分別送出控制信號，分別送出控制信號， 通過通過C C線決定組別。線決定組別。 譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。譯碼器與編碼器基本相同，只是除去組別控制部分。 譯譯碼時，把送來的已變換的碼時，把送來的已變換的4B4B信號碼流，每信號碼流，每4 4比特并聯為一組，比特并聯為一組， 作為作為PROMPROM的地址，然后讀出的地址，然后讀出3B3B碼，再經過并碼，再經過并 - - 串變換還原為串變換還原為原來的信號碼流。原來的信號碼流。 其他的其他的mBnBmBnB碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度碼編譯碼電路原理相同，只是電路復雜程度有所區別而已。有所區別而

58、已。 4.3.34.3.3插入碼插入碼 插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB) 一組，然后在每組mB碼末尾按一定規律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據插入碼的規律，可以分為mB1C碼、mB1H碼和mB1P碼。 1. 1. 插入碼的編碼原理插入碼的編碼原理 mB1C碼：把原始碼流分成每m比特(mB)一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼（反碼），這個補碼稱為C碼，所以稱為mB1C碼。補碼插在mB碼的末尾，連“0”碼和連“1”碼的數目最少。 mB1C mB1C碼的結構如圖，例如：碼的結構如圖，例如： mBmB碼為：碼為：100 110 001 101100 110 001 101mB1CmB1C碼為：碼為：1001 1101 0010 10101001 1101 0010 1010C C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監測；碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監測； 同時同時改善了改善了“0”0”碼和碼和“1”1”碼的分布，有利于定時提取。碼的分布，有利于定時提取。 mB1