單元二話音在光纖通信系統中的傳輸任務4話音在光纖通信系統中的傳輸教學活動學習光端機功能、組成及性能。9/20/20231單元二話音在光纖通信系統中的傳輸8/6/20231第4章

數字光纖通信系統

本章重點內容是：1.光纖通信的特點；2．光纖通信系統的基本組成；3．光纖的結構和分類、光纖的導光原理及主要工作特性；4．光源、光檢測器、光無源器件的工作原理和工作特性5．光端機的基本組成及各部分的主要作用；6．SDH的基本特點；7．SDH的標準速率與幀結構；8．我國SDH的復用結構；9．SDH網中的復用設備和數字交叉連接器；10．SDH網絡結構。9/20/20232第4章數字光纖通信系統本章重點內容是：8/6/4.3光端機

所謂光端機是光纖通信系統中的光纖傳輸終端設備。光端機包括光發送機和光接收機。框圖如圖4-27光發送機的主要作用是將電端機送來的數字基帶電信號變換為光信號，并藕合進光纖線路中進行傳輸。光接收機的主要作用是將光纖傳輸微弱的光信號變換為電信號，并對電信號進行放大、整形、再生輸人到電接收端機。9/20/202334.3光端機

所謂光端機是光纖通信系4.3光端機

4.3.1光發射機1、數字光發射機的功能:

電端機輸出的數字基帶電信號轉換為光信號；用耦合技術注入光纖線路；用數字電信號對光源進行調制。2、調制方式：直接調制和外調制。

受調制的光源特性參數有：功率、幅度、頻率和相位，廣泛應用的是直接光強(功率)調制。

9/20/202344.3光端機

4.3.1光發射機8/6/2023IIPP輸入電信號輸出光信號輸出光信號輸入電信號

(a)LED數字調制原理；(b)LD的數字調制原理

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，輸出光信號反映輸入電信號。9/20/20235IIPP輸入電信號輸出光信號輸出光信號輸入電3、光發射機基本組成數字光發射機的方框圖如圖所示，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。輸入接口線路編碼調制電路光源控制電路電信號輸入光信號輸出圖數字光發射機方框圖9/20/202363、光發射機基本組成輸入接口線路編碼調制電路光源控制電路電信1）光源

對通信用光源的要求如下

：

發射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。電/光轉換效率要高，即要求在足夠低的驅動電流下，有足夠大而穩定的輸出光功率，且線性良好。發射光束的方向性要好，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。

9/20/202371）光源8/6/20237允許的調制速率要高或響應速度要快，以滿足系統的大傳輸容量的要求。

器件應能在常溫下以連續波方式工作，要求溫度穩定性好，可靠性高，壽命長。此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。

9/20/20238允許的調制速率要高或響應速度要快，以滿足系統2）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、控制電路和線路編碼電路。

3）線路編碼電路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，要變換為適合于光纖傳輸的單極性碼。

9/20/202392）調制電路和控制電路3）線路編碼電路8/6/2023

4.3.2光接收機1、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示于圖。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(AGC)電路。9/20/2023104.3.2光接收機8/6/202310

1）光檢測器光檢測器是光接收機實現光/電轉換的關鍵器件，其性能特別是響應度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。對光檢測器的要求如下：波長響應要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；響應度要高，在一定的接收光功率下，能產生最大的光電流；噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；性能穩定，可靠性高，壽命長，功耗體積小。目前，適合于光纖通信系統應用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。9/20/2023111）光檢測器8/6/202311

2）放大器前置放大器應是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。

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(AGC)，使輸入光信號在一定范圍內變化時，輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態范圍。9/20/202312

2）放大器8/6/2023123）均衡和再生

均衡的目的：對經光纖傳輸、光/電轉換和放大后已產生畸變(失真)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，減小誤碼率。

再生電路包括：判決電路和時鐘提取電路9/20/2023133）均衡和再生8/6/202313

2、光電集成接收機圖中除光檢測器以外的所有元件都是標準的電子器件，很容易用標準的集成電路(IC)技術將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術都能夠使集成電路的工作帶寬超過2GHz，甚至達到10GHz。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機，即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件。9/20/2023142、光電集成接收機8/6/202314

在1991年試驗成功的單路InGaAsOEIC接收機，其運行速率達5Gb/s。InGaAsOEIC接收機也可以用混合法實現。如圖所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在InP基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。圖光電集成接收機9/20/202315在1991年試驗成功的單路InGaAsOEI4.3.3線路編碼在光纖通信系統中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸的雙極性碼。光源不可能發射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數字光纖通信系統傳輸的要求。數字光纖通信系統普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。9/20/2023164.3.3線路編碼8/6/2023161、簡單的二電平碼會帶來如下問題：

在碼流中，出現“１”碼和“0”碼的個數是隨機變化的，因而直流分量也會發生隨機波動(基線漂移)，給光接收機的判決帶來困難。

在隨機碼流中，容易出現長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產生較大的定時誤差。不能實現在線(不中斷業務)的誤碼檢測，不利于長途通信系統的維護。9/20/2023171、簡單的二電平碼會帶來如下問題：8/6/202317

2、數字光纖通信系統對線路碼型的主要要求是保證傳輸的透明性，具體要求有：能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。提高輸出功率的穩定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機的靈敏度。能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富。能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監測和公務通信。

9/20/2023182、數字光纖通信系統對線路碼型的主要要求是保證傳輸的透明性3、擾碼為了保證傳輸的透明性，在系統光發射機的調制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…擾碼后：1101110110011…9/20/2023193、擾碼例如：8/6/202319擾碼有下列缺點：不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現；沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監測；信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，所以許多光纖通信設備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。9/20/202320擾碼有下列缺點：8/6/2023204、mBnB碼mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

9/20/2023214、mBnB碼8/6/202321mBnB碼編碼原理最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“０”和連“１”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。

9/20/2023228/6/202322

以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有（23）8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表。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“１”；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。9/20/202323以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表3B和4B的碼字

9/20/202324011111111作為普遍規則，引入“碼字數字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數和即為WDS。如果整個碼字“１”碼的數目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數目多于“1”碼，則WDS為負；如果“0”碼和“1”碼的數目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。

9/20/202325作為普遍規則，引入“碼字數字和”(WDS)

nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。

線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表一種3B4B碼表9/20/202326nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小

我國3次群和4次群光纖通信系統最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規則如下：5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數目，刪去：000011、110000、001111和111100。禁用WDS=±4和±6的碼字。表