光纤通信课件精.ppt

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1、光纤通信课件第1页，本讲稿共111页 图 4.14 数字光接收机方框图 光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号第2页，本讲稿共111页1.光检测器光检测器 光光检检测测器器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度响应度和和噪声噪声直接影响光接收机的灵敏度。直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、1.31 m和1.55 m)兼容；(2)响响应应度度要要高高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能

2、稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光光电电二二极极管管和雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。第3页，本讲稿共111页2.放大器放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)。主放大器主放大器主放大器主放大器一般是多级放大器，它的作用是：（1）提供足够的增益 （2）并通过它实现自自动动增增益益控控制制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。动态范围。第4页，本讲稿共1

3、11页3.均衡和再生均衡和再生 均衡的目的：均衡的目的：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿。使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括：再生电路包括：判决电路判决电路和时钟提取电路时钟提取电路 再生电路功能：从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。第5页，本讲稿共111页 4.光电集成接收机光电集成接收机 图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷

4、化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光光电电集集成成电电路路(OEIC)技技术术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。第6页，本讲稿共111页 对于工作在1.31.6 m波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机接收机。在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现混合法实现。如图4.15所示，电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。第7页

5、，本讲稿共111页图 4.15 光电集成接收机 第8页，本讲稿共111页4.2 光检测器光检测器 在耗尽层 形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动4.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管(PD)(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应光电效应光电效应光电效应实现的。电子和空穴的扩散运动PN结界面 内部电场 漂移运动 能带倾斜 如果光子的能量大于或等于带隙(hf Eg)当入射光作用在PN结时 发生受激吸收第9页，本讲稿共111页 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动

6、可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。第10页，本讲稿共111页第11页，本讲稿共111页 如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向

7、偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。第12页，本讲稿共111页 4.2.2 PIN 光电二极管 PIN光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。第13页，本讲稿共111

8、页PIN光电二极管光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。中间的I层是N型型掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子电子-空穴对空穴对，因而大幅度提高了光电转换效光电转换效率率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层耗尽层，因而光生电流中漂移分量漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度耗尽层的宽度，来改变器件的响应速度响应速度。第14页，本讲稿共111页第15页

9、，本讲稿共111页图3.21 PIN光电二极管结构第16页，本讲稿共111页式中，hf 为光子能量光子能量光子能量光子能量，e为电子电荷电子电荷电子电荷电子电荷。(3.13)(3.14)PIN光电二极管具有如下主要特性：(一)量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性。光光电电转转换换效效率率用量量子子效效率率或响响应应度度表示。量量子子效效率率的定义为一次光光生电子生电子-空穴对空穴对和入射光子数入射光子数的比值响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值 第17页，本讲稿共111页 式中，()和分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可以看到，当()1时，1，所以为提高量子效率，I层

10、的厚度要足够大。（1）量子效率量子效率和和响应度响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率量子效率可以近似表示为(3.15)第18页，本讲稿共111页 （2）量子效率量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c=h c/Eg。图3.22示出量子效率量子效率量子效率量子效率 和响应度响应度响应度响应度 的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/

11、W)。第19页，本讲稿共111页图3-22 PIN光电二极管响应度 、量子效应率 与波长 的关系第20页，本讲稿共111页 (二)响应时间和频率特性响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响响应应能能力力用脉脉冲冲响响应应时时间间或截止频率截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉脉冲上升时间冲上升时间r和脉冲下降时间脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉脉冲冲响响应应时间时间 =r=

12、f=2.20 (3.16)第21页，本讲稿共111页 对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截截截截止止止止频频频频率率率率f fc c。当光电二极管具有单一时间常数0时，（3.17）PIN光电二极管响响应应时时间间或频频率率特特性性主主要要由由光生载流子在耗尽层的渡渡越越时时间间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常常数数所确定确定。第22页，本讲稿共111页 当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为(3.18)由()/(0)=得到由渡越时间d限制的截止频率（3.19）式中，渡越时间d=/vs，为耗尽层宽

13、度，vs为载流子渡越速度，比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度，可以减减小小渡渡越越时时间间d，从而提提高高截截止止频频率率fc，但是同时要降降低低量量子子效效率率。第23页，本讲稿共111页图3.23 内量子效率和带宽的关系第24页，本讲稿共111页 由电路RC时间常数限制的截止频率 式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。式中，为材料介电常数材料介电常数材料介电常数材料介电常数，A为结面积结面积结面积结面积，w为耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层宽度。(3.20)(3.21)第25页，本讲稿共111页

14、(三三)噪声噪声。噪声噪声影响光接收机的灵敏度灵敏度。噪噪声声包括散散粒粒噪噪声声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热热噪声噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（1）均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。2eI2eIP PB B 称为量量子子噪噪声声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生)2eI 2eId dB B是暗电流暗电流产生的噪声。暗暗电电流流是器件在反反偏偏压压条件下，没有入射光时产生的反反向向直直流流电

15、流。第26页，本讲稿共111页（1）均方热噪声电流 式中，k=1.3810-23J/K为波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流总均方噪声电流为 i2=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)i2T=第27页，本讲稿共111页 4.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流输出电流 I和反偏压反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压反向偏压的增加，开始光电流光电流基本保持不变。当反反向向偏偏压压增加到一定数值时，光光电电流流急剧增加，最后器件被击穿，这个

16、电压称为击穿电压击穿电压UB。APDAPD就是根据这种特性设计的器件。根据光光电电效效应应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电电子子-空穴对空穴对。第28页，本讲稿共111页 如果如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子载流子雪崩式倍增雪崩式倍增，见图3.25。所以所以这种器件就称为雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。第29页，本讲稿共111页 图 3.24

17、 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 第30页，本讲稿共111页 图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第31页，本讲稿共111页图3.26 APD结构图 图3.26示出的N+PP+结构被称为拉通型拉通型APD。第32页，本讲稿共111页 APD的响应度比PIN增加了g倍。U为反反反反向向向向偏偏偏偏压压压压，UB为击击击击穿穿穿穿电电电电压压压压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻体电阻体电阻体电阻。当UUB时，RIo/UB1)是雪雪雪雪崩崩崩崩效效效效应应应应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流均方量子噪声电流均方量子噪声电流

18、均方量子噪声电流应为 i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中，x为附加噪声指数。第34页，本讲稿共111页同理，APDAPD暗电流暗电流暗电流暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eId Bg2+x (3.27)附加噪声指数附加噪声指数附加噪声指数附加噪声指数x x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同第35页，本讲稿共111页 4.2.4 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二

19、极管光电二极管光电二极管光电二极管(PIN和APD)的一般性能。APDAPD是有增益的光电二极管，在光接收机灵灵敏敏度度要求较高的场合，采用APDAPD有利于延长系统的传输距离。灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。第36页，本讲稿共111页-5-15-5-15工作电压工作电压 /V120.51结电容结电容 Cj/pF0.21210响应时间响应时间250.11暗电流暗电流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度响应度1.01.60.41.0波长响应波长响应InGaAs-PINSi-PIN表3.3 PIN光电二极管一般特性第37页，本讲稿共111页0.50

20、.70.30.4附加噪声指数附加噪声指数 x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作电压工作电压 /V0.512结电容结电容 Cj/pF0.10.30.20.5响应时间响应时间10200.11暗电流暗电流 Id/nA050.70.5响应度响应度11.650.41.0波长响应波长响应InGaAs-APDSi-APD表3.4 雪崩光电二极管（APD）一般性能第38页，本讲稿共111页4.3 光接收机的特性光接收机的特性4.3.1 噪声特性噪声特性 光接收机的噪声有两部分：噪声有两部分：外部电磁干扰产生外部电磁干扰产生 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；内部产生内部产生

21、 这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。第39页，本讲稿共111页我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声随机噪声随机噪声随机噪声。光接收机噪噪噪噪声声声声的的的的主主主主要要要要来来来来源源源源是是是是:光光光光检检检检测测测测器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声和和和和前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。第40页，本讲稿共111页图 4.16

22、光接收机的噪声等效模型 第41页，本讲稿共111页 图4.16示出光接收机的噪声等效模型，由光光光光检检检检测测测测器器器器和和放放放放大大大大器器器器两部分组成。iq2光检测器的量量子子噪噪声声产生的均均方方噪噪声声电电流流(等效噪声功 率)，相应的功率谱密度表示为 Sq id2光检测器的暗暗电电流流噪噪声声产生的均均方方噪噪声声电电流流(等效噪声功率)，其相应的功率谱密度 Sd ip 光检测器的输出光生电流 R 光检测器的偏置电阻 C 光检测器的电容(结电容和其他电容)第42页，本讲稿共111页放大器分解为:理想放大器 等效噪声电流源i02相应的功率谱密度 SI 等效噪声电压源u02，相应

23、的功率谱密度SE Rin放大器的输入电阻。第43页，本讲稿共111页 折合到电放大器输入端的噪声主要包括光检测器产生的量子噪声、暗电流噪声和电阻热噪声及放大器产生的噪声。它们的电流均方值分别为其中，为一次光生信号电流，Id 为暗电流。第44页，本讲稿共111页 放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图4.17，这样，折合到放大器输入端的均方噪声电流为第45页，本讲稿共111页 图 4.17 光接收机的前置级放大电路(a)双极型晶体管；(b)场效应管；(c)跨阻型 第46页，本讲稿共111页三种类型前置放大器的比较：(

24、1)双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。(2)场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。(3)跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。第47页，本讲稿共111页 4.3.2 误码率误码率 由由于于噪噪声声的的存存在在，放放大大器器输输出出的的是是一一个个随随机机过过程程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误误码码率率(在二元制的情况下

25、，等于误比特率，BER)，用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。Im是“”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。第48页，本讲稿共111页 图 4.18 计算误码率的示意图 第49页，本讲稿共111页 在在“”码码时时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可能被误判为“”码。要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布。光光接接收收机机输输出出噪噪声声的的概概率率分分布布十分复

26、杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为概率密度函数为:式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为2。(4.8)第50页，本讲稿共111页 在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，现在可以分别计算“0”码和“”码的误码率了。在发“0”码时，平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发发“0”码码的的条条件件下下噪噪声声的的概概率密度函数为率密度函数为:(4.9)第51页，本讲稿共111页 根据误码率的定义，把把“0”码码误误判判为

27、为“1”码码的的概概率率，应等于应等于I0值超过值超过D值的概率值的概率，即式中x=I0/在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-ImD)(4.10b)第52页，本讲稿共111页式中y=(I1-Im)/。“0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率的码流而言，一一般般认认为为Pe,01=Pe,10时，可以使误码率达到最小。时，可以使误码率达到最小。(4.11a)(Im-I1)(Im-D)(4.11b)把把“1

28、”码误判为码误判为“0”码的概率为：码的概率为：第53页，本讲稿共111页因此，总误码率(BER)可以表示为：(4.12)式中 Q=(4.13a)Q=(4.13b)第54页，本讲稿共111页 Q称为超超扰扰比比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流 的倍数。由此可见，只要知道Q值，就可根据式(4.12)的积分求出误码率，结果示于图4.19。例如：Q=6,BER10-9，Q7，BER=10-12。第55页，本讲稿共111页 图4.19 误码率和Q的关系第56页，本讲稿共111页 Pr=10lg (4.14)4.3.3 灵敏度 灵敏度是衡量光接收

29、机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。第57页，本讲稿共111页 1.理想光接收机的灵敏度 假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。第58页，本讲稿共111页 首首先先考考虑虑

30、理理想想光光接接收收机机的的误误码码率率。当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为“”码的概率为0，即Pe,01=0。产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。这个概率，即“1”码误判为“0”码的概率Pe,10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。当当“0”码和码和“1”码等概率出现时，码等概率出现时，误码率为：误码率为：n为一个码元平均光子数 Pe=(4.15)Pe,01+Pe,10=exp(-n)第59页，本讲稿共111页 现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed

31、，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为:式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果，h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率和光波长，c为真空中的光速,为光/电转换时的量子效率。利用Tb=1/fb，fb为传输速率Pmin=（4.16）第60页，本讲稿共111页 Pr=10 lg (4.17)对于数字光纤通信系统，一般要求误码率 ，根据式(4.15)得到n21。这这表表明明至至少少要要有有21个个光光子子产产生生的的光光电电流流，才才能能保保证证判判决决时时误误码率小于或等于码率小于或等于10-9。设=0.7，并把相关的常数代

32、入式(4.17)，计算出的不同和不同fb的Pr值列于表4.1。这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限量子极限。由表 4.1 我们明显看到了灵敏度与光波长和传输速率的关系。把这些关系代入式(4.16)，得到理想光接收机灵敏度:第61页，本讲稿共111页 -65.7 -59.2 -71.1 -63.8灵敏度灵敏度pr/dBm 140 622 34 140速度速度fb/(Mb.s-1)1.551.31波长波长 /m 表4.1理想光接收机的接收机第62页，本讲稿共111页 2.实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度 影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十

33、分复杂，这里只作简要介绍。利用误码率的公式(4.12)、(4.13)可以计算最小平均接收光功率最小平均接收光功率。为此，应建立超超扰扰比比Q与入入射射光光功功率率的关系。在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流I0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流Ip1的关系为式中，g为APD倍倍增增因因子子(对于PINPD，g=1)，为光检测器的响应度，P=(P1+P0)/2为“0”码和“”码的平均光功率。（4.18）Ip1=gP1=2gP第63页，本讲稿共111页 Q=(4.19)式中，N0和N1分别为传输“0”码和“1”码时的平平均均噪噪声声功功率率。如前所述，在

34、略去暗电流的情况下，（4.20）在放大器输出端“”码的平均电流Im=I1A，A为放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到给定Q值，便得到限定误码率的最小平均接收光功率第64页，本讲稿共111页 N0=NA N1=NA+ND 式中，NA是前置放大器的平均噪声功率，如式(4.4)式(4.7)所示；ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率，为均方量子噪声电流，如式(3.22)和式(3.26)所示。对于PIN光电二极管，NDm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。第77页，本讲稿共111页1.mBnB码编码原理码编码原理 最简单的mBn

35、B码是1B2B码，即曼曼彻彻斯斯特特码码，这就是把把原原码的码的“”变换为变换为“01”，把把“1”变换为变换为“10”。因此最大的连“”和连“”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特，码速提高了1倍。第78页，本讲稿共111页 以3B4B码为例，输入的原始码流3B码，共有(23)8个码字，变换为4B码时，共有(24)16个码字，见表4.2。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“”；在3B码中有2个“1”，变为4B码时

36、补1个“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，称为禁字禁字，例如0000和1111。第79页，本讲稿共111页 0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表 4.2 3B和4B的码字 第80页，本讲稿共111页 作为普遍规则，引入“码码字字数数字字和和”(WDS)来描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。所谓“码码字字数数字字和和

37、”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码，则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。例如：对于0111，WDS=+2；对于0001，WDS=-2；对于0011，WDS=0。第81页，本讲稿共111页 nB码码的选选择择原原则则是是：尽可能选择|WDS|最小的码字，禁止使用|WDS|最大的码字。以3B4B为例，应选择WDS=0和WDS=2的码字，禁止使用WDS=4的码字。表4.3 示出根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正组和负组交替

38、使用。第82页，本讲稿共111页线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000 表 4.3 一种3B4B码表 第83页，本讲稿共111页 我国3次群和4次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B码码，其编码规则如下：编码规则如下：5B码共有(25)32个码字，变换6B码时共有(26)64个码字，其中WDS=0有20个，WDS=2

39、有15个，WDS=-2有15个，共有50个|WDS|最小的码字可供选择。由于变换为6B码时只需32个码字，为减少连“”和连“0”的数目，删去：000011、110000、001111和111100。当然禁用WDS=4和6的码字。表4.4示出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正组和负组交替使用。表中正组选用20个 WDS=0和 12个 WDS=+2，负 组 选 用 20个 WDS=0和 12个WDS=-2。第84页，本讲稿共111页第85页，本讲稿共111页线路码（6B）信号码（5B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-2000101+21110101111131-2001001

40、+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125续表第86页，本讲稿共111页 mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。mBnB码码的特点是：特点是：(1)码流中“0”和“1”码的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富。(2)高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小 (3)在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。mBnB码码的缺缺点点是是传输辅助信号比

41、较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。第87页，本讲稿共111页 2.编译码器编译码器 有两种编译码电路：一一种种是是 组组合合逻逻辑辑电电路路，就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方法。一一种种是是把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PROM)内而构成，国内设备一般采用这种方法。以3B4B码为例，码表存储编码器的工作原理示于图4.22。首先把设计好的码表存入PROM内，待变换的信号码流通过串-并变换电路变为3比特一组的码b1、b2、b3，并行输出作为PROM的地址码，在地址码作用下，PROM根据存

42、储的码表，输出与地址对应的并行4B码，再经过并-串变换电路，读出已变换的4B码流。第88页，本讲稿共111页图 4.22 码表存储编码器原理 第89页，本讲稿共111页 图中A、B、C三条线为组别控制控制线，当WDS=2时，从A、B分别送出控制信号，通过C线决定组别。译译码码器器与与编编码码器器基基本本相相同同，只只是是除除去去组组别别控控制制部部分分。译码时，把送来的已变换的4B信号码流，每4比特并联为一组，作为PROM的地址，然后读出3B码，再经过并-串变换还原为原来的信号码流。其他的mBnB码编译码电路原理相同，只是电路复杂程度有所区别而已。第90页，本讲稿共111页 4.4.3 插入码

43、 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)-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。根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。第91页，本讲稿共111页1.插入码的编码原理插入码的编码原理 mB1C码码的编编码码原原理理是是，把原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补补码码称为C码码，所以称为mB1C码码。补码插在mB码的末尾，连“0”码和连“1”码的数目最少。mB1C码的结构如图4.23所示，例如：mB码为：100 110 001 101 mB1C码为：1001 1101 0010 10

44、10 C码的作用是引入冗余码冗余码，可以进行在线误码率监测在线误码率监测；同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。第92页，本讲稿共111页 mB1H码是mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，并在相应的码位上插入一个混合码(H码)，所以称为mB1H码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，它是第m位码的补码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。第93页，本讲稿共111页 图 4.23 mB1C码的结构第94页，本讲稿共111页 常用的插入码是mB1H码，有1B1H码、4B1H码和8B1

45、H码。以4B1H码为例，它的优点是码速提高不大，误码增值小；可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。缺点是码流的频谱特性不如mBnB码。但在扰码后再进行4B1H变换，可以满足通信系统的要求。第95页，本讲稿共111页 在mB1P码中，P码称为奇奇偶偶校校验验码码，其作用和C码相似，但P码有以下两种情况：(1)P码码为为奇奇校校验验码码时时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数，例如：mB码为：100 000 001 110 mB1P码为：1000 0001 0010 1101 当检测得m+1个码内“”码为奇数时，则认为无误码。第96页，本讲稿共111页 (2)P码码为为偶偶校校

46、验验码码时时，其插入规律是使m+1个码内“”码的个数为偶数，例如：m B码为：100 000 001 110 mB1P码为：1001 0000 0011 1100 当检测得m+1个码内“”码为偶数时，则认为无误码。第97页，本讲稿共111页 2.编译码器 和mBnB码不同，mB1H码没有一一对应的码结构，所以mB1H码的变换不能采用码表法，一般都采用缓存插入法来实现。图4.24示出4B1H编码器原理，它由缓存器、写入时序电路、插入逻辑和读出时序电路四部分组成。4B1H码是每4个信号码插入一个H码，因此变换后码速增加1/4。设信号码的码速为34 368 kb/s，经4B1H变换后，线路码的码速为

47、(5/4)34 368 kb/s=42 960 kb/s。34 368 kb/s的NRZ信号码送入缓存器。第98页，本讲稿共111页图 4.24 4B1H编码器原理 第99页，本讲稿共111页 缓存器是4D触发器，它利用锁相环中的4分频信号作为写入时序脉冲，随机但有顺序地把34 368 kb/s信号码流分为4比特一组，与H码一起并联送入插入逻辑。插入逻辑电路实际上是一个5选1的电路，它利用锁相环中5分频电路输出读出时序脉冲。由插入逻辑输出码速为42 960 kb/s的4B1H码。图4.25示出4B1H译码器原理，它由B码还原、H码分离、帧同步和相应的时钟频率变换电路组成。把42960 kb/s

48、的4B1H码加到缓存器，因4B1H码是5比特为一组，所以缓存器应有5级，并用不同的时钟写入。第100页，本讲稿共111页图 4.25 4B1H译码器原理 第101页，本讲稿共111页 频率变换电路要保证向各个部分提供所需的准确时钟信号。通过缓存器，实际上已把B码和H码分开，只要用34 368 kHz的时钟把B码按顺序读出，B码就还原了。B码的还原电路实际上就是并串变换电路，由4选1电路来实现。数字光纤通信系统常用几种线路码的主要性能列于表4.5。第102页，本讲稿共111页第103页，本讲稿共111页4.5 光光 无无 源源 器器 件件 一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要

49、许多其他光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高都是不可缺少的。无源光器件的要求：无源光器件的要求：无源光器件的要求：无源光器件的要求：插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。第104页，本讲稿共111页 4.4.1 连接器和接头连接器和接头 连连接接器器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件光无源器件光无源器件光无源器件之间的连接。第105页，本讲稿共111页 4.4.2 光耦合器 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输

50、出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。1.耦合器类型 T形耦合器 星形耦合器 定向耦合器 波分复用器/解复用器第106页，本讲稿共111页图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)2314l1l2lNl1l2lN(d)波分第107页，本讲稿共111页 4.4.3 光隔离器与光环行器 耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器。环形器除了