光纖通信網(wǎng)絡(luò)

1、光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介2013224040 趙艷陽(yáng)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)一、光發(fā)射機(jī)的基本組成 光發(fā)送電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)光器件、自動(dòng)功率控制（APC）電路、自動(dòng)溫度控制（ATC）電路組成。其功能是將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出光脈沖信號(hào)（即E/O轉(zhuǎn)換）。光發(fā)射機(jī)基本組成框圖光發(fā)射機(jī)基本組成框圖 可靠性光發(fā)射機(jī)應(yīng)該能在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（約光發(fā)射機(jī)應(yīng)該能在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（約10年）可靠地工年）可靠地工作。對(duì)于海底光纜系統(tǒng)，可靠性要求更嚴(yán)格（通常要作。對(duì)于海底光纜系統(tǒng)，可靠性要求更嚴(yán)格（通常要求在求在25年中非認(rèn)為系統(tǒng)故障在年中非認(rèn)為系統(tǒng)故障在3次以下）。次以下）。 光發(fā)射機(jī)失效的主要原因是光源

2、本身，通常用平均失光發(fā)射機(jī)失效的主要原因是光源本身，通常用平均失效時(shí)間（效時(shí)間（MTTF, Mean Time to Failure）tF來(lái)度量激來(lái)度量激光器的壽命。光器的壽命。 通常，光源的通常，光源的tF應(yīng)該超過(guò)應(yīng)該超過(guò)105小時(shí)（約小時(shí)（約11年）。年）。 LED和和LD都有可能出現(xiàn)兩種失效，一種是災(zāi)難性的都有可能出現(xiàn)兩種失效，一種是災(zāi)難性的突然損壞，另一種是隨著使用時(shí)間的增加出現(xiàn)效率下突然損壞，另一種是隨著使用時(shí)間的增加出現(xiàn)效率下降的漸衰減過(guò)程（老化）。降的漸衰減過(guò)程（老化）。 一般來(lái)說(shuō)，在相同的工作條件下，一般來(lái)說(shuō)，在相同的工作條件下，LED比比LD具有更具有更長(zhǎng)的壽命，長(zhǎng)的壽命，G

3、aAs LED的平均失效時(shí)間可以輕易超過(guò)的平均失效時(shí)間可以輕易超過(guò)106小時(shí)，在小時(shí)，在25C工作條件下可以大于工作條件下可以大于107小時(shí)，小時(shí)，InGaAsP LED的失效時(shí)間接近的失效時(shí)間接近109小時(shí)小時(shí)。InGaAsP LD 的失效時(shí)間在的失效時(shí)間在25C時(shí)通常被限制在時(shí)通常被限制在106小時(shí)。小時(shí)。盡管如此，盡管如此，MTTF106小時(shí)的小時(shí)的LD也足可以用在設(shè)計(jì)也足可以用在設(shè)計(jì)使用時(shí)間為使用時(shí)間為25年的海底光纜系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)中。年的海底光纜系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)中。 驅(qū)動(dòng)電路起調(diào)制作用，調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制（即直驅(qū)動(dòng)電路起調(diào)制作用，調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制（即直接調(diào)制）和外調(diào)制（即間接調(diào)制）。內(nèi)調(diào)制是

4、直接接調(diào)制）和外調(diào)制（即間接調(diào)制）。內(nèi)調(diào)制是直接在光源上調(diào)制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于通信在光源上調(diào)制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中；外調(diào)制是在光輸出通路上加調(diào)制器，對(duì)光系統(tǒng)中；外調(diào)制是在光輸出通路上加調(diào)制器，對(duì)光源性能影響小，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前尚未廣泛應(yīng)源性能影響小，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前尚未廣泛應(yīng)用。圖中給出的驅(qū)動(dòng)電路，是用輸入電信號(hào)的大小用。圖中給出的驅(qū)動(dòng)電路，是用輸入電信號(hào)的大小來(lái)直接調(diào)制發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度，所以屬于內(nèi)調(diào)制。來(lái)直接調(diào)制發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度，所以屬于內(nèi)調(diào)制。驅(qū)動(dòng)電路的輸入電脈沖信號(hào)和發(fā)光器件的輸出光脈驅(qū)動(dòng)電路的輸入電脈沖信號(hào)和發(fā)光器件的輸出光脈沖信號(hào)都要求是光纖碼

5、型信號(hào)；沖信號(hào)都要求是光纖碼型信號(hào)； APC APC電路用來(lái)使光信號(hào)的功率穩(wěn)定而不隨外界條電路用來(lái)使光信號(hào)的功率穩(wěn)定而不隨外界條件變化；件變化； ATC ATC電路用來(lái)使發(fā)光器件工作溫度恒定。電路用來(lái)使發(fā)光器件工作溫度恒定。光發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo) 平均發(fā)送光功率平均發(fā)送光功率PT PT 消光比（消光比（EXEX） 定義為正常工作條件下光發(fā)送電路輸出的平均光功率。通常PT使用毫瓦分貝（dBm）單位，即 平均發(fā)送光功率與光發(fā)送電路（驅(qū)動(dòng)電路）的輸入電脈沖信號(hào)幅度和碼型有關(guān)。所以，離線(xiàn)測(cè)試時(shí)應(yīng)在正常工作的注入電流條件下進(jìn)行，并且測(cè)試信號(hào)使用偽隨機(jī)碼，以便盡可能接近實(shí)際情況。)(10)(lg1010)

6、(lg1033dBmWPWPPTTT單位 定義為光發(fā)送電路輸出全定義為光發(fā)送電路輸出全“1”1”碼時(shí)的平均輸出碼時(shí)的平均輸出光功率光功率P P1 1與輸出全與輸出全“0”0”碼時(shí)的平均輸出光功率碼時(shí)的平均輸出光功率P P0 0之之比，即比，即 消光比應(yīng)大于消光比應(yīng)大于1010，以保證足夠的光接收信噪比。，以保證足夠的光接收信噪比。01lg10PPEX 控制電路 控制電路的作用，就是為了消除上述溫度變化和器件老化帶來(lái)的影響，給激光器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。目前主要采取的措施有自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)功率控制。 自動(dòng)溫度控制（ATC） 光纖+V+ LD芯片熱電致冷A熱敏電阻的冷端和激光器的熱沉接觸，的冷端和

7、激光器的熱沉接觸，作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過(guò)它傳遞給控制電路，通過(guò)改變致冷量，改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。使激光器輸出特性保持恒定。RRC1PINLDLRGNDRV2RGNDRRRRRRCA3RUE EGNDCRRRRGNDUE ERCGNDGNDDA2V4RUE ERIbA1V3SqV1APCAPC電路原理電路原理自動(dòng)功率控制（APC）二、光接收機(jī)的基本組成光光/電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換低噪聲放大低噪聲放大提供增益提供增益決定接收機(jī)靈敏度決定接收機(jī)靈敏度對(duì)畸變信號(hào)補(bǔ)償，對(duì)畸變信號(hào)補(bǔ)償，消除干擾，減小消除干擾，減小誤碼率誤碼

8、率取樣判決，取樣判決，再生原碼流再生原碼流決定光接收機(jī)決定光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍的動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益控制，自動(dòng)增益控制，利用反饋環(huán)路控利用反饋環(huán)路控制放大器增益制放大器增益1前端（光檢測(cè)器）光檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)叫做接收機(jī)的前端，光檢測(cè)器和前置放大器合起來(lái)叫做接收機(jī)的前端， 其性能的優(yōu)劣是決定接收機(jī)靈敏度的主要因素。其性能的優(yōu)劣是決定接收機(jī)靈敏度的主要因素。光檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換光檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換目前普遍使用的光檢測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管目前普遍使用的光檢測(cè)器是半導(dǎo)體光電二極管( (如如PINPIN、APDAPD雪崩光電二極管雪崩光電二極管) )。光檢測(cè)器的性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接光檢測(cè)

9、器的性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的光電收機(jī)的靈敏度。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的光電轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。1前端（前置放大器）由于光檢測(cè)器的產(chǎn)生的光電流非常微弱，只有由于光檢測(cè)器的產(chǎn)生的光電流非常微弱，只有nAAnAA的數(shù)量級(jí)，必須先經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行的數(shù)量級(jí)，必須先經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大。低噪聲放大。前置放大器作用是對(duì)光檢測(cè)器的產(chǎn)生的光電流前置放大器作用是對(duì)光檢測(cè)器的產(chǎn)生的光電流進(jìn)行放大，當(dāng)然這也不可避免的引進(jìn)附加噪聲，進(jìn)行放大，當(dāng)然這也不可避免的引進(jìn)附加噪聲，因此應(yīng)采用低噪聲放大器。因此應(yīng)采用

10、低噪聲放大器。 返回返回2主放大器 主放大器一般是多級(jí)放大器，實(shí)際中往往是主放大器一般是多級(jí)放大器，實(shí)際中往往是由集成電路來(lái)構(gòu)成。由集成電路來(lái)構(gòu)成。它的主要作用是提供足夠的增益，同時(shí)受它的主要作用是提供足夠的增益，同時(shí)受AGCAGC電路控制調(diào)整增益，以使輸入光信號(hào)在一定范電路控制調(diào)整增益，以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和主放大器和AGCAGC決定光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。決定光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。3均衡濾波器 均衡的目的是對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光均衡的目的是對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/ /電轉(zhuǎn)換和電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變（失真）的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)放大后已產(chǎn)生畸

11、變（失真）的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出的波形適合于判決，以消除嗎間償，使輸出的波形適合于判決，以消除嗎間干擾，減小誤碼率。干擾，減小誤碼率。 4再生電路再生電路包括取樣判決電路和時(shí)鐘提取。再生電路包括取樣判決電路和時(shí)鐘提取。功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合波功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以再生出原發(fā)送的碼流。行取樣判決，以再生出原發(fā)送的碼流。 5.自動(dòng)增益控制電路 光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制，就是用反饋環(huán)路來(lái)光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制，就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益?？刂浦鞣糯笃鞯脑鲆妗Ｔ诓捎醚┍拦茉诓捎醚?/p>

12、崩管(APD)(APD)的接收機(jī)中還通過(guò)控制雪的接收機(jī)中還通過(guò)控制雪崩管的偏壓來(lái)控制雪崩管的雪崩增益。當(dāng)信號(hào)崩管的偏壓來(lái)控制雪崩管的雪崩增益。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)時(shí)，則通過(guò)反饋環(huán)路，使上述增益降低；當(dāng)強(qiáng)時(shí)，則通過(guò)反饋環(huán)路，使上述增益降低；當(dāng)信號(hào)弱時(shí)，則控制上述增益提高，從而達(dá)到使信號(hào)弱時(shí)，則控制上述增益提高，從而達(dá)到使輸出信號(hào)穩(wěn)定，以利于判決的目的。輸出信號(hào)穩(wěn)定，以利于判決的目的。顯然，自動(dòng)增益控制的作用是增加了接收機(jī)的顯然，自動(dòng)增益控制的作用是增加了接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍。光接收機(jī)的主要指標(biāo) 誤碼率誤碼率 靈敏度靈敏度 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍1誤碼率把發(fā)射的把發(fā)射的“0”0”誤判為誤判為“1”1”碼，把碼

13、，把“1”1”誤判為誤判為“0”0”碼，光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱(chēng)為誤碼碼，光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱(chēng)為誤碼率率( (在二元制的情況下，等于誤比特率在二元制的情況下，等于誤比特率BEB)BEB)用較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸碼流中，誤判的碼用較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸碼流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來(lái)表示。元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來(lái)表示。 總波特?cái)?shù)總波特?cái)?shù)錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)BER現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)BER10BER10-12-122靈敏度光接收機(jī)靈敏度光接收機(jī)靈敏度PrPr定義：在保證通信質(zhì)量定義：在保證通信質(zhì)量( (滿(mǎn)足滿(mǎn)足給定的誤碼率指標(biāo)給定的誤碼率指標(biāo)) )的條件下，光接

14、收機(jī)需要的的條件下，光接收機(jī)需要的最小平均接收功率最小平均接收功率Pmin(w)Pmin(w)，并以，并以dBmdBm為單位，表為單位，表示為：示為：10)W(Plg10P3minr靈敏度靈敏度PrPr表示了接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接表示了接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力，提高靈敏度意味著能夠接收微弱光信號(hào)的能力，提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。收更微弱的光信號(hào)。對(duì)接收靈敏度的要求與系統(tǒng)應(yīng)用有關(guān) 對(duì)于海底通信系統(tǒng)，總希望盡量減少中繼站數(shù)目以提高可靠性并容易維護(hù)。那末就非常希望有高的接收靈敏度，以延長(zhǎng)中繼距離； 對(duì)陸上通信系統(tǒng)及數(shù)據(jù)網(wǎng)，中繼距離常常取決中繼站位置，對(duì)接收靈敏度的要求就不很苛刻 接收靈敏度是接收機(jī)設(shè)計(jì)中最基本的問(wèn)題。3動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D D定義為在保證系統(tǒng)的誤碼定義為在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低輸入光功率率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低輸入光功率( (用用dBmdBm表示表示) )和最大輸入光功率和最大輸入光功率( (用用dBmdBm表示表示) )之差。之差。 minmax3min3maxPPlg1010)W(Plg1010)W(Plg10D它表示光