1、2022-12-211单元二单元二 话音在光纤通信系统中的传输话音在光纤通信系统中的传输任务任务4 话音在光纤通信系统中的传输话音在光纤通信系统中的传输教学活动教学活动 学习光端机功能、组成及性能。学习光端机功能、组成及性能。2022-12-212第第4章章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统 本章重点内容是：本章重点内容是：1.光纤通信的特点；光纤通信的特点；2光纤通信系统的基本组成；光纤通信系统的基本组成；3光纤的结构和分类、光纤的导光原理及主要工作特性；光纤的结构和分类、光纤的导光原理及主要工作特性；4光源、光检测器、光无源器件的工作原理和工作特性光源、光检测器、光无源器件的工作原理和工作
2、特性5光端机的基本组成及各部分的主要作用；光端机的基本组成及各部分的主要作用；6SDH的基本特点；的基本特点；7SDH的标准速率与帧结构；的标准速率与帧结构；8我国我国SDH的复用结构；的复用结构；9SDH网中的复用设备和数字交叉连接器；网中的复用设备和数字交叉连接器；10SDH网络结构。网络结构。2022-12-2134.3 光端机光端机 所谓光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备。光端机包括光发送机和光接收机。框图如图4-27光发送机的主要作用是将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，并藕合进光纤线路中进行传输。光接收机的主要作用是将光纤传输微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大
3、、整形、再生输人到电接收端机。2022-12-2144.3 光端机光端机 4.3.1 光发射机光发射机1、数字光发射机、数字光发射机的功能功能:电端机输出的数字基带电端机输出的数字基带信号转换为信号转换为信号；信号；用耦合技术用耦合技术光纤线路；光纤线路；用数字电信号对光源进行用数字电信号对光源进行2、调制方式：直接调制和外调制。、调制方式：直接调制和外调制。广泛应用的是直接光强广泛应用的是直接光强(功率功率)调制。调制。2022-12-215 I I P P输入电信号输入电信号输出光信号输出光信号输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号(a)LED数字调制原理；数字调制原理；(b)LD的数字
4、调制原理的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电流当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率时，输出光功率P和驱动和驱动 电流电流I基本上是基本上是 输出输出和和成正比，输出光信号反映输入电信号。成正比，输出光信号反映输入电信号。2022-12-2163、光发射机基本组成、光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如图所示，主要有数字光发射机的方框图如图所示，主要有光源光源和和电路电路两部分。两部分。光源光源是实现电是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。决定着光发射机的性能。电路电路的设计应以的设计应以为依据，使为依据，使准确准确反
5、映反映输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信号输入电信号输入光信号输出光信号输出图图 数字光发射机方框图数字光发射机方框图2022-12-2171）光源）光源 ：发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致，即一致，即中心波长应在中心波长应在0.85 m、1.31 m和和1.55 m附近。光附近。光谱单色性要好，谱单色性要好，即谱线宽度要窄，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散以减小光纤色散对带宽的限制。对带宽的限制。要高，即要求在足够低的驱动电流要高，即要求在足够低的驱动电流下，下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束
6、的射光束的，以利于提高光源与光纤之间的，以利于提高光源与光纤之间的。2022-12-218调制速率要高或响应速度要快，调制速率要高或响应速度要快，以满以满足系统的大传输容量的要求。足系统的大传输容量的要求。器件应能在常温下以连续波方式工作，器件应能在常温下以连续波方式工作，要求要求温度温度 稳定性好，稳定性好，可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方 便，价格便宜。便，价格便宜。2022-12-2192）调制电路和控制电路调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有：直接光强调制的数字光发射机主要电路有：调
7、制调制电路、控制电路和线路编码电路电路、控制电路和线路编码电路。3）线路编码电路）线路编码电路 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光要变换为适合于光纤传输的纤传输的2022-12-2110 4.3.2光接收机光接收机1、光接收机基本组成、光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图。方框图示于图。主要包括：主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判
8、决器以及自动增益控制时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。电路。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2022-12-2111 1）光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测对光检测器的要求如下：器的要求如下：波长响应要和光纤低损耗窗口波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、1.31m和和1.55 m)兼容；兼容；响应度要高，响应度要高，在一定的接收光功率下，在一定的
9、接收光功率下，能产生最大的光能产生最大的光电流；电流；噪声要尽可能低，噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；能接收极微弱的光信号；性能稳定，性能稳定，可靠性高，可靠性高，寿命长，寿命长，功耗体积小。功耗体积小。目前，目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二光电二极管和雪崩光电二极管极管和雪崩光电二极管(APD)。2022-12-2112 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。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，目前有三种前放的噪声取决于放大器的
10、类型，目前有三种类型的前放可供选择。类型的前放可供选择。一般是多级放大器，它的作用是：一般是多级放大器，它的作用是：提供足够的增益提供足够的增益；并通过它实现自动增益控制并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光，使输入光信号在一定范围内变化时，信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。输出电信号保持恒定。主放大器和主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。决定着光接收机的动态范围。2022-12-2113 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、光对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变电转换和放大后已产生畸变(失真失真)的电信号进行补偿；的电信号进行补偿；使
11、输出信号的波形适合于判决，以消除码间干使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。扰，减小误码率。再生电路包括：再生电路包括：判决电路和时钟提取电路判决电路和时钟提取电路2022-12-2114 2、光电集成接收机光电集成接收机 图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电图中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，子器件，很容易用标准的集成电路很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们技术将它们集成在同一芯片上。集成在同一芯片上。不论是硅不论是硅(Si)还是砷化镓还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够技术都能够使集成电路的工作带宽超过使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到，甚至
12、达到10 GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力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，即用开发单片光接收机，即用“光电集成电路光电集成电路(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在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。件。2022-12-2115 在在1991年试验成功的单路年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，接收机，其运行速率达其运行速率达5 Gb/s。InGaAs OEIC接收机也可以用接收机也可以用混合法实现混合法实现。如图所示，如图所示，电元件集成在电元件集成在GaAs基片上，而光检测基片上，而光检测器集成在器集成在In
13、P基片上，两个部分通过接触片连接在一基片上，两个部分通过接触片连接在一起。起。图图 光电集成接收机光电集成接收机 光检测器电路部分GaAs基片N-InP基片P-接触片N-接触片2022-12-21164.3.3 线路编码线路编码 在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即即“
14、有光脉冲有光脉冲”表示表示“”码，码，“无光脉冲无光脉冲”表表示示“0”码。码。2022-12-21171、简单的二电平码会带来如下问题：、简单的二电平码会带来如下问题：在码流中，出现在码流中，出现“”码和码和“0”码的个数是随机码的个数是随机变化的，变化的，因而直流分量也会发生随机波动因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。给光接收机的判决带来困难。在随机码流中，容易出现长串连在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串码或长串连连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。取造成困难或
15、产生较大的定时误差。不能实现在线不能实现在线(不中断业务不中断业务)的误码检测，的误码检测，不利于长不利于长途通信系统的维护。途通信系统的维护。2022-12-2118 2、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有证传输的透明性，具体要求有：能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。有利于提高光接收机的灵敏度。能给光接收机提供足够的定时信息。因而应能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽
16、可能减少连尽可能减少连“”码和连码和连“0”码的数目，使码的数目，使“1”码和码和“0”码的分布均匀，码的分布均匀，保证定时信息丰保证定时信息丰富。富。能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。监测和公务通信。2022-12-21193、扰码、扰码 为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个相应地，在光接收机的判决
17、器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。解扰器，以恢复原始序列。扰码改变了扰码改变了“”码与码与“0”码的分布，码的分布，从而改从而改善了码流的一些特性。善了码流的一些特性。例如：例如：扰码前：扰码前：1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后：扰码后：1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 2022-12-2120扰码有下列缺点：扰码有下列缺点：不能完全控制长串连不能完全控制长串连“”和长串连和长串连“0”序列的出序列的出现；现；没有引入冗余，没有引入冗余，不能进行在线误码监测；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，信号频谱中接近于直流的分量较大，
18、不能解决基线不能解决基线漂移。漂移。因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要因为扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，求，所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它所以许多光纤通信设备除采用扰码外还采用其它类型的线路编码。类型的线路编码。2022-12-21214、mBnB码码 mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有每组有m个二进制码，记为个二进制码，记为mB，称为一个码字，然，称为一个码字，然后把一个码字变换为后把一个码字变换为n个二进制码，记为个二进制码，记为nB，并在同，并在同一个时隙内输出。一个时隙内输出。这种码型是把这种码型是把m
19、B变换为变换为nB，所以称为，所以称为mBnB码，码，其中其中m和和n都是正整数，都是正整数，nm，一般选取，一般选取n=m+1。mBnB码有码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等等。等。2022-12-2122 mBnB码编码原理码编码原理 最简单的最简单的mBnB码是码是1B2B码，即曼彻斯特码，码，即曼彻斯特码，这就是把原码的这就是把原码的“”变换为变换为“01”，把把“1”变变换为换为“10”。因此最大的连因此最大的连“”和连和连“”的数目不会的数目不会超过两个，例如超过两个，例如1001和和0110。但是在相同时隙内，。但是在相同时隙内，传输传输1比特变为传输比
20、特变为传输2比特，比特，码速提高了码速提高了1倍。倍。2022-12-2123 以以3B4B码为例，输入的原始码流码为例，输入的原始码流3B码，共有（码，共有（23）8个个码字，码字，变换为变换为4B码时，码时，共有共有(24)16个码字，见表。个码字，见表。为保证信息的完整传输，必须从为保证信息的完整传输，必须从4B码的码的16个码字中挑选个码字中挑选8个码字来代替个码字来代替3B码。码。设计者根据最佳线路码特性的原则来选设计者根据最佳线路码特性的原则来选择码表。择码表。例如：在例如：在3B码中有码中有2个个“0”，变为，变为4B码时补码时补1个个“”；在在3B码中有码中有2个个“1”，变为
21、变为4B码时补码时补1个个“0”。而。而000用用0001和和1110交替使用；交替使用；111用用0111和和1000交替使用。同时，规定一些禁交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，止使用的码字，称为禁字，例如称为禁字，例如0000和和1111。2022-12-2124 0111 1111111 0110 1110110 0101 1101101 0100 1100100 0011 1011011 0010 1010010 0001 1001001 0000 10000004B3B 表表 3B和和4B的码字的码字 2022-12-2125 作为普遍规则，引入作为普遍规则，引入“码字数字和码
22、字数字和”(WDS)来描来描述码字的均匀性，并以述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的最佳选择来保证线路码的传输特性。的传输特性。所谓所谓“码字数字和码字数字和”，是在，是在nB码的码字中，用码的码字中，用“-1”代表代表“0”码，码，用用“+1”代表代表“”码，整个码字的码，整个码字的代数和即为代数和即为WDS。如果整个码字如果整个码字“”码的数目多于码的数目多于“0”码，则码，则WDS为正；如果为正；如果“0”码的数目多于码的数目多于“1”码，码，则则WDS为负；如果为负；如果“0”码和码和“1”码的数目相等，则码的数目相等，则WDS为为0。例如：对于例如：对于0111，WDS
23、=+2；对于；对于0001，WDS=-2；对于；对于0011，WDS=0。2022-12-2126 nB码码的的选择原则是：选择原则是：尽可能选择尽可能选择|WDS|最小的码字，最小的码字，禁止禁止使用使用|WDS|最大的码字。最大的码字。以以3B4B为例，应选择为例，应选择WDS=0和和WDS=2的码字，的码字，禁止使禁止使用用WDS=4的码字。的码字。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+201111106010100101010150100101001100400110001100113001010010
24、10102-20001+211100011-20100+210110000 表表 一种一种3B4B码表码表 2022-12-2127 我国我国3 3次群和次群和4 4次群光纤通信系统最常用的线路码型是次群光纤通信系统最常用的线路码型是5B6B5B6B码，其编码规则如下：码，其编码规则如下：5B5B码共有码共有(2(25 5)32)32个码字，变换个码字，变换6B6B码时共有码时共有(2(26 6)64)64个码字，个码字，其中其中WDS=0WDS=0有有2020个，个，WDS=WDS=2 2有有1515个，个，WDS=-2WDS=-2有有1515个，共有个，共有5050个个|WDS|WDS|最
25、小的码字可供选择。最小的码字可供选择。由于变换为由于变换为6B6B码时只需码时只需3232个码字，为减少连个码字，为减少连“”和连和连“0”0”的数目，的数目，删去：删去：000011000011、110000110000、001111001111和和111100111100。禁用禁用WDS=WDS=4 4和和6 6的码字。的码字。表表4 4示出根据这个规则编制示出根据这个规则编制的一种的一种5B6B5B6B码表，正组和负组交替使用。码表，正组和负组交替使用。表中正组选用表中正组选用2020个个WDS=0WDS=0和和1212个个WDS=+2WDS=+2，负组选用，负组选用2020个个WDS=
26、0WDS=0和和1212个个WDS=-2WDS=-2。2022-12-21282022-12-2129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+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125续表续表2022-12-2130 mBnB码是一种分组码，设计者根据传输特性的要求确定码是一种分组码，设计者根据传
27、输特性的要求确定某种码表。某种码表。mBnB码码的的特点是：特点是：(1)码流中码流中“0”和和“1”码的概率相等，码的概率相等，连连“0”和连和连“1”的的数目较少，定时信息丰富。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，在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。便于在线误码检测。mBnB码码的的缺点是缺点是传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。种码型。
