光发射机与光接收机.ppt

,-光发送机与光接收机,第四章,光端机的性能指标；,光纤通信系统基本构成；,光端机的组成及工作原理；,PDH、SDH两种传输体制；,掌握发射机和接收机的性能指标,掌握光纤通信系统基本构成；,掌握发射机和接收机的框图和工作原理,理解PDH、SDH两种传输体制。,4.2 线路编码,4.5光-电-光中继器的原理,4.1 光发射机原理,4.3光发射机的主要技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,光纤通信系统、主要由光发送设备、光接收机设备、光传输设备组成。光发送设备和光接收机设备常称为光发射机和光接收机，两者合在一起为光端机。,把电端机输出的数字基带信号对光源进行直接光强度调制转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制实现。,4.1 光发射机原理,4.1 光发射机原理,一、光发射机框图,扰码,线路编码,调制电路,光 源,背向光监测,码型变换,均衡放大,输入码型变换电路,APC,APC,光发送电路,时钟提取,告警检测,图1 光发射机的组成框图(动画),电 信 号,光 信 号,数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图1。,二、光发射机原理,光发射机的作用是将从复用设备送来的HDB3信码变换成NRZ码，接着将NRZ码编为适合在光缆线路上传输的码型，最后在进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤。,4.1 光发射机原理,（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。 （2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。 （3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号。 （4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概出现，利于时钟提取。 （5）时钟提取：提取PCM时钟信号，供给其它电路使用。 （6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。 （7）光源：产生作为光载波的光信号。 （8）温度控制和功率控制： 稳定工作温度和输出平均光功率。 （9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。,4.2 线路编码,4.5光-电-光中继器的原理,4.1 光发射机原理,4.3光发射机的主要技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,PCM通信系统中的接口速率和码型，如表1所示。 表1 PDH接口码速率与接口码型 PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此，在光端机中必须进行码型变换。 在PDH系统中，常用的线路编码有分组码mBnB，1B2B码（CMI、DMI和双相码等）和插入码， SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。各种码的编码规律、传输速率如表2所示。,4.2 光线路编码,表2 常用的线路编码,4.2 光线路编码,一、分组码 分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常nm，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。 最简单的mBnB码是1B2B码，它是把原信息码的“0”变换为“01”，把“1”变换为“10”。因此最大的连“0”和连“1”的数目不会超过两个，例如1001和0110。但是码速率提高了1倍。 mBnB码的缺点是传输辅助信号比较困难。,4.2 光线路编码,二、插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m+1个码为一组新的线路码流。根据插入码的用途不同，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码等。 （1）mB1C码 mB1C码的编码原理是，把原始码流分成每m比特（mB）为一组，然后在每组mB码的末尾插入1比特补码，这个补码称为C码，所以称为mB1C码。例如：,4.2 光线路编码,（2）mB1H码 mB1H码是由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。,4.2 光线路编码,4.2 光线路编码,4.2 光线路编码,C为不中断业务的误码检测；G为帧同步码（F1、F2、F3、F4）；30路区间通信码（S1、S3、S4、S6、S7、S9、S10、S12，即一帧中有8个bit用于区间通信），数据1（S2），数据2（S8），检测（S5），公务码（S11）,一个完整的4B1H编码为：F14BC4BS14BC4BS24BC4BS34BC4BF24BC4BS4,其一帧为1610=160bit,帧同步码（F1、F2、F3、F4）：4个 30路区间通信码（S1、S3、S4、S6、S7、S9、S10、S12）：8个 数据1（S2）,数据2（S8）,检测（S5）,公务码（S11）：各1个 B码（即原始数码流）：168=128 bit C码（末位反码）：161=16 bit,码速为输入码速的5/4倍。,（3）mB1P码 在mBlP码中，P码称为奇偶校验码，P码有以下两种情况。 P码为奇校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为奇数，例如： P码为偶校验码时，其插入规律是使m+1个码内“1”码的个数为偶数，例如：,4.2 光线路编码,三、1B2B码 （1）CMI码 CMI码又称传号反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。 （2）双相码 双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“10”代替。,4.2 光线路编码,（3）DMI码 DMI码又称不同模式反转码，它是一种1B2B码。其变换规则是原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。原码的“0”码，若前二个码为“01”，“11”时用“01”代替，前二个码为“10”，“00”时用“10”代替。,4.2 光线路编码,四、扰码 SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码，它是利用一定规则对信号码流进行扰码，经过扰码后使线路码流中的“0”和“1”出现的概率相同，因此码流中不会出现长连“0”或长连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。 信号序列扰乱方法有： 用一个随机序列与输入信号序列进行逻辑加，这样就能把任何输入信号序列变换为随机序列，但完全随机的序列不能再现。 用伪随机序列代替完全随机序列进行扰码与解扰。,4.2 光线路编码,4.2 线路编码,4.5光-电-光中继器的原理,4.1 光发射机原理,4.3光发射机的主要技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,4.3 光发射机的主要指标,光发射机的平均输出光功率衡量光发射机的输出能力，测量平均输出光功率的仪表是光功率计，光功率单位是dBm。,一、光发射机的平均输出光功率,4.3 光发射机的主要指标,消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示 式中，P1为全“1”码时的平均光功率；P0为全“0”码时的平均光功率。 消光比的大小有两个意义： （1）反映发射机的调制状态，消光比太大，表明光发射机调制不完善，光电转化效率低 （2）影响接收机的灵敏度。消光比过大，接收机的灵敏度就下降很大。,二、消光比（EXT）,4.2 线路编码,4.5光-电-光中继器的原理,4.1 光发射机原理,4.3光发射机的主要技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。,4.4数字接收机的组成及技术指标,一、作用,强度调制直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如图4所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。,图4 数字光接收机方框图（动画）,二、框图,4.4数字接收机的组成及技术指标,1光电检测器 光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件，对其要求是： 在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。 波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。 有足够高的响应速度和足够的工作带宽。 产生的附加噪声尽可能低，能够接收极微弱的光信号。 光电转换线性好，保真度高。 工作性能稳定，可靠性高，寿命长。 功耗和体积小，使用简便。,三、各部件功能,4.4数字接收机的组成及技术指标,2放大器 光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。 对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。 主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。,4.4数字接收机的组成及技术指标,3均衡器 均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。,4.4数字接收机的组成及技术指标,4. 时钟提取电路：用来恢复采样所需的时钟 钳位：钳位是以一定的电压或电流幅度为参考值，对输入的电信号进行整形，即大于参考值的所有幅度归于一个幅度值，小于参考值的幅度归于另一个幅度值。波形图如下。,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,5.判决电路：将升余弦信号恢复为“0”或“1”的数字信号,6自动增益控制（AGC） AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加 了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。 解码和扰码电路 实现发送端的扰码的解码 编码电路 将解扰后的信码编成适合电缆传输的码型（HDB3）,4.4数字接收机的组成及技术指标,1、光接收机的灵敏度 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 (4-2),4.4数字接收机的组成及技术指标,四、主要技术指标,数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。,光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。,2、光接收机的动态范围,4.2 线路编码,4.5光-电-光中继器的原理,4.1 光发射机原理,4.3光发射机的主要技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,光信号在传输过程会出现两个问题： 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离； 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。 以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。,4.5光-电-光中继器的原理,光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有： 补偿衰减的光信号； 对畸变失真的信号波形进行整形。光中继器主要有两种： 一种是传统的光中继器（即光电中继）， 一种是全光中继器。,一、光电中继器的构成 传统的光中继器采用光电光（O-E-O）转换形式的中继器。如图6所示。,图6 典型的数字光中继器原理方框图,二、光电中继器的结构形式 有的设在机房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上。,4.5光-电-光中继器的原理,目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件，其工作原理如图7所示。 用掺铒光纤放大器作中继器的优点是，设备简单，没有光电光的转换过程，工作频带宽。缺点是，光放大器作中继器时，对波形的整形不起作用。,图7 掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图（动画）,4.5光-电-光中继器的原理,4.2 线路编码,4.5光-电-光中继器的原理,4.1 光发射机原理,4.3光发射机的主要技术指标,4.4数字接收机的组成及技术指标,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,光纤通信系统有PDH(准同步数字复接系列，Plesiochronous Digital Hierarchy)系统、SDH(同步数字复接系列)系统和DWDM系统。,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,一、数字光纤通信系统组成,数字光纤通信系统的组成,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,数字光纤通信系统由电收发端机、电输入输出接口、光端机、光缆、中继器（光电光中继器或光放大器）等部分组成。 电收发端机：完成模拟信号与数字信号的相互转化。 输入/输出接口：对电收发端机和光端机的数字信号起连接作用。 光端机：光端机主要由复分接电路和光收发模块组成，用于完成数字电信号与数字光信号的互相转化和数字光信号的收发。 光缆与光中继器：形成数字光信号的传输通道，光中继器还有延伸传输距离的作用。,实际速率为2048kb/s，偏差为 的支路信号，先进行正码速调整，都调到2112kbs即让4个支路速率都达到同步后再复接组成8448kbs的二次群。在接收端则进行相反的变换。 PDH系列有两种制式，一种是以1544kbs为第一级比特率而构成的，另一种是以2048kb/s为第一级比特构成的。我国使用后一种制式，其基群、二次群、三次群、四次群的速率依次为2048kbps、8448kbps、34368kbps、139264kbps，话务容量为30、120、480、1920路。,二、PDH系列有两种制式,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,PDH数字光缆通信系统由PCM基群复用设备、高次群数字复用设、光端机、光中继机和光缆等部分组成。PCM基群复用设备的主要作用是对话音信号进行取样、量化、编码，然后将30个话路进行复接，组成基群帧结构，速率为2048kbs，在接收端则进行相反的处理。 高次群数字复用设备包括二次群复用设备、三次群复用设备、四次群复用设备等。其主要作用是将低次群复接组成高次群。,三、PDH长途光缆通信系统的构成,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,图9所示的是PDH光缆通信系统的一例。 图中MUX1基群复用设备； MUX3三次群复用设备； MUX2二次群复用设备；MUX1-3三次群跳群复用设备 MUX4四次群复用设备； 0LT2二次群光端机； OLT3三次群光端机； OLT4一四次群光端机； 接口0音频或64kbs接口；接口12048kbs接口； 接口28448kbs接口； 接口334368kbs接口； 接口4139264kbs接口；,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,图9 PDH光缆通信系统举例,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,S点光接口。S点是紧靠着光发送机的话动连接器盾的参考点， 是光发送机与光缆线路之间的互连点； R点光接口。R点是紧靠着光接收机的活动连接器前的参考点， 是光接收机与光缆线路之间的互连点； REG一光中继机。 复用设备机架间连线使用铜轴线，接口1、接口2、接口3的码型为 HDB3码，接口4的码型为CMI码。,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,1、二次群光缆通信系统的组成,由图可见，由MUX1、MUX2、OLT2、光缆、光中继机等就可组成二次群光缆通信系统。接口1、接口2为电接口，S和R点为光接口。系统的传输容量为120路。,2、三次群光缆通信系统的组成,由MUX1、MUX2、MUX3、OLT3、光缆、光中继机即可组成三次群光缆通信系统；由MUX1、MUXl-3、OLT3、光缆、光中继机也可组成三次群光缆通信系统。容量为480路。,3、四次群光缆通信系统的组成,由MUX1、MUX2、MUX3、MUX4、OLT4、光缆、光中继机等可组成四次群光缆通信系统。接口1、接口2、接口3、接口4为电接口，S、R为光接口。电接口的速率依次为2048kb/s、8448kb/s、34368kb/s、139264kb/s，码型依次为HDB3、HDB3、HDB3和CMI。话路容量为1920路。,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,1、PDH体制的缺陷 1)接口方面与设备互连有关 电接口地区性的电接口规范，无世界标准。 光接口无光接口规范，各厂家独自开发。,四、PDH概述,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,2)复用方式 PDH采用异步复用方式 通过正码速调整（塞入bit）匹配和容纳信号时钟的偏差 低速信号在高速信号中的位置无规律性 从高速信号插/分低速信号要一级一级进行 复用/解复用增加了信号的损伤，不利于大容量传输,四、PDH概述,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,3)运行维护功能(OAM)决定设备维护成本 与信号帧中开销(冗余)字节的数量有关 PCM30/32仅TS0、TS16用于OAM开销，OAM功能弱 线路编码时要加冗余码进行性能监控 4)无统一的网管接口 无法形成统一的TMN,四、PDH概述,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,因此，PDH体制不适应大容量传输网的组建，SDH体制应运而生。,五、SDH概述,4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成,1、SDH 概念 是一整套可进行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化数字信号 的等级结构。 2、SDH体制的优势 1）接口方面 电接口 SDH体制对网络节点做了统一的规范，体现了横向兼容性。 STM-1是SDH的第一个等级，又叫基本同步传送模块，比特率为 155.520Mb/s 。