单元二话音在光纤通信系单元二话音在光纤通信系统中的传输任务话音在光统中的传输任务话音在光纤通信系纤通信系第第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。7/19/202422）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单极性码。单极性码。单极性码。单极性码。7/19/202494.3.2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。7/19/2024101）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(0.85m、1.31m和和1.55m)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光电光电二极管和雪崩光电二极管二极管和雪崩光电二极管(APD)。7/19/2024112）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。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：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。7/19/2024123）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；使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，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。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7/19/202413 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2GHz，甚至达到，甚至达到10GHz。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。7/19/202414 在在1991年试验成功的单路年试验成功的单路InGaAsOEIC接收机，接收机，其运行速率达其运行速率达5Gb/s。InGaAsOEIC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InP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7/19/2024154.3.3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冲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，以适合于数字光纤通信，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。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“有光脉冲有光脉冲”表示表示“”码，码，“无光脉冲无光脉冲”表示表示“0”码。码。7/19/2024161、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”码的个数是随机变化码的个数是随机变化的，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)，给给光接收机的判决带来困难。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“”码或长串连码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取码，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。造成困难或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。7/19/2024172、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，有有利于提高光接收机的灵敏度。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”码码和和“0”码的分布均匀，码的分布均匀，保证定时信息丰富。保证定时信息丰富。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。 7/19/2024183、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，从而改善了从而改善了码流的一些特性。码流的一些特性。例如：例如：扰码前：扰码前：1100000011000扰码后：扰码后：11011101100117/19/202419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”序列的出现；序列的出现；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，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。7/19/2024204、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mB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。 7/19/202421mBnB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”变换为变换为“10”。因此最大的连因此最大的连“”和连和连“”的数目不会超过的数目不会超过两个，例如两个，例如1001和和0110。但是在相同时隙内，传。但是在相同时隙内，传输输1比特变为传输比特变为传输2比特，比特，码速提高了码速提高了1倍。倍。 7/19/202422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择设计者根据最佳线路码特性的原则来选择码表。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”，变为变为4B码时补码时补1个个“0”。而。而000用用0001和和1110交交替使用；替使用；111用用0111和和1000交替使用。同时，规定一些禁止使交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，用的码字，称为禁字，例如称为禁字，例如0000和和1111。7/19/202423 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 7/19/202424作为普遍规则，引入作为普遍规则，引入“码字数字和码字数字和”(WDS)来描述来描述码字的均匀性，并以码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的的最佳选择来保证线路码的传输特性。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，整个码字的代数和码，整个码字的代数和即为即为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；如为负；如果果“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=+2；对于；对于0001，WDS=-2；对于；对于0011，WDS=0。7/19/202425 nB码码的的选选择择原原则则是是：尽尽可可能能选选择择|WDS|最最小小的的码码字字，禁禁止止使用使用|WDS|最大的码字。最大的码字。以以3B4B为为例例，应应选选择择WDS=0和和WDS=2的的码码字字，禁禁止止使使用用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+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000 表表一种一种3B4B码表码表7/19/202426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： 5B 5B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=2WDS=2有有1515个，个，WDS=-2WDS=-2有有1515个，共有个，共有5050个个|WDS|WDS|最小的码字可供选择。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： 000011 000011、 110000 110000、 001111 001111和和111100111100。 禁用禁用WDS=4WDS=4和和66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=0WDS=0和和1212个个WDS=-2WDS=-2。7/19/2024277/19/202428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7/19/202429 mBnB码码是是一一种种分分组组码码，设设计计者者根根据据传传输输特特性性的的要要求求确确定定某种码表。某种码表。mBnB码的特点是：码的特点是：(1)码码流流中中“0”和和“1”码码的的概概率率相相等等，连连“0”和和连连“1”的的数数目目较少，定时信息丰富。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码码的的缺缺点点是是传传输输辅辅助助信信号号比比较较困困难难。因因此此，在在要要求求传传输输辅辅助助信信号号或或有有一一定定数数量量的的区区间间通通信信的的设设备备中中，不不宜宜用用这种码型。这种码型。7/19/202430