数字光纤通信原理

数字光纤通信

1、概述

八十年代0.2dB/km低衰减光纤的出现 光纤带宽的提高以及InGaAsP长波长激光器 PIN管和APD管的研制成功推动了光纤通信的快速发展。

近几年来 数字光纤通信向越来越广泛的应用领域和更高级阶段发展。大容量，长距离的数字光纤通信传输系统正在逐步取代传统的电缆传输通信系统。这是因为数字光纤通信具有明显的优势：如传输带宽很宽，通信容量大，不受电磁场干扰，抗腐蚀和抗辐射能力强，重量轻等。

数字光纤通信的基本原理是将数字通信中的数据传输信号首先经过电/光转换变换成光脉冲数字信号，然后通过光纤光缆传输到数字通信的接收端，最后再经过光/电转换、放大、均衡与定时判决再生成传输的数据信号。这一变换过程如图1所示，光发送机中的光源器件接收数字信号的调制(激光器LD 或发光二极管LED)发射光脉冲信号。光接收机完成光/电变换，即由光检测器(PIN光电二极管或雪崩光电二极管APD)把光信号变成电信号，经光接收器放大、均衡再生成数字信号。

数据信号光发射机光纤线路光接收机数据信号

图1 数字基本光纤传输系统

2、数字光发送机

光发送机是数字光纤通信系统的三大组成部分(光发送机、光纤光缆、光接收机)之一。其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件发射出去。光发送机原理方框图见图2所示，主要由整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源电路组成，图中的其它部分电路，如光检测放大、比较放大、功控与保护及温度控制电路，是为了实现光发射机的各项技术指标结合光源器件的应用特性而采取的相应补偿措施。

温度控制数字电脉冲信号整形/码型变换光脉冲信号光源驱动发射光源功率控制与保护光检测放大比较放大

图2 数字光发送机原理框图

光源是光发射机的核心，光发射机的性能基本上取决于光源的特性。在光纤通信中对光源的选择要求如下：

(1) 发光波长应与光纤的低损耗窗口相符。已知石英光纤的3个低损耗窗口分别是

0.85m、1.31m、1.55m左右，光源的发光波长应在上述之一的范围内。

(2) 光源输出的光功率要足够大，且稳定度要高。一般要求有数十微瓦到数毫瓦才能使光中继距离满足系统要求。

(3) 可靠性高、寿命长。

(4) 发光谱线宽度要窄。即单色性要好，以减少光纤的色散，使较高速率的信号能传输较长的距离。

(5) 调制性能要好，主要是要有较高的调制效率和较高的调制速率(即响应速度要快)，以满足大容量高速光纤通信系统的需要。如果调制效率不高，不仅能量消耗大，而且会因发热严重而缩短寿命。

(6) 与光纤的耦合效率要高。当光纤的数值孔径一定时，光源的发射角要小，这样才能有较强的方向性，使能量集中注入光纤。

(7) 光源要体积小、重量轻，便于安装。

目前，在光纤通信系统中可供选择的光源有激光二极管（LD）和发光二极管(LED)两种。

发光二极管的基本结构是一个半导体 PN 结，在外部加上驱动电流后就会发光，产生的波长为0.8~0.9m，其制作简单，价格便宜，受温度影响小，但输出光发散较大，功率有限，调制速率不高，只能注入多模光纤，一般用于低成本光通信系统。

激光二极管也是一种半导体 PN 结器件，含有刻蚀或解理衬底作为反射面以增强 PN 结上的光场。因此，激光二极管结合了 LED 和光谐振腔反射的特点,输出的激光功率比较高，发散角度小，调制率高，可以注入多模和单模光纤。

光源驱动电路是光发送机的主干电路 它将电脉冲信号通过电流强度调制的方式调制

半导体激光器或发光二极管发射出光脉冲信号。在数字光纤通信系统中 光源发出的光可以看作是光频载波，数字电信号对其进行调制，一般采用直接强度调制。图3示出激光器直接光强数字调制原理，对LD施加了偏置电流Ib。由图可见，当激光器的驱动电流大于阀值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。

P输出光信号IthIbI图3 直接数字调制LD原理

在一般情况下，光发送机的输入信号都是数字光纤通信系统的线路码型数字脉冲信号。在数字光纤通信系统设备的设计中，为了方便发送机对其输入脉冲信号码型的选择，简化电路结构，这些线路码型数字脉冲信号都是 NRZ 码。光发送机的输入数字脉冲信号是采用NRZ码型还是RZ码，这与整个数字光纤通信系统的设计有关。一般来说RZ码对数字光纤通信系统中的光接收机有利，而NRZ码就相应增加了数字光接收机对信号波形均衡的难度。目前在中等速率的数字光纤通信系统中一般采用RZ码，而在高速或超高速的数字光纤通信系统中则采用NRZ码型。光发送器中的整型/码型变换电路的功能就是对输入的数字信号进行波型变换后以十分标准的或经过某些预处理的电脉冲信号去调制光源器件而发出符合数字光纤通信系统传输性能要求的光脉冲波形信号。

tIin输入电信号

光发送机中的光功率控制电路自动补偿LD由于环境温度变化和老化效应而引起的输出光功率的变化，保持其输出光功率不变，或其变化幅度不超过数字光纤通信设计要求的指标范围；自动控制光发送机输入信号码流中长连“0”序列或无信号输入时使 LD 不发光。

一个性能完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特点的光源器件，另一方面是根据光源器件的应用特性采用先进的电子线路技术进行恰到好处的控制和防范。这就是光发送机除了要有整形/码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外，还需要有自动光功率控制(APC)、自动温度控制(ATC)和各种保护电路的原因。光发送机的本质含义就是根据光源器件的应用特性采用有针对性的电子线路技术而使光源器件能有效和可靠的应用在数字光纤通信系统中。

3、数字光接收机

数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光/电转换成为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡与定时再生还原成为标准的数字脉冲信号。

数字光接收机的原理方框图如图4所示。它由光检测器(包括其偏压电路)、前置放大器、主放大器、自动增益控制电路(AGC)、均衡与时钟提取及判决电路组成。

光纤光检测器前置放大器主放大器均衡定时判决数字信号无光警告AGC电路时钟提取时钟

图4 数字光接收机原理框图

光检测器是把光信号变为电信号的器件，对光接收机的响应速度、灵敏度等特性都有很大的影响。光纤通信系统对光检测器的主要要求如下：

(1) 在系统所用的波长内有足够高的灵敏度，能把极其微弱的光信号转换为电信号输出。也就是说，光检测器把光能转换成电能的转换效率要高，对应于工作波长内的入射信号能有较大的输出电流。

(2) 有足够高的响应速度，对光信号有快速的响应能力，也就是要求光检测器有足够的工作带宽。

(3) 产生的噪声要小。光检测器的入射信号是相当微弱的，因此在光电变换(解调)的过程中引入的噪声应尽量小。否则，将严重影响信噪比，甚至无法接收。

(4) 工作稳定可靠。光检测器要有较好的温度特性和较长的工作寿命。

(5) 体积小，使用简便。

半导体光检测器能较好的满足上述要求，目前在光纤通信系统中应用广泛。用于光纤通信系统的半导体光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)两种。

PIN光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低，而且可以固定不变，不需要任何控制。APD 具有很高的内部倍增因子，它与合理的电子放大器结合，可以使 APD 工作在最佳倍增工作状态。这样的数字光接收机能够得到比采用 PIN光检测器的数字光接收机高的接收灵敏度。但是由于APD需要较高的工作偏压(几十伏至百伏)以及其倍增特性受温度

的影响较严重，因此使用起来也比较复杂。

前置放大器是数字光纤接收机的关键部件，它与光检测器的合理匹配，要求能够得到从理论上可以得到的尽可能大的输出信噪比信号，并将这样的信号放大输出到有一定数量级的脉冲信号电压，一般为毫伏数量级。

主放大器是一个高增益的宽带放大器，它放大来自前置放大器输出的小信号电压。一般来说，通过主放大器放大的信号基本是无失真的前置放大器的输出信号。为了判决电平的需要，主放大器的输出电压为1～3V(P-P)值.对于不同输入光功率信号，其放大增益可以通过 AGC 调整得到不同大小的数值，从而保证其输出电平幅度不变。

AGC电路能根据输入光功率的大小产生相应的控制电压，控制主放的增益作相应调整。当检测出无信号时，告警电路将发出无光告警信号。

均衡电路一方面是为了得到有利于判决的信号输出波形，即信号波形引起的码间干扰小，按均衡的要求，具体的输出为升余旋频谱波形。另一方面是通过均衡可以合理压缩主放大器过宽的带宽，减少数字光接收机放大器的噪声，提高其输出信噪比。这样均衡后输出信号波形送到判决电路可以得到最佳判决，从而得到理想的接收灵敏度。

经过上述放大、处理后，可对信号定时再生，恢复出原数字信号。定时再生电路由定时判决和时钟提取电路组成。时钟提取电路从信号码流中提取与发送端相一致的时钟信号。为了提取时钟信号，要求码流中的“1”、“0”分布均匀，避免出现长的连“1”或连“0”码流。在时钟信号控制下对接收到的信号再生判决，输出“1”或“0”码，得到从发送端传来的数字信号。