数字光纤通信原理

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1、数字光纤通信1、概述八十年代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

2、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。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

3、，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。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、、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

4、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，其制作简单，价格便宜，受温度影响小，但输

5、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。由图可见，当激

6、光器的驱动电流大于阀值电流时，输出光功率和驱动电流基本上是线性关系，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。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

7、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。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

8、面是根据光