1、第5章 光纤传输设备与线路编码,5.1 光发射机 5.2 光接收机 5.3 SDH光端机接口标准 5.4 线路编码,光纤通信系统的功能分为信号处理和信号传输两部分。一般情况下，也常把完成信号传输功能的主要组成部分光端机、光缆和光中继器称为光纤传输系统。光纤通信系统框图如图5.1所示。,图5.1 光纤通信系统框图,光纤通信三个要素：光源、光纤、光检测器。 光端机：光纤通信系统中的光纤传输终端设备。 包括：光发射机和光接收机。,图5.2 光端机框图,把来自PCM设备的HDB3或CM1接口信号变换成普通二进制信号，以便实现光调制和反变换还原。,扰码/解扰：用以减少数字信号中过多、过长的连“0”和连“
2、1”码，以便于时钟信号的提取和解扰码还原。,线路编码译码：为了在不中断业务的情况下检测设备的误码率，适应光纤通信系统的传输特点，需要把原来的码型变换为线路码型，线路码经译码后还原。,光发射：实质上是一个光调制器。它把数字信号电脉冲调制成光脉冲，并把此脉冲耦合进入光纤。,光接收：由光检测器和低噪声的电子放大器组成。来自光纤的光脉冲信号照射在光检测器上产生电脉冲信号，经过放大后输出。,均衡：由于光纤传输可能使信号产生畸变和码间干扰，加以均衡后可以消除码间干扰并修正脉冲波形，改善信噪比，使之适合判决和定时提取。通常均衡波为升余弦波。,定时再生：通常由定时提取和判决再生两部分组成。任务是把光接收电路输
3、出的升余弦波恢复成数字信号。,光端机各部分功能如下： 接口变换反变换：把来自PCM设备的HDB3或CM1接口信号变换成普通二进制信号，以便实现光调制和反变换还原。 扰码/解扰：用以减少数字信号中过多、过长的连“0”和连“1”码，以便于时钟信号的提取和解扰码还原。 线路编码译码：为了在不中断业务的情况下检测设备的误码率，适应光纤通信系统的传输特点，需要把原来的码型变换为线路码型，线路码经译码后还原。 光发射：实质上是一个光调制器。它把数字信号电脉冲调制成光脉冲，并把此脉冲耦合进入光纤。,光接收：由光检测器和低噪声的电子放大器组成。来自光纤的光脉冲信号照射在光检测器上产生电脉冲信号，经过放大后输出
4、。 均衡：由于光纤传输可能使信号产生畸变和码间干扰，加以均衡后可以消除码间干扰并修正脉冲波形，改善信噪比，使之适合判决和定时提取。通常均衡波为升余弦波。 定时再生：通常由定时提取和判决再生两部分组成。任务是把光接收电路输出的升余弦波恢复成数字信号。 本章着重介绍数字光发射机和数字光接收机的基本组成、工作特性和主要电路。,5.1 光发射机 数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，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来实现的。,5.1.1 光发射机的组成 数字光发射机方框图如图5.3所示，主要有光源和控制电路两部分。光源是实现电/光转换
5、的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。控制电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。,图5.3 数字光发射机方框图,将电端机送来到HDB3码变换为普通二进制码。,将普通二进制码变换为适合在光纤链路上传输的码型。,为光源提供调制电流。,一般为发光二极管或半导体激光器，实现光电转换。,主要是APC电路、ATC电路、光源保护电路等。,1.光源 光纤通信系统传输的是光信号，因此光源是重要的器件之一。它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以下要求： 体积小，发射光束的方向性要
6、好，与光纤之间有较高的耦合效率。 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。,电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而且稳定的输出光功率，且线性良好。 允许的调制速率要高、响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离。 温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。 可靠性高，要求它的工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性。,能够满足以上要求的光源一般为半导体发光二极管(LED)和激光器(LD)。前者可用于短距离、低容量或模拟系
7、统，其成本低、可靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。二者的性能比较如表5.1所示。在选用时，应根据需要综合考虑。,表5.1 激光器与发光二极管性能比较,2.调制电路和控制电路 调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率和相位。目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光功率调制。,直接调制（内调制）：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化。,间接调制(外调制)：外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。,图5.4 直接光功率数字调制原理 (a)LED数字调制原理；(b)LD的数字调制
8、原理,激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光功率数字调制原理如图5.4所示。图中对LD施加了偏置电流Ib，当激光器的驱动电流大于阈值电流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，所以输出光信号的大小完全反映出输入电信号的变化。,直接光功率调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。对调制电路和控制电路的要求如下： 输出光脉冲的通断比应大于10，以保证足够的光接收信噪比。 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输
9、入电脉冲的波形。 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。 应采用自动功率控制(APC)电路和自动温度控制(ATC)电路，以保证输出光功率有足够的稳定性。,3.线路编码电路 光纤传输系统的线路编码很重要，因为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，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。,5.1.2 调制电路与控制技术 1.调制特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性会出现许多畸变现象，将严重限制系统传输速率和通信质量，在电路的设计上要充分考虑。 （1）电光延迟： 半导体激光器在高速脉
10、冲调制时，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间，其数量级一般为ns。电光延迟会导致码型效应。 码型效应：当电光延迟时间与数字调制的码元时间为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄、幅度减小，严重时可能使单个“1”码丢失。,（2）张弛振荡： 当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。张弛振荡的危害是限制调制速率，当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形就会严重失真，使接收机在抽样判决时增加误码率，实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。 （3）自脉动： 某些激光器在脉冲调制时，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲
11、会出现持续等幅的高频振荡，称为自脉动现象。自脉动频率最高可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，在选择激光器时应特别注意。,2.调制电路与功率控制电路 1）调制电路 光发射机的调制电路常采用电流开关电路。用于LED光源的共发射极调制电路如图5.5所示。半导体三 极管的输出特性在放大区表现为恒流源， 可以用集电极电流驱动光源。数字信号 的“0”和“1”码分别对应三极管的截止和 饱和状态，电流的大小决定输出光信号 幅度。此调制电路适于10Mbs以下的 低速率系统，更高速率系统常采用差分 电流开关电路。,图5.5 共发射极驱动电路,激光器驱动电路
12、的调制速率，受电路所用电子器件性能的限制。采用激光器和驱动电路集成在一起的单片集成电路，可以提高调制速率和改进光发射 机的性能。目前，光电混 合集成电路的1.5m光发 射机已能在5Gbs工作， 采用异质结双极晶体管的 光发射机调制速率已达 10Gbs。,图5.6 射极耦合LD驱动电路,2）功率控制电路 在温度变化和工作时间较长时，LD的输出光功率会发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。,光功率自动控制方法： 自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态； 峰值功率和平均功率的自动控制； PI曲线效率控制法。 但最简单
13、的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种办法可收到良好的效果。该办法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小，若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值；反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证激光器输出功率基本上恒定不变。,一个完善的自动功率控制(APC)电路如图5.7所示。从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器 A1放大后送到比较器 A3的反相输入端。同时， 输入信号参考电压和直 流参考电压经A2比较放 大后，送到A3的同相输 入端。A3和VT3组成直流 恒流源调节LD的偏流， 使输出光功率稳定。,
14、图5.7 APC电路原理,3.温度控制电路 温度变化会引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值，但如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用温度控制电路，使激光器的工作温度始终保持在20左右。,LD的温度控制由微型制冷器、热敏电阻及控制电路组成，如图5.8所示。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器功率输出特性保持恒定。,图5.8
15、 LD的温度控制电路框图,微制冷器多采用半导体制冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到3040。 制冷方式分为内制冷和外制冷两种。,内制冷：制冷器和激光器封装在一起。目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的LD组件，其内部结构如图5.9所示。它将LD芯片、半导体制冷器和 具有负温度系数的热敏 电阻等封装在一个体积 很小的密封盒内，控制 电路放在盒外，这属于 内制冷方式。内制冷方 式不仅结构紧凑，控制 效率也很高，温度控制精度可达0.5，使
16、激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。,图5.9 LD组件内部结构,外制冷：将外加半导体制冷器与LD组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，达到控制LD周围环境温度的目的。通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。,图5.10 ATC电路原理,一种自动温度控制(ATC)电路原理如图5.10所示。由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管VT的基极电流。在设定温度(例如20)时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。当环境温
17、度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。这时，B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，VT的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大，致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。此控制过程可以表示如下：,5.1.3 光发射机的主要指标 1.输出光功率及稳定性 一般地，入纤光功率为0.015mW，温度变化或器件老化引起的输出光功率变化应在510范围内。 2.光脉冲的消光比 因为激光器使用时需加偏置电流，即使没有脉冲调制信号，它也有一定的光功率输出，这对于光接收机而言就是一种噪声，所以要引入消光比指标，消光比的定义为,
18、一般应有10。亦可将消光比定义为,EXT=10 lg(A/B)（dB）,对光逻辑电平来说，逻辑“1”为有光发射；逻辑“0”为无光发射。这里，A对应逻辑“1”的光功率电平；B对应逻辑“0”的光功率电平。从提高光接收机性能(灵敏度)的角度看，消光比大些为好。但偏置电流减少将使光源的输出光功率降低，谱线宽度增加，还有其它不利影响。一般取偏置电流为阈值电流的0.71.0倍，可以较好地处理消光比与其他指标的矛盾。,5.2 光接收机 5.2.1 光接收机的组成 1.光接收机组成框图 光纤通信系统有模拟和数字两大类。和光发射机一样，光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式，如图5.11所示。它们均由反向偏
19、压下的光电检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成。与模拟接收机相比，数字接收机更复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与自动增益控制(AGC)电路。但因它们在高电平下工作，并不影响对光接收机基本性能的分析。,图5.11 光纤通信接收机框图,1）光检测器 光检测器是光接收机实现光电转换的关键器件。其作用是把接收到的光信号转化成电信号。其性能，特别是响应度和噪声，直接影响光接收机的灵敏度。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 PIN：只需1020V的偏压即可工作，不需偏压控制，但它没有增益，接收机的灵敏度不如APD管。
20、APD：需要几十伏到200V的偏压。具有10200倍的内部电流增益，可提高光接收机的灵敏度。温度变化会严重影响APD管的增益特性，所以通常需对APD管的偏压进行控制以保持其增益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。比较复杂，,对光检测器的要求： 波长响应要和光纤低损耗窗口兼容。 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流。 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号。 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。,2）放大器 前置放大器： 经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在将信号进行放大的同时，也会引入放大器本身电阻的热
21、噪声和晶体管的散弹噪声。另外，后面的主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前置放大器产生的噪声一起放大。前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响，为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。,主放大器 主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。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，输出电信号保持恒定。主放大器和 AGC决定着光接收机的动态范围。 前置放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号一般为13V(峰峰值)。,3）均衡和再生 均衡的目的是对经光纤传输、光/
22、电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。,均衡器的输出信号通常分为两路： 一路经峰值检波电路变换成与输入信号峰值成比例的直流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益； 另一路送入判决再生电路，将均衡器输出的升余弦信号恢复为“0”或“1”的数字信号。,时钟提取和判决电路：通过时钟提取电路提取发送时钟，按时钟信号将均衡器中出来的畸变信号恢复为0、1信号。,2.光电集成接收机 在图5.11中，除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片
23、上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。 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“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。这样的完全集成对于GaAsJP2接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易的，而且早已得到实现。然而，对于工作在1.31.6m波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。一种单路InGaAsOEIC接收机，其运行速率达5Gbs。,5.2.2 光接收机的性能指标 1.灵敏度 接收灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统中的中继距离
24、和通信质量。数字光接收机灵敏度是指在在保证通信质量的情况下，光接收机所需的最小平均功率。以dBm为单位时，灵敏度用Sr表示。 Sr=10lgPr(dBm) (52) Pr或Sr越小，意味着数字光接收机接收微弱信号的能力越强，灵敏度越高。此时，当光发射机输出功率一定时，则保证通信质量(满足一定误码率的要求)的中继通信距离就越长。因此，提高数字光接收机的灵敏度，可以延长光纤通信的中继距离和增加通信容量。,2.动态范围 数字光接收机的动态范围：最大允许的接收光功率和最小可接收光功率之差。最大光功率取决于非线性失真和前置放大器的饱和电平；最小光功率则取决于接收灵敏度。 宽的动态范围对系统结构来说更方便
25、、灵活，使同一个接收机可用于不同长度的中继距离。在陆地通信系统中，中继距离的长短由中继站决定，长短不一，要求具有较宽的动态范围。本地网应用中，各发射机到接收机的距离各不相同，并可能经过不同数量的耦合器、分路器后到达接收机，对接收机的动态范围也提出了较高的要求。,工程上，光接收机的动态范围D是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许接收光功率与最小接收光功率之比，即,（53）,动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收光强的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。,3.噪声特性与误码率 1）噪声特性 光接收机的噪声有两部分： 外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可
26、以通过屏蔽或滤波加以消除； 内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。我们下面要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。,光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。,场效应管,跨阻型,输入阻抗高， 噪声小， 高频特性较差，适用于 低速率传输系统。 ,改善了带宽特性和动
27、态 范围，并具有良好的噪 声特性。,放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型,2）误码率 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能会发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，用BER表示)，用较长时间间隔内，在传输的码流中误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。,码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布。“0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概
28、率的码流而言，可以使误码率达到最小。因此，总误码率(BER)可以表示为,(54),式中：x为噪声随机变量的取值，均值为零，方差为 ；Q称为超扰比，含有信噪比的概念。,(55),式中，D为判决门限值，N0为发“0”码时的平均噪声功率，N1为发“1”码时的平均噪声功率。由此可见，只要知道Q值，就可根据式(5-4)的积分求出误码率。例如：Q6，BER10-9，Q7，BER10-12。由此可见Q值越高误码率越小。,或,5.3 SDH光端机接口标准 5.3.1 光接口的标准化 1.光接口标准化目的 光接口标准化的基本目的是为了在中继段上实现横向兼容，即允许不同厂家产品在中继段上互通并仍保证中继段的各项性
29、能指标。同时，具有标准光接口的网元可以经光路直接相连，既减少了不必要的光/电转换，又节约了网络运行成本。,2.光接口的分类 按照应用场合不同，光接口划分为三类， 局内通信；短距离局间通信；长距离局间通信。 用代码表示时： 第一个字母表示应用场合：字母I表示局内通信；字母S表示短距离局间通信；字母L表示长距离局间通信。 字母后的第一位数字表示SDH的等级。 第二位数字表示工作波长区或窗口和所用的光纤类型： 1和空白表示1310nm工作波长区，所用的光纤为G.652光纤； 2表示1550nm工作波长区，所用的光纤为G.652光纤和G.654光纤； 3表示1550nm工作波长区，所用的光纤为G.65
30、3光纤。,表5.3 光接口分类与应用代码,5.3.2 光接口的参数 光接口位置如图5.12所示。图中S点是紧靠着光发送机(TX)的光连接器(CTX)后面的参考点。R点是紧靠着光接收机(RX)的光连接器(CRX)前面的参考点。 1.光线路码型 光接口的线路码型为加扰NRZ码，采用7级扰码器，生成多项式为X7+X6+1。,2.系统工作波长范围 系统工作波长范围受到一系列因素的制约，主要是模式噪声、光纤截止波长、光纤衰减和色散的影响。由上述多种因素所限定的工作波长区的公用部分，即最窄范围，为特定应用场合和传输速率下的系统工作波长范围。标准光接口各级STM的允许工作波长范围如表5.4、表5.5和表5.
31、6所示。表中，“NA”或“-”表示不要求。值得注意的是，表5.4、表5.5和表5.6所规范的数值都是最坏值，即在系统设计寿命终了且处于允许的最坏条件下仍能满足的数值。对于中继距离要求较长的干线，表中工作波长范围需要另加限制。,表5.4 STM1光接口参数范围,表5.5 STM4光接口参数范围,表5.6 STM-16光接口参数范围,5.4 线路编码 5.4.1 光纤传输对线路码型的要求 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，因此必须进行码型变换成为单极性码，以适合于数字光纤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，即“有光脉冲”表
32、示“1”码，“无光脉冲”表示“0”码。 但是简单的二电平码会带来如下问题： 码流中出现“1”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动，给光接收机的判决带来困难； 码流中容易出现长串连“1”码或长串连“0”码，这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；不能实现不中断业务的误码检测，不利于长途通信系统的维护。,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，具体要求如下： （1）便于在不中断通信业务的条件下进行误码检测，这就要求码型有一定的规律性。 （2）能限制信号带宽，减小功率谱中的高、低频分量。这可以提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于
33、提高光接收机的灵敏度。 （3）为便于定时信号的提取，码流中连“0”、连“1”码的个数要少。 （4）要有利于减少码流的基线漂移，即要求码流中的“1”、“0”码分布均匀，否则不利于接收端的再生判决。,（5）码率增加要少，光功率代价要低。线路码其码率的提高，是以增加光发射机的发射光功率为代价的。因此，要处理好两者之间的矛盾。 （6）接收端将线路码还原后，误码增值要小。 （7）能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速率光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。,5.4.2 光纤通信系统常用的线路码型 1.加扰二进制码 为了保证传输的透明性，在光发射机的调制器前附加一个扰
34、码器，将原始的二进制序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。在发送端原始码与干扰码模二加完成加扰码工作，在接收端混合码再与干扰码模二加完成解扰码工作。其中，扰码是一个2n-1的周期序列。加扰与解扰举例如表5.7所示。,扰码具有下列缺点： 不能完全控制长串连“1”和长串连“0”序列的出现； 没有引入冗余，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，不能解决基线漂移。因此，扰码不能完全满足光纤通信对线路码型的要求，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。,2.
35、 mBnB码 mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，且nm，一般选取n=m+1。mBnB码是一种能提高信号传输速率的编码方法，因为只要适当地选取m、n值，就可以减小线路传输速率的增高比例。常用的mBnB码有lB2B、3B4B、5B6B、8B9B、l7B18B等等。,1）1B2B码 最简单的mBnB码是1B2B码。包括CMI码、DMI码和曼彻斯特码等，都是用两个码表示一个信息码，使线路的传输速率增高了一倍。这种码
36、的优点是电路简单，且最大连“0”、连“1”数仅为2，定时信息丰富，便于不停止业务的误码检测，是低速34Mb/s以下系统中常用的线路码型。,2）3B4B码 输入的原始码流3B码，共有23=8个码字，变换为4B码时，共有24=16个码字，见表5.8。为保证信息的完整传输，必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。设计者应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。例如：在3B码中有2个“0”，变为4B码时补1个“1”；在3B码中有2个“1”，变为4B码时补1个“0”。而000用000l和1110交替使用；111用011l和1000交替使用。同时，规定一些禁止使用的码字，称为禁用码字，例如0000
37、和111l。,表5.8 3B、4B码状态表,“码字数字和”(WDS)：描述码字的均匀性，并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。“码字数字和”：在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“1”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“1”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码，则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。 例如：对于0111，WDS=+2；对于0001，WDS=-2；对于0011，WDS=0。,nB码的选择原则：尽可能选择WDS最小的码字，禁止使用WDS最大的码字。以3B4B为例，应选择WDS0和WDS2的码字
38、，禁止使用WDS4的码字。表5.9给出了根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正模式和负模式交替使用。,表5.9 一种3B4B码表,3）5B6B码 5B6B码是我国三、四次群光纤通信系统最常用的线路码型，其编码规则如下：5B码共有2532个码字，变换6B码时共有2664个码字，其中，WDS=0有20个，WDS=+2有15个，WDS=-2有15个，共有50个WDS最小的码字可供选择。由于变换为6B码时只需32个码宇，为减少连“1”和连“0”的数目，删去000011、110000、001111和111100。禁用WDS=4和6的码字。表5.10给出根据这个规则编制的一种5B6B码表，正模式和负模
39、式交替使用。表中，正模式选用20个WDS=0和12个WDS=+2；负模式选用20个WDS0和12个WDS=-2。,表5.10 一种5B6B码表, mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。mBnB码的特点如下: （1）码流中“0”和“1”的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，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。 （3）在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。 （4）mBnB码传输辅助信号比较困难，在要求传输辅助信号的设备中不宜采用。,3.插入比特码 插入比特码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码末尾按一
40、定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入比特码的规律，可以分为mB1P码、mB1C码和mB1H码。 1）mB1P码 在mB1P码中，P码称为奇偶校验码，其作用和C码相似，但P码有以下两种情况：,(1)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： mB码： 100 000 001 110 mB1P码：1000 0001 0010 1101 当检测得m+1个码内“1”码为奇数时，则认为无误码。 (2)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： mB码： 100 000 001 110 mB1P码： 1001 0000 00
41、11 1100 当检测得m+1个码内“1”码为偶数时，则认为无误码。,2）mB1C码 mB1C码的编码原理是把原始码流分成每m比特(mB)一组，然后在每组mB码的末尾插入l比特补码，这个补码称为C码，所以称为mB1C码。补码插在mB码的末尾，连“0”码和连“1”码的数目最少。mB1C码的编码原理如下例所示： mB码： 100 110 001 101 mB1C码： 1001 1101 0010 1010 C码的作用是引入冗余码，可以进行在线误码率监测，同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。,3）mB1H码 mB1H码是mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，并在相应的
42、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I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。,每m个比特分为一组，在末位周期性的插入一个混合码，称为H码。,第一类：C码，作误码监测使用；,第二类：L码，用以区间通信；,第三类：G码，用以公务通话，同步，线路测试，告警作用。,常用的插入码是mB1H码，有1B1H码、4B1H 码和 8B1H码。,mB1H码在我国最为常用，有1B1H码、4B1H码和8B1H码等等。 (1)1B1H码常用于34Mb/s和140Mb/s的
43、光端机中，在mB1H码型中结构最简单，最大连“0”和连“1”数为4，具有良好的传输特性，可靠性高，误码检测精度高。缺点是码速率提升较大，灵敏度代价高。 （2）4B1H码的优点是码速提高不大，误码增值小；可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。缺点是码流的频谱特性不如mBnB码。但在扰码后再进行4B1H变换，可以满足通信系统的要求。,(3)8B1H码是对二元信号序列进行（m+1）/m9/8的速率变换，每隔8个比特附加一个冗余比特。利用冗余比特交替地传输C码和插入脉冲，在140Mb/s系统中，插入脉冲可以传输三个2Mb/s的区间通信信息（90个话路），两路数据信息，一路检测信号和一路公务信号。,
