光端机性能指标测试与应用介绍

教学内容

(1)光端机(发射机、接收机)的工作原理；

(2)光端机的组成和性能指标。

技能要求

(1)能叙述光端机的工作原理并画出其工作框图；

(2)能测量光端机的性能指标；

(3)能分析光端机的关键功能原理。

任务描述

团队(4～6人)完成光端机性能指标的测量。

任务分析

让学生完成光端机的品牌(型号)和参数记录，并完成光端机的性能指标测量。

知识准备

光端机包括光发送机和光接收机，是光纤通信系统的基本部件。本任务主要介绍数字光发送机和数字光接收机的基本组成、光发送机的主要指标和光接收机的主要指标。

1.光发送机

数字光发送机的功能(作用)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。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强(功率)调制。

动画3-19　光发射机电/光转换原理

如图3-30所示，“均衡放大补偿”针对由电缆传输所产生的衰减和畸变。“码型变换”将HDB3码(三阶高密度双极型码，三次群以下)或CMI码(信号反转码)变化为NRZ码(非归零转码)。“复用”用一个大传输信道同时传送多个低速信号。“扰码”使信号达到“0”“1”等概率出现，以利于“时钟”提取。“时钟”提取PCM时钟信号，供给其他电路使用。调制(驱动)电路完成电/光变换任务。“光源”产生作为光载波的光信号。温度控制和功率控制稳定工作温度和输出平均光功率。其他保护、监测电路还有光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流(寿命)告警电路等。光发射机电/光转换原理见动画3-19。

图3-30　光发射机的组成框图

1)光源调制

光源调制的方式有直接调制(内调制)和间接调制(外调制)，如图3-31和图3-32所示。LED数字调制原理见动画3-20，LD数字调制原理见动画3-21。

图3-31　直接光强度数字调制示意

(a)LED数字调制；(b)LD数字调制

图3-32　间接调制示意

2)自动温度控制

温度控制装置由制冷器、热敏电阻和控制电路组成，图3-33为自动温度控制原理框图。自动温度控制电路如图3-34所示。当周围环境温度升高时，LD的温度上升，紧接着R T温度上升，通过差分放大电路推动三极管工作，使制冷器的电流增大，最后LD温度下降。LD的温度控制电路见动画3-22所示。

动画3-20　LED数字调制原理

动画3-21　LD数字调制原理

动画3-22　LD的温度控制电路

图3-33　自动温度控制原理框图

图3-34　自动温度控制电路

3)自动功率控制

自动功率控制通过调制电路来实现，现在数字信号调制电路采用电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路。由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，必须改进自动功率控制，如图3-35所示。

图3-35　自动功率控制框图

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。当LD功率降低，PD电压降低时，经过A1和A3调整，工作电流I b增大，LD的输出功率增大。

4)光发送机的主要指标

光发送机的指标很多，现仅从应用的角度介绍其主要指标。其包括平均发送光功率及其稳定度、光功率发射和耦合效率、消光比等。

(1)平均发送光功率。平均发送光功率又称为平均输出光功率，用来衡量光发射机的输出能力。其通常是指光源“尾纤”的平均输出光功率。一般要求入纤光功率为0.01～10 mW或dBm稳定性为5%～10%。

(2)消光比。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，P11为全“1”码时的平均发送光功率；P00为全“0”码时的平均发送光功率。发光二极管因其不需加偏置电流，在全“0”信号时不发光，因而无消光比；而对于LD，由于加了一定的偏置电流，即使在全“0”信号的情况下，也会有一定的光输出(发荧光)，这种光功率对通信表现为噪声，为此引入消光比指标EXT来衡量其影响。理想情况下，EXT为∞，实际上EXT不可能为∞，但希望其越大越好，一般EXT应大于或等于10 dB。

2.光接收机

光接收机的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)来保证稳定的输出。它的性能的优劣直接影响整个光纤通信系统的性能。

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性能的主要因素。

1)光接收机的基本组成

动画3-23　光纤通信接收机框图

强度调制－直接检波(IM－DD)的光接收机方框图如图3-36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。光纤通信接收机框图见动画3-23。

图3-36　强度调制－直接检波的光接收机方框图

(1)光电检测器。光电检测器是光接收机实现光/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。目前采用的光检测器一般采用PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。

对光电检测器的要求如下:

①波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容。

②响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流。

③噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号。

④性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。

(2)放大器。在一般的光纤通信系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的。为了保证通信质量，就必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大。(www.xing528.com)

放大器在放大的过程中，其本身的电阻会引入热噪声，放大器中的晶体管要引入散弹噪声，不仅如此，在一个多级放大器中，后一级放大器将会把前一级放大器送出的信号和噪声同样放大，亦即前一级引入的噪声也被放大了。基于此，前置放大器应是低噪声放大器。

性能良好的光接收机，应具有无失真地检测和恢复微弱信号的能力，这首先要求其前端应有低噪声、高灵敏度和足够的带宽。根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案: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，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。主放大器和自动增益控制决定着光接收机的动态范围。

(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)取样判决器和时钟恢复电路。取样判决器和时钟恢复电路共同组成再生电路，再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，以消除码间干扰，减小误码率。

(5)自动增益控制电路。自动增益控制电路就是用反馈环路来控制主放大器的增益。其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。

2)光接收机的主要指标

光接收机的主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。

(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P min(mW)。工程中常用分贝毫瓦(dBm)来表示，即

(2)光接收机的动态范围。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)，即

任务实施

1.任务器材

码型发生器、光功率计、光连接器、光衰减器、误码分析仪、光端机、尾纤若干、抽纸和笔。

2.任务

1)光发射机的主要指标测试

(1)按照图3-37所示的光发射机主要指标测试框图连接设备，将码型发生器、光端机、光功率计连接好，将光端机(或中继器)发送端的光连接器断开，接上光功率计。

图3-37　光发射机主要指标测试框图

(2)光功率计的选择:长波长的光纤通信系统选择长波长的光功率计；短波长的光纤通信系统选择短波长的光功率计。

(3)根据光端机的传输速率采用不同的伪随机码结构(ITU－T建议:基群、二次群应选用215－1的伪随机码；三次群、四次群应选用223－1的伪随机码)。

(4)从光功率计上读出发送光功率，平均发送光功率的数据与所选择的码型有关，如50%占空比的RZ码功率比NRZ码的功率要小3 dB。

(5)码型发生器发送出215－1或223－1伪随机码，测出此时平均光功率P t。

(6)拔出光发送机中的线路编码盘，获取全“0”状态，测出此时的全“0”码光功率P off。

(7)记录数据，通过式(3－4)来计算消光比。

2)光接收机的主要指标测试

(1)按照图3-38所示的光接收机灵敏度测试框图连接仪器，将误码分析仪、光衰减器与被测光端机连接好。

(2)误码分析仪中的码型发生器送出相应的伪随机码。

(3)先加大光衰减器的衰减值(以减小接收光功率)，使系统处于误码状态，而后慢慢减小衰减(增大接收光功率)，相应的误码率也渐渐降低，直至误码分析仪上显示的误码率为指定界限位为止(如BER为10－10)，此时，对应的接收光功率即最小可接收光功率P min(mW)。注意:测试时间要把握好，时间越长，精确度越高。

(4)计算接收机灵敏度P r＝10 lg P min(dBm)。

(5)减小光衰减器的衰减量，使系统处于误码状态，然后逐步调节光衰减器，增大衰减值，使系统误码率达到指定的要求，此时，测出相应的接收光功率，即P max。

(6)增大光衰减器的衰减量，使系统处于误码状态，然后逐步调节光衰减器，减小衰减值，使系统误码率达到指定的要求，此时，测出相应的接收光功率，即P min。

(7)根据式(3－6)即可计算出光接收机的动态范围。

图3-38　光接收机灵敏度测试框图

任务总结(拓展)

(1)完成光接收机的自动增益控制电路(框图、原理、PPT并答辩汇报)。

(2)码型发生器能否用误码分析仪代替?说明原因。

(3)平均发送光功率和消光比越大越好吗?说明原因。