光纖通信課程設計---直接光強激光調制的數字光發(fā)射機設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　直接光強激光調制的數字光發(fā)射機設計</p><p><b>　　光發(fā)射機</b></p><p><b>　　1.1光發(fā)射機概念</b></p><p>　　光發(fā)射機的功能是把輸入的電信號轉換成光信號，并用耦合

2、技術吧把信號的最大限度的注入光線路。</p><p>　　1.2數字光發(fā)射機的功能</p><p>　　電端機輸出的數字基帶電信號轉換為光信號；用耦合技術注入光纖線路；用數字電信號對光源進行調制：調制分為直接調制和外調制兩種方式。</p><p>　　1.3. 光發(fā)送機的基本組</p><p>　　數字光發(fā)送機的基本組成包括均衡放大、碼型變換

3、、復用、擾碼、時鐘提取、光源、光源的調制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測和保護電路等。</p><p><b>　　1.3.1均衡放大</b></p><p>　　補償由電纜傳輸所產生的衰減和畸變。</p><p><b>　　1.3.2碼型變換</b></p><p>　　將HD

4、B3碼或CMI碼變化為NRZ碼。 </p><p><b>　　1.3.3復用</b></p><p>　　用一個大傳輸信道同時傳送多個低速信號的過程。</p><p><b>　　1.3.4擾碼</b></p><p>　　使信號達到“0”、“1”等概率出現，利于時鐘提取。</p>

5、<p><b>　　1.3.5時鐘提取</b></p><p>　　提取PCM中的時鐘信號，供給其它電路使用。</p><p>　　1.3.6調制（驅動）電路</p><p>　　完成電/光變換任務。</p><p><b>　　1.3.7光源</b></p><p&g

6、t;　　產生作為光載波的光信號。</p><p>　　1.3.8溫度控制和功率控制</p><p>　　穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。</p><p>　　1.3.9其他保護、監(jiān)測電路</p><p>　　如光源過流保護電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。</p><p><b>　　2 光調制原理

7、</b></p><p><b>　　2.1.光調制作用</b></p><p>　　把隨發(fā)送數據變化的電信號加到光上去，使光隨數據的變化而以一定規(guī)律變化，這一過程就叫做光的調制。調制后的光束就是光信號。</p><p>　　2.2 光調制方式分類</p><p>　　2.2.1 按照光源與調制信號的關系分類

8、</p><p>　　根據光源與調制信號的關系，可以將光源的調制方式分為直接（或內部）調制方式和間接(或外部)調制方式。</p><p><b>　　2.2.2直接調制</b></p><p><b>　　基本概念及調制原理</b></p><p>　　直接調制就是將調制信號（電信號）直接施加在光源

9、上，使其輸出的光載波信號的強度隨調制信號的變化而變化，又稱為內調制。</p><p>　　特點：調制簡單、損耗小、成本低。但存在波長(頻率)的抖動。</p><p>　　2.1直接光強度數字調制原理</p><p>　　2.2．3按照已調制信號的性質分類</p><p>　　根據已調制信號的性質，可以將光源的調制方式分為模擬調制方式和數字調制

10、方式。</p><p>　　模擬調制方式是指已調制信號屬于模擬信號，這種調制方式主要包括強度調制(Intensity Modulation，IM)方式、振幅調制(Amplitude Modulation，AM)方式、雙邊帶抑制載波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)調制方式、單邊帶(Single Sideband，SSB)調制方式及殘余邊帶(Vestigial

11、Sideband，VSB)調制方式。</p><p>　　2.2.4數字調制方式</p><p>　　數字調制方式是指已調制信號屬于數字信號，這種調制方式主要包括幅移鍵控(Amplitude-shifted Keying，ASK)調制方式、頻移鍵控(Frequency-shifted Keying，FSK)調制方式及相移鍵控(Phase-shifted Keying，PSK)調制方式等。&

12、lt;/p><p>　　2.3已調制信號表達式</p><p>　　由于其他調制方式應用極少，因此我們在這里僅僅給出用電場表示的、常用強度調制方式的已調制信號表達式：</p><p>　　eT（t）=KT*m（t）1/2*cos（ωcx（t）+φ0）</p><p>　　式中：KT為與發(fā)送光功率有關的正常數；m為調制系數(0＜m≤1)；x(t)為

13、歸一化幅度的調制信號波形；ωc為光載波角頻率，φ0為初相位。</p><p><b>　　2.4 調制特性</b></p><p>　　2.2.1電光延遲和張弛振蕩現象</p><p>　　半導體激光器在高速脈沖調制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應波形如圖2.2所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數量級一般為n

14、s。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩。張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調制速率。</p><p>　　2.2光脈沖瞬態(tài)響應波形 </p><p><b>　　2.2.2碼型效應</b></p><p>　　電光延遲要產生碼型效應。當電光延遲時間td與數字調制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數量級時，會使“0”碼過

15、后的第一個“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“１”碼丟失，這種現象稱為“碼型效應”，如圖2.3（a）、（b）所示。用適當的“過調制”補償方法，可以消除碼型效應，如圖2.3（c）所示。</p><p><b>　　2.3碼型效應</b></p><p><b>　　3光發(fā)送機的指標</b></p><p>　

16、　3.1 光發(fā)送機的指標</p><p>　　光發(fā)送機的指標很多，我們僅從應用的角度介紹其主要指標。包括平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度、光功率發(fā)射和耦合效率、消光比等。</p><p>　　3.1.1 平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度</p><p>　　平均發(fā)送光功率又稱為平均輸出光功率，通常是指光源“尾纖”的平均輸出光功率。</p><p>　　3

17、.1.2 耦合效率</p><p>　　耦合效率用來度量在光源發(fā)射的全部光功率中，能耦合進光纖的光功率比例。耦合效率定義為：</p><p>　　偶和效率=PF/PS</p><p>　　式中，PF為耦合進光纖的功率，PS為光源發(fā)射的功率。發(fā)射效率取決于光源連接的光纖類型和耦合的實現過程。</p><p><b>　　3.1.3消光

18、比</b></p><p>　　消光比定義為最大平均發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比，通常用符號EX表示：</p><p>　　EX=最大平均發(fā)射功率/最小平均發(fā)射功率</p><p>　　3.2對光發(fā)送機的要求</p><p>　?。?）有合適的輸出光功率</p><p>　　光源應有合適的光功率輸出，

19、一般為0.01mW～5mW。</p><p>　?。?）有較好的消光比</p><p>　　一般要求EX≥10dB。</p><p><b>　?。?）調制特性要好</b></p><p>　　所謂調制特性好，是指光源的P ?I曲線在使用范圍內線性特性好，否則在調制后將產生非線性失真。</p><p&

20、gt;<b>　?。?）其他</b></p><p>　　除此之外，還要求電路盡量簡單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長等。</p><p>　　4 驅動電路和輔助電路</p><p><b>　　4.1 驅動電路</b></p><p>　　4.1.1 對驅動電路的要求</p><

21、p>　　一個優(yōu)良的驅動電路應該滿足以下條件：</p><p>　　(1) 能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅動電流；</p><p>　　(2) 有足夠快的響應速度，最好大于光源的驅動速度；</p><p>　　(3) 保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。</p><p>　　4.1. 2. 驅動電路的工作原理</p><p>

22、　?。?）共發(fā)射極LED驅動電路</p><p>　　能夠滿足上述要求的、最簡單的驅動電路是共發(fā)射極驅動電路，如圖4.1所示。</p><p>　　4.1共射極驅動電路</p><p>　　共發(fā)射極驅動電路的工作原理如下所述：當輸入數據信號為“0”時，晶體三極管VT處于截止狀態(tài)，LED中沒有電流流過，因此LED不發(fā)光；當輸入數據信號為“1”時，晶體三極管VT工作于飽

23、和狀態(tài)，LED中有較大的電流流過，所以LED發(fā)光。</p><p>　　這種驅動電路主要用于以LED作為光源的數字光發(fā)射機。 適用于10 Mbit/s以下的低速率系統(tǒng)。</p><p>　?。?）射極耦合跟隨器LD驅動電路</p><p>　　圖4.2是射極耦合跟隨器LD驅動電路，適合于LD系統(tǒng)使用。這種電路為恒流源，電流噪聲小，缺點是動態(tài)范圍小，功耗較大。<

24、/p><p>　　4.2射極耦合LD驅動電路圖</p><p>　?。?）反饋穩(wěn)定LD驅動電路</p><p>　　圖4.3是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅動電路，其控制過程如下： </p><p>　　4.3反饋穩(wěn)定LD驅動電路</p><p><b>　　4.2輔助電路</b></p&

25、gt;<p>　　4.2.1. 自動功率控制電路</p><p>　　(1) 自動功率控制電路的分類</p><p>　　能夠完成自動功率控制功能的電路很多，主要包括普通電參數控制電路和光電反饋控制電路。在光發(fā)送機中，光電反饋控制電路應用最多。</p><p>　　(2) 自動功率控制電路的工作原理</p><p>　　圖4.4

26、所示是一個典型LD自動功率控制電路，其自動功率控制電路的工作原理如下所述：當由于溫度原因使LD輸出光功率降低時，流過PD(通常為PINPD)的電流減小，A1放大器反向輸入端電位增大，A1放大器輸出端電位降低(即A2放大器反向輸入端電位降低)。</p><p>　　4.4典型的APC電路</p><p>　　4.2.2 自動溫度控制電路</p><p>　　從前面的內

27、容可以知道，LD的輸出特性與溫度有著密切的關系。為了保證光發(fā)送機具有穩(wěn)定的輸出特性，對LD的溫度特性進行控制是非常必要的，而且對LD的溫度控制也是保護LD的一項關鍵措施。</p><p>　?。?）光源的自動溫度控制（ATC）</p><p>　　溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖4.5示出了溫度控制裝置的方框圖。</p><p>　　4.5自動溫度控

28、制原理方框圖</p><p>　?。?）自動溫度控制（ATC）原理</p><p>　　ATC電路主要由R1、R2、 R3和熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過電橋把溫度的變化轉換為電量的變化。運算放大器A的差動輸入端跨接在電橋的對端，用以改變三極管V的基極電流。 </p><p>　　4.6ATC電路原理</p><p>　　4.3. 其他保

29、護、監(jiān)測電路</p><p>　?。?）LD保護電路：使激光器的偏流慢啟動，以防損壞激光器。</p><p><b>　?。?）無光告警電路</b></p><p>　　（3）激光器壽命告警電路</p><p><b>　　5 光纖線路耦合</b></p><p>　　從多種

30、類型的發(fā)光光源將光功率發(fā)射進一個特定的光纖。它與光源的尺寸、輻射強度和光功率的角分布、光纖的數字孔徑、光纖的纖芯尺寸、光纖的折射率均有關系?？梢酝ㄟ^透鏡來提高光源-光纖的耦合效率。</p><p>　　通過光源供應商提供的“跳線”或“尾纖”，將光功率從一根光纖耦合進另一根光纖。它與光纖位置偏差、不同的纖芯尺寸、光纖的數字孔徑、光纖的折射率剖面有關系。</p><p>　　5.1改善耦合的透

31、鏡結構</p><p>　　對于給定的光纖端面，如果光源的面積大于光纖端面，則最終耦合入纖的功率可以達到最大值；如果光源的面積小于光纖端面，則耦合效果要大打折扣。一種增大發(fā)射面的辦法就是在光源和光纖中使用透鏡。</p><p><b>　　6 總結</b></p><p>　　通過本次直接光強激光調制的數字光發(fā)射機設計，使我更加深刻的理解了數字

32、發(fā)射記得工作原理和電路的組成以及發(fā)射機的功能。怎樣設計發(fā)射機使其正常乃至最好的運行，采用直接數字調制使信號低損耗，高功率，低成本的把電信號轉為光信號；怎樣消除電光延遲要產生碼型效應；驅動電路和輔助電路的電路設計等等。通過詳細的設計和了解能有了深刻的理解。把我整體的設計思想，然后將所需的部件詳細設計，從而實現直接數字發(fā)射機工作和運行。最后還要考慮的怎樣實現調制好的光信號可以通過光纖得到有效地傳送到光纖上 ，這就涉及到有效耦合。</p

33、><p>　　這次課程設計自己也確實進一步學習了理論知識，對以前的理論知識有了更系統(tǒng)的認識，也提高了自己的理論技能和操作能力，得到了很好的提高，擴充了知識面，為以后的工作學習進一步打下的良好的基礎。</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]張筱華，石方文.通信英語.北京：北京郵電大學出版社，2004.262 <

34、;/p><p>　　[2]徐澄圻.21世紀通信發(fā)展趨勢.北京：人民郵電出版社，2002.224 </p><p>　　[3] (美)韋爾斯(Wells, R.B.).工程應用編碼與信息理論：英文版.北京：機械工業(yè)出版社，2002.1305 </p><p>　　[4](美)布萊克(Black,U.).圖解通信辭典.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2001.539 <