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数字光纤通信接收机的基本组成

2016-10-23 10:19:06 | 421人围观 | 评论:0

    目前，实用的光纤通信系统，在绝大多数情况下传输数字信号，少数情况传输模拟信号，故本节将介绍数字光纤通信接收机。
    1．数字光纤通信接收机的组成方框图
    这一段里，将介绍当前广泛采用的强度调制一直接检波数字光纤通信系统中的接收光端机（简称光接收机），其方框图如图3-43所示．该方框图中只示意地画出光接收机的主要分，辅助部分没有画出．

图3 - 43数字光纤通信接收光端机方框图     2．方框图中各部分的功能
    (l)光电检测器
    如前所述，光电检测器的作用是利用光一电检波管，将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号．目前广泛使用的光-电检波管是半导体光-电二极管，它们是PIN管和雪崩光电二极管，后者又称APD管．这两种检波管的工作原理和特性已在前面讨论过．
    (2)前置放大器
    由于这个放大器与光电检测器紧相连，故称前置放大器。
    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，显然，必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大，
    放大器在放大的过程中，放大器本身的电阻会引入热噪声；放大器中的晶体管要引入散粒噪声，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．
    将上述这两点论述合起来即为：信号本来就微弱，又引入了噪声，而且噪声还被同样放大．因此，对多级放大器的前级就有特别的要求，它应是低噪声、高增益的，这样才能得到较大的信噪比。
    目前光接收机前置放大器有多种类型，如双极型晶体管前置放大器、场效应晶体管互阻抗前置放大器，PIN-FET( PIN管与场效应管)前置放大器组件等．它们如图3-44，3-45，3-46所示．

    (a)PIN - FET组件
    (b)组件外形
    (3)主放大器
    主放大器的作用有两个方面：
    ①将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平．
    ②它还是一个增益可调节的放大器．当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的峰一峰值输出是几伏数量级．
    图3-47所示为一个由运算放大器、负反馈放大器、温度补偿电路以及射极输出器构成的主放大器电路，图(a)为它的方框图，图(b)为它的电路图．

    (4)均衡器
    ①没有均衡器将出现的问题
    在数字光纤通信系统中，送到发送光端机进行调制的数字信号是一系列矩形脉冲．由信号分析知道，理想的矩形脉冲具有无穷的带宽，这种脉冲从发送光端机输出后要经过光纤、光电检测器、放大器等部件，这些部件的带宽却是有限的，因此，矩形脉冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，这样，从接收机主放大器输出的脉冲形状将不再会是矩形的了，将可能出现很长的拖尾，如图3-48所示，这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠'产生码间干扰，严重时，造成判决电路误判，产生误码．
    ②均衡器的作用
    它的作用是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。说得具体一点就是，经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。上述这种情况可从图3-49中明显地看出．

图3 - 48未经均衡出现的脉冲拖尾现象

图3 - 49单个脉冲均衡前后波形的比较     关于无码间干扰条件，可参看有关通信系统原理的书．
    (5)判决器和时钟恢复电路
    判决器由判决电路和码形成电路构成．判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路．脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号，例如，升余弦频谱脉冲，恢复为“0"或“1”的数字信号．
    为了能从均衡器的输出信号判决出是“0"码还是“l"码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决．亦即应将“混在”信号中的时钟信号（又称定时信号）提取出来，接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由均衡器送过来的信号．若信号电平超过判决门限电平，则判为“1"码；低于判决门限电平，则被判为“0"码．从而把升余弦频谱脉冲恢复（再生）为“0”，“1"码信号，
    上述信号再生过程，可从图3-50中十分明显地看出来，实用的时钟恢复电路有多种，下面简单介绍其中一种方案的方框图，如图3-5 1所示．图中各部分的作用如下：

图3-50 信号再生示意图

图3-51时钟恢复电路方框图箝位、整形、非线性处理――经光接收机均衡后输出的信码为升余弦频谱脉冲，如图3-52（a）所示的波形将这个波形经箝位整形后得到如图中（b）的波形，是不为零码。
但是，根据通信系统原理知道，不归零码（NRZ）的功率谱密度分布如图3-53所示。由图可十分明显看出，在时钟fb的位置上功率谱密度为零．这即是说NRZ码功率谱密度中不含时钟频率成分，因此无法从中提取时钟频率成分．为此，需通过一套逻辑电路对NRZ码进行非线性处理，得到如图3-52(c)所示的波形图，这种波形是归零码(RZ)，它的功率谱密度分布曲线如图3-54所示。由图看出，在这种波形的频谱密度分布中，时钟成分fb较大，从而，有可能从时钟恢复电路中提取时钟信号。

图3-52 时钟恢复电路波形图

图3- 53 NRZ码的功率谱密度分布图

图3-54 RZ码功率谱密度分布图非线性处理电路有多种类型．图3-55是一种简单的电路．将不归零码通过RC电路进行微分，再通过一个非门产生归零码，其波形如图3-56所示．

图3.-55一种非线性处理电路

图3-56非线性处理电路中的波形图     调谐放大――它的作用是用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率fb的简谐波，经调谐放大后的波形如图3-52(d)所示．
    限幅――经过限幅，就将上述简谐信号波形变为如图3-52(e)所示的波形．
    整形、移相――整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移柏网络再将这矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到如图3-52(f)所示的时钟信号．
    判决电路和码形成电路，可由与非门电路和R-S（复位一置位）触发器来构成．具体电路不再详述。
    由判决器和时钟恢复电路合起来构成的脉冲再生电路原理方框图如图3-57所示，实用的机器中除图中所示的部分外还有一些辅助电路．
    (6)光接收机动态范围和自动增益控制
    光纤通信接收机工作时，所接收光信号的强弱可能是不同的．造成这种变化的原因，可能是温度变化引起光纤损耗变化等，也可能是一个按标准化设计的光纤接收机，但使用在不同系统中．例如，光源的强弱不同，传输距离不同等。
    接收机正常工作时，信号不能太弱，否则会造成过大的误码，但也不能太强，否则将会使接收机放大器过载而造成失真等问题，因此，光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就称为光接收机的动态范围。

图3-57 脉冲再生电路原理方框图光接收机的自动增益控制(AGC)，就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管的接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益．当信号强时，则通过反馈环路使上述增益降低；当信号变弱时，则通过反馈环路使上述增益提高，从而达到使送到判决器的信号稳定，以利判决的目的，显然，自动增益控制的作用是增加了光接收机的动态范围．能够实现上述自动增益控制作用的原理方框图如图3-58中虚线部分所示．

图3-58自动增益控制工作原理方框图     (7)解码、解扰电路
    为了使信码流能够并有利于在光纤系统中传输，光发射机输出的信号是经过编码处理的，然而，为了使从光接收机输出的信号能在PCM系统内传输，还需将上述经过编码处理过的信号进行一系列的复原工作．
    首先要通过解码电路，将mBnB或rnB1H等码型恢复为编码之前的码型．然后再经解扰电路将发送端“扰乱”的码恢复为被扰之前的状况，最后再由编码器将解扰后的码编为适于在PCM系统中传输的HDB3码，上述这种过程可参看图3-59．

    (8)辅助电路
    光接收机除上面介绍的若干部分外，还有一些辅助电路，下面简单介绍其中的一部分。
    ①箝位电路
    为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面还加有箝位电路，它将已均衡波的幅度底部箝制在一个固定的电位上。
    ②温度补偿电路
    由于光接收机环境温度变化时，雪崩管的增益将发生变化，由此，使接收机的灵敏度变化．为了尽可能减少这种变化，就需给雪崩管的偏压加温度补偿电路，使雪崩管偏压随温度相应地变化。
    ③告警电路
    当输入光接收机的光信号太弱或无光信号时，则由告警电路输出一个告警信号至告警盘．
    3．一个实际的光接收机电路
    正如在介绍实际的光发射机电路一样，实际的长途通信用的光接收机电路也是十分复杂的，本书不便介绍，下面仅介绍一个在中继站中的光接收机电路．在这个电路中只有光电检测、前置放大、主放大以及均衡部分，如图3-60所示．

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