直接光强激光调制的数字光发射机设计.docx
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直接光强激光调制的数字光发射机设计
课程设计
光纤
课程设计报告
班级：
通信10-1
姓名：
程永亮
学号：
1006030104
指导教师：
杨会玉
成绩：
直接光强激光调制的数字光发射机设计
1设计目的
（1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。
（2）巩固所学的专业技术知识，培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力，培养初步的独立设计能力；
（3）通过课程设计实践，了解并掌握网络规划的一般设计方法，训练并提高学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、运用标准与规范和应用计算机等方面的能力，更好地将理论与实践相结合，提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力。
2光纤传输系统
2.1光纤
光纤是光导纤维的简写，它是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
它主要是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输提供反射面和光隔阂，并在起一定的机械的保护作用。
2.2光纤传输
光纤传输，即以光线为介质进行传输。
光纤，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。
其数据传输率能达几千Mbps。
如果在不使用中继器的情况下，传输范围能达到6-8km。
2.2.1光纤传输原理
由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。
对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制。
典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。
发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。
功率放大──将光放大器置于光发送端之前，以提高入纤的光功率。
使整个线路系统的光功率得到提高。
在线中继放大──建筑群较大或楼间距离较远时，可起中继放大作用，提高光功率。
前置放大──在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。
2.2.2光传输中产生的失真
光在光纤中传输时，也会产生一些失真，产生失真的原因有以下几点:
（1）在光纤传输系统中，由于半导体激光器的电/光转换特性的非线性，使输出的光信号与激励电流的变化不一致导致了失真，它称为调制失真。
调制指数M值不允许太大，选择高性能、预失真处理技术强的光发射机很有必要，预失真处理技术是利用人为的设计产生预失真改善调制线性，达到消除和减轻光纤传输系统中CSO与CTB的目的。
（2）在光传输系统中，由于驱动RF放大器和接收RF放大器产生失真的机会很小，线性PIN光电二极管因信号电平不太高，产生的微小失真可不计，而它的主要原因来自于半导体激光器调制特性的失真和光纤的色散。
（3）激光器在光强度调制时，光的波长会发生变化，出现附加频率调制，使信号频率展宽，出现啁啾效应，主要表现为CSO失真。
（4）光纤的色散特性会使不同波长的群时延发生差异，形成到达终端的时间会先后不一致所引起的失真，主要是CSO失真。
在光纤传输系统中产生的失真主要是CSO失真，而CTB失真的程度远比CSO失真小，为了确保系统的传输质量，使系统载噪比和失真性能处于合理的范围之内，采取的措施一般利用CNR指标来平衡CSO、CTB指标。
如果增加或者减小CNR值1dB，那么CSO就会恶化或者改善1dB，CTB指标就会恶化或者改善2dB。
3光源
光源的功能是把电信号转换为光信号。
目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器和发光二极管或发光管，有的场合也使用固体激光器。
3.1激光器
主要包括激励源（泵浦系统）（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质（激光增益媒质）和谐振腔3部分。
激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。
激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。
工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。
谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。
（1）激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。
对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。
（2）激励（泵浦）系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。
（3）光学共振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。
作用为：
①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。
②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。
3.2激光光源的工作原理
激光光源由工作物质、泵浦激励源和谐振腔3部分组成。
工作物质中的粒子（分子、原子或离子）在泵浦激励源的作用下，被激励到高能级的激发态，造成高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，即形成粒子数反转。
粒子从高能级跃迁到低能级时，就产生光子，如果光子在谐振腔反射镜的作用下，返回到工作物质而诱发出同样性质的跃迁，则产生同频率、同方向、同相位的辐射。
如此靠谐振腔的反馈放大循环下去，往返振荡，辐射不断增强，最终即形成强大的激光束输出，即原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。
同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射）。
这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。
当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。
4直接调制激光发射机
4.1组成
直接调制光发射机的组成，除核心部件DFB激光器组件外，还有电源、激光器偏置电路、激光器慢起动电路、过载保护电路和驱动保护电路、功率控制和致冷控制电、光检测电路、失真补偿电路、光检测器（PIN）芯片（用于光功率检测和自动功率控制），用于双向自动温度控制（ATC）的半导体致冷器和热敏电阻等。
图4-1数字光发射机机构图
Figure4-1digitalopticaltransmitterorganizationchar
4. 2工作过程
光发射机的输入信号是电视射频（RF）信号。
在前端，多路RF信号经多路混合器混合成一路信号后，送入光发射机输入端，经过前置放大器放大后，进行电控衰减，并还进行预失真补偿和自动功率电平控制，再去驱动激光器芯片进行电/光调制，将电信号转变成光调制信号。
输出端加一个光隔器，可大大减少由光缆传过来龙去脉光反射波对激光器的影响。
光信号通过光活动接头送入光缆，通过光缆把光信号传送至各光点。
可看出，激光器的发射功率和非线性失真依赖于偏置电流（IO），故光发射机设置激光器的偏置电路和预失真补偿电路，来保证非线性指标和发射输出的稳定。
激光器的温度升高，将使门限值增大，饱和输出光强下降，P-I特必曲线的直线段范围减小（即2自动态范围减小）为了保证光发射机始终正常工作，必须保证激光器在恒温（一般是25℃）条件下工作。
光发射机器的用于双向自动温度控制（ATC）的半导体制冷器和热敏电阻是保证激光器工和在25℃恒温条件下。
光发射机中有微处理器，其芯片中存储有激光器的最佳工作状态数据，对激光器可进行慢启动并可以自动断开射频电视驱动电流，以保护激光器。
光发射机前面板上的各种开关都是通过微处理器控制的。
温度的变化和器件的老化都会引起激光器阀值电流和光电转换效率的变化，若想精确控制激光器的光输出功率，应从两个方面着手解决：
一是控制激光器的偏流，使其自动跟踪阀值电流的变化，保证激光器总是工作在最佳偏置状态；二是控制激光调制电流的幅度，使其自动跟随电、光转换效率变化而变化。
自动功率控制完成以上两项任务，以保证激光器输出精确光功率。
图4-2自动功率控制电路
Figure4-2tobeautomaticpowercontrolcircuit
4.3调制电路和控制电路
图4-3LED数字调制电路
Figure4-3LEDdigitalmodulationcircuit
对调制电路和控制电路的要求如下：
输出光脉冲的通断比（全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数）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（电光延迟）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）和自动温度控制（ATC），保证输出光功率有足够的稳定性
4.4线路编码电路
图4-4码表存储编码器原理
Figure4-4meterstorageencoderprinciple
mBnB码又叫分组码：
这是类相当有用的冗余二进制码，它是把输入的原始码流按比特（mB）为一组的码字，然后在同样长的时隙内变成n（n＞m）比特（nB）为一组的较长码字，最后以不归零或归零格式传输这些新码流，m和n均为正整数，一般是n=m+1.经这样变换后，码速提高了，则线路码速率比原二进制码率提高了（通常提高n/m）倍。
mBnB类、码流型中有1B2B、2B3B、4B5B、5B6B等码型，但用得最多的是5B6B码。
我们现在以5B6B码为例来看看它的编码情况：
在5B6B码中，5位二进制码共有25=32种不同的码字，而6位二进制码共有26=64种不同的码字，要从64种中选出适宜的码字去代表5B码的32种码字。
有多种编码方案，相对应于有不同的5B6B编码表。
在实际情况下，对于6B码字引入一个参数---不均等参数d，d=“1”码个数—“0”码个数，对于d=0的6B码字（如001101、101100等）称之为均等码，它们共有20种，可以代表20个5B码字，对于d=+2的正不均等码（如111010、101101等）和d=-2的负不均等码（如000101、010010等）来说，它们各有12种，为了使“0”码和“1”码出现的机会相同，可以把这些码字相对应地交替使用，用以去代表5B码中另外的12个码字。
于是“6B”码流中最大相同连续数为6。
定时信息丰富，而且“0”码和“1”码出现的概率均等，各占50%，所以可以认为没有直流漂移。
未采用的6位码字可作为禁码，当出现禁码时表示有误码，从而可实现不中断业务的误码检测。
4.5光发送机的指标
光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。
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。
4.5.2平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源“尾纤”的平均输出光功率。
4.5.3耦合效率耦合效率用来度量在光源发射的全部光功率中，能耦合进光纤的光功率比例。
耦合效率定义为：
偶和效率=PF/PS
式中，PF为耦合进光纤的功率，PS为光源发射的功率。
发射效率取决于光源连接的光纤类型和耦合的实现过程。
4.5.4消光比消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示：
EX=最大平均发射功率/最小平均发射功率4.6对光发送机的要求
（1）有合适的输出光功率光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～5mW。
（2）有较好的消光比一般要求EX≥10dB。
（3）调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。
（4）其他除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。
4.7光发射机的选择
了解和掌握光发射机的组成、工作原理和性能参数，对于有线电视技术人员是非常重要的，因为只有掌握了光发射机的基本工作原理和技术性能指标，才能有效合理选用光发射机和搞好日常维护。
现在国外、国内生产光发射机的厂很多，光发射机品牌类别更多，性能指标和单机价格也相差很大，进行合理选型对保证光纤网质量和降低建网成本有较大好处。
较高的性能价格比、可靠质量保证体系、良好的售后服务保障是选择光设备应遵循的原则。
1、选用有国家入网证和经过广电总局检测合格的产品。
2、合理选用1310nm和1550nm光工作波长的光发射机。
乡镇级光纤网传输距离近最好选用1310nm波长光发射机，投资少，对于传输距离迅、光点又比较多的光纤网，选用1550nm波长光发射机为好，总投资要比1310nm光设备网的少。
3、激光器是光发射机的核心器伯，在选购光发射机，首先要重视激光器的选用，用户可指定选用奥特尔、朗讯、富士通等激光器。
4、考察光发射机的性能参数，观看机内的生产工艺水平。
5、根据对光纤网的设计计算出的所需总功率，合理组合确定光发射机的台数和各台光发射机的输出功率，如经计算光网需10mw2台，12mw1台，用户就选购10mw光发机2台，12mw1台。
6、光发射机功率瓦数大小确定之后，主要看光发射机链路损耗。
从数学关系，功率数值与链路损耗数值是对应可互换关系，如把6.5mw可换算为8.13dbm，若知道链路损耗数值是8.13dbm，可对应换算为6.5mw。
但光发射机输出功率与光发链路损耗之间没有对应换算关系。
光发射机的链路损耗dbm值仅与使用器件和制造时的技术有关。
就是说6mw光发射机的链路损耗特性，不一定是7.78dbm，可能是8dbm或是9dbm。
不同厂家，由于采用的技术、元件加工工艺不一样，相同功率的光发射机链路损耗就不一样。
就是同一厂家，由于元件和加工工艺不一样，相同功率发射机链路损耗也不一定一样。
所以在选择光发射机时，不能只看功率数值，不关心链路损耗值，应是功率数为参考，主要是看光发射机的链路损耗数值。
必须在相同传输频道数，相同C/N、CTB、CSO指标条件下，比较不同厂家生产光发机的链路损耗。
如A厂家生产8mw的光发射机链路损耗为9dbm，而B厂家生产8mw的光发射机链路损耗为10dbm。
我们就应选用B厂家生产的8mw光发射机。
7、从链路损耗方面考虑使用小于10mw的光发射机比较好，尽量少用大于16mw的光发射机。
8、注意性能价格比，选用质量好、价格又比较便宜的光发射机。
9、选用售后服务好的厂家或公司。
总结
通过本次直接光强激光调制的数字光发射机课程设计，使我更加深刻的理解了光纤的结构和传输原理，同时也掌握了数字光发射机的原理。
用光波传输信号和数据信息是20世纪末发展起来的一门新的科学技术，它的出现使世界信息产业得到了飞速发展，现在光纤传输技术正以超出人们想像的速度发展，其光传输速度比10年前提高了100倍，在今后的发展中估计还要提高100倍左右。
随着光纤传输技术的不断发展，在光域上可进行复用、解复用、选路、交换，网络可利用光纤的巨大带宽资源，增加网络的容量，实现多种业务的“透明”传输。
通过本次课程设计，不仅让我巩固了知识，还使通过各种方式查阅文件，丰富了自己，使自己懂的了许多相关知识，这样不仅提高了自己，还扩展了自己的知识面，为以后学习和工作都奠定了良好的基础。
参考文献
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[6]汪杰军.光纤通信系统中光发射机的设计，现代电子技术，2008
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