4.2光接收机解析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章,光端机,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,光纤,光纤,中继器,光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。,光接收机,4.2 光接收机,PIN,管,构造,在P型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半导体。,特点,结电容变小,频带宽，可达10GHz,输出电流小，微安量级,线性输出范围宽,雪崩光电二极管,雪崩光电二极管,ADP,利用,PN,结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。,电流增益高,10,6,响应速度快,100GHz,温度敏感,需补偿,n=1,3,倍增因子,光接收机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，并对电信号进展放大、整形、再生后，再生成与发送端一样的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益掌握电路AGC保证稳定的输出。,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。前端性能是打算光接收机的主要因素。,数字光接收机最主要的性能指标：灵敏度和动态范围。,4.2.1 光接收机根本组成,直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图。主要包括：,光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益掌握(AGC)电路。,光检测器,偏压控制,前置放大器,AGC,电路,均衡器,判决器,时钟,提取,再生码流,主放大器,光信号,数字光接收机方框图,前端,线性通道,时钟提取与数据再生,1.前端：低噪声、高灵敏度和足够带宽,光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特殊是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。,对光检测器的要求如下：,(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85m、1.31m和1.55m)兼容；,(2)响应度要高，在肯定的接收光功率下，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，牢靠性高，寿命长，功耗和体积小。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)。,前置放大器,应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的,灵敏度,影响很大。,前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(,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,)。,光接收机前端的等效电路,低阻抗前端,从频带要求出发选择偏置电阻,R,L,优点：,电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大,缺点：,灵敏度低，噪声较高,高阻抗前端,尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值,优点：噪声较低,缺点：动态范围小、高频重量损失太大,对均衡电路提出很高要求,多用于低速系统.,跨阻抗前端,电压并联负反馈放大器（电流,-,电压转换器）,优点：,宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。,光电放大器,对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。,可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。,提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。,主放,大器,均衡,滤波,AGC,电路,2.,线性通道,再生电路的任务是将均衡网络输出的升余弦波形恢复成数字信号。,3.再生：,判决电路,和,时钟提取电路,判决、再生过程,4.2.2,光接收机的噪声特性,光接收机的噪声将影响信噪比,SNR,和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：,散粒噪声和热噪声。,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,漏电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,散粒噪声,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,漏电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的根本特性，从而使当其他条件都到达最正确化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,漏电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,漏电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,漏电流噪声：当光检测器外表物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的构造和严格的工艺降低。,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,漏电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,APD,倍增噪声,：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。,光检测器,放大器,偏置电阻,光子流,h,R,L,量子噪声,暗电流噪声,漏电流噪声,APD,倍增噪声,热噪声,放大器噪声,接收机噪声及其分布图：,热噪声,：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。,4.2.3 光接收机的主要指标,数字光接收机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,物理意义：灵敏度反映的是接收机接收微弱光信号的力量，提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。,定义：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W。工程中常用毫瓦分贝dBm来表示，即:,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，因此在判决时可能发生误判，把放射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。,接收码元被错误判决的概率，叫做误码率。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。,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，接收机的最大允许输入光功率dBm和最小允许输入光功率dBm之差dB。即：,动态范围表示的是接收机接收强光信号的力量。数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。,4.2.4 光接收机的均衡网络,一、根本功能：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进展整形，使其变为升余弦信号，以利于抑制码间干扰进展幅度判决。,二、码间干扰：光纤色散引起光脉冲展宽，当光脉冲展宽超过安排的时隙时，一局部光脉冲能量进入相邻时隙，对邻近码元信号进展干扰，叫做码间干扰。,码间干扰是产生误码的重要缘由，同时影响接收机的灵敏度，为抑制码间干扰，对均衡网络提出了肯定的要求。,三、均衡网络,1、要求：只要均衡网络的传递函数为：,就可以在判决时做到无码间干扰。其中，是发送脉冲的频谱；，分别是光纤、放大器和均衡网络的传递函数，是升余弦信号的频谱。,2、均衡电路,均衡电路的设计，从原则上讲是网路综合问题，假设依据上式进展设计，是特别简单和困难的。目前光纤通信系统承受单模光纤，对于140Mb/s以下的系统，光脉冲时间展宽很小。因此，均衡网络可以做的比较简洁，有时就用RC或LC滤波器实现。,四、眼图分析方法,将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的y轴，用时钟信号作为外触发信号，示波器上就显示出随机序列的眼图。,模型化的眼图：1、眼图的垂直张开度：表示系统反抗噪声的力量；2、眼图的水平张开度：反映过门限失真量的大小，水平张开度的减小会导致提取出的时钟信号抖动的增加；3、眼睛睁开最大处为最正确判决时刻；4、眼皮厚度表达噪声大小；5、非线性传输特性会产生眼图的不对称性。,阈值,t,1,t,2,V,1,V,2,最佳判决时刻,图左是一个刚从光放射机出来的信号眼图，图右是经过80km传输之后的眼图。可以看出：经过传输之后信号质量变差了。,4.2.5 自动增益掌握电路,主放大器和AGC打算光接收机的动态范围，为了增大动态范围，要承受自动增益掌握电路。,当承受雪崩光电二极管作为光电检测器时，可以承受两种方法扩大接收机的动态范围：一种是对主放大器进展自动增益掌握AGC；另一种是对APD的雪崩增益进展掌握。这两种方法都是以输出信号经峰值检波和AGC放大后的信号作为掌握信号的，如图。,自动增益掌握电路框图,两种常用的AGC电路：1、转变差分放大器工作电流的AGC电路,通过转变差分放大器恒流源的电流来掌握放大器的增益，G1电流变化引起G2和G3电流变化，从而转变增益。,这种方法的应用已经特别普遍，但在高速率的光接收机中，小电流工作下的晶体管往往不能保证有良好的高频特性，结果限制了这种方法在高速系统中的应用。,在这个电路中，信号从G1管的基极输入，晶体管G2和G3是一对差分管，G2管的导通状况受AGC信号掌握，转变G2和G3管的信号电流安排比例，就可以转变放大器的电压增益。,优点：掌握范围较大一级的掌握范围可达3040dB)，高频特性较好。,2、分流式掌握电路,习 题,光接收机中的噪声主要来源于 和 ，为抑制噪声，一般要求前置放大器应满足 、和 的要求，目前常用的前置放大电路为 型。,为增大光接收机的接收动态范围，应承受 电路。,数字光接收机主要由哪几局部组成?各局部功能是什么？,怎样从光接收机眼图估量光接收机性能？,接收机灵敏度和动态范围的定义及物理意义是什么?,在满足肯定误码率条件下，光接收机最大接收光功率为0.1mW，最小接收光功率为1000nW，求接收机灵敏度和接收机动态范围。,