光纤通信第5章光探测及光接收机

,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,*,第五章,光探测及光接收机,第五章,光探测及光接收机,发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。,光接收机的,作用,就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。,它的,主要器件,是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。,对光电检测器的,要求,是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。,用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。,第五章,光探测及光接收机,5,.1,光,探测原理,5,.2,光电,二极管,5,.3,数字,光接收机,5,.4,接收机,信噪比（,SNR,）,5,.5,接收机,误码率和灵敏度,5.3,数字光接收机,接收机的设计很大程度上取决于发射机使用的调制方式，特别是与传输信号的种类，即模拟或数字信号有关。,因为大多数光波系统使用数字调制方式，所以在本章中，我们集中讨论数字光接收机。,关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和第八章中讨论。,数字光接收机原理组成图,信号光,光探,测器,电压,供给,均衡,滤波,前放,主放,自动增,益控制,主放（线性信道）,判决,电路,时钟,恢复,数据恢复,数据,输出,光电变换和前放,5.3.1,光电变换与前置放大,前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。,接收机的前端是光电二极管，通常采用,PIN,光电二极管和,APD,光电二极管。,低噪声,前置放大器的作用是放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。,前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。,光电二极管产生的信号光,电流经前置放大器输入阻,抗时将产生信号光电压。,使用大的负载电阻,R,L,，可,使该输入电压增大，因,此，常常使用,高阻抗前置,放大器。,大的,R,L,可减小热噪声和提高接收机灵敏度。,高输入阻抗前置放大器的主要缺点是它的,带宽窄,，因为,负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管,R,L,仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了,G,倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了,G,倍。,它的,灵敏度高,、,频带宽,。,动态范围,也比高阻抗前置放大器的,大,。因此光接收机常使用这种结构的前放。,转移阻抗前置放大器,5.3.2,线性放大,由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。,有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。,低通滤波器,的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。,采用,自动增益控制电路,，在接收机平均入射光功率一定的变化范围内，通过放大器的增益的自动控制使得输出稳定。,均衡滤波,的作用是将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性，做到判决时无码间干扰。,因为前放、主放以及均衡滤波电路起着线性放大的作用，所以有时也称为,线性通道,。,5.3.3,数据恢复,数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。,它的,任务,是把均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号。,为了判决每个比特是“,0”,还是“,1”,，首先要确定判决的时刻，这就需要要从升余弦波形在,f,B,点提取准确的时钟信号。,时钟信号经过适当的移相后在,最佳的取样时间,对升余弦信号进行,取样,，然后将取样幅度与,判决阈值,进行比较，确定码元是“,0”,还是“,1”,，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。,判决、再生过程,均衡器输出波形,时钟,再生后的信号,判决电压,最佳的判决时间,应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。,5.4,接收机信躁比（,SNR,）,SRN,为平均信号功率和噪声功率之比。,光接收机使用光电二极管，将入射光功率转换为电流。即使入射光功率不变时，两种基本的噪声，,散粒噪声,和,热噪声,也会引起光生电流的起伏。,电流起伏引入的电噪声影响接收机性能。,本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信噪比,(SNR),。,5.4.1,噪声机理,1.,散粒噪声,散粒噪声是由检测器本身引起的，它围绕着一个平均统计值而起伏，这种无规则的起伏就是散粒噪声。,光电流,I,P,=RP,in,散粒噪声的电流起伏,均方散粒噪声电流为：,5.4.1,噪声机理,2.,热噪声,由于电子在光电二极管负载电阻,R,L,上随机地热运动，即使在外加电压为零时，也产生电流的随机起伏。这种附加的噪声成分就是热噪声电流。,均方热噪声电流为：,该噪声电流经放大器放大后要扩大,F,n,（放大器的噪声指数）,倍：,5.4.1,噪声机理,总的均方噪声电流为：,暗电流,5.4.1,信躁比（,SNR,）,1.PIN,光接收机,信躁比（,SRN,）,为平均信号功率和噪声功率之比，并考虑到电功率与电流平方成正比，则,SNR,可表示为：,光电二极管响应度,1.PIN,光接收机,接收机性能受限热噪声时：,接收机性能受限散粒噪声时：,2.APD,光接收机,2.APD,光接收机,APD,接收机的热噪声与,PIN,的相同，但是散粒噪声却受到平均雪崩增益的影响，其值为：,F,A,是,APD,的,过剩噪声指数,电离率之比,2.APD,光接收机,APD,接收机的信躁比为：,接收机性能受限热噪声时：,接收机性能受限散粒噪声时：,2.APD,光接收机,APD,接收机的信躁比为：,使,SNR,最大,M,值称为,最佳平均雪崩增益,，记为,M,opt,5.5,接收机误码率和灵敏度,数字接收机的性能指标由,比特误码率,(BER),所决定。,BER,定义为码元在传输过程中出现差错的概率，工程中常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码元数之比来表示。,9,10,BER,-,=,，表示每传输,10,亿个比特只允许错,1,个比特,通常,数字光接收机要求,9,10,BER,-,接收机,灵敏度,定义为保证比特误码率为,10,9,时，要求的最小平均接收光功率,rec,P,，表示每传输百万比特只允许错,2,个比特,6,10,BER,-,=,5.5.1,比特误码率,5.5.1,比特误码率,由于接收机噪声的影响，可能把比特“,1”,误认为“,0”,码；同样也可能把“,0”,码错判为“,1”,码。误码率包括这两种可能引起的误码，因此,误码率,为：,BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0),对于脉冲编码调制（,PCM,）比特流，,P(1)=P(0),，,BER=P(0/1)+P(1/0)/2,P(1),和,P(0),分别为接收“,1”,和“,0”,码的概率，,P(0/1),是把“,1”,判为“,0”,的概率；,P(1/0),是把“,0”,判为“,1”,的概率。,二进制信号的误码概率,I,1,I,0,5.5.1,比特误码率,误差函数,erfc(x,),的互补函数,接收“,1”,码的均方噪声电流,接收“,0”,码的均方噪声电流,实际上，可以选择最佳的,I,D,值使,BER,最小。,BER,最小的,I,D,值为：,超扰比,Q,被广泛用来说明接收机的特性。,Q=6,，,BER=10,-9,Q7,，,BER10,-12,BER,和,Q,参数的关系,5.5.2,最小平均接收光功率,最小接收光功率,（比特误码率低于指定值使接收机可靠工作所需要的功率）,设“,0”,码时不发射光功率，即,P,0,=0,，,I,0,=0,；“,1”,码时功率,P,1,，电流,I,1,平均接收光功率,PIN,光接收机，,热噪声占支配地位，则,APD,光接收机，,热噪声仍占支配地位，在考虑散粒噪声影响时，类似讨论,SNR,的情况，借助调整,APD,增益,M,，也可使接收机灵敏度达到最佳，容易得到最小 的最佳,M,值为,5.5.3,光电探测器的量子限制,阅读内容,5.6,灵敏度下降机理 “功率代价”,5.7,光接收机的性能 “眼图”,P226,