光纤课件chap4-2

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1、1,4.2 光接收机,4.2.1 光接收机基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示于图4.14。 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控制(AGC)电路。,2,图 4.14 数字光接收机方框图,前端,线性通道,时钟提取数据再生,3,1. 光检测器,光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别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(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流； (3) 噪

2、声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 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)。,4,2. 放大器,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。主放大器一般是多级放大器，它的作用是：（1）提供足够的增益 （2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。,5,3. 均衡和再生,均衡的目的：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产

3、生畸变(失真)的电信号进行补偿使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。 ,6,再生电路包括：判决电路和判决电路为确定是1或是0，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为1，则由再生电路产生一个矩形1脉冲；若判决结果为0，则由再生电路重新输入一个0。时钟提取电路为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致,7,4. 光电集成接收机,图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件， 很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。 不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，

4、甚至达到10 GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。,8,对于工作在1.31.6 m波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图4.15所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。,9,图 4.15 光电集成接收机,10,4.2.2 噪声特性,光接收机的噪声有两部分：外部电磁干扰产生 这部分噪声的

5、危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；内部产生 这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小， 一般不可能完全消除。我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。 光接收机噪声的主要来源是:光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。,11,图 4.16 光接收机的噪声等效模型,12,图 4.17 光接收机的前置级放大电路(a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型,13,放大器噪声特性取决于所采用的前置放

6、大器类型， 根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图4.17， 其输出的等效噪声功率NA为：,14,15,三种类型前置放大器的比较： (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。,16,4.2.3 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

7、，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 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。 码元被误判的概率， 可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im是“1”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。,17,图 4.18 计算误码率的示意图,跳过,18,式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值， 其均值为零，方差为2。 ,(4.8),在“”码时，如果在取样时刻带有噪

8、声的电流I1D，则可能被误判为“1”码。要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布。 光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其 为:,19,(4.9),在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后， 现在可以分别计算“0”码和“”码的误码率了。 在发“0”码时， 平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的概率密度函数为 :,20,根据误码率的定义，把“0”码误判为“1”码的概率， 应等于I

9、0值超过D值的概率，即,式中x=I0/,在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-ImD-Im，就可能把“”码误判为“0”码。,(4.10a),21,式中y=(I1-Im)/ 。 “0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率的码流而言，一般认为Pe,01=Pe,10时，可以使误码率达到最小。,(4.11a),把“1”码误判为“0”码的概率为：,22,因此，总误码率(BER)可以表示为：,(4.12),图4.19 误码率和Q的关系,2

10、3,Q称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流 的倍数。由此可见，只要知道Q值，就可根据式(4.12) 的积分求出误码率，结果示于图4.19。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。,在发“0”码时， 平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。,24,Q为4.5时Pe = 10-5。对于一个速率为1.544Mb/s 的电话接收信号，Pe = 10-5意味着每0.065秒有一位误码，这是非常不理想的。如果将Q从4.

11、5 增加至6，BER就会降到10-9。此时，每11分钟才有一位误码，通常这是可以容忍的。对于一个速率为622Mb/s的链路，要得到相同的通话效果 (11分钟才有一个误码)，则要求BER为10-11或10-12，这就表示至少要求 Q = 7,25,灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。, Pr =10lg (4.14),4.2.4 灵敏度,26,1. 理想光接收机

12、的灵敏度,假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子 - 空穴对所产生的光电流， 这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。,Pr= 10 lg （Pmin *1000 ）（dBm ） (4.14),27,首先考虑理想光接收机的误码率。当光检测器没有光输入时， 放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为“”码的概率为0，即Pe, 01=0。产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。这个概率假设符合泊松分布，即“1”

13、码误判为“0”码的概率Pe, 10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。当“0”码和“1”码等概率出现时， 误码率为：,28,现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb， 一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为 :,式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果，h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率和光波长，c为真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb为传输速率； 并考虑光/电转换时的量子效率为。,29,Pr= 10 lg (4.17),把这些关系代入式(4.16)， 得到理

14、想光接收机灵敏度:对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe10-9，根据式(4.15)得到n21。这表明至少要有21个光子产生的光电流， 才能保证判决时误码率小于或等于10-9。设=0.7，并把相关的常数代入式(4.17)， 计算出的不同和不同fb的Pr值列于表4.1。这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。由表 4.1 我们明显看到了灵敏度与光波长和传输速率的关系。,30,-65.7 -59.2,-71.1 -63.8,灵敏度pr/dBm,140 622,34 140,速度fb/(Mb.s-1),1.55,1.31,波长 / m,表4.1理想光接收机

15、的接收机,31,影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂， 这里只作简要介绍。利用误码率的公式(4.12)、(4.13)可以计算最小平均接收光功率。为此，应建立超扰比Q与入射光功率的关系。在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流I0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流I1的关系为式中，g为APD倍增因子(对于PINPD，g=1)，为光检测器的响应度，P=(P1+P0)/2为“0”码和“1”码的平均光功率。,2. 实际光接收机的灵敏度,32, Q= (4.19),式中，N0和N1分别为传输“0”码和“1”码时的平均噪声功率。如前所述，在略去暗电流的情况下，,（4.20）,在放大器输出端“1”码的平均电流Im=I1A，A为放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到,