光纤通信ppt课件概要.ppt
第三章 光接收机,3.1光接收机简介 3.2光电检测器 3.3放大电路及其噪声 3.4光接收机灵敏度的计算 3.5光接收机的组成模块,3.1 光接收机简介,3.1.1 光接收机的组成 光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种数字光接收机框图,数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分 光接收机也可以分为三部分：光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心；主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道；判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分,3.1.2 光接收机的性能指标 光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围 误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示 接收机灵敏度的定义为：在满足给定能的误码率指标条件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用dBm来表示，即 接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）就是光接收的动态范围Pmax和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率,3.2 光电检测器,光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下： 在所用光源的波长范围内有较高的响应度； 较小的噪声； 响应速度快； 对温度变化不敏感； 与光纤尺寸匹配； 工作寿命长,3.2.1 PN结的光电效应 在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应 右图为半导体PN结的形成,加反向偏压后光电二极管及其能带结构,3.2.2 PIN光电二极管 1原理与结构 PIN光电二极管的原理和结构,2光电二极管的波长响应（光谱特性） （1）上截止波长 光电效应必须满足条件 hvEg 或 c是真空中的光速， 是入射光的波长，h是普朗克常量,也就是说,入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为（2）响应波长的下限 设x = 0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为 经过x距离后吸收的光功率可以表示为,3光电转换效率 常用量子效率和响应度衡量光电转换效率当入射功率为P0时，光生电流可以表示为w1是零电场的表面层的厚度，w是耗尽区的厚度量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率,可以知道，要提高量子效率，必须采取如下措施： 尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数； 尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收 光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射光功率p0的比值来表示,称其为响应度,4响应速度 响应速度常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示 影响响应速度的主要因素有3点 （1）光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数 结电容与耗尽区的宽度w及结区面积A有关,（2）载流子在耗尽区里的渡越时间下图为漂移速度与电场强度关系若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压须满足 VEsw,（3）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 5光电二极管的暗电流 暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流,3.2.3 雪崩光电二极管 1工作原理 APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）,2APD的平均雪崩增益 平均雪崩增益的定义为IM是雪崩增益后输出电流的平均值；Ip是未倍增时的初始光生电流,光电二极管输出电流和反向偏压的关系 平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为,3APD的结构 光纤通信在0.85m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保护环型（GAPD）两种,另一种在长波长波段使用的APD的结构称为SAM （Seperated Absorption and Multiplexing）结构,4APD的过剩噪声 APD的过剩噪声系数为在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数来表示过剩噪声系数，即,3.3 放大电路及其噪声,3.3.1 噪声的数学处理 1噪声的统计性质 对噪声的分析应采用随机过程的分析方法 电阻内部微观粒子的热骚动是一个随机过程,对于随机噪声XN来说，落在x1和x1+dx1之间的概率是P(x1XNx1+dx1)它的积分就是概率分布函数，为 F(x1, t1) = P(XNx1)= P(XNx1)表示XN是落在(，x1)中的概率,2随机过程的数字特征 （1）均值 设 是一个随机过程，它的均值（数学期望） 为均值也可以用时平均值（用符号表示）来代替，即,（2）标准差（均方差） 随机变量的方差D (X)和标准差（均方差） 分别为,3平稳随机过程的功率谱密度 设有时间函数x (t)，假设x (t)满足荻氏条件，且绝对可积，那么x (t)的傅里叶变换为 和 之间有以下的巴塞伐（parseval）等式成立,把函数x (t)限制在的 时间间隔里，可以得到 左边表示平均功率，而就是此函数的双边平均功率谐密度，简称功率谱密度，它表示1 Hz频带上平均功率的大小。所谓“双边”，是指对的正负频域都有意义,3.3.2 放大器输入端的噪声源 放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数 对随机噪声，m=0时，上式可写成,1输入端的等效电路及噪声源 光接收机的等效电路,带有热噪声的电阻可以有两种等效方式 一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联 这种等效下并联电流噪声源的功率谱密度为 另一种等效方式是把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联 电压噪声源的双边功率谱密度为,2放大器的输出噪声电压的计算 放大器输出噪声电压的均方值为 ； ； 是放大器、均衡滤波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传递关系，实为转移阻抗可以看出：偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；输入电阻Rt越大、输入电容Ct越小，串联电压噪声源对总噪声的影响越小,3.3.3 场效应管和双极晶体管的噪声源 1输入端的等效电路及噪声源 场效应管的主要噪声源有两个 :栅漏电流的散粒噪声沟道热噪声,（1）散粒噪声散粒噪声其功率谱密度为e0为电子电荷， C，Igate是场效应管的栅漏电流（2）沟道热噪声 功率谱密度为gm是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对Si FET， ；对GaAs FET，（3）输出瑞的总噪声功率 当Rb足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此得到,2双极晶体管的噪声源 散粒噪声基区电阻的热噪声分配噪声,（1）散粒噪声 功率谱密度为Ib是晶体管的基极工作电流（2）基区电阻的热噪声 基区电阻的热噪声在输入端作为串联电压噪声源，谱密度为,（3）分配噪声 功率谱密度为将集电极回路里的噪声源等效到输入端，可等效为一个串联电压噪声源，功率谱密度为对双极晶体管，有下列关系存在双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为,3.3.4 前置放大器的设计 1低阻型前置放大器 这种前置放大器从频带的要求出发选择偏置电阻，使之满足 Rt 的要求。BW为码速率所要求的放大器的带宽,2高阻型前置放大器 一般只在码速率较低的系统中使用3跨（互）阻型前置放大器 实际上是电压并联负反馈放大器 当考虑其频率特性时，上截止频率为宽频带、低噪声 动态范围比高阻型前置放大器有很大改善,3.4 光接收机灵敏度的计算,3.4.1 灵敏度计算的一般方法,3.4.2 光电检测过程的统计分布和灵敏度的精确计算 1光电效应阶段 设入射光功率为p(t)，那么在时间间隔L内产生的平均的“电子空穴”对数可以用量子效率来表示，为0是每秒钟内暗电流产生的电子数,根据量子统计规律，在时间间隔L内产生m个“电子空穴”对的概率是均值为的泊松分布，即也就是光电二极管光生电子空穴对的概率密度函数,2雪崩倍增过程的统计性质 假设整个雪崩过程进行的相当快，每一初始的“电子空穴”对倍增出随机数为gl的二次“电子空穴”对（包括初始“电子空穴”对本身），可以得出gl=n的概率为,对于在时间间隔(t0, t0+l)内入射的光功率，APD产生的初始的“电子空穴”对是概率密度为泊松分布的随机变量，而每一个初始的“电子空穴”对又雪崩倍增成随机数为g的二次“电子空穴”对，因此，在时间间隔L内产生总数为 个“电子空穴”对的概率为 是N个随机变量gl的和的概率密度函数，gl是独立无关的，因此，,3灵敏度的精确计算 从光电检测过程实际的概率密度函数出发，通过放大器和光电检测器概率密度函数的卷积计算求出总噪声的概率密度函数，进而计算接收机的灵敏度,3.4.3 灵敏度的高斯近似计算 1光电检测器噪声的功率谱密度 光电检测器的噪声包括散粒噪声和暗电流噪声 散粒噪声和暗电流噪声的双边功率谱密度可以分别为,对于光电二极管，G=1，则有对于光电二极管和APD，输入端等效的并联电流噪声源的功率谱密度可以分别表示如下 对PD i=0或1对APD i=0或1,2接收机灵敏度的高斯近似计算 放大器和均衡滤波器输出端APD的噪声功率为 对“1”码在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率为 对“0”码 对“1”码,当判决电平为D时，“0”码误判为“1”码的概率为令 对上式进行变量交换同样“1”码误判为“0”码的概率为令 上式变换成,如果接收的随机脉冲序列中“1”码出现的概率等于“0”码出现的概率，总误码率为为使总误码率达到最小，一般令E01=E10只需使Q值和误码率的关系,3.4.4 S.D.Personick高斯近似计算公式 1S.D.Personick高斯近似计算公式的推导思路 （1）从卷积关系推导光电检测器的噪声功率，并假设判决时有最坏的码元组合,（2）假设判决时无码间干扰 放大器和均衡滤波器的传递函数随输入波形而变，可以用输入波形和输出波形的频谱来表示引入 , I1, I2和I3 4个积分参量来计算光电检测器和放大器的噪声 I2和I3也可以简化放大器噪声的计算,利用参量I2和I3可以使放大器的输出噪声简化为定义放大器的噪声参量z为,（3）假设探测器的暗电流为零 （4）假设光源的消光比EXT=0，同时将过剩噪声系数F（G）近似为x是APD的过剩噪声指数,2计算公式 （1）当用APD作为检测器时，得到式中用平均光功率表示接收机的灵敏度,（2）用PIN光电二极管作检测器 若用PIN光电二极管作检测器， =1 PIN的噪声可以忽略。接收机的灵敏度可以表示为（3）判决电平的计算公式消光比为零时最佳的判决电平的计算公式最佳判决电平应低于“0”和“1”电平的中点,3影响光接收机灵敏度的主要因素 （1）灵敏度与放大器噪声的关系 bmax与z的关系 （PIN光电二极管作检测器） （APD作检测器，工作在最佳雪崩增益）放大器噪声的大小与最佳雪崩增益有关,（2）接收机灵敏度与比特速率的关系 对比特速率较高的系统，接收机灵敏度与比特速率的关系为： 当用PIN光电二极管作检测器时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降4.5dB； 当用APD作检测器（设x0.5），且工作在最佳雪崩增益时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降3.5dB,（3）灵敏度与输入波形的关系 输入 脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高；发送RZ码时接收机的灵敏度比NRZ码要高（4）消光比对灵敏度的影响残余光使消光比不为零 消光比引起的灵敏度的恶化量,（5）激光器和光纤系统的噪声对灵敏度的影响 激光器和光纤系统的噪声主要有以下几种 激光器的量子噪声 模式分配噪声 模式噪声 反射噪声,3.5 光接收机的组成模块,3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路 1码间干扰问题 对于任意的输入波形，只要均衡网络的传递函数为就可在判决时做到无码间干扰 发送脉冲的频谱为S() ，Hof ()、Ham()、Heq()分别是光纤、放大器和均衡网络的传递函数,2频域均衡电路 低速光纤通信系统的传递函数高比特率光纤传输系统的传递函数,3时域均衡器自适应均衡器,4眼图分析法 模型化的眼图,3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路 1接收机的动态范围 可以采用两种方法扩大接收机的动态范围 ：对主放大器进行自动增益控制（AGC） 对APD的雪崩增益进行控制放大器电压增益的控制方式为两种情况 ：改变放大器本身的参数，使增益发生变化 采用限幅放大器，限制放大器的输出幅度,2几种常用的放大器电压增益自动控制电路 （1）改变差分放大器工作电流的AGC电路,（2）分流式控制电路 （3）控制双栅极场效应管的增益 采用双栅极FET做成主放大器，可以方便地实现自动增益控制,3.5.3 再生电路 再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，它由判决电路和时钟提取电路组成。1信号预处理 在用滤波器或锁相环路提取时钟时，首先要对信号进行非线性预处理 非线性处理的基本方法是利用微分、整流电路来实现,2锁相环路 （1）锁相环路的方框图（2）环路的捕捉和跟踪 锁相环路的工作分为捕捉和跟踪两种状态,3声表面波（SAW）滤波器 （1）工作原理,（2）声表面波滤波器的主要性质 振铃效应和等效带宽 SAW滤波器的指条数越多，抗连“0”和连“1”性能就越好。SAW滤波器的这种功能称为振铃效应 SAW滤波器的指对数N与滤波器的等效品质因数Q及3dB等效带宽的关系为 通带纹波,
