[理学]第四章 光接收机.ppt

第四章 光接收机,2019/5/3,2019/5/3,4-1 概述； 4-2 半导体光电检测器 ； 4-3 光接收机的前端及噪声； 4-4 光接收机的灵敏度； 4-5 光接收机的线性通道和数据恢复 ； 本章思考题。,第四章的主要内容,2019/5/3,4-1 概述,光接收机的作用：探测经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号，并进行放大、再生，恢复原始信号。 光接收机的主要性能指标：灵敏度和动态范围，其中最主要的是灵敏度，光检测器是光接收机的核心部件 ；接收机理论中，中心问题就是如何降低输入端的噪声、提高接收灵敏度。,2019/5/3,4-1 概述,一、光纤通信对光电检测器的要求 1. 波长响应应在光纤通信窗口，即对一定的光功率，能够输出尽可能大的光电流； 2. 响应度要高，光电转换效率要高，输出电流大； 3. 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号； 4. 响应速度要快，常用对光脉冲的响应的上升或下降沿表示，反应了光信号的反应能力； 5. 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小； 6. 对工作温度的变化不敏感； 7.具有良好的线性，保证光电转换过程不失真。,2019/5/3,4-1 概述,二、数字光接收机的主要组成 数字光接收机可以分为图中的8个部分，或者分为三大块。 1. 光检测器 完成光电转换，然后送入前置放大器，但是光电流非常小，在nAA量级。，N， ,前端,线性通道,判决再生（数据恢复）,2019/5/3,4-1 概述,2. 前置放大器 低噪声放大器，改善信噪比，其噪声对整个放大器的输出噪声影响很大，影响光接收机的灵敏度。输出毫伏级的电压。 3. 主放大器 把前端输出的信号放大到后继电路需要的电平，即保证增益/提供足够的增益。,2019/5/3,4-1 概述,4. 均衡滤波 减小噪声，克服、消除放大器及其他部件(光纤)引起的信号波形失真，使噪声及码间干扰降到最低，对失真的信号进行补偿，使输出信号波形供正确判决。 5. 判决器 设置判决电平，使放大器送过来的输入信号与判决门限电平比较。判决时刻，被判码元的瞬时值最大，而相邻码元在此时刻的瞬时值为0。,2019/5/3,4-1 概述,6. 译码器 如果发射端进行线路编码、扰码，在接收端需要有相应的译码/解扰电路。 7. AGC电路 通过AGC电路实现自动增益控制，使输出信号在一定范围内不受输入信号变化的影响，保证主放大器的动态范围。 8. 时钟提取/时钟恢复 同步脉冲提取，以供在准确时刻抽样判决。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是APD（雪崩）光电二极管。,2019/5/3,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,一、光电二极管的工作原理 光电二极管对应受激吸收。在反向偏压作用下半导体PN结的光电效应。 光电检测器是外加反向偏压的PN结，当入射光作用时，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，发生受激吸收产生光生电子-空穴对（光生载流子），在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，这些电子-空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,二、光电二极管的波长响应 由光电效应可知，当入射光子能量h 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足条件hEg，即光频c Eg /的入射光不能产生光电效应，对应的波长为c=hc/Eg =1.24/Eg。即只有波长c 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截止波长，相应的c 称为截止频率。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,光电二极管除了截止波长外，当入射光波长太短时，光电转换效率会大大下降。 经过x距离后光信号被吸收的光功率为 入射光波长很短时，材料的吸收系数很大，结果使大量的入射光子在光电二极管的表面层就被吸收。 半导体光电二极管的响应波长：minmax。 Si光电二极管：0.51.0m；Ge和InGaAs光电二极管：1.11.6m；InGaAsP：0.81.6m。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,三、PIN光电二极管 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间加一层掺杂浓度非常低或不掺杂的N型本征半导体材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,此动画为PIN光电二极管工作原理动画。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,1. PIN光电二极管工作原理 入射光从P侧进入（P区非常薄，对入射光几乎是透明的），在耗尽区光吸收产生的光生电子-空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，形成光生电流。 2. PIN光电二极管的特性参数 （1）光电转换效率和响应度,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,入射功率为Pin时，光生电流可以表示为 所以，光电转换效率又可写成 也可直接用响应度表示光电转换效率 那么，如何才能得到高量子效率呢？,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,得到高量子效率应可以采取的措施： 减小入射面的反射率； 尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区充分地被吸收。 问题解决了吗？ 为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的宽度，使其可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越宽，光生载流子漂移渡越反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度/响应时间，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,例1：一个PIN光电二极管，它的P接触层厚1um。假设仅仅在耗尽区中（I层）吸收的光子才能有效地转换成光电流。当波长为0.9um时，=5104m-1，忽略反射损耗，求： 该光电二极管可以得到的最大量子效率？ 为使量子效率达到80%，耗尽区厚度最小应为多少？ 解： ,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,（2）响应速度/响应时间 响应速度：半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态，是光电二极管的另一重要参数，用响应时间或响应带宽表示。 定义： 响应时间是光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后延由90%下降到10%，分别用脉冲上升时间r和脉冲下降时间 f表示。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,如果脉冲上升时间r和脉冲下降时间 f相同，则前后沿相同，光电二极管具有单一的时间常数 0，且接近指数函数exp(t/ 0 )或exp( -t/ 0 )，所以有 如果从频域角度看，响应时间即意味这个器件的带宽，响应时间短，则带宽宽。 响应带宽定义： 探测器带宽通常定义为输出信号下降到功率的3dB处的频率。简单的估算法：,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,实际上， r f。影响响应速度的因素有： 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 Cj越小越好。 载流子在耗尽区里的渡越时间d 涉及到时间和效率的问题，d作为上升时间的一部分，是因为吸收光子后形成电流尚需一段时间。此时,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,为减小r ，可以减小耗尽层宽度，然而耗尽层的宽度过小将导致量子效率下降。因此，光电探测器的带宽和响应度/量子效率之间需要折中考虑，决定的带宽 实际情况是，工作速率不是很高，在1Gb/s左右或以下的r和RC的典型值都是100ps。 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,（3）暗电流 理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。 暗电流是PIN光电二极管附加噪声的主要来源，影响光接收机的灵敏度，所以暗电流越小越好，但是由于PIN光电二极管本身没有光放大作用，加上其暗电流甚小，本身产生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,（4）噪声 噪声是光电二极管很重要的参数，直接影响光接收机的灵敏度。噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声（shot noise），以及由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。 噪声的表示方法： 噪声通常用均方噪声电流（在1负载上消耗的噪声功率）来描述。功率 噪声等效功率NEP：是指产生等于探测器或接收机均方根噪声的电流所需的输入功率。定义为SNR=1时，每单位带宽的最小光功率，并由NEP=Pin/(f)1/2表示。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,NEP是产生探测器平均噪声所需的光功率，即直接将噪声与光功率进行比较，衡量了可探测到的最小信号功率。 均方散粒噪声电流： 入射光功率产生的光电二极管电流为 I(t)=Ip+is(t) 其中，is(t)是散粒噪声的电流起伏，与之有关的均方散粒噪声电流为 =2eIpB，B是放大器的带宽 当暗电流Id的存在不可忽略时，均方散粒噪声电流为 =2e(Ip+Id )B,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,其中， 2eIpB称为量子噪声，是由于入射光子所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声，它决定了光接收机灵敏度的极限。 2eIdB是暗电流产生的噪声，暗电流与光电二极管的材料和结构有关，Si光电二极管的Id1nA，而Ge光电二极管的Id约为100nA几百nA。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,均方热噪声电流： =4kTB/R，R是负载电阻与放大器输入电阻的并联（=RLRi ）。 因此，光电二极管的总均方噪声电流为： =2e(Ip+Id )B + 4kTB/R 3. PIN光电二极管的特点 优点：噪声小、工作电压低（仅十几伏）、工作寿命长，使用方便和价格便宜。 缺点：没有倍增效应。即在同样大小入射光的作用下仅产生较小的光电流，所以用它做成的光接收机的灵敏度不高；PIN光电二极管只能用于较短距离的光纤通信（小容量与大容量皆可）。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,四、雪崩光电二极管(APD: avalanche photodiode) 1. 工作原理 APD的工作原理也是基于光电效应，但是PIN光电二极管的1个光子只产生一对电子-空穴对，无增益；APD利用电离碰撞， 1个光子产生多对电子-空穴对，有增益，因此，APD不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,实际上，APD可看成一个二级器件：第一级是一个PIN光电二极管，光在其中产生一次光生载流子；第二级是一个基于雪崩增益的内置放大级，在高电场作用下，载流子近似雪崩（几十200伏的偏置电压）。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,此动画为APD的场分布动画：和PIN光电二极管相比，其存在一个雪崩电离的高电场区。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,此动画为APD的场分布动画：由于高电场区的雪崩电离，外电路形成倍增的光生电流。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,2. APD的特性参数 除了PIN的特性参数必须考虑外，还必须考虑: （1）倍增因子 雪崩增益的整个过程都是随机的，倍增因子G是个平均量。 平均雪崩增益倍增因子：G=IM/Ip 其中，Ip是雪崩之前的初始光生电流，IM是雪崩增益后输出的平均光生电流。 APD的倍增因子G在40100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,倍增因子与反向偏压的关系： 式中，Rs是APD串联电阻或APD的体电阻；n是材料的结构系数，一般为36。 对应地，APD响应度有,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,（2）过剩噪声/附加噪声 PIN光电二极管的噪声主要是量子噪声和暗电流噪声，APD管还有过剩噪声。 雪崩过程的复杂随机性对噪声电流同样也起放大作用（每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动），使得总噪声增加，这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为过剩噪声/附加噪声。 过剩噪声可以用过剩噪声系数F(G)来描述。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,APD过剩噪声系数的定义： 其中，符号“”表示平均值，g是每个载流子产生倍增的随机倍增数，因此=G； 是均方值，表示的是功率，所以噪声功率 =F(G)G2。 G有一个最佳值，此时信噪比最高。在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数x表示过剩噪声系数,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,对于Si光电二极管：x=0.30.5； Ge光电二极管：x=0.81.0； InGaAs的APD：x=0.50.7。,2019/5/3,4-2 半导体光电检测器,例2：已知Si-PIN光电二极管的耗尽区宽度为40um，InGaAs-PIN光电二极管的耗尽区宽度为4um，两者的光生载流子漂移速度为105m/s，结电容为1pF，负载电阻为100。求：这两种光电二极管的带宽各是多少？ 解：,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,光接收机的前端：光检测器 + 前置放大器 前置放大器： 低噪声放大器，是为了改善信噪比而设计，其噪声对整个放大器的输出噪声影响很大，直接关系到光接收机的灵敏度。 光接收机不是对任何微弱光信号都能正确接收的，这是因为信号在检测和放大的过程中总会受到一些干扰，不可避免地引进一些噪声。,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,引进的噪声可以分为两部分： 一部分是来自空间的无线电波以及周围的电器设备的电磁干扰，这部分可以通过屏蔽等方法加以减弱或防止； 另外一部分噪声是随机的，在信号检测和放大过程中引进，对于这部分噪声只能通过电路设计和制造工艺尽可能地减小。 由于噪声的存在，限制了光接收机接收微弱信号的能力，虽然放大器的增益可以做的足够大，但微弱信号被放大的同时，噪声也被放大。前置放大器,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,一、输入端噪声等效模型 1. 输入端等效电路 前置放大器：分解为理想放大器A和等效到输入端的噪声源(等效噪声电流源ia和等效噪声电压源ea)。,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,输入端等效电路的简单说明： Rb：等于RLRb； Cb：偏置电路的杂散电容； Ra：放大器的输入电阻； Ca：放大器的输入电容。 电路中的噪声： 光检测器等效为电流源ip和并联的散粒噪声电流源is(t)； 带有热噪声的电阻等效为一个无噪声的电阻和一个并联的噪声电流源iT(t) ； 放大器有源器件（三极管或场效应管）也会引起噪声。将有源器件的各种噪声都等效到输入端，等效为输入端并联的噪声电流源ia(t)以及输入端串联的噪声电压源ea(t) 。,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,所以，光接收机前端的噪声源有： 散粒噪声is(t) ； 热噪声iT(t) ； 放大器的噪声ia(t)和ea(t)。 二、光接收机的噪声与信噪比 噪声是光电二极管的重要参数，直接影响光接收机的灵敏度。 1. 光接收机的噪声 （1）散粒噪声is(t) 均方散粒噪声电流：,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,所以， 当暗电流Id的存在不可忽略时， （2）热噪声iT(t) 热噪声也是用均方噪声电流（即功率）表示：,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,（3）放大器的热噪声 放大器的热噪声用放大器噪声指数Fn表示： 因此，前端的总噪声为 2. 光接收机的信噪比 电功率与电流的平方成正比。,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,（1）对PIN光电二极管 当光功率很小时，光接收机是热噪声限制光接收机噪声主要是热噪声T，s2 T 2，此时有,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,（2）对APD光电二极管 当光功率很小时，光接收机是热噪声限制光接收机噪声主要是热噪声T，s2 T 2 。(PIN),2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,三、前置放大器的设计问题 前置放大器是典型的小信号放大器。由前端噪声与SNR的分析可知，输入端的电阻越大，SNR越好，但输入电阻的加大势必造成输入端RC时间常数加大，3dB带宽减小。 前置放大器主要的三种类型： 1. 低阻型前置放大器 这种前置放大器从频带角度出发，选择偏置电阻。 3dB带宽=1/(2RC) 通过减小偏置电阻设计前置放大器，从而保证接收机的带宽。,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,优点：带宽大，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，SNR较低。 低阻型前置放大器在高码速光通信中用得多，低码速中一般不采用，而是采用高阻型前置放大器。,低阻抗前端,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,2. 高阻型前置放大器 这种前置放大器的设计思想是尽量加大偏置电阻，尽可能提高信噪比。 通过增加偏置电阻设计前置放大器，从而保证接收机的信噪比。SNR虽很好，但是带宽较小，只适用于低速率通信系统中。 优点：噪声较低； 缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求。,高阻抗前端,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,3. 跨阻型前置放大器 这种前置放大器的设计宗旨是光接收机具有好的信噪比和足够的带宽。它实际上是电压并联负反馈放大器(电流电压转换器)。 3dB带宽=1/(2RiCt)，Ct是输入端的总电容；Ri是跨阻型前置放大器等效到输入端的电阻。,跨阻抗前端,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,式中，A是放大器的增益，也就是说跨阻型的输入电阻很小，f很宽。 跨阻型的Rb(有时也可以忽略，直接用反馈电阻做偏置)和负反馈电阻Rf都取得很大，从而使热噪声大大减小，提高信噪比。 优点： 宽频带(等效输入电阻很小)、低噪声(高SNR)、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。,2019/5/3,4-3 光接收机的前端及噪声,因此，跨阻型前置放大器具有高阻放大器的低噪声，又具有低阻放大器的宽带宽f 。 跨阻型前置放大器的设计问题： 跨阻型前置放大器适合高码速通信系统（从数Gb/s到几十Gb/s的高速系统），其设计问题是反馈环路的稳定性。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,灵敏度是光接收机最重要的性能参数！灵敏度的概念和误码率联系在一起。（判决电路） 信号再生： （判决电路） 判决是通过时钟信号的上升沿在最佳时刻对接收的数字信号进行采样，然后将取样值与判决阈值进行比较，若取样幅度大于判决阈值，则判为“1”，反之判为“0”，从而使信号得到再生。 一、灵敏度的定义 在限定的误码率条件下（在保证达到给定的误码率条件下），光接收机所需要输入的最小平均光功率min，单位是W或dBm（分贝毫瓦）， Pr=10lg (min /1mW) 。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,二、误码率BER (bit error rate) 为什么会产生误码？ 如果有噪声，则可能导致对码元“1”或“0”的误判，要确定误码率BER，那么必须知道噪声的概率分布。 SNR决定BER。 噪声的概率分布很复杂，一般假设噪声电流/噪声电压瞬时值服从高斯分布(近似计算)，其概率密度函数为 式中，x是噪声随机变量的取值，平均值为0；2是均方差。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,为什么会要采用高斯近似计算？ 利用数值计算技术求得误码率的方法非常费时，而且不能对光接收机的设计提供多少帮助。所以，为了简化计算，一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析。 光接收机灵敏度的精确计算： 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。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,P(01),P(10),P/概率密度,图中的I1：“1”码的电流； ID：判决阈值的电流（类似比较器）； I0：“0”码的电流。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,如果忽略暗电流的影响，“0”码时平均噪声功率为02，当I0超过ID时有可能发生码元误判，此时把“0”码判为“1”码的概率为 “1”码时平均噪声功率为12，噪声电流为(I-I1)，当(I-I1) (ID-I1)时 ，把“1”码判为“0”码的概率为,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,“0”码和“1”码的误码率BER一般是不相等的，但对于PCM编码而言，“1”码出现的概率P(1)等于“0”码出现的概率P(0)，总BER=P(01)+ P(01)/2，通常认为P(01)=P(01)时可以使BER达到最小，总的误码率可以表示为（Q值和BER的关系）,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,式中，要使误码率达到最小，则要求P(01)=P(01)，使Q=ID/0=(I1-ID)/1；或者Q=I1/(0+ 1) 。 Q参数，含有信噪比SNR的信息，知道系统的Q参数，就可求出其误码率。,Q参数被广泛用来说明接收机的特性;Q=6，BER=10-9，Q7，BER10-12,通常：2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10-9；10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10-10。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,三、灵敏度 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。Pr，则光接收机能够接收更微弱的光信号。 1. 理想光接收机的灵敏度 理想光接收机：暗电流为0，放大器没有噪声，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。 理想光接收机的灵敏度只受到光检测器量子噪声（本征噪声）的限制。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,2. 实际光接收机的灵敏度（高斯近似计算） 假设EXT=0，“0”码时，入射信号光功率P0=0，输出光电流I0=0；“1”码时，入射信号的光功率P1和光电流Ip的关系为 式中，in=(P1+P0)/2。 放大器输出端“1”码的电流I1=IpA，A是放大器的增益，所以根据Q参数有,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,因此，对于一给定Q值，便可得到限定误码率的最小平均接收光功率： 对于PIN-PD，s2T2， s2可忽略，此时 f，码速越高，灵敏度越低。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,3. 灵敏度下降机理 以上对于灵敏度的分析，只考虑了接收机噪声的情况，并且假定是理想的接收，即“1”码为恒定能量的光脉冲，“0”码的能量为零。 但实际上，光发射机发射的光信号偏离理想情况，可能导致最小接收平均光功率的增加，这种增加称为“功率代价”。 （1）发射“0”码时接收光功率不为零引入的功率代价 假定发射“0”码时，接收光功率P0=0，所以对于理想情况有 消光比：EXT=P0/P1=0,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,实际上，P0取决于偏置电流Ib和阈值电流Ith（假设Ib Ith ，则P0P1）， P0 0，所以引起功率代价。 对于光接收机，功率代价为 实际情况，通常PIN-PD的EXT0.05，功率代价小于0.4dB，可以忽略；但是对于APD，功率代价是PIN-PD的3倍，不能忽略。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,（2）激光器强度噪声引入的功率代价 噪声分析中，假定入射到接收机的光功率代价没有波动，实际上，任何光发射机均有功率波动，光接收机把这种功率的波动转换成电流的起伏，这就是强度噪声，其值为 引起的功率代价： 对于数字光接收机，通常I0.01，I0.02dB，可忽略；但是对于模拟光纤系统，I是一个限制因素。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,（3）光源、光纤系统噪声引起的功率代价 模式噪声（多模光纤系统）、色散引起脉冲展宽、LD的频率啁啾、反射噪声都将引起功率代价。 （4）时钟抖动引起的功率代价 灵敏度的计算是假定在电压脉冲峰值对信号取样，时钟的抖动会使取样偏离最佳时间，增加误码率，引入功率代价。,2019/5/3,4-4 光接收机的灵敏度,（5）输入和输出信号波形的影响 在光纤通信系统中，光接收机接收到的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号波形，这种波形将会存在码间干扰。 为了减少码间干扰的影响，必须对接收的信号波形进行滤波均衡，变成没有码间干扰的信号波形(实际中多采用升余弦波)。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,一、线性通道 提供足够增益的主放，同时保证光接收机的动态范围； 均衡滤波器，减小噪声，降低码间干扰。 1. 主放大器：高增益放大器和AGC 作用：（1） 提供足够的增益A； （2） 保证动态范围的AGC电路。 （1）主放大器的增益A 放大器输出端“1”码的电流I1=IpA,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,（2）动态范围 光接收机能适应输入信号在一定范围内变化的能力称为光接收机的动态范围。 为什么要设计AGC来满足光接收机的动态范围？ 中继距离较短时，光接收机的输入功率会增加； 新建线路，新器件和系统设计时考虑了富余量，这也将使光接收机的输入功率增加； 其他原因导致的光接收机输入功率的增加。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复, 动态范围的定义 在限定误码率的条件下，光接收机所能承受的最大信号平均接收光功率max和所需要最小信号平均接收光功率min的比值，表示为 对于我国，动态范围要求DR18dB，设计时动态范围的考虑：,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,式中，LP光源可能超过设计要求的光功率，一般在 12dB； Mc光纤线路每公里的富余度，它应考虑在线路的设计寿命时间内，因维修增加接头的损耗、因环境条件变化增加的损耗、以及因连接器增加的损耗，一般在0.020.4dB/km取值; lmax光纤线路最大的中继距离； ME设备的富余度，它应考虑在设计寿命时间内接收机灵敏度降低和光源发送光功率的减小等因素的影响，一般在36dB。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复, 动态范围的实现：AGC PIN-PD光接收机，PD无倍增，AGC只控制主放大器的放大倍数，电路实现较简单。 APD光接收机，AGC通过对APD倍增因子（即控制APD的偏压）和主放大器增益的控制来扩大光接收机的动态范围。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,APD光接收机模块电路： 峰值检波输出的直流信号送到AGC放大器进行比较放大产生一个AGC电压，该电压控制APD的反向偏置电压和主放的工作点（目的是控制主放的增益），从而使均衡器输出幅度是稳定的升余弦波。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,高压偏置电路实际上是一个直流变压器，将AGC输出的直流电压变换成100200V的直流高压，供APD做直流偏压，直流变压器的输出电压可调节，从而控制APD增益的目的。,2019/5/3,实际设备中，可采用分级控制的方法。当输入光功率增加时，先控制APD的倍增因子，使放大器的放大倍数保持不变，当倍增因子降低到最小时，使之保持最小值，而后对主放的放大倍数进行控制，最终使之适合正确判决。APD的G的最小值一般不低于3。,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,2019/5/3,在某些特殊的情况下，如果光接收机的输入信号超过它的动态范围时，此时AGC不能解决问题，必须在通信线路中加光衰减器才能使系统正常工作。,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,2. 均衡滤波 低通滤波器，减小噪声、降低码间干扰。 通信系统是频率受限系统（即带宽不是无穷的），它的时域响应将是无限的，也就是说它的输出波形在时域上有很长的拖尾，使前后码元在波形上互相重叠而产生码间干扰，影响接收机的灵敏度。 光纤通信中，输出波形常常被均衡成升余弦频谱（相频特性为线性）。均衡低通滤波器的作用就是将主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之均衡成有利于判决的升余弦频谱函数特性的波形，做到判决时无码间干扰/码间干扰最小。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,(1) 升余弦频谱函数 式中，滤波器带宽f=w/2，取值为0.60.8B，B是比特率。 对频谱函数进行傅里叶变换，得到时域上的信号：,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,均衡器后的输出波形(当t=m/B时，hout(t)=0)： hout(t)的时域图对应着判决电路接收到的电压脉冲Vout(t)形状。在t=0时刻，信号最大，在t=m/B（m为整数）时， hout(t)=0。t=m/B对应相邻码元的判决时刻，此时电压脉冲不会对其他码元造成干扰。因此，虽不能消除码间干扰及相互影响，但可以做到不管输入波形如何变化，只要经过均衡滤波器后，在某些特定点上干扰为零，故可用于正确判决。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,未经均衡滤波器出现的脉冲拖尾现象： 图中，TB=1/B 。,hout(t),2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,单个脉冲均衡前后波形的比较： 所以，如果信号具有升余弦频谱，码间干扰最小，理论上可达到零。故对主放输出的信号进行变换，升余弦频谱。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,对于均衡滤波器，设计时须考虑线性通道的传递函数HT(f)： Hout(f) 和Hin(f)分别是与输出和输入脉冲形状有关的傅立叶变换标准频谱函数。 均衡电路的设计，原则上是一个均衡网络的设计，实际工程中很少完全按理论上设计，通常是选取一个特性近似的网络代替，再通过实验的方法进行调整。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,二、数据恢复（将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号） 带选通的比较器，与判决门限电平进 行比较 选通时刻由同步脉冲提取。 锁相电路 声表面波滤波器,时钟提取：,判决器：,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,数据恢复的结果在实验室里观察最简单、最直观的方法是眼图分析法。（观察码间干扰） 一、获得眼图的方法 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，使与其码元周期同步，示波器上将显示随机信号在反复扫描过程中叠加在一起的综合、像人眼的图形，即眼图。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,1. 眼图的形成,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,眼图测量是判断数字光纤通信系统中有无码间干扰、接收机性能好坏的最直观最简单的方法，误码率是最终结果，眼图可用于分析形成误码的原因； 如果接收的信号没有码间干扰及波形畸变，各段波形完全重合，恰似张开的眼睛，示波器既细又清晰；如果码间有干扰、波形畸变和噪声时，扫描示波线不能完全重合，眼图线迹将变得既不细又不清晰，眼图睁开也将减小。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,2. 显示基本测量参数的眼图的一般结构,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,二、眼图分析法 模型化眼图 过门限失真：信号刚过门限电平时产生的抖动失真； 峰值干扰：采样时刻的失真（噪声）； t2：可进行信号采样的时间。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,眼图分析的结果： 1. 眼睛睁开最大处为最佳判决时刻； 2. 眼睛睁开度（垂直张开度）表征噪声容限：E=V1/V2，表示系统抵抗噪声的能力，也称为SNR边际； 3. 眼睛展开度（水平张开度）减小表征过门限失真量的大小：E/=t1/t2， E/减小表示时钟抖动增加； 4. 眼皮厚度体现噪声大小及码间干扰； 5. 眼图斜率：体现系统对定时误差的敏感性，斜率愈大愈敏感； 6. 非线性传输特性会产生眼图的不对称性。,2019/5/3,4-5 光接收机的线性通道和数据恢复,眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。当输出端SNR很大时，张开度主要受码间干扰的影响，因此，观测眼图的张开度就可以估计码间干扰的大小，这给均衡滤波电路的调整提供了简单而适用的观测手段。,2019/5/3,电子载流子（UTC）光接收机,2信道双PD芯片(4 PD阵列)平衡接收模块,电子载流子（UTC）光电探测器，利用它的芯片制造技术，人们已开发出43 Gb/s DQPSK系统用的2信道平衡接收模块,2019/5/3,阵列波导光栅(AWG)PIC多信道光接收机,单片集成了AWG路由（WGR）波长解复用器和阵列PIN光电探测器 并且在PIN之后又集成了异质结双极晶体管（HBT）作为前置放大器,2019/5/3,平面波导集成电路（PIC） 多信道光接收机,1010 Gb/s的WDM光信号由