光接收机灵敏度问题的研究和提高方案.pptx

光接收机灵敏度问题的研究和提高方案 小组成员 朱康泰李杰 一 有关接收机灵敏度的一些简介 灵敏度的概念灵敏度是光接收机最重要的性能指标 它的概念是和误码率联系在一起的 在数字光纤通信系统中 接收端的光信号经检测 放大 均衡后 进行判决 再生 由于噪声的存在 接收信号就有被误判的可能性 接收码元被错误判决的概率 称为误码率 灵敏度是指保证达到给定的误码率的条件下 光接收机需要输入的最低光功率 灵敏度可以用每一光脉冲所需要的最低平均能量来表示 但更经常的是用最低平均光功率 W或dBm 来表示 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 P min 并以dBm为单位 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 二 理想光接收机灵敏度和实际中的一些特征区别 1 理想光接收机的灵敏度 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 2 实际光接收机的灵敏度 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 对于PIN光电二极管 NDNA g 1 灵敏度可以简化为式中nA NA A2是折合到输入端的放大器噪声功率 这样计算光接收机的灵敏度是一种粗略的方法 其中没有考虑下列因素 波形引起的码间干扰的影响 均衡器频率特性的影响 光检测器暗电流和信号含直流光的影响 下图示出典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系曲线 三 影响光接收机灵敏度的主要因素 影响接收机灵敏度的主要因素是噪声 表现为信噪比 信噪比越大 表明接收电路的噪声越小 对灵敏度影响越小 光接收机灵敏度是系统性能的综合反映 除了上述接收机本身的特性以外 接收信号的波形也对灵敏度产生影响 而接收信号的波形主要由光发送机的消光比和光纤的色散来决定 光接收机灵敏度还与传输信号的码速有关 码速越高 接收灵敏度就越差 这就影响了高速传输系统的中继距离 速率越高 接收机灵敏度越差 中继距离就越短 光接收机前置放大器输出的信号一般较弱 不能满足幅度判决的要求 因此还必须加以放大 在实际光纤通信系统中 光接收机的输入信号将随具体的使用条件而变化 造成这种变化的原因 可能是由于温度变化引起了光纤损耗的变化 也可能是由于一个标准化设计的光接收机 使用在不同的系统中 光源的强弱不同 光纤的传输距离也不同 这样 传给光接收机的光功率就不可能一样 为了使光接收机正常工作 接收信号不能太弱 否则会造成过大的误码 但接收信号也不能太强 否则会使接收机放大器过载 而造成失真 因此光接收机正常工作时 接收光信号的强度应该有一个范围 把光接收机在保证一定的误比特率条件下 所能接收的最大光功率与最小光功率之差 称作光接收机的动态范围 一般希望光接收机的动态范围越大越好 实际中一般为16 20dB 放大器噪声对灵敏度的影响 不论采用APD或是光电二极管作为检测器 放大器热噪声都是影响接收机灵敏度的重要因素 当采用光电二极管作为检测器时 散粒噪声一般可以忽略 放大器噪声是影响接收机灵敏度的主要因素 而当采用APD作为检测器时 APD的过剩噪声也是影响接收机灵敏度的重要因素 放大器噪声对灵敏度的影响相对减小 影响光接收机灵敏度的主要因素之一是噪声 而噪声包括倍增噪声 暗电流噪声与热噪声 因此精心设计光接收机放大器 主要是前置放大器 的噪声性能是提高灵敏度的重要手段 放大器的热噪声因子Z越大 则光接收机灵敏度越低 近似和Z的六分之一次幂成比例 APD的噪声系数F G Gx 因此x值越大 APD产生的倍增噪声越大 灵敏度自然下降 因此要尽量选择倍增噪声指数因子x值低的APD 如硅APD和砷化稼类APD x值降低0 1 灵敏度改善ldB 灵敏度的测量光接收机灵敏度的测量示意图如图所示 图中的伪随机码发生器按不同的码率输出不同序列的伪随机码 如14OMb S时为 2 23 1 去驱动光发送机 光发送机发出的光脉冲信号经光纤与可变光衰减器传输后到达接收端 调节APD的增益 改变其反向偏压 与判决门限 使误码率达到规定要求为BER 1 10 10 通过误码仪的读数 然后增大光衰减器的衰减值 则误码率增大 再次调整APD的增益与判决门限使误码率达到规定值 如此反复调节 一直到可变光衰减器的衰减值不能再增加为止 等待一段时间 如一分钟 最后用光功率计测量出光接收机输入端的光功率值 即为灵敏度 比特速率对接收机灵敏度的影响 随着比特速率的提高 放大器和均衡滤波器的带宽增加 噪声等效带宽也增加 放大器和光电检测器的噪声影响加剧 灵敏度会下降 输入波形对灵敏度的影响 在一定的比特速率下 接收机 包括放大器和均衡滤波器 所需要的带宽是由输入波形所决定的 输入脉冲波形越窄 它的频谱越宽 接收机的频带就可以窄一些 这样有利于限制高频噪声 提高接收灵敏度 消光比对灵敏度的影响 消光比是发射机的性能指标 是由于光源的不完善调制所引起 消光比不为灵的情况经常是由于 0 码时 光源并没有完全熄灭 所以调制脉冲相当于加在残余光上 消光比的恶化引起灵敏度的恶化 激光器和光纤系统的噪声对灵敏度的影响 激光器本身和光纤系统 包括激光器和光纤 也会产生噪声 有时也会影响灵敏度 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 光检测器件的量子效率 对灵敏度的影响 光接收机灵敏度和光检测器的量子效率几成正比关系 即几值越大越好 量子效率几值增加一倍 灵敏度可提高3dB 可见选择优质的光检测器对提高灵敏度起着极其重要的作用 输入光脉冲形状hp t 对灵敏度的影响 理论与实践证明 光接收机输入端的光脉冲hp t 的相对脉宽C越小越好 C值越小 光接收机灵敏度会相应的提高 这就是光纤通信的早期 经常使用归零码 RZ 作为传输码型的原因所在 比使用非归零码时 灵敏度可提高ldB左右 四 光接收机灵敏度的测试方法 由于噪声的存在 放大器的输出信号成为一个随机变量 例如 当接受一个 1 码时 若不存在噪声 放大器的输出应该为一确定的电压v1 在v1上总是叠加着噪声 实际的输出电压 V为一随机变量 n t 是随机噪声 v1成为这个随机过程的均值 在取样进行判决时 这个随机变量可能取各种不同的值 取各个值的概率则由它的概率密度所决定 对 0 码也有相似的情况 若判决电平为D 则 0 码误判为 1 码的概率为 同样的情况 1 码误判为 0 码的概率为 式中f0 x 和f1 x 分别表示 0 码和 1 码的概率密度函数 总误码率BER为 P 0 和P 1 分别表示码流中 0 码和 1 码出现的概率 利用上述的方法 依据v1 v0与入射光功率的关系 可以从所需要达到的误码率求灵敏度 也可以从输入光功率的大小求得误码率 灵敏度反映了接收机接收微弱信号的能力 是衡量接收机性能的重要综合指标之一 灵敏度一般表示在接收机调整到最佳状态时所能接收到的最小信号幅度 对于光接收机来说 灵敏度通常用Pr表示 单位为dBm 它表示在保征通信质量 限定误码率或是信噪比 的条件下 光接收机所需要的最小平均接收光功率mim 用数学表达式可表示为 4 10 由于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 因此提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号 测试时应注意以下几点 1 在测量光接收机灵敏度时 首先要确定系统所要求的误码率指标 对不同长度和不同应用的数字光纤通信系统 其误码率指标是不一样的 例如 在短距离数字光纤通信系统中 要求误码率一般为10的负9次方 而在420km数字段中 要求每个中继器的误码率为10的负11次方 对同一个光接收机来说 当要求的误码率指标不同时 其接收机的灵敏度也就不同 当误码率的要求给定之后 接收机的灵敏度越低 则要求接收的光功率就越大 因此必须明确灵敏度对某一接收机来说并不是一个固定不变的值 它与误码率的要求有关 测试时 首先要确定系统设计要求的误码率 然后测得该误码率条件下的光接收机灵敏度的数值 2 要注意定义中的最小平均光功率 丽不是任何一个能保证系统要求的误码率的光功率 因此 要特别注意最小的概念 所谓 最小 就是当接收机接收的光功率只要小于此值 误码率立即增加而达不到要求 对某一接收机而言 光功率只要在它的动态范围内变化 都能保证系统要求的误码率 但灵敏度只有一个 即接收机所能接收的最小光功率 3 灵敏度指的是平均光功率 而不是光脉冲的峰值功率 这样 光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关 码型不同 占空比不同 平均光功率也不同 即灵敏度就不同 因此 测试时必须选用正确的码型 灵敏度测试步骤 将对端 B 光端机的电接口发和收环接 误码仪选择合适的随机图案送入A光端机作测试信号 并观察误码变化 调节町变光衰减器的衰减 逐步增大衰减值使接收到的光功率逐渐减小 直至误码仪显示的误码率为规定的指标值为止 断开光纤与光接收机的活动连接器 将光纤和光功率计连接后读出光功率计的读数Pmin 根据灵敏度定义计算接收灵敏度Pr 在实际测量中还应考虑活动连接器损耗的影响 这是因为灵敏度按规定应在连接器前的S点测量 因此计算出的结果应扣除连接器的损耗后才是被测光端机的实际灵敏度 五 提高数字光接收机灵敏度的两种新方法的研究 一个性能优良的光接收机应该以尽量小的最小接收功率保证给定的信噪比 也就是尽可能高的接收灵敏度 所有的误差源都有可能限制灵敏度的提高 其中最主要的因素是噪声 有时也要考虑码间串扰的影响 码间串扰指的是 光纤色散和光接收机的有限带宽都会引起脉冲展宽 造成码间串扰 用幅值补偿法消除码间干扰用数值平均法减小随机噪声的方法 采用该方法能使数字光接收机的灵敏度得以提高 从而使数字光纤传输系统的误码率降低 给出了提高数字光接收机性能的新途径 光纤通信的传输容量和传输距离是光纤通信领域中研究的两个主要方向 如何提高数字光接收机的灵敏度是目前研究的热点之一 而影响灵敏度的主要因素是引入的噪声 噪声包括由接收机内部产生的噪声 光发射机的噪声以及光信号在光纤内传输过程中引入的噪声等 误码率是数字光纤传输系统性能的表征 而产生误码的原因是由于数字光接收机接收的信号受到码间干扰和噪声的影响 产生了很大的畸变 因此 消除码间干扰和减小随机噪声的影响 可以提高数字光接收机系统的性能指标 目前虽然有消除码间干扰及减小噪声影响的各种最佳准则和设计方法 但在实际使用中的效果并不理想 对于码间干扰 现在的办法是利用频域均衡和时域均衡来消除 频域均衡就是设计一个可调滤波器的频率特性去补偿信道幅度频率特性或相位频率特性 群时延迟特性 使整个系统总的传递函数满足无失真传输条件 由于信号的高频成分在传输过程中损失最大 实际上频域均衡就是提升输入信号的高频成分 但是在增大信号的高频部分的同时也使噪声的高频部分也增大了 因此通过均衡后使整体信噪比下降 时域均衡就是使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间干扰的条件 它是利用均衡器产生的响应波形去补偿己畸变的波形 使最终波形在抽样时刻最有效地消除码间干扰 因此它在消除码间干扰的同时不引入噪声 但均衡器对输入信号和随机噪声在抽样上的干扰一块作了抵消 因为随机可加性噪声是相互独立且按不同的规律随机变化的 所以一般时域均衡采用自适应滤波器 其结构复杂 同时尽管可以自动调整抽头系数 但要跟上随机噪声的变化很困难 所以有些光接收机根本不用均衡器或只使用简单的均衡电路 提出了采用幅值补偿和数值平均两种方法 可在很大程度上消除信号的码间干扰和减小各种随机噪声 提高数字光接收机的抗噪声性能 具体的实现方法 一 幅值补偿的实现方法 幅值补偿可用如图 所示的系统来实现 图中C1 C2 C3 Cn是已经过判决后的数字信号 补偿系数K1 K2 Kn是前面的输入码元信号在抽样时刻的幅值 S Ts S 2Ts S nTs 是未经过判决的输入信号在相应抽样时刻的抽样值 在此先经过幅值比较后 判定该码元的值是1 还是0 然后乘上幅值补偿系数 该幅值补偿系数K 1 K 2 K n是后面的输入码元信号在抽样时刻的幅值 其中3的取值范围为1 无穷 幅值补偿方法示意图 二 数值平均的实现方法 这样共有2N 1路信号进行累加 用于消除随机加性噪声 然后进行判决 可以看出每一路的抽样