光接收机PPT幻灯片课件

前言 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 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求 1 2 光信号 光电变换 前置放大 主放大器 均衡滤波 判决器 时钟恢复 输出 AGC电路 时钟提取与数据再生 CDR 接收机的基本原理 3 前端 前端 由光电二极管和前置放大器组成 作用 将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流 然后进行预放大 电流 电压转换 以便后期作进一步处理 是光接收机的核心 要求 低噪声 高灵敏度 足够的带宽 4 光检测器的选择 要视具体应用场合而定 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度 响应速度快 APD最大的优点是它具有载流子倍增效应 其探测灵敏度特别高 但需要较高的偏置电压和温度补偿电路 从简化接收机电路考虑 一般情况下采用PIN光电二极管作光探测器 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小 5 A 低阻抗前端 从频带要求出发选择偏置电阻优点 电路简单 动态范围较大 缺点 灵敏度低 噪声较高B 高阻抗前端 尽量加大偏置电阻 把噪声减小至尽可能小的值优点 噪声较低缺点 动态范围小 C 跨 互 阻抗前端 TIA 电压并联负反馈放大器 电流 电压转换器 优点 宽频带 低噪声 灵敏度高 动态范围大 被广泛采用 6 线性通道 7 滤波器 滤波器作用 对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进行均衡 使其尽可能地恢复原来的状况 以利于定时判决 8 我们最不能消除码间干扰 但我们能做到不管输入波形如何变化 只要经过均衡滤波器后 采用时间点上干扰为零 就可以消除码间干扰 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 9 NRZ格式的理想比特流 脉宽1 B的矩形脉冲 滤波器传输函数为 10 时钟恢复和判决电路 任务 把线性通道输出的余弦波形恢复成数字信号 判决器 时钟恢复 输出 11 判决再生 若信号电平超过判决门限电平 则判为 1 码 低于判决门限电平 则被判为 0 码 12 光接收机噪声分析 1 散粒噪声散粒噪声是电子数目的随机涨落引起电流的随机起伏 由恒定光信号功率产生的光电二极管的电流可写成 13 散粒噪声方差 代表单位电阻上的噪声功率 可以表示为 f是接收机的有效噪声带宽 其取决于接收机的设计 和光电流一样 暗电流同样会产生散粒噪声 因此 总的噪声为 14 2 热噪声在有限温度下 导电媒质内自由电子处于随机热运动状态 即使没有外加电压也表现为一种电流波动 这种噪声称为热噪声 在光接收机中 前端负载电阻中产生的这种电流波动将叠加到光探测器产生的光电流中 式中 iT t 为热噪声引起的电流波动 其谱密度在0 1THz范围内均与频率无关 近乎是一种白噪声 15 热噪声方差为 等效噪声功率 f是有效噪声带宽 与散粒噪声的带宽相同 热噪声与光生电流无关 而散粒噪声则与光生电流相关 16 一个实际的光接收机除了负载电阻产生热噪声外 其他某些元器件亦可能增加附加噪声 其中前端的前置放大器和主放大器肯定要增加噪声 噪声的大小取决于前端的设计与所用放大器的种类 有许多方法可用于分析前置放大器的噪声 其中一个简单的方法是引入放大器的噪声指数Fn 代表热噪声被前置放大器和主放大器中采用电阻放大的倍数 经前置放大后的热噪声方差 17 包括 量子噪声 暗电流噪声 均属于散粒噪声 热噪声 散粒噪声为白噪声 其功率谱密度为常数 量子噪声的噪声方差 暗电流产生的散粒噪声方差 PIN光检测器噪声 总噪声 热噪声方差 18 APD光检测器的噪声 散粒噪声增强 总噪声 热噪声 19 对于PIN M 1 可以通过增加负载电阻来提高信噪比 这就是大多数光接收机采用高阻抗或互阻抗前端的原因 PIN光信噪比 1 大多数情况下 热噪声决定了接收机的性能 即 2 在散粒噪声占优势的条件下 2 散粒噪声占优势 APD光信噪比 1 热噪声占优势 光接收机的灵敏度 误码率 BER 接收机判决电路错误确定一个比特的概率 接收灵敏度 接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率 22 1 误码率 误码产生过程 在高斯近似下 有 补余误差函数 23 2 Q参数 Q 6 BER 10E 9Q 7 17dB BER 10E 12 BER主要取决于判决阀值ID 为使BER最小 应对ID进行优化 在实际中 当ID满足下式关系时 BER最小 最佳ID的表达式为 BER的近似表达式为 24 3 灵敏度 理想接收机灵敏度 在保证通信质量 限定误码率 如10 9 的条件下 光接收机所需的最小平均接收光功率min 并以dBm为单位 物理意义 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 25 光接收机的极限灵敏度 在极少光子数入射的情况下 不能再利用高斯统计分布近似 而必须用泊松分布假定一个光脉冲携带的光子数为Np 该光脉冲产生m对电子 空穴对的几率为 当NP 0时没有电子 空穴对产生 所以P 1 0 0 26 实际接收机灵敏度 实际接收机灵敏度 在不考虑码间干扰 均衡器频率特性影响的情况下 限定误码率的最小平均接收光功率由下式给出 其中nA是输入端的噪声功率 将上式结果代入定义式中即可算出实际接收机的灵敏度 27 PIN接收机 M 1 且热噪声占优势 热噪声极限下 APD接收机 热噪声极限下 存在最佳M值 使灵敏度最高 通常 APD灵敏度比PIN高5 8dB 28 动态范围 光接收机的动态范围 在保证系统的误码率指标要求下 接收机的最低输入光功率 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 29 物理意义 动态范围表示光接收机接收强光的能力 数字光接收机的动态范围一般应大于15dB 由于使用条件不同 输入光接收机的光信号大小要发生变化 为实现宽动态范围 采用AGC是十分有必要的 DR的物理含义 30 对于我国 动态范围要求DR 18dB 设计时动态范围的考虑 LP 光源可能超过设计要求的光功率 一般在1 2dB 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 02 0 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3 6dB 31 动态范围的实现 AGCPIN光接收机 AGC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 32 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 33 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100 200V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 34 实际设备中 可采用