数字光接收机的研究与设计.doc

数字光接收机的研究与设计 第1章 绪论光纤通信是通信领域的重大技术革命，光纤通信以其独特的优越性，已成为现代通信发展的主流方向。没有光纤通信，就没有今天国际互联网的巨大规模，现代信息社会的发展也就不可能这样快速。而对光纤通信系统中的重要组成部分数字光接收机的研究与设计也显得非常有意义。1.1 光纤通信的概念各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称为光纤通信。 光纤通信不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用透明的光纤传输光波。虽然光和电都是电磁波，但频率范围相差很大。一般通信电缆最高使用频率约9-24兆赫(106Hz)，光纤工作频率在1014-1015Hz之间。1.2 光纤通信的发展1.2.1 光纤通信发展的历史和现状1966年，英籍华裔学者高锟博士(K.C.Kao)在PIEE杂志上发表了一篇十分著名的文章用于光频的光纤表面波导，该文从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结(即阶跃光纤)。更重要的是他科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在1000dB/km以上。制造衰耗在20dB/km以下的光纤，被认为是可望不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆预言的正确性，所以这篇文章被誉为光纤通信的里程碑。1970年，美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学汽相沉淀法(MCVD法)制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。从光纤的衰耗看，1970年是20dB/km，1972是4dB/km，1974年是1.1dB/km，1976年是0.5dB/km，1979年是0.2dB/km，1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。从光器件看，1970年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器(DFB)以及多量子阱激光器(MQW)。光接收机器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90%的-族雪崩光二极管APD。1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统，码率为45Mbit/s，中继距离为10km。1980年，多模光纤通信系统商用化(140Mbit/s)，并着手单模光纤通信系统的现场实验工作。1990年，单模光纤通信系统进入商用化阶段(565Mbit/s)，并开始进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定出数字同步体系(SDH)的技术标准。1993年，SDH产品开始商用化(622Mbit/s以下)。1995年，2.5Gbit/s的SDH产品进入商用化阶段。1996年，10Gbit/s的SDH产品进入商用化阶段。1997年，采用波分复用技术(WDM)的20Gbit/s和40Gbit/s的SDH产品试验取得重大突破。此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m，传输速率从几十兆比特每秒发展到几十吉比特每秒。另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线，进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。1.2.2 光纤通信的发展方向光纤通信的潜力是巨大的，目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的1%2%左右。光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在现代通信网中起着重要的作用。光纤通信具有以下几个发展趋势：1.波分复用技术(WDM)2.相干光通信3.超长波长光纤通信4.光集成技术5.光孤子通信6.实现超大容量通信的近期趋势(1)时分复用(TDM) (2)波分复用(WDM) (3)光时分复用(OTDM)(4)光放大技术 (5)色散补偿技术1.3 光纤通信的特点光纤通信之所以发展迅猛，主要源于它具有以下特点：(1)通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55m附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。(2)信号串扰小、保密性能好。(3)抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。(4)光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输。(5)材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。(6)无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。(7)光缆适应性强，寿命长。(8)质地脆，机械强度差。(9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。(10)分路、耦合不灵活。(11)光纤光缆的弯曲半径不能过小(20cm)。(12)有供电困难问题。利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光光纤通信。1.4 光接收电路的主要性能指标1.4.1 灵敏度 定义灵敏度为 (1.1)其中是给定误码率条件下，光接收机所需要的最小平均光功率，单位W(瓦)。单位是dBm(毫瓦分贝)。dBm与W的关系是：。灵敏度反映出光接收机接收弱光信号的能力大小，其实质是反映了光接收机的噪声性能。光接收机能够接收的光信号越微弱，则表明该接收机的内在噪声越少，输出信噪比性能就越好。光接收机的灵敏度指标主要由光检测器件和前置放大器的性能所决定。1.4.2 动态范围D定义动态范围D为 (1.2)其中，和分别是光接收机在所期望的误码率条件下的最大和最小平均接收光功率。显然，就是灵敏度对应的。动态范围表示光接收机在指定的误码率条件下所能接收的光功率变化范围的大小，它反映光接收机适应强光信号的能力。如上所述，光接收机的输入光功率过小，导致输出信噪比减小，会使系统的误码率增大。反之，光接收机的输入光功率过大，也会使系统的误码率增大。其原因是：输入光功率过大会使光接收机过载，导致其输出信号失真，当过载严重时便会增大系统的误码率。1.5 论文所做的工作和意义1.5.1 论文工作1、了解并熟悉光纤通信系统尤其是数字光接收机的组成及功能。 首先研究光纤通信系统的组成部分、工作原理及画出工作原理图；再对数字光接收机的组成部分进行阐述，并描述各部分的功能，还要对光检测器进行方案选择。2、对数字光接收机各组成部分进行电路设计及设计总电路图。完成数字光接收机组成部分电路设计，包括光检测，前置放大，主放，均衡，基线恢复，时钟恢复，定时判决，并画出数字光接收机的总电路原理图，熟悉各部分工作原理。3、对数字光接收机的噪声及灵敏度进行分析。随着光纤通信技术的不断发展，对光接收机的特性要求越来越高，而噪声和灵敏度是决定数字光接收机性能好坏的重要因素，具有较大的实际研究意义。1.5.2 论文的意义本论文对光纤通信系统的重要组成部分数字光接收机进行深入地研究与设计，对各组成部分进行了电路设计，并理论紧密结合实际，进行了噪声和灵敏度的分析。因此，该论文论题明确、论据充分、阐述清楚、详实，具有较强的理论意义和实际应用价值。45第2章 光纤通信系统2.1 光纤通信系统的基本组成所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。 光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。典型的数字光纤通信系统如图2.1所示。光缆光缆光发送机电端机(数字）光接收机电端机(数字）模拟信号模拟信号中继器图2.1数字光纤通信系统从图中可看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。2.2 光纤通信系统的工作原理在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤(Optical Fiber)是光信号传输的信道，由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层高，损耗比包层更低，光能量主要集中在纤芯内传输。光纤种类很多，主要分为突变型多模光纤、渐变型多模光纤、单模光纤。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为和，光能量在光纤中传输的必要条件是。对于脉冲信号，不仅幅度减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤存在色散。色散是在光纤传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散、波导色散。色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域表示方法不同。2.3 光纤通信系统中数字光接收机的功能数字光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息，就这样完成了一次通信的全过程。光接收机是光纤通信系统中的重要组成部分。光发送机发出载有信号的光载波，经过传输后由光接收机接收。光信号在光纤中经过长距离传输会受到损耗、色散和非线形的影响，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形也被展宽和变形。即使只考虑传输过程中0.2dB/km的损耗，经过50km的传输，光功率也要降低到原来的十分之一。因此，光接收机的首要任务是要能检测到微弱光信号，将光信号成比例地转换成电信号，同时还要能对接收到的电信号进行整形、放大以及再生。第3章 数字光接收机的组成及各部分功能数字光接收机由光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、基线恢复、时钟恢复、定时判决电路组成，组成方框图如图3.1所示：再生电脉冲信号前置放大主放均衡基线恢复幅度判决定时判决告警自动增益控制峰值检波非线性处理限幅移相时钟提取衡光检测图3.1光接收电路的基本组成3.1 光检测器件(PIN和APD)光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件。光电检测器的作用是利用光-电检波管，将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号。由于信号微弱又带有噪声，如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身就会将前一级放大器所引入的噪声也进行放大，信噪比并没有得到改善。目前广泛使用的光-电检波管是半导体光-电二极管，它们是PIN管和雪崩光电二极管，后者又称APD管。光纤通信系统要求光检测器：(1)灵敏度高：灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。(2)响应速度快：指射入光信号后，马上就有电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出，不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。(3)噪声小：为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号。(4)稳定可靠：要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。3.2 前置放大器前置放大部分是低噪声、宽频带放大器，它的噪声对整个电信号的放大影响甚大，直接影响到接收机灵敏度的高低。前置放大器的基本功能是，将光检测器件输出的微弱电流信号(通常为10-510-7A)进行放大，以适合后续电路的需要，将光电流转换为电压，提供放大，提供一个合适的传输函数。多级放大器的前级必须满足低噪声、高增益的要求，才能得到较大的信噪比。由于接收机灵敏度主要与检测器的转换效率和接收机噪声有关，光接收机的噪声又主要取决于与检测器紧紧相连的前置放大器，后面放大器产生的噪声可忽略不计，为此必须选择一个高性能的前置放大器。前置放大器的重要指标是低噪声和高灵敏度，以及合适的带宽、大的动态范围和良好的温度稳定性等，信号本来就微弱，又引入了噪声，而且还被同样放大。因此，对多级放大器的前级就有特别的要求，它应是低噪声、高增益的，这样才能得到较大的信噪比。3.3 主放大器主放大器是一个增益可调的放大器，它把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。同时其增益应受AGC信号控制，使入射功率在一定范围变化时，输出信号幅度保持恒定。主放大器的基本功能是，将前置放大器输出电压信号(通常为mV数量级)放大到适合于后级判决所需要的幅度范围(几伏数量级)。主放大器的电压增益变化范围要大，以适应前端入射光功率动态范围大的特点，为此有自动增益控制(AGC)，当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响，一般主放大器的峰-峰值输出是几伏数量级。光接收机的自动增益控制(AGC)电流，就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管(APD)的接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。当信号强时，则通过反馈环路使上述增益降低；当信号变弱，则通过反馈环路使上述增益提高，从而使送到判决器的信号稳定，以利于判决。显然，自动增益控制的作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。3.4 均衡器均衡器的基本功能是，对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰进行幅度判决，使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形，以消除码间干扰。例如，成为升余弦频谱脉冲。说得具体一点就是，经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡以后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。3.6 基线恢复 基线恢复电路的基本功能是，将升余弦信号的基线固定在某一电平上不变。3.7 时钟恢复总体上说，时钟恢复电路的作用就是产生这样一个时钟信号，它与输入数据信号相关联的时钟信号同步。3.7.1 幅度判决幅度判决的基本功能是，将均衡器输出并经过基线恢复处理的升余弦波信号整形成为非归零(NRZ)的矩形脉冲信号，以利于时钟提取。3.7.2 非线性处理非线性处理的基本功能是，将幅度判决输出的非归零矩形脉冲序列信号变为归零矩形脉冲序列信号，以利于提取时钟信号。3.7.3 时钟提取时钟提取的基本功能是，从非线性处理的RZ信号中获得按时钟频率振荡的余弦信号。其中。3.7.4 限幅移相限幅移相基本功能是，将时钟提取电路输出的一列幅度变化很大的余弦振荡信号进行限幅，得到矩形脉冲信号，再经过移相和电平变换，变成后续电路所需要的时钟信号。3.8 定时判决定时判决功能是，利用限幅移相电路输出时钟脉冲的控制作用，将幅度判决电路输出NRZ脉冲信号(其前后沿有较大抖动)变成与发送端一致的NRZ脉冲信号(抖动很小)。第4章 数字光接收机各单元电路设计4.1 光检测器件(PIN和APD)光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有一个接收光信号的元件。但是由于目前我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度，所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，最后再还原成原来的信号。这一接收转换元件称作光检测器，或者光电检测器，简称检测器，又叫光电检波器或者光电二极管。常见的光检测器包括： PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。4.1.1 本征PN型光电二极管(简称PIN)其结构示如图4.1(a)，是在薄的p区和n区之间夹入一层较厚的本征半导体材料，以增加p-n结耗尽区的宽度，称为区。由于外加反向电压与耗尽区(基本上是区)自建电场方向相同，致使耗尽区势垒升高，耗尽区电位梯度增大，即电场增强。当入射光照射PIN后，入射光子在区内因受激吸收而产生电子-空穴对(称为光生载流子)。在区电场作用下，光生电子向n区加速漂移，光生空穴向p区加速漂移，形成光生电流，从而将光信号转换成电信号。PIN特点：光电转换效率较高(无光生电流放大作用)，响应速度快。pInp+Ipn+a)PIN光电二极管 b)APD光电二极管图4.1 光电二极管结构示意图4.1.2 雪崩型光电二极管(简称APD)其结构如图4.1(b)所示，是在薄的重掺杂的p+区和n+区之间夹入区(较厚)和p区，区是耗尽区(作为光子的主要吸收区)，p区是高电场区(高于区电场，作为碰撞电离区)。当入射光照射APD后，入射光子在I区内激发产生电子-空穴对(称为一次电子-空穴对)，其中的一次电子在I区电场作用下加速向p区运动，到达p区后在p区更强电场作用下获得更大速度，并与p区晶格碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带，产生新的电子-空穴对。然后，一次电子、新生电子及新生空穴在p区内被加速，又去碰撞别的原子产生另外新的电子-空穴对。如此连锁反映下去，使新的光生载流子数目迅速增多，光生电流迅速增大，产生雪崩倍增效应，外加反向电压越高，则雪崩倍增效应越强。相对于一次电子-空穴对而言，所有新的电子-空穴对被称为二次电子-空穴对。APD特点：光电转换效率高(有光生电流放大作用，即雪崩倍增作用)，响应速度快。光电二极管的电路符号如下： 图4.2光电二极管的电路符号光电二极管又称为光敏二极管。如上所述，其工作方式为负偏置方式，其中PIN的负偏压为几到几十伏，APD的负偏压为几十到一百多伏。4.1.3 APD雪崩光电二极管与PIN光电二极管的比较下面首先来看一下APD雪崩光电二极管与PIN光电二极管一些意义相似的参数和特性。（1） 响应度和量子效率 单位入射光功率所产生的一次光生电流，称为响应度R。由于雪崩效应APD的输出光电流倍增了G倍，因此其响应度R也就比相应的PIN光电二极管提高了G倍。一个入射光子所产生的一次光生电子数，称为量子效率。量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及光电倍增系数，因此APD的量子效率也同样小于1。（2） 响应速度APD的外部检测电路和PIN的外部检测电路基本上相同。（3） 非线性失真饱和由于APD的倍增效果，它适用于检测微弱光信号(nW级，甚至uW级)，但是APD的线性工作范围窄，当光功率增加到mW级时，输出光电流与输入光功率之间产生线性失真。其产生失真的原因同PIN一样，也是由于器件的偏压下降，内建电场下降，不能维持饱和漂移速度，也就是说产生了非线性失真或饱和。但是由于APD在偏压下降时雪崩区变窄，倍增系数也随之降低，因此其线性失真情况更糟糕。倍增饱和现象将使数字通信系统中的检波脉冲幅度发生压缩，而在调幅模拟系统中使信号发生畸形，应设法避免。（4） 反向击穿电压和暗电流APD的反向击穿电压只有几十伏到几百伏。PIN的击穿电压虽然只有上百伏，但是其工作电压为030V，所以一般不会出现反向击穿现象，但是APD需要工作在大的反向偏压下，一般几十伏到几百伏，接近于反向击穿电压。APD的暗电流要随着倍增系数G的增大而增大。接下来看一些APD所特有的，不同于PIN的特性和参数。倍增因子g是雪崩光电二极管的内部电流增益系数，它定义为雪崩放大后的光电流和初级光生电流的比 (4.1)由于每个电子-空穴对碰撞电离所产生的次级电子-空穴对的数目是随机的，即雪崩倍增是随机的，所以倍增因子g也是随机的，在应用中通常用倍增因子g的平均值g来表示 (4.2)雪崩光电二极管的平均增益G与载流子的电离系数、雪崩区的宽度有直接的关系，而这些都与外加偏置电压相关。平均增益G与外加偏压、工作波长和温度有关。平均增益G随偏压增大而增大，而随温度的上升而下降。当偏压上升时，耗尽层内的电场普遍增强，靠近原雪崩区的那部分吸收区的电场将超过雪崩效应所需的最低电场而称为雪崩区，因此，总的雪崩区变宽，雪崩倍增作用增强，平均倍增G增大。利用雪崩光电二极管的这个特性可以通过调节偏压来改变平均倍增G从而适应不同强度的入射信号，使输出电平保持恒定，并且可以用来补偿由于温度变化引起的倍增变化。APD器件的平均增益G和带宽的乘积为一常数，这是APD能够在一个期间内完成光电转换和信号放大两个过程的结果。因为在APD工作时，碰撞电离现象反复循环，这就意味着多级载流子产生并且渡越的时间增加。倍增越大，碰撞电离循环次数越多，渡越时间越长，也就是器件的带宽越窄。总的来讲，虽然APD检测器也有不足之处：要求采用高偏置电压(100V400V)，且与波长有关；增益G随温度变化而变化，因此器件的稳定度要靠温度补偿电路来保证；雪崩倍增机理带来随机性附加噪声。但APD检测器比PIN检测器具有更高的检测灵敏度，因此，在此设计中应选用APD检测器，而不选用PIN检测器。4.2 前置放大器前置放大器的任务是对光电检测器进行良好的匹配，光电检测器将光信号转化为一个微弱的电流，而前置放大器是将该电流转化为输出电压并放大到合适的电平，例如从几毫伏到几十毫伏。由于前置放大器总是工作在低信号电平上，因而是一个典型的小信号放大器，可以应用线性电路的分析和设计方法。另外，由于输入信号非常微弱，前置放大器应为低噪声放大器。必须对噪声性能倍加注意。(a) 低阻抗前置(b) 高阻抗前置(c) 互阻抗前置图 4.3 光接收机的前置级放大电路接收机的前置放大电路可以分为三类：低阻抗前置放大电路、高阻抗前置放大电路和互阻抗前置放大电路。如图4.3所示。三种类型前置放大器的比较： (1) 低阻抗前置放大电路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) 高阻抗前置放大电路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) 互阻前置放大电路最大优点是改善带宽特性和动态范围，并有良好噪声特性。 4.2.1 低阻抗前置放大器 这是一种最简单的放大电路，光检测信号电流直接流过电阻R，而R直接并接到总电容为C的前置放大器上。图4.4 PIN-BJT低阻抗前置放大电路通常负载电阻很低，所以能获得很宽的带宽而不需要或只需要很少的均衡。低阻抗放大电路的缺点是噪声性能差，并主要由较低的负载电阻决定，通常要比最佳BJT放大电路和FET电路的噪声大23个数量级。因此，低阻抗前置放大电路在光接收机中应用不多，但是如果码速达到Gb/S量级以上时，这或许是得到足够带宽的唯一方法。4.2.2 高阻抗前置放大器无论FET前置放大电路还是BJT前置放大电路，为了要获得最低的电路噪声，就要把电阻R的阻值增大，这种放大电路就称为高阻抗前置放大电路。当R趋近无穷时，电路可以获得较小的电路噪声。在要求很高灵敏度的接收机系统中，高阻抗前置放大电路可以提供很好的灵敏度性能。但是当R增大时，输入导纳就由电容C决定，信号电流将被这个电容积分，所以这种放大电路又称为积分前置放大电路。 放大器的转折频率为 (4.3)由于高阻抗前置放大器的很大，因此它的转折频率很低，放大器的带宽很窄，为了获得较宽的带宽，通常要采用很强的均衡以补偿高频分量的滚降，才能使放大器的频率响应曲线在要求的较宽的频带内保持平直。高阻抗放大器虽然可获得较大的信噪比，但是它有两个缺点：一是对于不同的电路需要单独的均衡特性，而且难以预先调定。二是这是由于均衡放大器的增益正比于1+j ，对于不同的元器件、不同的电路，和是不同的，甚至还随温度的变化而变化，降低了系统的动态范围。动态范围可用可检测的输入信号的最大值和最小值的比值(dB)表示。在均衡过程中，要使高频分量比低频分量提升100倍，这实际上是靠对低频分量进行衰减实现的。这就是说，在进入均衡放大器之前的低频分量已经至少被放大了1000倍(60dB)。对于高频分量来说，在输入均衡器时已被衰减了，这样的高增益对于高频分量来说是没有什么问题的。但对于低频分量，输入均衡器前的低频分量非常大，在强信号的情况下，很容易使均衡器前面的放大器产生饱和，从而限制了整个系统的动态范围。4.2.3 互阻抗前置放大电路 为了克服高阻抗放大电路的缺点，保证接收机既具有低的噪声，又具有宽的带宽，在光纤通信系统中广泛采用了互阻抗前置放大电路。互阻抗前置放大电路是在高阻抗前置放大电路的基础上加上负反馈电阻构成的，如图所示： 图4.5 互阻抗前置放大器原理框图 由于在高阻抗前置放大电路中，负载电阻R、输入电阻R和偏置电阻R都很大，用它构成互阻抗前置放大电路输入电阻可近似为，反馈电阻R等效到放大电路输入端数值 (4.4) 4.2.3.1 典型电路由前面分析可知，在此次设计中应选用FET互阻抗前置放大器。图4.6 FET互阻抗前置放大器 图4.6为FET互阻抗前置放大器电路图。其中BG1是场效应管(FET)，接成共源方式。BG2是超高频三极管，接成共基方式。BG3和BG4是超高频三极管，接成共集方式(即射极跟随器)。BG1、BG2和BG3组成反相放大器，负反馈电阻Rf跨接在该反相放大器的输入和输出端之间，构成电压并联负反馈前置放大器，或称为互阻抗前置放大器。所谓互阻抗是指放大器输出电压与输入电流之比，可以证明：该负反馈前置放大器的互阻抗近似等于Rf。该电路的主要特点是：由于采用了共源-共基-共集方式，内部反馈小，即后级电路对前级电路的影响小，电路稳定性好；由于采用了负反馈，使放大器输入阻抗有所减小，有利于增大带宽。4.3 主放大器为了与光电检测器进行良好的匹配并获得低噪声和宽频带，前置放大器的增益不能太高。前置放大器的输出电压幅度通常从几毫伏到几十毫伏，而判决电路所需要的输入电压通常从几百毫伏到一伏以上。因此，有必要进一步获得4050dB的增益。另一方面，有光电检测器从光信号中检测出的电流信号幅度定义在一容限电平上。这一容限考虑了光纤的容差、接头损耗以及因温度和使用年限引起的参数起伏。然而，为了对数据作诸如判决一类的进一步处理，信号幅度最好为恒定值。因此，光电检测器和判决电路之间的主放大器需要在一定的动态范围内，即使输入信号幅度有一定的起伏，输出信号仍为确定值。该动态范围通常要求超过20dB。对主放大器的这些要求可以通过自动增益控制(AGC)放大器或限幅放大器加以实现。1AGC放大器在AGC放大器中，所需放大的信号幅度通过改变某些可以显著影响增益的电路参数自动的进行控制。在数字光传输系统中，这种AGC放大器通常是宽频带、高增益且增益可控的多级放大器，整流电路和RC网络形成一个峰值检测器。当放大器输出端为差动结构时，可采用全波整流电路。RC网络后面的控制电路用于放大低频控制电压以提高控制能力，并实现与控制放大器的电平匹配。AGC环实际上是一个负反馈系统。当由于输入信号幅度提高或放大器参数改变等原因引起放大器输出信号幅度改变时，控制过程如下：首先由一个半波或全波整流器以及低通滤波器检测出放大器输出信号幅度变化，接着把这个幅度变化信号通过一个低频放大器加以放大，最终产生的控制放大器增益的电压，改变放大器增益，是输出信号的幅度朝相反的方向变化，从而使输出信号幅度几乎保持不变。2限幅放大器限幅放大器是数字传输系统中另一种类型的主放大器。限幅放大器的基本结构包括一组差分放大单元和一个直流反馈网络。ECL或SCFL电流放大器的非线性用于实现限幅放大功能。与增益控制放大器相比，限幅放大器的限幅功能直接作用于每一个单一脉冲。就抑制信号的幅度起伏而言，限幅放大器的功能更强。4.3.1 典型电路图4.7为双栅FET主放大器电路图，它由两级放大电路组成：第1级是由双栅场效应管BG构成的双栅FET放大器，接成共源方式，有两个输入栅级，其中G1是信号栅，G2是控制栅；第2级是由IC构成的集成放大器，其中端口1是信号输入端，端口2是增益控制端，端口6是输出端。信号流程是：前置放大器输出的信号送至G1，经BG放大器放大后输送到IC的端口1，最后经IC放大器放大后输出到均衡器。自动增益控制(AGC)方式是：采用两级AGC电路，第一路是将后级电路产生的AGC1电压送至G2以控制BG放大器的增益，第二路是将后级电路产生的AGC2电压送至IC的端口2以控制IC放大器的增益。其中，第一路是正控制作用，即BG放大器增益与控制电压AGC1成正比；第二路是反控制作用，即IC放大器增益与控制电压AGC2成反比。所以，AGC1和AGC2电压的选取要分别适合正控制和反控制的作用。表1和表2分别给出了正、反两种控制作用下有关参数的变化，可见：当入射光功率微弱(即前放输出信号微弱)时，AGC1电压升高，使BG放大器增益变大，同时AGC2电压下降，使IC放大器增益变大。反之，当入射光功率较强(即前放输出信号较强)时，AGC1电压下降，使BG放大器增益变小，同时AGC2电压升高，使IC放大器增益变小。这样，通过两级增益控制，使主放大器总的电压控制范围可达50dB左右，能很好适应前端PIN-FET光接收组件入射光功率动态范围大的特点。 图4.7 双栅FET主放大器电路表4.1 BG放大器的正控制作用 表 4.2 IC放大器的反控制作用入射光功率AGC1电压BG增益 弱高高强低低入射光功率AGC2电压IC增益弱低高强高低4.4 均衡电路均衡电路是专门的滤波及频率补偿电路，其输出波形应当接近升余弦波。实现方法是，补偿某些频率，抑制某些频率。4.4.1 没有均衡器将出现的问题：在数字光纤通信系统中，送到发送光端机进行调制的数字信号是一系列矩形脉冲。由信号分析知道，理想的矩形脉冲具有无穷的带宽。这种脉冲从发送光端机输出后要经过光纤、光电检测器、放大器等部件，这些部件的带宽却是有限的。因此，矩形脉冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，这样，从接收机主放大器输出的脉冲形状将不再会是矩形的了，将可能出现很长的拖尾，这种拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时，造成判决电路误判，产生误码。4.4.2 码间干扰(1)产生原因：光纤色散将引起光脉冲展宽。当光脉冲展宽超过分配给它们的时隙时，一部分光脉冲能量进入相邻时隙，对邻近码元信号产生干扰，称为码间干扰。而留在本时隙内的光脉冲能量减小，使判决电路的输入信噪比降低。所以，码间干扰是产生误码的重要原因。从傅立叶信号分析来看，由于光纤通信系统的带宽是有限的，其传输的数字脉冲信号的频带受到限制，必然会在时域上延伸，而导致码间干扰。(2)码间干扰消除方法 若单个码元的时域展宽波形的主峰峰值对应时刻以及各个零点对应时刻是等间隔分布，且其间隔时间等于码元周期，则用这种码元时域展宽波形组成的码元序列，在传号码元波形的主峰峰值对应时刻上不会出现其它码元信号的非零值，因而不会产生码间干扰。在空号码元的零值中心时刻上也不会出现其它码元信号的非零值，同样不会产生码间干扰。所以，在传号码元波形的主峰峰值对应时刻上和在空号码元的零值中心时刻上进行幅度判决，不会产生码间干扰。4.4.3 均衡器单元电路设计在此次设计中用到的电路为：均衡电路。均衡电路是专门的滤波及频率补偿电路，其输出波形应当接近升余弦波。实现方法是，补偿某些频率、抑制某些频率。由于均衡器的频谱特性，其中和分别是均衡器的输入和输出频谱特性，而为升余弦频谱。所以，只要确定了，就可以求出。这是严格的计算方法，也是比较复杂的计算方法。目前光纤数字通信系统采用单模光纤，对于140Mb/s以下的系统，光通信系统的脉冲时间展宽很小。因此，均衡器可以做得比较简单，有时就用RC或LC滤波器来实现，滤波器中的一部分元件数值需要通过实验(观测眼图)来进一步调整确定。图4.8中给出了LRC滤波器均衡电路图。其中输入信号来自主放大器，输出信号送往宽带放大器放大。图中，集电极上的电感L、可调电Z阻、电容一起构成集电极滤波负载。发射极上的可调电阻和电容也有补偿高频的滤波作用。和的功能是：大 增益高，带宽窄小 增益低，带宽大大 增益低，其中低频增益高频增益(当R的滑动头移至接地端时取等号)小 增益高，其中低频增益高频增益 调试电路时，必须根据眼图的状况来调整和。 图4.8 均衡电路4.5 基线恢复均衡器输出的升余弦码流中的“1”、“0”脉冲分布不均匀，常常有数目不等的连续“1”或连续“0”出现，致使信号中的直流成分起伏变化。这种信号通过后面各级交流耦合电路时，信号基线(即信号底部或顶部)会随之漂移，不利于幅度判决。基线恢复电路的基本功能是，将升余弦信号的基线固定在某一电平上不变。 4.5.1 典型电路-差分电路负反馈箝位器设计中用到的电路为差分电路负反馈箝位器。图4.9中给出了差分电路负反馈箝位器的电路图。其中构成差分放大器，提供负反馈作用。该电路输入信号直流成分的变化对输出信号直流成分变化的影响，是通过以下两个独立的过程进行的，即 图4.9 差分电路负反馈箝位器第一个过程：不考虑负反馈时，单独的、差分放大器的输入端对输出端的影响是：直流成分上升基极电流增大集电极电流增大集电极电位下降直流成分下降第二个过程：单独负反馈作用对电路的影响是：直流成分上升基射间电位上升射极电流增大、射极电位上升基射间电位减小集电极电流减小集电极电位上升基射间电位增大射极电流增大基极电位下降基极电流减小集电极电位减小BG1集电极电位上升，即 调整，可以改变基极电位，从而可以改变输出信号的基线位置。4.6 时钟恢复4.6.1 幅度判决的典型电路此设计中用到的电路由与非门和反相电路构成，如图4.10所示。其中，与非门电路选用电压传输特性转折区很窄的器件，其开关阈值作为判决门限电平Vd，并且Vd取在眼图最大张开幅度的一半位置上。于是，当输入升余弦信号高于判决门限Vd时，则与非门和反相电路总输出为“1”码，低于判决门限时，则总输出为“0”码，如图4.11所示。反 相与非门输出矩形脉冲信号 +Vd 判决门限图4.10 幅度判决电路图 +Vd输入信号 输出信号 图4.11 幅度判决输入和输出波形4.6.2 非线性处理的典型电路此设计中用到的电路如图4.12所示。图中给出了非线性处理电路及其各点波形图。其中，A点输入信号来自幅度判决电路，D点输出信号送往时钟提取电路。与门的功能是：若输入全为“1”码，则输出为“1”码；若输入有“0”码，则输出为“0”码。由图可见，A点输入的NRZ脉冲信号，其对应的二进制码为“101100101”。而D点输出的RZ脉冲信号，其对应的二进制码为“101000101”。与 门反向延 时图4.12 非线性处理电路图A BCD图4.13 非线性处理电路输入输出波形4.6.3 时钟提取的典型电路此设计电路如图4.14所示。图中给出了LC谐振放大器电路及其输入和输出波形图。其中电感L和电容、构成LC谐振回路，能与输入信号中的相应谐波共振。输入信号来自非线性处理电路。该图中的输出信号是衰减余弦振荡信号，它对应于为单个RZ脉冲时的谐振输出。理论上已推导出输出信号为为 (4.5)其中，是常数，与脉冲幅度和增益有关。Q是LC谐振回路的等效品质因数，其值越大，则幅度衰减越慢。是谐振角频率。的相邻正波峰间隔为，每一个正波峰将处理成为后续电路的时标。 若令上式右边及指数项为 (4.6)则K (t)是图中波形的幅度包络线。 O t O t图4.14 LC谐振放大器该电路的主要设计如下，即：1、 确定L和、：选择L和、，是码元重复频率，使得 (4.7)2、确定Q：如图4.15所示，谐振放大器输入RZ脉冲的连“0”数越多，则输出衰减越大。设输入“1”脉冲之后，连“0”数目为n，则n个连“0”之后对应时刻t=(n+1)Tb的输出振幅为 (4.8)其中，是的简写。故振幅衰减比为 (4.9) 图4.15 时钟提取电路的长连“0”码输入和输出波形表给出了随n及Q的变化取值，可见n越大，则越小；Q越大，则越大。然而，Q值太大，会使谐振回路产生较大的相移，引起定时脉冲相位抖动，故应折中选取Q值。在实际的光端机中常用两级谐振放大，第一级用低Q值，第二级用较高Q值，通过两级Q值的合理组合来获得较好的谐振特性。 表4.3 随n及Q的变化取值Q5070100n569%76%83%953%64%73%1247%58%69%4.6.4 限幅移相的典型电路典型电路：射极耦合限幅移相电路图4.16 限幅移相电路图此设计中的电路为射极耦合限幅移相电路。图4.16、图4.17中给出了射极耦合限幅移相电路及其输入输出波形图。其中，输出信号是衰减余弦振荡信号，来自时钟提取电路；输出信号是定时脉冲信号，送往定时判决电路。该图中的限幅功能有完成，移相功能由输出端的R、C完成。状态状态 O状态 O 图4.17 限幅移相电路 输入和输出波形图该电路工作状态的确定，按以下方法进行，即选择两个临界电压和，其要求是：1、当 时，使截止、导通。此时，集电极电压= ，式中不随变化(因截止)，故该式不随变化，可记为，如图所示。2、当时，使导通。此时，射极电位上升。这时，、同时导通。并且，继续增大进一步减小进一步上升。此时，=，其中随线性变化，故该式随增大而线性上升，可记为，如图所示。3、 当时，使导通，以致截止。此时=，不随变化，记为。故=，如