光纤通信系统第四章

,光电变换,前置放大,主放大器,均衡滤波,判决器,译码器,AGC电路,时钟恢复,直接检测（DD）数字光接收机原理框图,第四章、光接收机,本章主要内容4.1、光电检测器P34.2、放大器及其电路噪声P324.3、光接收机的灵敏度计算P604.4、均衡、再生、自动增益控制电路P105,4.1、光电检测器,光电二极管（PD）雪崩光电二极管,1、光电二极管（PD）,1）PD的工作原理,光电效应-受激吸收过程当入射光子能量大于禁带宽度时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带上，产生一个电子-空穴对。电子-空穴对在电场的作用下定向运动，形成光电流。光电二极管工作在反向偏压下。,hEg或hc/Eg,PIN能带图,耗尽区,定义：为光电二极管的上截止波长。Si材料的PD：1.06mGe或InGaAs材料：1.61.7m当入射波长太短时，光电转换效率会下降。Si材料的PD：0.51.0mGe或InGaAs材料：1.11.6m,2）PD的工作特性,a)波长响应范围,吸收的光功率：P(x)=P(0)1e-()x,hEg,(b)光电转换效率,量子效率:定义为单位时间内产生的光生电子空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。响应度:定义为光生电流与入射光功率之比，工程上常用响应度来衡量光电转换效率的高低。,Ip=(e0/h)p0(1R)exp(-w1)1-exp(-w),=(A/W),=(1R)exp(-w1)1-exp(-w),光生电流,入射光功率,零电场的厚度,耗尽区的厚度,入射表面的反射率,单位光功率产生的光生电流,光子吸收示意图,Ip=(e0/hv)p0(1-R)exp(-w1)1-exp(-w),w1,w,(表面层),(耗尽层),提高量子效率需要采取以下措施：,减小入射表面的反射率增加耗尽区宽度,减小零电场区的厚度（采用PIN结构）,在PN结光电二极管基础上加以改进，在PN结中间加上接近本征半导体的I层(轻掺杂的N区)，形成PIN结构。P和N层都很薄，因此光电二极管吸收光的区域基本上在耗尽区。,不同材料光电二极管的响应度曲线,量子效率,波长,响应度,不同,不同的材料响应波长不同，响应度不同,(c)响应速度响应速度通常用响应时间表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有：(a)光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数(b)载流子在耗尽区里的渡越时间（与外加电场有关)(c)耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟对光电二极管上施加反向偏压是十分有利的。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了响应速度。,P,N,I,影响下降沿,不同材料的漂移运动速度与电场的关系,不同的脉冲响应情况,(d)暗电流无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。暗电流的无规则随机涨落产生噪声。,主要影响接收机的灵敏度,3）光电二极管的结构PIN的结构异质结构,长波长PIN管结构示意图,原理描述：PIN结构异质结构InP是宽带隙材料，c=0.96m,对长波长的光不吸收;InGaAs是窄带隙材料，c=1.7m,3、雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhotodiode),1)工作原理光电效应+碰橦电离、雪崩倍增效应。高灵敏度检测器,加很高的反向电压,区,电离系数：e,h电子和空穴在单位距离上平均激发电子空穴对的个数、随电场的增加而增加、随温度的增加而减小电离系数比：k=h/e,初生电子空穴对,空穴碰撞电离的概率是电子碰撞电离的一半,2）APD的工作特性,（a)APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压平均雪崩增益定义为:G=Im/Ip式中Ip为一次光电流，Im为倍增输出电流的平均值。由于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效应具有统计的特征，故倍增效应应取统计平均值。G与反向电压有关：V越大，G值越高。考虑纯电子电流注入高场区的情况,设：,雪崩击穿,工程上,用暗电流增加到一定值来定义击穿电压,结构和材料决定的参数,(b)APD的过剩噪声雪崩倍增过程引入更大的随机性。用过剩噪声系数和过剩噪声指数表示。,APD的过剩噪声系数F(G),APD的过剩噪声指数x,F(G)Gx,APD的结构设计:对k远小于1的APD,应尽量使电子电流注入高场区;对k远大于1的APD,应尽量使空穴电流注入高场区;避免使用k=1的材料制作APD。,当电子注入高场区时，过剩噪声系数,当空穴注入高场区时，过剩噪声系数,k=h/e,3）APD的结构,(1)Si-APD结构保护环型拉通型。,保护环型（GAPD）,拉通型（Reach-throughAPD，RAPD）,hf,接近本征材料,长波长APD结构SAM-APD(SeparatedAbsorptionandMultiplexingAPD),透明通过（带隙大),纯空穴注入,SAGM-APD：在InP材料和InGaAs材料间加入一层或几层禁带宽度小于InP大于InGaAs的InGaAsP材料,形成带隙渐变的过渡区。SAGM具有过剩噪声小、倍增大、响应速度快的优点。,4.2、放大器及其电路的噪声,一、噪声分析的一般方法二、放大器噪声的计算1、放大器输入端的等效电路2、放大器输入端的噪声源3、放大器输出噪声的计算三、场效应管前置放大器的噪声四、双极晶体管前置放大器的噪声五、前置放大器的类型,一、噪声分析的一般方法,1、噪声的概念1）广义噪声：随机噪声电磁干扰2）随机噪声总是与信号相对存在(信号在检测、放大的过程中引进）表示方法：SNR，NF3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声,2、,3、随机噪声的概率密度函数和概率分布函数,对于平稳随机噪声X,落在x和x+dx之间的概率为：P（xXx+dx）=f(x)称为随机过程的概率密度函数，F(x)=P(X=x)=F(x)是概率分布函数。两随机变量之和：Z=X+Y,fz(z)=fx(x)*fy(y),(,),4、随机过程的数字特征,1）数学期望（均值）EX=标准差（均方差）方差：D(x)=E（XEX）2=EX2(EX)2标准差:(X)=D(x),一个随机过程的均值可以用样本的时平均来代替,=2(X),5、平稳随机过程的功率谱密度,Parseval等式,平均功率=,功率谱密度,（方差）,（频谱）,能谱密度,总能量,均值是零时平均功率就是方差,D(x)=E（XEX）2=EX2(EX)2,二、放大器噪声的计算,放大器噪声的特点：服从高斯分布,-,平均值,方差,0,对高斯分布，若Z=X+Y，fz(z)依然是高斯分布，且Z2=X2+Y2(方差）计算思路：在输入端分析各噪声源的功率谱密度；（将所有噪声源等效到输入端并认为都是白噪声）放大器和均衡滤波器作为线性系统，根据线性系统对随机输入的响应关系求输出端的噪声功率。,系统的输出功率谱密度等于输入功率谱密度乘以系统的功率因子,的功率谱密度,1、放大器输入端的等效电路,2、放大器输入端的噪声源,1）电阻的热噪声（有两种等效方法）等效为并联电流噪声源：功率谱密度：等效为串联电压噪声源：功率谱密度：放大器有源器件的噪声功率谱密度：SI，SE,3、放大器输出噪声的计算,1）思路放大器是线性系统对串联电压噪声源，先转换成电流源.输入导纳:对SE，乘以按高斯分布对噪声功率求和,2）输出噪声功率3）小结：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，串联电压噪声源的影响越小。,D(x)=E（XEX）2=EX2(EX)2,系统的功率因子,三、场效应管前置放大器的噪声1、输入端等效电路,栅G,漏D,源S,G,D,S,gm是跨导,2、噪声源,1）散粒噪声Igate为FET的栅漏电流。2）沟道的热噪声gm为FET的跨导，为数值系数，对SiFET,=0.7;对GaAsFET,=1.1。等效到输入端，,转换成电流源要乘以,3、输出端总噪声,gm/Ct2是场效应管前放的优值。,RA,Ra无穷大,四、双极晶体管前置放大器的噪声,1、输入端等效电路,2、输入端噪声源,1）散粒噪声2）基极电阻的热噪声,3）分配噪声,4）1/f噪声,等效到输入端,3、输出噪声功率,Rt=Rb|Ra,ct=cd+cs+ca,由上,五、前置放大器的类型,跨阻型放大器:电压并联负反馈放大器,考虑频率特性:,考虑噪声性质:,4.3光接收机的灵敏度计算,一、灵敏度计算的一般方法二、光电检测随机过程的统计特性三、接收机灵敏度的高斯近似计算,一、灵敏度计算的一般方法,1.灵敏度的概念:保证误码率为需要值的情况下所需要的最低接收平均光功率(dBm).2.一般方法1）求总噪声影响下信号的概率密度函数f0(x),f1(x);2)从概率密度函数出发计算误码率。,“0”码误判为“1”码的概率：“1”码误判为“0”码的概率：误码率,3）计算BER,2、光接收机灵敏度计算方法1）精确计算：从雪崩倍增实际的概率密度函数出发计算总噪声影响下的信号的概率密度函数，进而计算接收机的灵敏度。2）高斯近似计算假设雪崩倍增过程的概率密度函数为高斯函数，从而使总噪声影响下的信号的概率密度函数计算变得简单。计算精度可保持在1dB范围内，满足工程设计的需要。,放大器,检测器,二、光电检测随机过程的统计特性,1、光子计数过程,光电检测过程的量子极限假设：放大器不存在热噪声光电二极管的量子效率为1，暗电流为零光源的消光比为零,光生电流,因为光源的消光比为零，所以“0”码时接收光功率为零，没有光生的电子-空穴对；Id=0,没有暗电流生成的电子-空穴对；放大器无热噪声，没有热激励的电子-空穴对。“0”码不会发生误判决，E01=0。,“1”误判为“0”码的概率等于“1”码时一个电子-空穴对也没有产生的概率,0,2、雪崩光电检测随机过程的统计特性,雪崩光电检测随机过程的统计特性是非常复杂的。在时间间隔L内，,gl=n的概率是一个复杂的函数：,可以得出：,n个Pprob()的卷积,随机性：I.gl是随机的,其概率密度函数是复杂的函数；II.N是随机的，即在时隙L内产生的初始电子-,空穴是泊松分布,结论：光电检测过程是非常复杂的随机过程。,近似,四、接收机灵敏度的高斯近似计算,1、概况：两种方法1）从噪声功率谱密度进行计算对PD：对APD：在输入端是并联电流噪声源。光电检测器的噪声与接收光功率有关。,光电检测器的噪声,特点：简单，但没有反映出邻码对判决码元的散粒噪声即在判决某码元时，光电探测器的散粒噪声包括所有邻近码元的影响。2）Personick的计算方法得到灵敏度和最佳雪崩增益的解析表达式,2、Personick的计算方法的基本思路,1）由卷积的关系来确定输出电压，进而确定光电探测器的散粒噪声。,对数字通信系统,当光脉冲为“1”码,当光脉冲为“0”码,脉冲序列,确定输出电压,确定输出电压的均值,响应函数,确定输出电压的方差,确定暗电流的功率谱密度,2）在假设条件下推导高斯近似计算公式,假设判决时有最坏的码元组合,（,）,；,得到,判决码元的噪声,邻码的噪声,暗电流噪声,令：,假设判决时无码间干扰,升余弦函数,假设Id为零，将输出端的计算等效到输入端,判决电平,3、计算公式1)APD作为检测器,2）PD作为检测器,，可忽略PD的散粒噪声,4、计算步骤,由输入、输出波形计算（查表），1，2求Z；由BER确定Q；确定APD的参量，x;计算最佳雪崩增益和灵敏度,5、影响接收机灵敏度的因素,1）放大器噪声参量Z的影响PD作为光电检测器APD作为光电检测器2）比特速率的影响,PD作为检测器，4.5dB/比特率倍程,APD作为检测器，x=0.53.5dB/比特率倍程,原因：比特速率增加，噪声的等效带宽增加，接收机的灵敏度下降。3）输入波形的影响,可以证明，输入(t)脉冲时，放大器的热噪声和检测器的散粒噪声都达到最小值，灵敏度最高，随着输入脉冲的宽度的增加，接收机灵敏度下降,4）EXT的影响,5）其它的影响因素,时钟抖动和码间干扰,光源和光纤系统的噪声,6、高斯近似计算的误差分析,实际曲线,4.4光接收机,1、光接收机的均衡网络2、自动增益控制电路3、再生电路,一、光接收机的均衡网络,1、无码间干扰判决的条件,传递函数的实数部分,应满足上图所示的条件，虚数部分,在正频域（或,负频域）应该是对,（或对,）成,偶对称的函数,+,=,2、均衡网络,Heq()=A()/S()Hof()Ham(),S()Hof()Ham()Heq()=A(),对均衡网络的要求,升余弦频谱,3）常用的均衡电路(频域均衡、时域均衡）,a)频域均衡,可变均衡电路,是从校正系统的频率特性出发，使包括均衡器在内的系统的总特性满足无失真传输条件,基极电压,晶体管的输入电阻,射极补偿电路,b)时域补偿器自适应均衡器,所谓时域均衡是利用均衡器产生的时间波形去直接校正已畸变的波形，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条件,自适应均衡器是通过调整横向滤波器的抽头增益来实现均衡,4）眼图分析法,最佳判决电平,光发射机输出眼图,400公里传输后眼图,2、接收机的动态范围和自动增益控制电路,1）.接收机动态范围,偏值电压,2）放大器电压自动增益控制电路,改变差分放大器工作电流,晶体管的输入电阻,分流式控制电路,输入端插入可变衰减器的控制方式,_,双栅极场效应管,光接收机中的AGC电路实例,速率：140Mbit/s包括放大器的自动增益控制和APD的雪崩增益控制原理：主放大器输出信号，经峰值检波和AGC放大后，得到一个和主