第三章-光接收机.ppt

光纤通信第3章,1,3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介,第3章光接收机,2,光纤通信第3章,光纤通信第3章,光接收机的类型,直接检测：IM-DD光接收机平衡接收机相干检测,IM-DD数字光接收机原理框图,3,光纤通信第3章,相干接收机,光纤通信第3章,光接收机的性能指标,1、误码率常用的方法是在一定的时间间隔t内，区分发生差错的脉冲数Ne和在这个时间间隔内传输的总脉冲数Nt之比。,其中B1/Tb比特速率,例如：误码率为10-9,代表平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。,光纤电信系统典型误码率范围是10-9到10-12,4,光纤通信第3章,光接收机的灵敏度是在满足给定能的误码率指标条件下，最低接受的平均光功率Pmin。光接收机灵敏度中的光功率在工程上常用绝对功率值（dBm）来表示，即,Pmin：最低接受光功率103指1mw光功率,2、灵敏度,5,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3、光接收机的动态范围,在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）。即,6,光纤通信第3章,光纤通信第3章,4、功率代价,实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。这种非理想条件与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。其影响因素很多。,7,光纤通信第3章,810Gb/s80kmG.652光纤传输实验-误码特性,8,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介,第三章光接收机,9,光纤通信第3章,光电检测器,光电二极管（PD）雪崩光电二极管,10,光纤通信第3章,1、光电二极管（PD：Photodiode）,1）PD的工作原理,原理:光电效应-受激吸收过程工作在反向偏压下入射光子的能量大于禁带宽度,光子被吸收,产生电子空穴对。电子空穴对在电场的作用下定向运动,形成光电流,hEg或hc/Eg,耗尽区,P,N,11,光纤通信第3章,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：1.6-1.7m当入射波长太短时，大量光子在零场区被吸收，光电转换效率会下降。Si材料的PD：0.5-1.0mGe或InGaAs材料：1.1-1.6m,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,12,光纤通信第3章,(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。,Ip=(e0/h)p0(1R)exp(-w1)1-exp(-w),(A/W),=(1R)exp(-w1)1-exp(-w),13,光纤通信第3章,不同材料光电二极管的响应度曲线,14,光纤通信第3章,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）,15,光纤通信第3章,(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：,16,光纤通信第3章,光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数载流子在耗尽区里的渡越时间耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟,17,光纤通信第3章,漂移运动的速度,18,光纤通信第3章,不同的脉冲响应情况,反向偏压的作用: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。,19,光纤通信第3章,(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。,20,光纤通信第3章,3）光电二极管的结构PIN的结构异质结构,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，因此吸收光的区域基本上在耗尽区。,21,光纤通信第3章,2、雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhotodiode),1)工作原理光电效应+碰撞电离、雪崩倍增效应。初始电子空穴对,二次电子空穴对,22,光纤通信第3章,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:式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。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：存在雪崩击穿电压,23,光纤通信第3章,3）APD的结构,Si-APD结构,保护环型（GAPD）,24,光纤通信第3章,拉通型,拉通型（Reach-throughAPD，RAPD）,25,光纤通信第3章,长波长APD结构SAM-APD(SeparatedAbsorptionandMultiplexingAPD),入射光透明地经过高场区，在吸收区被充分吸收，形成吸收区和倍增区分离的结构。形成纯空穴电流注入高场区，减小过剩噪声，加大增益。,26,光纤通信第3章,新型光电检测器,解决响应速度和量子效率对I区要求的矛盾。,行波光电二极管,27,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介,第三章光接收机,28,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.3放大电路及其噪声,3.3.1噪声的数学处理3.3.2放大器输入端的噪声源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3.3.3场效应管和双极晶体管的噪声源3.3.4前置放大器的设计,29,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.3.1噪声的数学处理,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表示方法：SNR，NF3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声,30,光纤通信第3章,光纤通信第3章,2、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：f(x)称为随机过程的概率密度函数，F(x)是概率分布函数。两随机变量之和：Z=X+Y,31,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3、随机过程的数字特征,1）数学期望（均值）2)标准差方差：标准差:,32,光纤通信第3章,光纤通信第3章,4、平稳随机过程的功率谱密度,Parseval等式,平均功率=,双边平均功率谱密度,33,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.3.2放大器输入端的噪声源,放大器噪声的特点：服从高斯分布对高斯分布，若Z=X+Y，fz(z)依然是高斯分布，且Z2=X2+Y2,34,光纤通信第3章,光纤通信第3章,1、放大器输入端的等效电路,35,光纤通信第3章,光纤通信第3章,2、放大器输入端的噪声源,思路：将所有噪声源等效到输入端是平稳随机过程输入端是白噪声从各个噪声源的功率谱密度出发分析1）电阻的热噪声等效为并联电流噪声源：等效为串联电压噪声源：2）放大器有源器件的噪声：SI，SE,36,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3、放大器输出噪声的计算,1）思路放大器是线性系统对并联电流噪声源对串联电压噪声源，先转换成电流源。输入导纳为:对SE，乘以按高斯分布对噪声功率求和,37,光纤通信第3章,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。,38,光纤通信第3章,3.3.3场效应管和双极晶体管的噪声源1、场效应管的噪声源,场效应管前置放大器,高频段等效电路,39,光纤通信第3章,1）输入端等效电路,光纤通信第3章,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,40,光纤通信第3章,3）输出端总噪声,gm/Ct2是场效应管前放的优值。,41,光纤通信第3章,光纤通信第3章,2、双极晶体管前置放大器的噪声,1）输入端等效电路,42,光纤通信第3章,光纤通信第3章,2）输入端噪声源,（1）散粒噪声（2）基极电阻的热噪声,43,光纤通信第3章,（3）分配噪声,（4）1/f噪声,44,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3）输出噪声功率,Rt=Rb|Ra,ct=cd+cs+ca,存在最佳集电极电流,45,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.3.4前置放大器的设计,1、高阻型（主要考虑噪声性能）2、低阻型（主要考虑频带要求）3、跨阻型(互阻型),46,光纤通信第3章,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:,47,光纤通信第3章,44.7Mb/s系统的前置放大器,48,光纤通信第3章,前置放大器的发展趋势:集成化,模快化,49,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介,第三章光接收机,50,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.4光接收机的灵敏度计算,3.4.1灵敏度计算的一般方法3.4.2接收机灵敏度的高斯近似3.4.3影响接收机灵敏度的因素,51,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.4.1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。,52,光纤通信第3章,计算BER“0”码误判为“1”码的概率：“1”码误判为“0”码的概率：误码率,53,光纤通信第3章,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，从而使总噪声的计算变得简单。,光接收机灵敏度计算方法,光纤通信第3章,3.4.2接收机灵敏度的高斯近似计算,1、光电检测器的噪声对PD：,54,光纤通信第3章,暗电流噪声,散粒噪声,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。,光纤通信第3章,56,光电检测器在输入端等效的并联电流噪声源的功率谱密度可以分别表示为：,对PD,对APD,放大器和均衡滤波器输出端APD的噪声功率为：,对“1”码,光纤通信第3章,57,对高斯近似分布，若Z=X+Y，则Z的概率密度函数还是高斯函数，且其方差满足：,总噪声功率（即总噪声高斯分布的方差）为：,对“0”码,对“1”码,58,光纤通信第3章,当判决电平为D时，“0”码误判为“1”码的概率为,对上式进行变变换，令,得到,同样的情况，“1”码误判为“0”码的概率为,令,上式变成,BER和Q一一对应Q含有信噪比的概念,对于“0”、“1”等概率码，,60,光纤通信第3章,光纤通信第3章,1、光电检测器的散粒噪声与放大器热噪声的影响光电检测器的散粒噪声与放大器热噪声是影响接收机灵敏度的重要因素。一般来说，当采用光电二极管作为检测器时，散粒噪声一般可以忽略，当采用APD作为检测器时，APD的过剩噪声成为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。,61,光纤通信第3章,3.4.3影响接收机灵敏度的因素,3、输入波形的影响,62,光纤通信第3章,当用PIN光电二极管作检测器时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降4.5dB；当用APD作检测器（设），且工作在最佳雪崩增益时，比特率增加倍程，灵敏度大约下降3.5dB。,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。,2、比特速率对接收机灵敏度的影响,输入脉冲波形越窄，它的频谱越宽，越有利于限制高频噪声，提高接收机灵敏度；可以证明输入脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高；发送RZ码时接收机的灵敏度比NRZ码要。,4）EXT的影响,63,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介,第三章光接收机,64,光纤通信第3章,3.5光接收机的组成模块,3.5.1码间干扰问题与均衡滤波电路3.5.2接收机的动态范围和自动增益控制电路3.5.3再生电路,65,光纤通信第3章,3.5.1码间干扰问题与均衡滤波电路,1）无码间干扰判决的条件线性相移系统非线性相移系统发送任意脉冲,发送(t)脉冲；,66,光纤通信第3章,2）均衡网络,对均衡网络的要求升余弦频谱,67,光纤通信第3章,S()Hof()Ham()Heq()=A(),Heq()=A()/S()Hof()Ham(),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,68,光纤通信第3章,射极补偿电路:提升高频分量,69,光纤通信第3章,b)时域补偿器自适应均衡器,70,光纤通信第3章,4）眼图分析法,71,光纤通信第3章,3.5.2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,实现Da:AGC电路使用限幅放大器,72,光纤通信第3章,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,改变放大器的增益分流输入信号限幅放大,73,光纤通信第3章,分流式控制电路,74,光纤通信第3章,1）再生电路的组成：判决电路：带有选通输入的比较器时钟提取电路：锁相环滤波器信号的预处理：原因:需要将NRZ转换成RZ方法：微分整流,3.5.3再生电路,75,光纤通信第3章,3）锁相环路,2)信号预处理,76,光纤通信第3章,3）声表面波滤波器,77,光纤通信第3章,声表面波的主要性质:（1）振铃性质（2）等效带宽和品质因数（3）通带纹波,78,光纤通信第3章,光纤通信第3章,光收发电路的发展趋势,集成化:单片集成光电集成(OEIC),混合集成模块化向高速发展：采用行波方式传播异质结双极型晶体管（HBT）高电子迁移率晶体管（HEMT）DSP接收机,79,光纤通信第3章,光纤通信第3章,3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介,第三章光接收机,80,光纤通信第3章,光纤通信第3章,相干光通信的定义,相干光是由两个激光器产生的具有空间叠加、相互干涉特性的激光。相干光通信在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端，则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息接收的通信方式。,光检测器,电信号处理,本地光震荡器,信号光,混频器,基带信号,s,L,81,光纤通信第3章,光纤通信第3章,相干接收机的构成,82,光纤通信第3章,本振激光器,光混频器,s,L,光检测器,放大滤波,解调,判决再生,数字信号处理,本振光,锁相,基带信号,数字信号,光纤通信第3章,相干光通信的特点（1）,灵敏度高，中继距离长相干光通信的一个最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。由于热噪声、暗电流等因素的影响，IM/DD系统的灵敏度通常比量子极限灵敏度低20dB。而在相干通信系统中，在同等热噪声和暗电流作用下，通过提高本振光功率可以使灵敏度充分接近量子极限。选择性好，通信容量大在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其它噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能。此外，由于相干探测优良的波长选择性，可用于信道间隔小到GHz量级的光频分复用技术，实现多信道复用，有效使用光纤带宽。,83,光纤通信第3章,光