光纤通信第5章光探测及光接收机课件

第五章光探测及光接收机第五章光探测及光接收机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，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。第五章光探测及光接收机5.1光探测原理5.2光电二极管5.3数字光接收机5.4接收机信噪比（SNR）5.5接收机误码率和灵敏度5.3数字光接收机接收机的设计很大程度上取决于发射机使用的调制方式，特别是与传输信号的种类，即模拟或数字信号有关。因为大多数光波系统使用数字调制方式，所以在本章中，我们集中讨论数字光接收机。关于模拟接收机的设计，我们将在第六章和第八章中讨论。数字光接收机原理组成图信号光光探测器电压供给均衡滤波前放主放自动增益控制主放（线性信道）判决电路时钟恢复数据恢复数据输出光电变换和前放5.3.1光电变换与前置放大前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大器就显得特别重要。接收机的前端是光电二极管，通常采用PIN光电二极管和APD光电二极管。低噪声前置放大器的作用是放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。前置放大器的设计要求在带宽和灵敏度之间进行折衷。光电二极管产生的信号光电流经前置放大器输入阻抗时将产生信号光电压。使用大的负载电阻RL，可使该输入电压增大，因此，常常使用高阻抗前置放大器。大的RL可减小热噪声和提高接收机灵敏度。高输入阻抗前置放大器的主要缺点是它的带宽窄，因为负载电阻跨接到反向放大器的输入和输出端，尽管RL仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了G倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了G倍。它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收机常使用这种结构的前放。转移阻抗前置放大器5.3.2线性放大由主放大器、低通滤波器和自动增益控制电路组成。有时候，为了校正和补偿前端对带宽的限制，在主放大器之前还要插入一个均衡器。低通滤波器的作用是整形电压脉冲，减小噪声，同时避免引入更多的码间干扰。采用自动增益控制电路，在接收机平均入射光功率一定的变化范围内，通过放大器的增益的自动控制使得输出稳定。均衡滤波的作用是将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性，做到判决时无码间干扰。因为前放、主放以及均衡滤波电路起着线性放大的作用，所以有时也称为线性通道。5.3.3数据恢复数据恢复电路包括判决电路和时钟恢复电路。它的任务是把均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号。为了判决每个比特是“0”还是“1”，首先要确定判决的时刻，这就需要要从升余弦波形在f＝B点提取准确的时钟信号。时钟信号经过适当的移相后在最佳的取样时间对升余弦信号进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”，从而把升余弦波形恢复再生成原传输的数字信号。判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压最佳的判决时间应是升余弦波形的正负峰值点，这时取样幅度最大，抵抗噪声的能力最强。5.4接收机信躁比（SNR）SRN为平均信号功率和噪声功率之比。光接收机使用光电二极管，将入射光功率转换为电流。即使入射光功率不变时，两种基本的噪声，散粒噪声和热噪声也会引起光生电流的起伏。电流起伏引入的电噪声影响接收机性能。本节回顾噪声机理，并讨论光接收机的信噪比(SNR)。5.4.1噪声机理1.散粒噪声散粒噪声是由检测器本身引起的，它围绕着一个平均统计值而起伏，这种无规则的起伏就是散粒噪声。光电流IP=RPin散粒噪声的电流起伏均方散粒噪声电流为：5.4.1噪声机理2.热噪声由于电子在光电二极管负载电阻RL上随机地热运动，即使在外加电压为零时，也产生电流的随机起伏。这种附加的噪声成分就是热噪声电流。均方热噪声电流为：该噪声电流经放大器放大后要扩大Fn（放大器的噪声指数）倍：5.4.1噪声机理总的均方噪声电流为：暗电流5.4.1信躁比（SNR）1.PIN光接收机信躁比（SRN）为平均信号功率和噪声功率之比，并考虑到电功率与电流平方成正比，则SNR可表示为：光电二极管响应度1.PIN光接收机接收机性能受限热噪声时：接收机性能受限散粒噪声时：2.APD光接收机2.APD光接收机APD接收机的热噪声与PIN的相同，但是散粒噪声却受到平均雪崩增益的影响，其值为：FA是APD的过剩噪声指数电离率之比2.APD光接收机APD接收机的信躁比为：接收机性能受限热噪声时：接收机性能受限散粒噪声时：2.APD光接收机APD接收机的信躁比为：使SNR最大M值称为最佳平均雪崩增益，记为Mopt5.5接收机误码率和灵敏度数字接收机的性能指标由比特误码率(BER)所决定。BER定义为码元在传输过程中出现差错的概率，工程中常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码元数之比来表示。910BER-=，表示每传输10亿个比特只允许错1个比特通常数字光接收机要求910BER-£接收机灵敏度定义为保证比特误码率为10－9时，要求的最小平均接收光功率recP，表示每传输百万比特只允许错2个比特610BER-=5.5.1比特误码率5.5.1比特误码率由于接收机噪声的影响，可能把比特“1”误认为“0”码；同样也可能把“0”码错判为“1”码。误码率包括这两种可能引起的误码，因此误码率为：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)对于脉冲编码调制（PCM）比特流，P(1)=P(0)，BER=[P(0/1)+P(1/0)]/2P(1)和P(0)分别为接收“1”和“0”码的概率，P(0/1)是把“1”判为“0”的概率；P(1/0)是把“0”判为“1”的概率。二进制信号的误码概率I1I05.5.1比特误码率误差函数erfc(x)的互补函数接收“1”码的均方噪声电流接收“0”码的均方噪声电流实际上，可以选择最佳的ID值使BER最小。BER最小的ID值为：超扰比Q被广泛用来说明接收机的特性。Q=6，BER=10-9Q>7，BER<10-12BER和Q参数的关系5.5.2最小平均接收光功率最小接收光功率（比特误码率低于指定值使接收机可靠工作所需要的功率）设“0”码时不发射光功率，即P0=0，I0=0；“1”码时功率P1，电流I1平均接收光功率PIN光接收机，热噪声占支配地位，则APD光接收机，热噪声仍占支配地位，