第五讲 光接收机21

二、噪声分析的一般方法 噪声的均方差： 噪声的均方差：
σ = i (t ) − is (t )
2 s 2 s 2
均值为零的噪声方差： 均值为零的噪声方差： 噪声的功率谱密度： 噪声的功率谱密度：
σ s2 = is2 (t )
∞
Wiener-Khinchin定理：is (t )is (t + τ ) = ∫−∞ S s ( f ) exp(2πifτ )df 定理： 定理 所以，均值为零的噪声方差可表示为： 所以，均值为零的噪声方差可表示为：
σ = is (t )is (t ) = ∫ S s ( f )df
2 s −∞
∞
•对于概率密度为高斯函数的各个随机噪声源，它们之和的概 对于概率密度为高斯函数的各个随机噪声源， 对于概率密度为高斯函数的各个随机噪声源 率密度仍是高斯函数， 率密度仍是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的 方差之和。 方差之和。
存在I 使得σ 最小（作业） 存在 c使得σt2最小（作业） •跨阻抗前端： Rb → R f 跨阻抗前端： 跨阻抗前端 B、噪声系数Fn表示，Fn代表热噪声被前置放大器放大的倍数 、噪声系数 表示， 热噪声的功率谱密度： 热噪声的功率谱密度： ST = 2kT / RL 热噪声方差： 热噪声方差：
•在高斯近似下，允许我们先分别分析各个噪声源的方差，然 在高斯近似下，允许我们先分别分析各个噪声源的方差， 在高斯近似下 后得到总噪声的方差。 后得到总噪声的方差。 三、光检测器噪声 1、PIN光检测器噪声 、 光检测器噪声 包括：量子噪声、暗电流噪声，均属于散粒噪声，严格讲， 包括：量子噪声、暗电流噪声，均属于散粒噪声，严格讲， 散粒噪声的概率密度函数服从泊松分布，实际中可用高斯 散粒噪声的概率密度函数服从泊松分布， 分布近似。散粒噪声为白噪声，其功率谱密度为常数。 分布近似。散粒噪声为白噪声，其功率谱密度为常数。 量子噪声功率谱密度： 量子噪声功率谱密度： S S =
Rin
Se Cin SI
A
A
•前端等效电路： 前端等效电路： 前端等效电路
Rb Ss C SR Rin SI
Se
A
C=Cb+Cs+Cin •前端输入噪声功率谱密度： 前端输入噪声功率谱密度： 前端输入噪声功率谱密度 •输入噪声功率： 输入噪声功率： 输入噪声功率
∞
1 S = S s + S R + S I + Se ⋅ + jωC Rin // Rb
4、研究表明：当输出脉冲具有升余弦频谱时，满足无码间干 、研究表明：当输出脉冲具有升余弦频谱时， 扰条件 频谱： 频谱：
0 < ω ≤ π (1 − β )B 1 πB − ω 1 π (1 − β )B < ω ≤ π (1 + β )B H out (ω ) = 1 − sin 2 βB 2 0 ω ≥ π (1 + β )B
要求： 要求： •稳定可靠 稳定可靠 •抗连“0”和连“1” 抗连“ ”和连“ ” 抗连 •时钟抖动小 时钟抖动小 2、判决再生 、
自均衡器 阈值 自时钟提取 D C Q
四、眼图 是观测系统性能最直观、最简单的方法。误码率是最终结果， 是观测系统性能最直观、最简单的方法。误码率是最终结果， 眼图可用于分析形成误码的原因。 眼图可用于分析形成误码的原因。 1、形成 、 脉冲序列→示波器y轴 脉冲序列→示波器 轴 时钟信号→ 时钟信号→外触发 2、眼图分析 、 A、眼睛睁开最大处为最佳判决时刻 B、眼睛睁开度表征噪声容限 E⊥ = V1 、
d is2 df = qI p
暗电流噪声的功率谱密度： 暗电流噪声的功率谱密度： S d = qid 量子噪声的噪声方差： 量子噪声的噪声方差：
σ = ∫ S s ( f )df = 2qI p ∫ H t ( f ) df = 2qI p Be = 2qRPBe
2 s 2 −∞ 0
∞
∞
Hale Waihona Puke 等效带宽： 等效带宽：Be = H t ( f ) df ∫
2
1 σ = 2π
2
−∞
∫ S ⋅ H (ω )dω
t
2 KT Se 2 2 2 = σ PIN , APD + + SI + 2 Be + S e (2πC ) ⋅ Be3 R ( // ) 2 3 44444Rin 4Rb 2 44444443 1 4 4 4
σ t2
•输出噪声功率： 输出噪声功率： 输出噪声功率
0
∞
2
σ2 暗电流噪声的噪声方差： 暗电流噪声的噪声方差： d = 2qid Be
总噪声： 总噪声： 信号电流： 信号电流：
2 2 σ PIN = σ s2 + σ d = 2q(I P + id )Be
I s = I p = RP
2+ x
2、APD光检测器的噪声 、 光检测器的噪声 •倍增噪声： s2 = 2qI p M 倍增噪声： 倍增噪声 σ
[
2+ x
+ id 2 Be
]
信号电流： 信号电流： I
s
= RPM
3、前置放大器噪声 、 A、等效电路法 、 •光电检测器噪声等效： 光电检测器噪声等效： 光电检测器噪声等效
Ss Cs
A
Rd
•电阻热噪声： •电阻热噪声： 电阻热噪声
Rb SR Cb
SR = 2 KT R
•放大器噪声： 放大器噪声： 放大器噪声
Be = 2qRP M
2+ x
Be
2+ x
2 •暗电流噪声（经历倍增）： σ d 1 = 2qid 1 M 暗电流噪声（经历倍增）： 暗电流噪声
Be
漏电流噪声（未经历倍增）： 2 漏电流噪声（未经历倍增）： σ d 2 = 2qid 2 Be
2 2 总噪声： 2 总噪声： σ APD = σ 2 + σ d 1 + σ d 2 = 2q ( I p + id 1 ) M p
H out (ω ) = H t (ω ) ⋅ H in (ω )
三、时钟提取与数据再生（CDR） 时钟提取与数据再生（ ） 1、功能：将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，包括： 、功能：将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，包括： 时钟提取电路、 时钟提取电路、判决电路 2、时钟提取： 、时钟提取： 将f=B的谱分量与接 的谱分量与接 收信号分离的过程， 收信号分离的过程， 向判决电路提供码间 的信息， 隔TB=1/B的信息，使 的信息 判决过程同步。 判决过程同步。在 RZ码中，信号本身 码中， 码中 含有f=B的谱分量， 的谱分量， 含有 的谱分量 使用窄带滤波器 如声表面波滤波器），即可提取出时钟；而在NRZ码中， ），即可提取出时钟 码中， （如声表面波滤波器），即可提取出时钟；而在 码中 信号缺乏f=B的谱分量，首先要对信号进行非线性预处理 的谱分量， 信号缺乏 的谱分量 微分、整流电路或延迟原理）窄化脉冲， （微分、整流电路或延迟原理）窄化脉冲，再经锁相环路提 取出时钟
β--滚降因子，B--码率 滚降因子， 码率 滚降因子
0.1
时域波形： 时域波形：
sin (πBt ) cos(πβBt ) hout (t ) = πBt 1 − (2πβBt )2
[
]
5、均衡滤波器的频谱 、 接收机的传输函数： 接收机的传输函数：
hin
Ht（ω） receiver
hout
可见， 可见，均衡滤波器的频谱是光 纤传输系统的综合问题， H t (ω ) = H PD (ω ) ⋅ H Am (ω ) ⋅ H eq (ω ) 纤传输系统的综合问题，完全 按照要求设计，不仅复杂， 按照要求设计，不仅复杂，而 所以： 且不具有普遍性， 且不具有普遍性，通常用特性 H out (ω ) 近似网络代替， 近似网络代替，再通过实验进 H eq (ω ) = 行调整。 H PD (ω ) ⋅ H Am (ω ) ⋅ H in (ω ) 行调整。
第五讲 光接收机
5.1 光接收机的构成
光信号 光电 变换
前置 放大
主放 大器
均衡 滤波
判决器
输出
AGC电路 电路 前端 线性通道
时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR） ）
性能指标:接收灵敏度、 性能指标 接收灵敏度、误码率或信噪比 接收灵敏度
一、前端 1、作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流， 、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，以便后级作进一步处理。 然后进行预放大，以便后级作进一步处理。 2、要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽。 、要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽。 3、类型： 、类型： A、低阻抗前端：从频带要求出发选择偏置电阻 、低阻抗前端： 优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡， 优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动 态范围较大。 态范围较大。 缺点：灵敏度低， 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 、高阻抗前端：尽量加大偏置电阻， 可能小的值 优点： 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分量损失太大， 缺点：动态范围小、高频分量损失太大，对均衡电 路提出了很高要求。 路提出了很高要求。多用于低速系统 C、跨（互）阻抗前端：电压并联负反馈放大器（电流 阻抗前端：电压并联负反馈放大器（ 、 -电压转换器） 电压转换器） 电压转换器
二、线性通道 1、主放大器：具有AGC功能， 可根据输入信号（平均值）大 、主放大器：具有 功能， 功能 可根据输入信号（平均值） 小自动调整放大器增益， 使输出信号保持恒定。 小自动调整放大器增益， 使输出信号保持恒定。用以扩大 接收机的动态范围。有时用限幅放大器代替AGC； 接收机的动态范围。有时用限幅放大器代替 ； 2、均衡滤波器：接收机噪声正比于接收带宽， 因此， 采用低 、均衡滤波器：接收机噪声正比于接收带宽， 因此， 通滤波来减低噪声。通常滤波器带宽∆ 比特率 比特率B（ 通滤波来减低噪声。通常滤波器带宽∆f<比特率 （常取为 0.6~0.8B)，这将引起脉冲展宽，而导致码间干扰。因此， ，这将引起脉冲展宽，而导致码间干扰。因此， 对滤波器提出要求，使展宽的脉冲无码间干扰， 对滤波器提出要求，使展宽的脉冲无码间干扰，满足这一 要求的滤波器称为均衡滤波器（或匹配滤波器） 要求的滤波器称为均衡滤波器（或匹配滤波器）； 3、无码间干扰条件： 判决时刻， 被判码元的瞬时值最大，而 、无码间干扰条件： 判决时刻， 被判码元的瞬时值最大 的瞬时值最大， 相邻码元在此时刻的瞬时值为零 在此时刻的瞬时值为零； 相邻码元在此时刻的瞬时值为零；