光接收机的结构及原理(精)
谈光接收机工作原理及选用和故障排除
谈光接收机工作原理及选用和故障排除摘要：所属广播电视网络，本文通过简介光接收机的组成与工作过程，谈如何选用光接收机和怎样正确使用光接机。
通过分析故障原因，讲述如何排除故障，使光接收机处于良好工作状态，保证分配网络良好运行。
关键词：光接收机工作原理故障排除1、立项背景县中心机房和乡下各广播站大量用光接收机，正确使用光接机很重要，以及光接机故障排除。
2、详细科学技术内容（总体思想、技术方案与创新成果、实施效果）2.1 光接收机的组成及工作过程光接收机是工作在光纤系统中的各光接收点，接收光缆传送过来的光信号，并把光信号转换为电信号（实现光电转换0/e），输出是rf信号。
它主要由光接收件，电信号放大，电源三大部组成。
光接收机由光电检测级，电信号放大级，电调衰减器，电调均衡器，agc 电路，输出放大器，电源部分等组成。
光电检测器是光接收机的核心部件，光电检测器是从输入的光信号中取出有用的电信号（有线电视信号），完成光-电转换，光电检测器输出的射频有线电信号送入电信号放大级放大，之后送至均衡器，完成对带宽内的平坦度调整，之后送入衰减器，衰减器完成对带宽内各频道幅度的调整，保证输出级有合适的输出电平。
输出放大器输出信号送入分支器（或分配器），之后，送到接收机的各输出口。
从输出放大级输出取出部分信号送至agc控制电路。
完成agc 控制作用和监测作用。
电源部分输出稳定的24v直流电压，供给接收内的各有源器件，以保证各有源器件正常工作。
2.2 光接收机选购（1）选择有国家入网证，质量有保证厂家生产的光接收机。
（2）应根据光缆网的实际情况，设计要求，经济实力，遵循先考虑质量后考虑价格的原则来选择光接收机。
用在野外、必须选用野外型光接收机。
（3）对于波长为1310nm的二级或三级传输的光缆网，光发射机前的光接收机，应选用指标高、质量好，价格比较贵的光接收机，以保证高质量传输光信号。
（4）购置的光接机与尾缆、尾纤的接口一定配套，否则无法使用。
光接收机的工作原理及应用
光接收机的工作原理及应用1. 工作原理光接收机是一种用于接收光信号并将其转化为电信号的设备。
其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光电效应是指当光线照射到某些物质上时，会引发物质内部电子的运动。
光接收机中的光电二极管就是利用光电效应实现光信号转换的关键组件。
当光信号通过光纤或其他光传输介质传输到光接收机中时，光线会照射到光电二极管上。
这时，光子的能量会导致光电二极管内部的电子从价带跃迁到导带，产生电流。
接收到的光信号经过放大和处理后就可得到电信号。
除了光电二极管，光接收机还包括前置放大器、滤波器、放大器、数字处理器等组件。
前置放大器用于增加接收到的微弱光信号的强度，滤波器用于滤除杂散信号和不需要的频段。
放大器可以进一步增强信号强度，并提高信号质量。
数字处理器则用于对电信号进行采样、解调和误码校正等操作。
2. 应用领域光接收机具有高速、低噪声、大动态范围等优点，因此在许多领域具有广泛的应用。
2.1 光通信光接收机在光通信领域中扮演着重要的角色。
光纤通信系统中的光接收机能够将光信号转换为电信号，并经过解调处理，从而实现数据的传输和通信。
光接收机的高速度和低噪声特性使其在长距离光纤通信和高速数据传输中具有独特的优势。
2.2 光信号检测光接收机也广泛用于光信号的检测。
例如，在光电子学实验中，光接收机可用于检测光的强度、频率和偏振等信息。
此外，在光谱分析和光学传感器中，光接收机也可以用于检测光信号的特征和变化。
2.3 光电子设备光接收机还可以被应用于光电子设备中。
例如，在光纤传感器中，光接收机可用于接收传感器部件发出的光信号，并转化为电信号进行处理和分析。
在光存储器和光计算机中，光接收机也是必不可少的组成部分。
2.4 其他领域除了以上几个主要领域，光接收机还可以用于激光雷达、光学成像、光电测量等应用中。
在这些领域中，光接收机能够帮助我们获取到光信号中的有用信息，并实现相关的应用和功能。
3. 总结光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
无源光接收机 原理
无源光接收机原理无源光接收机原理什么是无源光接收机？•无源光接收机是一种用于光通信中的接收器，它能够接收和解码经过光纤传输的光信号。
光接收机的基本工作原理•光接收机的基本工作原理是利用光电探测器将光信号转化为电信号。
光电探测器的种类1.PIN光电二极管•PIN光电二极管是一种常用的光电探测器，它利用光敏元件和pn 结构的二极管结合，将光信号转化为电信号。
2.APD光电二极管•APD光电二极管是一种具有内建增益的光电探测器，它能够将弱光信号放大，提高接收灵敏度。
无源光接收机的工作过程1.光信号的接收•无源光接收机首先接收通过光纤传输的光信号。
2.光信号的解调•光信号经过光电探测器转化为电信号后，还需要进行解调，将其还原为原始数据。
3.电信号的处理•解调后的电信号经过滤波、放大等处理后，进一步提取有用的信息。
4.数据的输出•最后，处理后的数据将被输出到其他设备或系统中。
无源光接收机存在的挑战和解决方案1.光纤损耗•由于光纤传输过程中存在损耗，光信号可能会变弱甚至丢失。
解决方案是使用光放大器增强信号。
2.光电探测器的噪声•光电探测器本身会引入噪声，降低接收灵敏度。
解决方案包括使用低噪声的光电探测器和信号处理算法。
3.多径干扰•多径干扰是由于光信号经过不同路径传输导致的，会降低接收的信号质量。
解决方案是使用均衡器对信号进行补偿。
4.光信号与背景噪声的干扰•光信号容易受到背景光的干扰，影响接收到的信号质量。
解决方案包括使用光滤波器和调整接收器的工作波长。
结论无源光接收机通过利用光电探测器将光信号转化为电信号，并经过解调和处理，实现对光信号的接收和解码。
然而，由于光纤损耗、光电探测器噪声、多径干扰以及背景噪声的干扰等问题，无源光接收机在实际应用中面临一定的挑战。
通过使用光放大器、低噪声光电探测器、信号处理算法、均衡器以及光滤波器等解决方案，可以提高无源光接收机的性能和可靠性。
无源光接收机原理什么是无源光接收机？•无源光接收机是一种用于光通信中的接收器，它能够接收和解码经过光纤传输的光信号。
光接收机的结构和原理
光接收机的结构和原理光接收机：光信号经过长距离传输后，受到光纤的损耗、色散和非线性效应的影响，不仅幅度被衰减，而且波形被展宽和变形。
光接收机的作用是将光信号转变成电信号，同时要对接收到的信号进行整形、放大和再生。
光接收机的结构和原理根据光接收机是否设置本振激光器，光检测的方式可分为直接检测和相干检测两类。
直接检测不需要在接收机中设置本振激光器，实现简单，成本低，但它只能检测光信号的强度信息。
相干检测需设置本振激光器，而且还要保持本振激光器与信号光之间的相干性，实现复杂，但它却可以检测光信号的相位信息。
当前，低于40Gbps的光纤通信系统大多数采用直接检测方式。
下面以直接检测的数字光接收机为例，说明其主要组成，如下图所示：直接检测数字光接收机包括光检测器、前置放大器、主放大器、自动增益控制(AGC)电路、均衡器、判决器和时钟恢复电路这七个主要部分，各部分的功能如下：光检测器：负责进行光电转换，也就是对光信号进行解调。
前置放大器：负责对光检测器产生的微弱信号进行放大，它对整个放大器的输出噪声影响最大，因此它必须是低噪声和髙带宽放大器。
主放大器：提供足够的增益，将输入信号放大到判决电路所需要的电平(峰-峰值一般为1〜3V)。
自动增益控制电路：可以控制主放大器的增益，使输出信号的幅度保持在一定范围内。
均衡器：对主放大器输出的失真的数字脉冲进行整形，保证判决时不存在码间干扰，以得到最小的误码率。
判决器和时钟恢复电路：负责信号的再生。
为了精密地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息，以此作为标定，以保证与发射端的一致。
如果在发射端进行线路编码(或扰码)，那么在接收端需要存相应的译码(或解扰）器。
上述接收机也归成这样三个主要功能模块：①将光检测器和前置放大器这两部分组合在一起，称为光接收机的前端，它是光接收机的核心；②将主放大器、均衡器和自动增益电路这三部分组合一起，构成接收机的线性通道，它用来放大和过滤信号；③将判决器和时钟恢复电路这两部分组合在一起，构成接收机的数据恢复部分。
光纤通信ppt概要
2 1 Rt2
2Ct2
d 2
Rt Rb // Ra ； Ct Cd Cs Ca ；ZT 是放大器、均衡滤
波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传
递关系，实为转移阻抗
可以看出：①偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；② 输入电阻Rt越大、输入电容Ct越小，串联电压噪声源对 总噪声的影响越小
4．APD的过剩噪声
APD的过剩噪声系数为
g2
g2
F G
g2
G2
在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指
数来表示过剩噪声系数，即
F G≈Gx
3.3 放大电路及其噪声
3.3.1 噪声的数学处理
1．噪声的统计性质
对噪声的分析应采用随机过程的分析方法 电阻内部微观粒子的热骚动是一个随机过 程
对于随机噪声XN来说，落在x1和x1+dx1之 间的概率是
2kK gm
gSmi 是FE场T，效应管0.7的；跨对导G；aA是s F器ET件，的 ≈数值1.系1 数，对
（3）输出瑞的总噪声功率
当得vn2aR到b足2RkbK够 e大0Igate时 2，kgKm上vRn1b式a2 中 C的gZtmT2第 一2 d2项 2可kgKm以 C2忽t2 略 ，Z T 因 此2 2d
3.3.3 场效应管和双极晶体管
的噪声源
1．输入端的等效电路及噪声源
场效应管的主要噪声源有两个 : 栅漏电流的散粒噪声 沟道热噪声
（1）散粒噪声
散粒噪声其功率谱密度为 SI e0Igate e漏0为电电流子电荷，e0 1.61019C，Igate是场效应管的栅
（2）沟道热噪声 功率谱密度为
d iout df
3.2.1
PN 结 的 光
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号并转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍光接收机的结构和原理，以匡助读者更好地理解该设备的工作原理和性能。
一、光接收机的结构光接收机通常由以下几个主要组成部份构成：1. 光探测器：光探测器是光接收机的核心部件，用于将光信号转换为电信号。
常见的光探测器包括光电二极管（Photodiode）和光电导（Phototransistor）等。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结时，会产生电流。
光电导是一种具有放大功能的光电二极管，它可以将光信号转换为电流信号，并通过放大电路放大电流信号。
2. 光电转换电路：光电转换电路用于将光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大。
光电转换电路通常包括前置放大电路、滤波电路和放大器等。
前置放大电路用于提高光电二极管或者光电导的灵敏度，滤波电路用于滤除噪声和杂散信号，放大器用于放大电流信号，以便进一步处理和解析。
3. 接收电路：接收电路用于对光电转换电路输出的电压信号进行解码和处理。
它通常包括解调电路、解码电路和信号处理电路等。
解调电路用于将调制的光信号解调为基带信号，解码电路用于将基带信号解码为原始数据信号，信号处理电路用于对原始数据信号进行滤波、放大和整形等处理，以便进一步应用和分析。
4. 光纤连接器：光纤连接器用于将光接收机与光纤连接起来，以实现光信号的传输。
常见的光纤连接器有FC、SC、LC等不同类型，它们具有低插损、高耐用性和良好的光学性能，能够确保光信号的高质量传输。
二、光接收机的工作原理光接收机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 光信号接收：光接收机首先接收来自光纤的光信号。
光信号通过光纤传输到光接收机的光探测器。
2. 光电转换：光探测器将接收到的光信号转换为电信号。
光电二极管或者光电导在光照射下产生电流，电流的大小与光信号的强度成正比。
3. 电信号放大：光电转换电路对光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号进行放大。
CATV光接收机原理及应用
CATV光接收机原理及应用一、光接收机的原理光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，主要用于光纤通信系统中。
CATV光接收机是一种专门用于有线电视（CATV）系统中的光接收机，其原理与一般光接收机相似。
1. 光接收原理光接收机的核心部件是光电二极管（Photodiode），它能够将入射光信号转换为相应的电流信号。
当光信号照射到光电二极管上时，光子能量被转化为电子能量，产生电流。
光电二极管的结构使得电流与入射光的强度成正比。
2. 光电二极管的特点光电二极管具有高速响应、宽频带、低噪声等特点。
它能够接收到不同频率范围内的光信号，并将其转换为相应的电信号。
在CATV系统中，光接收机通常使用高速响应的光电二极管，以满足高频率的信号传输需求。
二、CATV光接收机的应用CATV光接收机主要应用于有线电视系统中，用于接收光纤传输的电视信号，并将其转换为电信号，以供后续的信号处理和分配。
1. 光纤传输CATV系统中使用光纤作为信号传输介质，光接收机负责接收光纤传输的信号。
光纤具有高带宽、低损耗、抗干扰等优点，能够有效地传输大量的电视信号。
2. 光接收与信号处理光接收机接收到光纤传输的信号后，将其转换为电信号，并进行一些信号处理，如放大、滤波等。
这些处理能够提高信号的质量和稳定性，以保证电视信号的正常播放。
3. 信号分配经过信号处理后的电信号将被分配给不同的终端用户。
CATV系统中通常有多个用户需要接收电视信号，光接收机通过信号分配器将信号分发给各个用户，以满足用户的需求。
4. 光接收机的特点CATV光接收机具有高灵敏度、低噪声、稳定性好等特点。
它能够接收到较弱的光信号，并将其转换为可靠的电信号输出。
这些特点使得CATV光接收机在有线电视系统中得到广泛应用。
三、CATV光接收机的性能指标CATV光接收机的性能指标对于系统的稳定运行和信号质量的保障至关重要。
以下是一些常见的CATV光接收机性能指标：1. 接收灵敏度接收灵敏度是指光接收机能够接收到的最小光功率。
光接收机的结构和原理
光接收机的结构和原理光接收器，又称为光电探测器或光检测器，是光通信系统中重要的组成部分。
它用于将光信号转换为电信号，并在接收端进行信号放大和处理。
光接收器的结构和原理决定了其灵敏度、速度和可靠性等特性。
在典型的光接收器中，可以找到以下几个主要组成部分：1.光电转换器：光电转换器通常由光电二极管、光电效应材料或光伏电池等组成。
它的作用是将光信号转换为电荷或电压。
2.前放器：前放器用于放大光电转换器输出的电信号。
它通常由放大器、滤波器和电源等组成。
前放器的作用是增强信号强度，并提高信号噪声比。
3.可调增益控制器：可调增益控制器用于控制信号放大倍数。
光接收器通常需要调整增益来适应不同的光信号强度。
可调增益控制器允许用户根据需要调整放大倍数。
4.信号处理电路：信号处理电路用于对接收到的光信号进行处理。
它通常包括滤波器、放大器、时钟恢复电路和调制解调器等。
信号处理电路的作用是提取和解码光信号中的信息。
5.输出接口：输出接口用于将处理后的电信号传递给下游设备或系统。
它通常包括电缆连接器、光纤连接器和电路板连接器等。
光接收器的原理基于光电效应，即光照射到特定材料上时会产生电流或电荷。
光接收器的工作流程如下：1.光信号输入：光信号通过光纤或其他光路输入到光接收器中。
2.光电转换：光信号照射到光电转换器上，激发光电效应材料中的电子。
这些激发的电子会产生电流或电荷，并通过引出线路传输出来。
3.信号放大：经过光电转换的信号被传输到前放器中。
前放器对信号进行放大和滤波，以增强信号强度并减小背景噪声。
4.增益控制：可调增益控制器调整信号的放大倍数。
这是为了适应不同的信号强度，避免信号过载或衰减。
5.信号处理：信号处理电路对信号进行进一步的处理，如滤波和解调。
滤波器可以去除噪声和杂散信号，解调器可以提取和恢复光信号中的编码信息。
6.输出信号：经过处理的信号通过输出接口传输给下游设备或系统，进行后续的数据处理或应用。
光接收器的性能由其结构和原理决定。
光接收机的结构及原理(精)
光接收机的结构及原理一、光接收机的概述光接收机（Optical Receiver）是指把光信号转换成电信号的装置，常用于光纤通信等场合。
光接收机又称为光检测器，光探测器（photo-detector）或光电转换器（Optical-to-Electrical Converter，OEC）。
光接收机必须能够快速、准确地将光信号转换为相应的电信号，而且要具备良好的稳定性和抗干扰能力。
二、光接收机的结构光接收机通常由以下五个部分组成：•光纤接收头•光电转换器•前置放大器•滤波器•后置放大器2.1 光纤接收头光纤接收头是光接收机的入口部分，主要功能是把光纤中传输的光信号转换成电信号，进一步进行处理。
光纤接收头由透镜、滤波器、光电转换器等部分组成，一般都是具有高精度、高质量、高稳定性的组件。
2.2 光电转换器光电转换器是光接收机的核心组件，它是将光信号转换成电信号的装置。
光电转换器通常采用半导体材料，如硅、锗、InGaAs等材料制造而成。
光电转换器有两个电极，当光照射在光电转换器上时，产生光电效应，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
2.3 前置放大器前置放大器是光接收机的信号前置放大器，主要功能是将弱电信号进行放大，增强信号的强度，减少噪声对信号的影响。
前置放大器一般采用低噪声放大器，能提高信噪比，保证信号的传输质量。
2.4 滤波器滤波器是光接收机中的重要组成部分，主要通过选择特定的频率范围内的电信号，剔除掉干扰信号，使得输出信号更加纯净。
滤波器的种类有很多，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
根据需要选择不同的滤波器，进行信号的处理和滤波。
2.5 后置放大器后置放大器是光接收机的信号后置放大器，主要作用是对放大信号进行进一步的增强，以达到输出信号的高质量、高精度和高效率。
三、光接收机的原理光接收机的原理是光电转换技术，即把光信号转换为电信号。
它的基本原理是：在光电转换器中，光束在达到光电转换器表面后，被半导体吸收产生电子-空穴对，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
第三章-光接收机
光纤通信 第3章
21
2、 雪崩光电二极管
(APD，Avalanche Photodiode)
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
光纤通信 第3章
22
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
第 3 章 光接收机
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
光纤通信 第3章
1
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光电二 极管
光纤
放大器 判决器
光接收机
光接收机是光纤通信系统的重要组成 部分，其作用是将光信号转换回电信 号，恢复光载波所携带的原信号。
耗尽区
P
N
• 电子空穴对在电场的作 用下定向运动, 形成光电流
h > Eg 或 hc / Eg
光纤通信 第3章
11
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
1 24 Eg (eV )
(μm)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6-1.7 m
形成纯空穴电流注入 高场区，减小过剩噪声 ，加大增益。
光纤通信 第3章
26
新型光电检测器
行波光电二极管
解决响应速度和量子效率对I区要求的矛盾。
光纤通信 第3章
第五章光检测器和光接收机课件
3.噪声
噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度
光电二极管的噪声:包括散粒噪声和热噪声。 噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗
的噪声功率)来描述。
.
(1)散粒噪声: 是由于带电粒子产生和运动 的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白 噪声。
包括:量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声 量子噪声: 是由于光电子产生和收集的统
▪ Si材料制作的PIN光电二极管， c≈1.06um ▪ Ge材料制作的PIN光电二极管， c≈1. 6um
.
※ 入射光波长太短时,光变电的转化效率也会大 大下降。
原因:当入射光波长很短 时, 材料的吸收系数变得 很大, 结果使大量的入射 光子在光电二极管的表 面层(如P区)就被吸收。
.
光电二极管的表面层往往存在一个零电场的区域, 当电子-空穴对在表面层（如P区）里产生时, 少数载流 子首先要扩散到耗尽层, 然后才能被外电路收集。
层的厚度 w要足够大。
.
2.暗电流
暗电流Id: 是在反向偏压条件下，没有入射 光时，光电二极管产生的反向电流。
包括: 晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和 载流子热扩散形成的本征暗电流。
暗电流与光电二极管的材料和结构有关 例如: Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的 PIN，Id>100 nA。
.
注意：如果入射光子的能量小于 E g 时，不 论入射光有多么强，光电效应也不会发生。 即光电效应必须满足条件
hf Eg
或
hc Eg
式中：c是真空中的光速；是入射光的波长；
h是普朗克常量；E
是材料的禁带宽度。
g
.
二. 光电二极管的波长响应
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号的设备，它的主要功能是将光信号转换为电信号，以便进一步处理和传输。
在光纤通信系统中，光接收机起着至关重要的作用，它能够接收光纤中传输的光信号，并将其转换为电信号，然后通过电路进行放大、滤波和解调等处理，最终将信号传递给接收端设备。
光接收机的结构通常包括光电转换器、前置放大器、电路滤波器和解调器等组成部分。
下面将详细介绍这些组成部分的工作原理和功能。
1. 光电转换器：光电转换器是光接收机的核心部分，它能够将光信号转换为电信号。
光电转换器一般由光电二极管或光电探测器组成，当光信号照射到光电转换器上时，光子能量会激发光电转换器内的电子，使其跃迁到导带，从而产生电流。
这个电流信号就是光信号经过转换后的电信号。
2. 前置放大器：光接收机中的前置放大器主要负责放大光电转换器输出的微弱电信号，以增强信号的强度。
前置放大器通常采用高增益、低噪声的放大器芯片，可以通过调节放大倍数来适应不同信号强度的接收。
3. 电路滤波器：电路滤波器用于滤除光接收机中的杂散信号和噪声，以保证信号的纯净度和可靠性。
电路滤波器可以根据需要选择不同的滤波器类型，如低通滤波器、带通滤波器等，以滤除不同频率范围内的干扰信号。
4. 解调器：解调器是光接收机中的最后一个环节，它负责将经过放大和滤波处理后的电信号解调为原始的信息信号。
解调器根据光信号的调制方式选择不同的解调算法，如频率解调、相位解调等，以还原出原始的信号。
除了以上核心组成部分，光接收机还可能包括其他辅助部件，如光电转换器的驱动电路、温度控制模块等，以提高设备的性能和稳定性。
总结起来，光接收机的工作原理是通过光电转换器将光信号转换为电信号，然后经过前置放大、滤波和解调等处理，最终将信号传递给接收端设备。
光接收机的结构主要包括光电转换器、前置放大器、电路滤波器和解调器等组成部分。
这些组成部分相互配合，共同完成光信号的接收和处理任务，从而实现光纤通信系统的正常运行。
光接收机的组成
光接收机的组成光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，它是光通信系统中不可或缺的组成部分。
光接收机的主要功能是将光信号转换为电信号，以便于后续的处理和传输。
下面将从光接收机的组成部分来详细介绍光接收机的工作原理。
1. 光探测器光探测器是光接收机的核心部件，它的作用是将光信号转换为电信号。
光探测器的种类有很多，常见的有光电二极管、PIN光电二极管和APD光电二极管等。
其中，APD光电二极管具有较高的灵敏度和增益，适用于长距离高速传输。
2. 放大器由于光信号在传输过程中会受到衰减，因此需要在光接收机中加入放大器来放大电信号。
放大器的种类有很多，常见的有前置放大器和后置放大器。
前置放大器一般放置在光探测器前面，用于放大光信号；后置放大器一般放置在光探测器后面，用于放大电信号。
3. 滤波器滤波器的作用是滤除杂散信号和噪声，保证信号的纯净性。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。
在光接收机中，一般采用带通滤波器，以保证信号的频率范围在合理的范围内。
4. 信号处理电路信号处理电路的作用是对电信号进行处理，以便于后续的传输和处理。
常见的信号处理电路有限幅电路、时钟恢复电路和误码率测试电路等。
限幅电路用于限制电信号的幅度，以避免过大或过小的信号对后续处理的影响；时钟恢复电路用于恢复信号的时钟信息，以便于后续的同步处理；误码率测试电路用于测试信号的误码率，以评估系统的性能。
5. 控制电路控制电路的作用是对光接收机进行控制和管理。
常见的控制电路有自动增益控制电路、自动偏置控制电路和温度控制电路等。
自动增益控制电路用于自动调节放大器的增益，以保证信号的稳定性；自动偏置控制电路用于自动调节光探测器的偏置电压，以保证信号的灵敏度；温度控制电路用于控制光接收机的温度，以保证系统的稳定性。
光接收机是由光探测器、放大器、滤波器、信号处理电路和控制电路等组成的。
它的主要作用是将光信号转换为电信号，并对电信号进行处理和控制，以保证系统的稳定性和性能。
光接收机(二)
•光接收机存在的噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声 •在光接收机中，尽管各级放大器均会引入附加噪声，但 只要第一级放大器的增益很大，以后各级的噪声就可以忽 略，放大器的输出噪声主要由前置级所决定
Sq
Sd
SI
SE ～ <u 2 > 0 放 大 器
ip
<i2 > q
<i2 d>
R
C
Rin <i2 0>
σ σ = Sq f df = 2eI p B = 2eRPB
2 s 2 q -
暗电流噪声的噪声方差：
σ = Sd f df = 2eI d B
2 d -
总噪声：
2 2 PIN s2 d 2e I P Id B
信号电流：
I s I p RP
信号电流：
I s I p RPg
3、前置放大器噪声
放大器分解为:
理想放大器，放大器的输入电阻Rin 等效噪声电流源〈i02〉，相应的功率谱密度 SI 等效噪声电压源〈u02〉，相应的功率谱密度 SE
Sq
Sd
SI
SE ～ <u 2 > 0 放 大 器
ip
<i2 > q
<i2 d>
R
C
Rin <i2 0>
足够小的噪声、适当的带宽和一定的增益。前置放大器的噪 声对光接收机的灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前
放可供选择：低阻型前置放大器、高阻型前置放大器、跨阻 型（转移阻抗型）前置放大器。
1、低阻型前置放大器： 技术要求：系统对带宽的要求较高，对噪声特性要求较低。 设计思路：从频带要求出发选择偏置电阻 设前放输入回路的总并联电阻为 Rt，总并联电容为 Ct，则应使输入回路 的RC时间常数（τ=RtCt）尽量小以满足带宽的要求，即有 Rt≤1/2πBwCt 式中，Bw为码率所要求的放大器的最小带宽。当光接收机接收码流的码 率为fB(bit/s)时，放大器的带宽应为 Bw≥fB/2 电路特点：频带宽，电路简单，接收机不需要或只需要很少的均衡，动 态范围较大；由于前放输入回路的电阻值较小，噪声较大。 适用对象：高速数字光纤通信系统的光接收机中
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第三部分光接收机的结构及原理在有线电视 HFC 网络中, 光接收机通常位于光纤接点和有线电视的前端位置,它的主要功能是把光信号转变为 RF 信号,前面已经详细讲述了光探测器、光接收组件的原理及应用。
光探测器是实现光 /电转换的关键部件,其质量的优劣决定了光接收机的性能指标与档次,光接收组件是光探测器与前置放大器的组合,在光接收机中, 无论是分离组件还是一体组件, 该部分的成本比重都比较大, 与光发射机的激光器一样, 不仅决定了光接收机的性能指标, 还将决定光接收机的价格。
光接收的整机组成主要由光接收组件、功率放大模块及其附属功能电路组成, 除光接收组件外, 功率放大模块是光接收机的第二大核心元件。
即使是采用相同的组件,由于采用不同档次、不同价位的放大模块组合, 整机也会有显著不同。
有线电视技术发展到今天, 光接收机采用分离元件制作放大模块已不多见, 基本上全采用集成一体化组件结构。
该结构模块大多属于厚膜集成电路, 它是用丝网印刷和烧结等工艺在同一陶瓷基片上制作无源网源, 并在其上组装分立的半导体芯片或单片集成电路、放大三极管管芯等, 另外再外加塑料密封,防止潮气、杂质的进入。
一、光接收机常用的放大模块介绍能用于光接收机的模块有众多型号,排除品牌命名的差异,根据放大模块的增益划分有 14dB 、 18dB 、 20dB 、 22dB 、 27dB 等,用于单模块放大器的 34dB 的放大模块在光接收机中少有应用,当然也不排除低档光接收机应用的可能。
根据放大模块具体放大电路结构的不同划分:有推挽放大模块、功率倍增放大模块两种,而根据放大元件工艺的不同,放大模块又分为硅放大工艺、砷化镓工艺两种,在光接收机中采用的模块的命名, 一般以推挽和功率倍增为主要区分, 同时附加增益的差异与器件工艺, 如果不说是砷化镓工艺模块则所说的放大模块一般都是指硅工艺。
1.推挽放大模块的原理及结构。
在实用的放大电路中,三极管的集电极并非总有电流流过, 根据集中极电流导通时间的长短, 通常把放大器分成甲类、乙类、丙类等。
在输入信号的整个周期中都有电流流过集电极的放大器称为甲类放大器; 只有在输入信号的半个周期内有集中极电流的放大器称为乙类放大器; 在小于输入信号半个周期内有集中极电流的放大器称为丙类放大器。
在许多实用的放大电路中, 为了提高放大效率通常都需要把工作点移到截止区, 即采用半周导通的乙类工作状态, 这时若仍采用一个晶体管, 输出信号中将只出现一半波形,将发生严重的截止失真。
为了解决这个问题,可采用两只特性完全相同的晶体管, 使其中一只晶体管在正半周导通, 另一晶体管在负半周导通, 最后在负载上合成完整波形, 这就是推挽放大电路。
下图是推挽放大电路的结构示意图:输入信号经过高频传输变压器 B1, 反相加在晶体管 VT1和 V T2上, 被放大后各自在半个周期内产生半个波, 在变压器 B2上反相叠加,重新合成完整波形输出,由于输出信号反相叠加,其中的直流分量和非线性失真中的偶次谐波互相抵消。
降低了直流工作点, 使变压器中流过电流减少, 从而体积可以做得较小, 进一步提高了放大器的输出功率和效率;更为重要的是,偶次谐波的抵消,减少了放大器的非线性失真,对提高有线电视系统的非线性失真指标具有重要意义。
在实际应用中,通常采用两组推挽电路并接的方法,构成桥式结构, 则每级推挽电路在负载上的直流电压可抵消, 从而简化电路结构。
在推挽电路中, 两个极性相同晶体管的特性应尽可能一致, 两个极性相反晶体管的特性应尽可能互补, 才能最大限度的抵消输出信号中的偶次谐波失真, 若在电电路中引入负反馈, 非线性失真还可进一步减小。
下图是商用化模块常采用的电路结构。
该模块用了共射——共基极放大推挽输出, 4个 NPN 型晶体管两两接成共射—共基极组合放大电路,它们再通过输入、输出变压器接成推挽电路。
共射—共基电路的特点是:简单高效,在选定最佳 e 极电流的情况下,此电路能有效的减小集电极非线性及 e — b 结非线性。
此电路采用低射极电阻和高并联电阻取得高增益, 又由于采用了低噪声晶体管使模块的噪声系数降到了尽可能低的程度。
总之该电路集中了共射—共基组合电路和推挽电路的优点, 电路的工作频率得到提高,最大带宽目前做到 1GHZ ,对于 14— 22dB 增益的模块基本上采用一级推挽结构,对于 27—34dB 的高增益放大模块通常采用两极推挽结构组成, 两级推挽的放大电路完全类似, 这样第一级推挽的放大增益可达 22dB ,二级放大增益可达 34dB 以上。
2.功率倍增放大模块的结构及原理。
功率倍增放大模块在光接收机中有大量应用,主要用于光接收机的输出级,提高整机的带负载的能力。
按增益的不同划分,通常有三种功率倍增模块:14dB 、 18dB 、 20dB 。
其中 20dB 增益功率倍增模块较为常见。
功率倍增模块的设计基础是用 2个普通的 IC 放大级并联。
其输入端有一个分路器,输出端有一个合成器,理论上其各引入大约 3dB 的损耗,因而送到每个 IC 放大级的输入信号比送到这个放大模块的输入信号低 3dB , 两个并联级各将信号放大, 它们的输出再合成起来,因为两个信号是同相位的,是电压相加,因此输出信号电平比用一级的增益提高了 6dB ,但在合成器中降低了 3dB 。
由于每一个 IC 级的输入信号因分路器又降低了 3dB ,因此,所有这些的最终结果是倍功率增益放大器与其中任一个单独的IC 放大器的增益完全相同,然而每个 IC 实际工作在比额定输出低 3dB 的电平上,失真就降低了 6dB 。
低失真是功率倍增放大技术的优点。
但由于采用两个 IC 放大级并联,功率消耗就加倍了,同增益的功率倍增模块的工作电流是推挽放大模块的 2倍, 因而功率倍增模块的散热不容忽视, 下图是商用化的功率倍增模块常采用的放大电路,供参考。
3.砷化镓工艺与硅工艺的差别砷化镓工艺放大模块是近几年才发展起来的,用砷化镓金属场效应管设计的模块具有优良的低噪声特性,同时具有优良的低失真特性, 其不足之处是抗冲击能力比较弱, 静电就能使之损坏, 输出能力有欠缺,主要是在高电平输出时出现硬压缩特性。
为便于读者理解 Si 工艺和 GaAs 工艺,下表从多项技术指标加以比较:关于两种工艺放大模块压缩特性的比较:一个理想的信号经过不同的放大器件,都会有或多或少、不同类型的失真现象。
其压缩波形变化如下图所示:Si 工艺的放大有软压缩, GaAs.MESFET 有硬压缩, 很显然硬压缩现象对信号本身的影响最明显, 即削顶现象, 通过傅立叶变换可以看出, 这样的波形含有很多失真分量, 严重时图像会出现干扰条纹; 而对于数字电视信号来讲,误码率会提高,图像会出现马赛克,甚至数据帧丢失。
硅的软压缩特性要比 GaAs 的硬压缩特性好的多,尤其体现在动态幅度较大的数字信号传输中。
鉴于 GaAs 工艺放大具有优良的低噪声、低失真特性,而同时又有硬压缩的特性,目前 GaAs 技术在放大模块的应用中,为了克服 GaAs 技术的弱点, 发挥其放大优势, 一般都采用 GaAs+Si混合技术, 并不采用单一的 GaAs 工艺构建放大模块。
当然在光接收组件中的前置放大器由于处于小信号放大状态, 可以采用纯 GaAs 工艺放大。
Ga As+Si混合技术通常是在模块的输入级和放大级采用 GaAs 工艺的管芯或贴片放大管,而在模块的输出级采用 Si 材料放大管,这种结构的放大模块具有实出的优点:(1在输入级采用 GaAs 放大管可以降低噪声的引入获得理想的噪声系数Nf 。
(2在放大级采用 GaAs 放大管可以保证模块的线性指标和非线性指标。
(3在输出级采用 Si 材料放大管,可以保证模块的输出能力和抗冲击能力,克服 GaAs 放大管负载能力比较低、比较脆弱的缺陷。
(4 GaAs+Si混合技术可以有效的改善纯GaAs 技术的硬压缩特性,使模块的压缩性能比较平缓, 减少信号失真, 特别对于数字信号的传输可以有效的降低误码率。
实验表明 GaAs MESFET 技术在 46dBMV 时,就会出现拐点,压缩特性急剧变差, CTB 、CSO 指标明显下降, 采用 GaAs+Si混合技术可有效提高模块的输出电平。
二、光接收机的结构及原理。
目前市场上的光接收机主要有两个大的分类:光接收机、光工作站;而光接收机又分为两种:一种是二端口光接收机,另一种是四端口光接收机。
在 HFC 网络光接点的设备中,二端口光接收机占有相当大的比重。
因而此处以两端口光接收机为例介绍其功能及原理。
针对于二端口光接收机是指有 2个主输出端口, 可能还同时具有一个或二个测试端口。
不同品牌的二端口光接收机, 其内部功能及工艺相差较大, 但其基本功能结构是一致的, 常见的二端口光接收机的结构如下图所示:从上图可以看出两端口光接收机主要由:光接收组件、光功率指示、前后级RF 功率放大、频响校正器、正反向增益调节与均衡调节器、回传放大、回传发射组件,输出插件等组成,采用同种上述基本结构的光接收机, 其主要差别在整机的工艺水平、各功能组件的布局安排的差异,任何一台二端口光接收机都能找到上述各功能组件。
鉴于目前 HFC 网络光点的覆盖范围越来越小, AGC 控制已无用武之地,在市场上具有 AGC 功能的二端口光接收机已很少见。
下面分别讲述光接收机各功能组件的原理及功能。
1.光接收组件。
前面已经详细讲述了光接收组件的不同种类及特点。
鉴于光接收组件已完全实现国产化, 在光接收的应用中也只有分离组件与集成一体组件的区别, 下面为集成一体组件与分离组件的差异。
从上面的比较可以看出,集成一体化组件具有明显的优势, 是有线电视技术发展的趋势, 除了一般性指标外, 集成一体化组件兼有温度控制功能。
单从这一功能来说, 在分立组件中由于 PIN 管距离前置放大相对较远,其受前置放大温度的影响相对较轻,温度对 PIN 管的影响的矛盾并不十分突出。
如果集成一体组件中没有温控电路, 由于 PIN 管与前置放大紧密结合,虽然有模块的底座散热条散热, P IN 管的温升仍然比较明显,尤其是组件中配置大电流、高增益的前置放大,温升就越大,目前绝大部分国产组件都没有温控电路,而且有些生产厂家为了寻找卖点, 采用大增益的前置放大器, 导致组件的工作电流较大, 从而使组件的温升变大, 影响 PIN 管的性能。
进口的名牌组件目前已有大部分产品采用温控功能电路, 保证组件的温升对 PIN 管的影响最小。
带温度补偿电路的光接收模块具有明显的优点:组件性能随温度变化小, 噪声系数指标得到较好的改善, 相对于指标的优化,成本就非常低。
为了说明问题,下面对组件有无温控的性能作一对比:目前在高档光接收机中都采用具有温度补偿功能的集成组件,以提高整机的环境适应性。