光接收机灵敏度
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章
光接收机
7.1 光 接 收 机
7.2 光接收机的误码源
7.3 光接收机的灵敏度
7.1 光 接 收 机
7.1.1光接收机作用
光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生 畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、
整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收
端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中 的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的 主要因素。
增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出
保持恒定。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号
再生码流 为确定是‘1’或是‘0’， 判决器 需要对某时隙的码元作 出判决。若判决结果为 ‘1’，则由再生电路产 时钟 生一个矩形‘1’脉冲； 提取 若判决结果为‘0’，则 由再生电路重新输入一 为了精确地确定“判决时 个‘0’。 刻”，需要从信号码流中 提取准确的时钟信息作为 标定，以保证与发送端一 致
常用的非相干检测方式就是直接功率检 测方式。直接功率检测方式是通过光电 二极管直接将接收的光信号恢复成基本 调制信号的过程。
2. 相干检测方式
就像普通的无线电收音机一样，首先接 收光信号要与一个光本地振荡器在光混 频器混频之后，再被光电检测器变换成
一定要求的电信号，如图7.5所示。
图7.5 相干检测原理
对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。其主要 作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场 效应晶体管(FET)。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大 器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。
光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平 对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形和补偿，使 之成为有利于判 决的码间干扰最 小的升余弦波形
InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图所示， 电元
件集成在 GaAs 基片上，而光检测器集成在 InP 基片上，两个部
分通过接触片连接在一起。
光检测器 N＋-InP 基片 电路部分
P-接触片
N-接触片
GaAs基片
光电集成接收机
光接收机的结构
7.1.3 光解调原理
1. 非相干检测方式
主放大器 均衡器
AGC 电路
根据输入信号 (平均值) 大小自动调整放大器 增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收 机的动态范围。
主放大器
主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高
的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的
信号电平。 自动增益控制（AGC）就是用反馈环路来控制主放大器的
7.1.2光接收机基本组成
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图见图 7.1。 主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。
光信号 光检测器
前置放大器
主放大器
再生码流
均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
前端
线性通道
时钟提取 数据再生
7.1.4 光接收机的指标
对于不同的光纤通信系统，有着不同 的光接收机质量指标。
(1) 光接收机灵敏度
所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码 率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量) 条件下光接收机需要接收的最小平均光功 率(有时也称为平均最小输入光功率)。
(2) 光接收机动态范围
所谓光接收机动态范围，就是指在一定 误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形 失真量)条件下光接收机允许的光信号平 均光功率的变化范围。
图 7.1 数字光接收机方框图
光接收机的前端
光信号 光检测器 前置放大器
偏压控制
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流， 然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便 后级作进一步处理。前端是光接收机的核心 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
器件的选择
通过光数据链路的信号路径
7.1.2 光电集成接收机
图7.1中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很 容易用标准的集成电路 (IC)技术将它们集成在同一芯片上。不 论是硅 (Si) 还是砷化镓 (GaAs)IC 技术都能够使集成电路的工作 带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接 收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包 括光检测器在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs接收 机(即工作在短波长的接收机 ) 是比较容易的，而且早已得到实 现。 然而，对于工作在1.3-1.6μm波长的系统，人们需要基于 InP 的 OEIC 接收机。在 1991 年试验成功的单路 InGaAs OEIC 接 收机，其运行速率达5Gb/s。
光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工 作电压，响应速度快。 B. A百度文库D最大的优点是它具有载流子倍增效应，一般来说其探 测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用pin光电 二极管作光探测器。EDFA + pin同样可以带来高灵敏度。 前置放大器
7.2 光接收机的误码源
7.2.1 光接收机的噪声源
•热噪声 •光子检测 量子噪声 (泊松分布)
•放大器噪声
•体暗电流 •表面暗电流 •统计增益起伏APD(对雪崩光电二极管)
Fig. 7.2: 噪声源和干扰
1. 光电检测器噪声
光电检测器上的噪声包括光检测器产生
的量子（或散弹噪声）、暗电流噪声及表
面漏电流噪声。
2. 热噪声
热噪声包括检测器负载电阻及放大器发 热引起的噪声。
3. 放大器的噪声
7.2.2 光接收机的信噪比
光接收机输出端的信噪比为：
光电流信号功率 S/N 光检测器噪声功率 放大器噪声功率
提高光接收机信噪比的措施：
（1）光检测器必须要有很高的量子效率，以 产生较大的信号功率； （2）使光检测器和放大器噪声保持尽可能低 的值。
光接收机
7.1 光 接 收 机
7.2 光接收机的误码源
7.3 光接收机的灵敏度
7.1 光 接 收 机
7.1.1光接收机作用
光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生 畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、
整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收
端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中 的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的 主要因素。
增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出
保持恒定。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号
再生码流 为确定是‘1’或是‘0’， 判决器 需要对某时隙的码元作 出判决。若判决结果为 ‘1’，则由再生电路产 时钟 生一个矩形‘1’脉冲； 提取 若判决结果为‘0’，则 由再生电路重新输入一 为了精确地确定“判决时 个‘0’。 刻”，需要从信号码流中 提取准确的时钟信息作为 标定，以保证与发送端一 致
常用的非相干检测方式就是直接功率检 测方式。直接功率检测方式是通过光电 二极管直接将接收的光信号恢复成基本 调制信号的过程。
2. 相干检测方式
就像普通的无线电收音机一样，首先接 收光信号要与一个光本地振荡器在光混 频器混频之后，再被光电检测器变换成
一定要求的电信号，如图7.5所示。
图7.5 相干检测原理
对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。其主要 作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场 效应晶体管(FET)。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大 器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。
光接收机的线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平 对主放输出的失 真数字脉冲进行 整形和补偿，使 之成为有利于判 决的码间干扰最 小的升余弦波形
InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图所示， 电元
件集成在 GaAs 基片上，而光检测器集成在 InP 基片上，两个部
分通过接触片连接在一起。
光检测器 N＋-InP 基片 电路部分
P-接触片
N-接触片
GaAs基片
光电集成接收机
光接收机的结构
7.1.3 光解调原理
1. 非相干检测方式
主放大器 均衡器
AGC 电路
根据输入信号 (平均值) 大小自动调整放大器 增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收 机的动态范围。
主放大器
主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高
的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的
信号电平。 自动增益控制（AGC）就是用反馈环路来控制主放大器的
7.1.2光接收机基本组成
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图见图 7.1。 主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。
光信号 光检测器
前置放大器
主放大器
再生码流
均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
前端
线性通道
时钟提取 数据再生
7.1.4 光接收机的指标
对于不同的光纤通信系统，有着不同 的光接收机质量指标。
(1) 光接收机灵敏度
所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码 率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量) 条件下光接收机需要接收的最小平均光功 率(有时也称为平均最小输入光功率)。
(2) 光接收机动态范围
所谓光接收机动态范围，就是指在一定 误码率或信噪比 (有时还要加上信号波形 失真量)条件下光接收机允许的光信号平 均光功率的变化范围。
图 7.1 数字光接收机方框图
光接收机的前端
光信号 光检测器 前置放大器
偏压控制
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流， 然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便 后级作进一步处理。前端是光接收机的核心 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
器件的选择
通过光数据链路的信号路径
7.1.2 光电集成接收机
图7.1中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很 容易用标准的集成电路 (IC)技术将它们集成在同一芯片上。不 论是硅 (Si) 还是砷化镓 (GaAs)IC 技术都能够使集成电路的工作 带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接 收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包 括光检测器在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs接收 机(即工作在短波长的接收机 ) 是比较容易的，而且早已得到实 现。 然而，对于工作在1.3-1.6μm波长的系统，人们需要基于 InP 的 OEIC 接收机。在 1991 年试验成功的单路 InGaAs OEIC 接 收机，其运行速率达5Gb/s。
光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工 作电压，响应速度快。 B. A百度文库D最大的优点是它具有载流子倍增效应，一般来说其探 测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用pin光电 二极管作光探测器。EDFA + pin同样可以带来高灵敏度。 前置放大器
7.2 光接收机的误码源
7.2.1 光接收机的噪声源
•热噪声 •光子检测 量子噪声 (泊松分布)
•放大器噪声
•体暗电流 •表面暗电流 •统计增益起伏APD(对雪崩光电二极管)
Fig. 7.2: 噪声源和干扰
1. 光电检测器噪声
光电检测器上的噪声包括光检测器产生
的量子（或散弹噪声）、暗电流噪声及表
面漏电流噪声。
2. 热噪声
热噪声包括检测器负载电阻及放大器发 热引起的噪声。
3. 放大器的噪声
7.2.2 光接收机的信噪比
光接收机输出端的信噪比为：
光电流信号功率 S/N 光检测器噪声功率 放大器噪声功率
提高光接收机信噪比的措施：
（1）光检测器必须要有很高的量子效率，以 产生较大的信号功率； （2）使光检测器和放大器噪声保持尽可能低 的值。