7 光接收机

例 (续)
对于一个速率为622Mb/s的 链路，要得到相同的通话效 果 (11分钟才有一个误码)， 则要求BER为10-11或10-12， 这就表示至少要求 V/ = 13
系统速率越高对信噪比的要求越高
BER与信噪比的关系曲线
光检测器的量子极限
定义：没有暗电流的情况下，对于达到特定误码率时所需的最 小接收机功率称为量子极限
1
ex2 dx
Q/ 2
其中
1 2
1
erf
Q 2
1 eQ2 / 2
2 Q
Q vth boff bon vth
off
on
erf x 2 x ey2 dy
0
当on = off = 且boff=0, bon=V, 则vth = V/2
Pe
V
1 2
1
erf
1 22
V
峰值均方根信噪比
bn 0 or 1
脉冲序列导致光电二极管在时间t内的平均输出电流为：
it
MP t
M bnhp t
nTb
n
此电流经过放大可产生一个电压信号
I p q
P hv
本章讨论的主要问题
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
7.2 数字接收机性能
光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下， 等于误比特率，BER)：误判的码元数Ne和接收的总码元数Nt 的比值：
P1(vth)
p vth
y |1 dy
vth
f1( y)dy
1 2 on
vth
exp
v bon
2
2 on
2 dv
误码率 bit-error-rate
设0和1等概率发送，且选取判决电压为
vth = (bonoff + boffon)/(off + on)：
BER Pe Q
线性通道
提供高的增 益，放大到 适合于判决 电路的电平
主放大器
Leabharlann Baidu
均衡器
AGC 电路
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 小的波形
根据输入信号大小自动调整放大器增益，使 输出信号保持恒定，以扩大接收机动态范围
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号
BER Ne Ne Nt Bt
光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。
两种发生误码的情况
给定一个电压v 发送一个"1"脉冲而均衡器输出电压小于v的概率：
P1v
v
p( y | 1)dy
发送一个“0”脉冲而均衡器输出电压大于v的概率：
P0v
p( y | 0)dy
v
误码发生的概率
如果设阈值电压为vth则误码概率定义为：
Pe P vout vth |1P1 P vout vth | 0P0 aP1 vth bP0vth
加权因子a和b是先验概率，或代表1或0出现的概率
信号幅度高斯分布
如果在任意时间t1对信号电 压v(t) 进行抽样，抽样信号 v(t1)落在(v, v+dv)的概率：
器件的选择
光检测器的选择： 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. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，探测灵敏度高，
但需要较高的偏置电压和温度补偿电路
常用搭配：EDFA光放大器 + pin
前置放大器 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，一般采用基于场效应晶体管(FET)的放大器
造成： WDM系统中多信道之间的串扰 > 40 Gb/s单波长高速信道内的码间串扰
误码源：噪声的干扰
系统的各个环节都会带来噪声，噪声对光信号会产生干扰。如 链路中：
由接收机引入的噪声源如下图所示：
7.1 接收机工作的基本原理
主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增 益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器。
例
信噪比为8.5时Pe = 10-5。对 于一个速率为1.544Mb/s 的 电话接收信号，Pe = 10-5意 味着每0.065秒有一位误码， 这是非常不理想的。
如果将V/ 从8.5 增加至12，
BER就会降到10-9。此时， 每11分钟才有一位误码， 通常这是可以容忍的。
BER与信噪比的关系曲线
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
数字信号传输
系统中的各种干扰 最终产生误码
误码源：码间串扰
光纤色散以及非线性效应导致展宽，使比特能量向其它比特 泄漏，导致接收机0和1的判决误码
误码源：非线性损伤
光纤传输中的非线性效应：
1. 布里渊散射 2. 拉曼散射 3. 交叉增益调制 4. 交叉相位调制 5. 四波混频
光信号
前置放大器 主放大器 光检测器
均衡器
再生码流 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
基于强度调制的数字接收机模型
光接收机的核心部分：前端
前置放大器 光信号
光检测器
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信号，
然后进行预放大，以便后级作进一步处理 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
对某时隙的码元进行判 决，恢复原始信息
再生码流 判决器
时钟 提取
为精确确定“判决时刻”，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
接收的信号
入射到光检测器的二进制数字脉冲序列表示为：
P t
bnhp t
nTb
n
其中P(t)是接收光功率 Tb是比特周期 bn是第n位二进制数 hp(t)是接收脉冲的波形
f (v)dv
1
2
exp
v m2
2 2
dv
单比特误码率
发送0码时被误判为1的概率，即噪声脉冲超过阈值vth的概率：
P0 (vth ) vth p y | 0 dy vth f0 ( y)dy
1 2 off
exp
vth
v boff
2
2 off
2 dv
类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：
光纤通信原理
Optical Fiber Communications
太原理工大学物理与光电工程学院 College of Physics and Optoelectronics of TUYT
第七章 光接收机
本章讨论的主要问题
接收机的任务 1. 检测出因为长途传输而变得很微弱的信号 2. 从受到各种干扰的信号中恢复出原始数据
在这种极限条件下，检测器性能仅受限于光检测过程的统计特