光纤通信课程光接收机的特性研究

通信系统综合设计与实践
光接收机的特性研究
院（系）名称信息工程学院
电子与通信工程系
专业名称
学生姓名
指导教师
2016年6月16日
课程设计任务书
2015—2016学年第二学期
专业：光电信息科学与工程学号： 37 姓名：郑智虹
课程设计名称：光纤通信系统课程设计
设计题目：光接收机的特性研究
完成期限：自 2016 年 6 月 6 日至 2016 年 6 月 19 日共 2 周
一、设计依据
光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，它的作用是将由光纤传来的微弱光信号转化为电信号，经放大，处理后恢复原信号。

光接收机性能对整个光纤通信系统的传输质量有着很大的影响，通过对光接收机的误码率，灵敏度，动态范围等性能参数的研究，为光接收机的性能检测和维护等方面的工作提供科学的数据参考。

并用Optimist仿真软件进行仿真，搭建光接收机的传输系统平台，通过参数的设置，分析最小误码率下的入纤光功率。

二、要求及主要内容
1．查阅相关文献，掌握影响光接收机灵敏度的因素。

2．学会Optimist仿真软件的使用方法，并搭建光接收机的传输平台；
3．结合仿真平台，分析最佳眼图效果下的灵敏度、Q值、增益、功率等参数。

分析光接收机的传输性能。

三、途径和方法
1．查阅相关文献，掌握光接收机的基本结构和基本工作原理；
2．利用Optimist仿真软件搭建光接收机传输系统；
3． APD和PIN两种光电检测器的对比分析，验证光接收机的性能及影响接收机灵敏度的主要因素；
4．设置参数，定向分析两种光电检测器在传输系统中的优越性。

四、时间安排
1．课题讲解：2小时。

2．阅读资料：10小时。

3．撰写设计说明书：12小时。

4．修订设计说明书：6小时。

五、主要参考资料
[1] 李履信．光纤通信系统[M]．机械工业出版社，
[2] 刘增基，周洋溢．光纤通信[M]．西安电子科技大学出版社
[3] 王磊，裴丽．光纤通信的发展和未来[J]．中国科技信息
[6] 汪杰军．光纤通信系统中光发射机的设计[M]．现代电子技术，2008
指导教师（签字）：教研室主任（签字）：
批准日期：年月日
摘要
光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

本文章首先介绍了光接收机的发展历史及理论知识；其次使用optisystem模拟仿真软件，利用仿真，修改光接收机性能参数，分析系统的性能和影响性能的参数因子；最后对光路结构改进以提高光接收机的性能。

关键字：光纤通信技术，光接收机
目录
1.绪论 ................................................... 错误!未定义书签。

光纤通信技术的发展历史、目的及意义...................... 错误!未定义书签。

光接收机简介............................................ 错误!未定义书签。

光接收机的类型......................................... 错误!未定义书签。

论文结构和内容.......................................... 错误!未定义书签。

2.光接收机的基本理论 ..................................... 错误!未定义书签。

光接收机的结构 ......................................... 错误!未定义书签。

光接收电路............................................. 错误!未定义书签。

输出电路............................................... 错误!未定义书签。

其他电路............................................... 错误!未定义书签。

光接收机性能指标........................................ 错误!未定义书签。

灵敏度................................................. 错误!未定义书签。

动态范围.............................................. 错误!未定义书签。

影响接收机性能的主要因素............................... 错误!未定义书签。

灵敏度及噪声分析........................................ 错误!未定义书签。

理想接收机灵敏度....................................... 错误!未定义书签。

光接收机噪声分析....................................... 错误!未定义书签。

光接收机误码率......................................... 错误!未定义书签。

3.光接收机的仿真模拟 ..................................... 错误!未定义书签。

O PTI S YSTEM软件简介 ...................................... 错误!未定义书签。

光接收机O PTI S YSTEM仿真.................................. 错误!未定义书签。

APD接收机散粒噪声增强................................ 错误!未定义书签。

误比特率对接收机灵敏度的影响......................... 错误!未定义书签。

最小光功率对接收机灵敏度的影响........................ 错误!未定义书签。

本章小结............................................... 错误!未定义书签。

总结 ..................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 ................................................. 错误!未定义书签。

1.绪论
光纤通信技术的发展历史、目的及意义
光纤通信是以光波为信息载体，通过光纤来传递的一种通信设施。

因为它具有容量大，传输距离远，传输速度快，经济等特点，所以在当今被广泛应用。

光纤通信的发展史虽然只有二三十年，但由于它无比的优越性，使它成为了现代化通信网络中最为重要的传输媒介。

在光纤通信系统中，光接收机（Optical receiver）的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。

光发射机发射的光信号经传输后，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的微弱光信号，并放大、整形、再生成原传输信号。

光接收机简介
光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，其性能是整个光纤通信系统性能的综合反映。

由光发送机发出的光信号在光纤线路中传输时，不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光纤色散和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽，由此造成的信号质量下降会增加接收机接收信号的难度，这些都对接收机的性能提出了较高的要求。

光接收机的主要功能是将经光纤线路传输后的微弱光信号进行光电变换，然后经过必要的处理后恢复成原始的信号。

一个典型的直接检测光接收机主要由光接收电路和输出接口电路组成。

光接收机的性能直接影响光纤通信系统的传输距离、误码率和通信质量。

光接收机的类型
光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种。

模拟光接收机用于接收模拟信号，比如说光纤CATV信号。

当前的通信系统由于大多采用数字信号，因而主要用的是数字光接收机。

检测方式分为相干检测方式和非相干检测方式。

相干检测方式首先接收将接收到的光信号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，类似于无线电收音机。

常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式，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。

论文结构和内容
通过阅读大量的资料及现在人们对光纤通信系统的研究，本文主要对光纤传输系统中光接收机的特性的研究。

第一章叙述了光纤通信技术的发展，其次讲解了光接收机的简述及分类；第二章介绍了光接收机的结构组成及工作原理，还说明了光接收机的性能指标；第三章简单介绍了optisystem这个软件，最后是光接收机的仿真分析。

2.光接收机的基本理论
光接收机的结构
图光接收机结构
(1)光电检测器的输出信号电流很小，必须由低噪声、宽频带的前置放大器进行放大。

(2)信号进行高增益的放大并对经传输和放大后的失真信号进行补偿与整形
(3)将信号的基线（低电平）固定在某一电平上，解决信号的基线漂移，以便于判决
(4)从收到的带有噪声和畸变的波形中识别信码“1”和“0”。

然后由再生电路重新产
生和发端一样的数字脉冲序列。

光接收电路
光接收电路由检测器、前置放大器、主放大器、自动增益控制和均衡电路组成。

它将光信号变换成一定幅度的、波形好的电信号，供后续电路进行再生判决。

（1）光检测与前置放大器
光电检测器完成光电转换。

由发送端发出的光信号经过光纤线路传输后，到达接收端已经很微弱。

检测器输出的电流仅在nA数量级。

所以必须采用多级放大将微弱的电信号放大至判决电路能正确识别。

由于信号微弱又带有噪声，如果采用一般的放大器进行放大，放大器本身就会将前一级放大器所引入的噪声也进行放大，信噪比并没有得到改善。

因此多级放大器的前级必须满足低噪声、高增益的要求，才能得到较大的信噪比。

（2）主放和均放
信号经前置放大器输出仍然比较微弱，不能满足幅度判决的要求，因此还必须加以放大。

由于光接收机的入射光功率有一个可变化的动态范围，因此放大器增益也应随入射光功率的变化得到相应的调整，以适应在不同输入信号情况下仍能保持输出电平稳
定。

即实现自动增益控制。

在光接收机中，把实现自动增益控制的放大级称为主放大器。

均放电路的主要作用是对接收到的信号进行均衡以利于定时判决。

（3）基线处理与定时再生
由于传输线路上所传送的码流中“0”、“1”分布并不均匀，并不可避免地有连续的“0”或连续的“1”出现，使得信号中的直流成分有起伏变化，这种信号在接收机中处理时，因各级间的耦合均为交流耦合，即RC耦合，这会使信号的基线随直流成分的变化而漂移。

这种漂移严重时，会使判决产生误码。

在发送端虽已进行了线路码型变换，以使码流中的“0”、“1”分布尽可能均匀使信号中的直流分量尽可能恒定，但是由于种种原因，难以达到理想程度。

因此在定时再生电路中，首先要对基线漂移进行处理，即将信号的基线（低电平）固定在某一电平上。

经过基线处理的信号，首先要进行幅度判决，然后再经过时钟提取，还原出幅度和时钟准确的再生信号是定时再生。

输出电路
输出电路是光端机接收部分在定时再生之后的信号处理部分。

通常包括线路码型反变换、输出接口两大部分。

低中速率的光端机，则将这两部分安装在一块机盘中，称为输出盘。

在“光电合架”设备中，取消了输出接口电路，则码型反变换部分和光接收电路装在同一块机盘中。

其他电路
告警电路、倒换电路、公务电路、电源电路
光接收机性能指标
光接收机的主要性能指标包括接收机灵敏度、动态范围、过载功率、误码率、信噪比、Q值等，其中灵敏度和动态范围是光接收机的关键指标。

灵敏度表示在给定的误码率（或信噪比）条件下，光接收机接收微弱信号的能力。

动态范围表示光接收机适应输入信号变化的能力。

灵敏度
光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。

它可用下列三种物理量表示。

在保证达到所要求的误码率（或信噪比）条件下，接收机所需的：
（1）输入的最小平均光功率P R ； （2）每个光脉冲的最低平均光子数n 0； （3）每个光脉冲的最低平均能量E d 。

三种表示方法之间的关系：
（式2-1）
式中：T 为脉冲码元时隙，T =1/fb
hf 是一个光子能量
PR 的单位为W ，常用mW 。

若用dBm 来表示灵敏度Sr ，则可写为：
（式2-2）
动态范围
动态范围表征的是光接收机适应输入信号变化的能力，也即光接收机灵敏度和过载功率之间的差值。

即
（式2-3）
影响接收机性能的主要因素
由上述计算接收机最小接收光功率的公式中看出，在一定误码率条件下，影响接收机灵敏度的因素有：码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、光波波长、信号速率、各种噪声等。

下面只对码间干扰、消光比、暗电流的影响进行分析。

(1)码间干扰
在光纤通信系统中，光接收机的输入光脉冲信号宽度与光发送脉冲及光纤的带宽有关。

在光纤色散较大的情况下，光脉冲通过光纤时将被展宽，产生码间干扰，降低光接收机的灵敏度。

(2)消光比
T
hf n T E P d R 220==)
(1lg 10dBm mW P
S R r =)
(lg 10)(1)
(lg 10)(1)(lg 10min
max min max dB P P mW mW P mW mW P D =-=
光源在直接强度调制下，由于要考虑一定的偏置电流，使得无信号脉冲时仍会有一定的输出功率。

这种残留的光将在接收机中产生噪声，影响接收机灵敏度。

定义参数消光比（EXT ）为：
（式2-4）
一般要求EXT ≤10%。

当EXT ≠0时，光源的残留光使检测器产生噪声。

EXT 越大时对灵敏度的影响也越大，其值与使用的光检测器有关。

(3)暗电流
光电检测器中的暗电流对光接收机灵敏度的影响与消光比的影响相似。

暗电流与光源无信号时的残留光一样，在接收机中产生噪声，降低接收机的灵敏度。

在APD 光电检测器中，有两种暗电流，一种是无倍增的，一种是有倍增的，后者对灵敏度的影响要比前者更大一些。

灵敏度及噪声分析
光接收机的作用是将接收到的微弱的数字光信号通过光电二极管转换为光电流，并经放大、整形、判决等信号处理，完成信号的准确检测。

一个性能优良的光接收机应具有尽可能高的接收灵敏度。

但灵敏度的提高受到了接收机中存在的噪声的影响。

噪声的存在将会降低接收机的灵敏度。

理想接收机灵敏度
考虑一个理想光纤通信系统，即是假设系统的频带无限宽，系统无噪声。

对这样的系统，我们可认为，发送端调制信号是矩形脉冲，光脉冲信号经过光纤传输到接收端，经过光电检测器检测得到的电信号还是矩形脉冲。

那在这种系统中，接收机的灵敏度将受到什么限制呢最大可能的值是多少呢 （1）理想接收机灵敏度的计算
根据 （式2-5） 在误码率要求为Pe=10-9时，即可求出Ed ，即为理想光纤通信系统接收灵敏度。

（式2-6）
”码时平均输出光功率全“”码时平均输出光功率全“10=
EXT hf
E N e d e P P /)
0(η-===η
/21hf E d =
由上式可见，理想光纤通信系统的灵敏度（Pe=10-9时）为21个光子的能量。

或者用下式表示
（式2-7）
由此可知，理想接收机的灵敏度与光信号速率、光波频率（或波长）、检测器的量子效率η有关。

（2）工程中灵敏度的计算
在实际工程应用中，接收机所需的最小接收光功率可按如下近似公式计算。

当光电检测器为PIN 时：
（式2-8） 当光电检测器为APD 时：
（式2-9） 式中fb 为系统码速Mbit/s ，
fb0为基准计算码速，f b0=25Mbit/s 。

光接收机噪声分析
光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。

接收机中的噪声源及其引入部位如图4-12所示。

其中散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD 倍增噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声，放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。

图 光接收机噪声
对于光检测器的噪声，采用的主要方法是从建立噪声的数学模型着手进行分析。

（此处推导过程不作要求）
如果规定误码率指标为不超过Pe ＝10-9，则最小必须接收的光脉冲能量应为
(式2-10)
λη/5.10b R hcf P =2
/30
89)(1025.310b b R e f f
P P --⨯==，6
/7099)(1064.110b b R e f f P P --⨯==，
信号
S N
暗电流噪声倍增噪声热噪声放大器噪声ηhf E 21
min =
如果量子效率η＝1，则最小检测的光脉冲能量必须等于21hf，也就是说最小必须接收21个光子，才能保证误码率不大于10-9。

如发送端发出的“1”码和“0”码等概率出现（数目相等）每位码持续时间为T，那么平均检测光功率必须至少为
（式2-11）
这就是接收机灵敏度对规定误码率Pe＝10-9的基本极限，即所谓量子极限。

光接收机误码率
光接收机的误码主要由散粒噪声、倍增噪声、热噪声等综合的总噪声引起。

误码的多少及分布不仅和总噪声的大小有关，还与总噪声的分布有关。

入射光子在PIN内产生的电子或在APD内产生的一次电子通常服从泊松分布。

但经过电子倍增，再经放大、均衡后，噪声分布变得很复杂。

所以要精确计算误码率及灵敏度就比较困难。

（1）误码率的定义是
（式2-12）
造成误码的原因很多，如光纤的色散、光电二极管的噪声、前置放大器的噪声等，在这里讨论的是光接收机噪声对误码率的影响。

为了计算光接收机的误码率，必须知道滤波器输出信号的概率分布。

（2）最小误码率分析
在判决点上电压V0超过D的概率，即为把“0”码误判为“1”码的概率可以表示为
（式2-12）把“1”码误判为“0”码的概率为
（式2-13）P e,01＝P e,10时可获得最小的误码率
（式2-14）
（式2-15）
T
hf
P
2
21
min
=
总的比特数
出错的比特数
=
BER
22
,0100
()exp())
22
e D D
V x
P P V D dV dx
N
∞∞
=>=-=-
⎰
22
()(
1
,1011
1
()
()exp[]())
22
m m
V D V D
m
e m m m
V V Y
P P V V V D d V V dY
N
----
-∞-∞
-
=->---=-
10
,
01
,
10
,
01
,2
1
2
1
e
e
e
e
e
P
P
P
P
P=
=
+
=
⎰∞-
=
Q
e
dx
x
P)
2
exp(
2
12
π
3.光接收机的仿真模拟
OptiSystem软件简介
随着光纤通信系统日新月异的发展，光通信系统越来越复杂。

现行的光纤通信系统通常包括众多非线性器件和非高斯噪声源，对这样的光纤通信系统的设计与分析是非常复杂的，需要耗费极其多的时间。

因此，人工或者单纯依靠经验计算设计光纤通信系统已经越来越显得力不从心。

在这背景下，这些设计和分析任务被高效、有效、先进的计算机辅助软件执行已成为必然的趋势。

OptiSystem就此营运而生。

OptiSystem是一款创新的光纤通信系统设计与仿真软件，它集成了设计、测试和优化各种光网络物理层等诸多功能，从模拟视频广播系统到洲际骨干光纤链路的设计均可以使用OptiSystem进行设计、测试、优化。

OptiSystem作为一款独立的产品，不依赖于其他模拟框架。

它是一款基于现实光纤通信系统模型的系统级仿真软件。

它拥有强大的新的模拟环境、真正的分层结构定义组件。

它允许添加用户自定义组件，具备良好的系统扩展性，可以实现与其他仿真软件比如Matlab的无缝衔接。

OptiSystem具备全面的用户图形界面（GUI,Graphical User Interface）,可以灵活控制光学元件的布局、网表、组件模型、演示图形等。

拥有丰富的元件库，其中包含大量的有源和无源器件，可以满足一般情况下系统仿真的需求。

并且相关器件均包括实际的、波长相关的参数。

参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。

光接收机OptiSystem仿真
APD接收机散粒噪声增强
本仿真用于实现光接收机使用PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管是接受信号的噪声性能。

图接收机使用PIN和APD性能比较原理图
APD光接收机在相同入射光功率的情况下具有更高的信噪比SNR，而其信噪比带的改善来源于使光电流以倍增因子M增加的内增益。

（1）确定光衰减器的最佳值
图光衰减器衰减变化量
图衰减量为5db时，APD眼图
图衰减量为10db时，APD眼图
图光衰减量为时，APD眼图
由图,,对比得知，光衰减量为10时，眼图效果最佳。

下面就以光衰减量为10。

（2）
图APD光接收机Gain的参数变化
图 Gain=时，APD眼图
图 PIN眼图
由图和图对比可以看出，这时，APD系统的品质因数高于PIN系统。

图 Gain=时，APD眼图
由图37图比发现，如果倍增因子M增大，则会存在一个点，在这个点上散粒噪声会降低系统性能，因此找到最优的APD增益是很重要的。

图 APD不同增益下的Q值分布
雪崩光电二极管APD在不同的增益下Q值分布曲线如图，由图可知，增益越大，APD 的Q值越高。

图 APD的增益值与误码率的变化曲线
由图，APD的增益值变化曲线知，增益值在0~22之间时，误码率对APD的增益没影响;增益值在22以后，误码率对APD的增益影响巨大。

误比特率对接收机灵敏度的影响
仿真在利用误比特率度量接收机灵敏度时，分析在不同的光功率输入情况下，数据恢复阶段误比特率BER与Q的关系。

图误比特率仿真原理图
图不同衰减量下的Q值曲线
光电二极管PIN在不同衰减量鞋的Q值分布曲线如图所示.由图可知，衰减量越大，PIN的Q值越高。

图不同衰减量下的BER曲线
光电二极管PIN在不同衰减量下的BER分布曲线如图所示。

由图可知，衰减量越大，PIN的BER越小。

图光功率与误比特率的关系
由图知，光电二极管PIN的光功率在0~11db时，误比特率对PIN的光功率无影响；PIN的光功率在11db~17db时，误比特率对PIN的光功率影响明显；17db~20db时，误比特率对PIN的光功率影响不明显；20db以后，误比特率对PIN的光功率无影响。

最小光功率对接收机灵敏度的影响
仿真对于接收机灵敏度指定误比率的条件下，所需的最低输入光功率。

图最小输入光功率原理图
图光功率参数变化
图功率时的PIN眼图
图 APD眼图
图光功率与误比特率的关系
由图可知，在指定误比特率的条件下，所需的最低输入光功率为33db。

本章小结
本章主要光接收机噪声的实验研究，首先简介了optisystem这个仿真软件，其次是研究影响光接收机性能的各个参数对噪声的影响，通过仿真得出图形，进行分析研究。

总结
随着数据通信量的剧增, 光纤通信系统容量迫切需要提高,光接收机的特性研究也变得及其重要。

本篇首先介绍了光纤通信技术发展的历史、现状及展望，分析了现在人们对通信的需求；其次介绍了光接收机的分类及其研究意义。

在第二章中，简介了光接收机的结构组成与工作原理，分析了光接收机的特性指标及各个参数对光接收机噪声系数的影响，并且说明了光接收机的应用。

在最后，通过仿真分析了光接收机在各个参数变化下的噪声系数，并对其进行研究分析。

本文章对逛街搜集的特性研究的不够深入，还有更多影响性能的参数值得去深入研究，对提高通信容量有很大的意义，本文中存在的问题，还请老师提出宝贵意见。

参考文献
[1] 李履信．光纤通信系统[M]．机械工业出版社，
[2] 刘增基，周洋溢．光纤通信[M]．西安电子科技大学出版社
[3] 王磊，裴丽．光纤通信的发展和未来[J]．中国科技信息
[6] 汪杰军．光纤通信系统中光发射机的设计[M]．现代电子技术，2008。