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
(一) 光检测器 光检测器是光接收机实现光 / 电转换的关键器件，其性能特别 是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下： (2) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。
场效应管(FET)前置放大器
2 4 kT 2.8 kT 2.8 kT (2 C ) 2 3 A [ ] B B R gm R2 3g m
gm是FET的跨导
跨阻型前置放大器 - 双极型晶体管
2 2 eI 2 kT ( kT ) (2 C ) 2 3 2 c A [ ]2B B R f // R eI c 3
(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、 1.31μm和1.55μm)兼容；
目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN光电二极管和雪
崩光电二极管(APD)，其性能的优劣直接影响整个光接收机的性能。
(二) 前置放大器 从光检测器输出的电流信号十分微弱，必须经过前置放
大器放大，前置放大器在光接收机中起关键作用，要求它有
将 f=B的谱分量与接收信号分离的过程，向判决电路提
供码间隔 TB=1/B 的信息，使判决过程同步。在 RZ 码中， 信号本身含有 f=B 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，信号
缺乏 f=B 的谱分量，首先要对信号进行非线性预处理 （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。
= ei p
功率谱密度为 Sd
ip R 光检测器的输出光生电流 光检测器的偏置电阻
C 光检测器的电容(结电容和其他电容)
光检测器噪声：
1、PIN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，散粒噪声的 概率密度函数服从泊松分布，实际中可用高斯分布近似。散粒噪声为白 噪声，其功率谱密度为常数。 量子噪声的噪声方差：
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
5.3.2 光接收机的噪声特性
•光接收机的性能由接收机灵敏度或信噪比表征,而光接收机的 噪声对灵敏度或信噪比有着决定性的影响。
光接收机的噪声有两部分：
外部电磁干扰产生 波加以消除； 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤
BW
2R i Ct
Ri
L
1 A
电路特点：由于引入了电压并联负反馈环节，使得跨阻型前置放大器既有较宽 的频带，又有较低的噪声，同时动态范围（较高阻型前置放大器）也有了较大 的改善。 适用对象：被广 泛采用。
光接收机 前置放大器等效电路
RL G ID G
RL
CT
前放
ID
CT
前放
高阻（低阻）型
光电检测器
放大器
光接收机的噪声等效模型
放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型， 根据 放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类 型前置放大电路示于下图。
偏压 偏压 偏压 Rf
(a)
(b)
(c)
光接收机的前置级放大电路
(a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型
其输入的等效噪声功率为： 双极型晶体管(BJT)前置放大器
跨阻型
跨阻型前置放大器的工作原理： 负载电阻跨接到反相放大器的输入和输出端，尽管RL仍然很大， 但负反馈使输入阻抗减小了G 倍，因此带宽也比高阻抗放大器 的扩大了G 倍。 它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大， 因此光接收机常使用这种结构的前放。
二、线性通道 1、主放：具有AGC功能，可根据输入信号（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。有时用限幅放大器（LA）替代AGC。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 2、均衡滤波器：接收机噪声正比于接收带宽，因此，采用低通 滤 波 来 减 低 噪 声 。 通 常 滤 波 器 带 宽 f< 比 特 率 B （ 常 取 为 0.6~0.8B)，这将引起脉冲展宽，而导致码间干扰。因此，对滤波
光电检测器
放大器
光接收机的噪声等效模型
上图示出光接收机的噪声等效模型， 由光检测器和放大器两
部分组成。 光电检测器分解为：
〈iq2〉光检测器的量子噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)，
功率谱密度表示为 Sq 〈id2〉暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)， 其相应的
Sq =
2 d iq
df
§5.3 光接收机
5.3.1 光接收机基本组成
强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于下图。
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
2、APD光检测器的噪声
2 2 2 x •信号电流均方噪声（经历倍增） ： 2 eI g B s p p
•暗电流噪声（经历倍增）：

2 2 x d 2 eI g B 1 d1
2 d 2 2eI d 2 B
漏电流噪声（未经历倍增）：
2 2 2 2 2 x ( I I ) g Id 2 总噪声： APD s d 1 d 2 2e p d 1 B
2kT eI c (kT )2 (kT )2 (2 C)2 2 3 [ ]2B B R R // Rin I c eI c 3
2 A
k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，R、Rin的意义见上图，β为BJT的直流电流 放大倍数，Ic为BJT的集电极偏置电流，C为包括光电检测器电容、前置放大器 输入电容以及杂散电容在内的总等效电容，B为放大器带宽，e为电子电荷量。
例
InGaAs光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初 级暗电流ID = 4 nA，负载电阻RL = 1000 W，量子效率h=0.90 ，表面漏电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接 收机带宽为20 MHz，计算光检测器的各种噪声。 首先计算初级光电流：
内部产生 这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的 随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减 小， 一般不可能完全消除。 我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。
光接收机噪声的主要来源是 : 光检测器的噪声和前置放大 器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪 比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要 前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。
跨阻型前置放大器 - 场效应管
4kT 2.8kT 2.8kT (2 C ) 2 3 [ ] B B 2 Rf gm R f 3g m
2 A
光接收机的输入等效总噪声可以表示为：
2 2 2 total PD A
三种类型前置放大器的比较： (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数 RC 小于信号脉冲宽度 T ，因而码间干扰小， 适用于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪 声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和 动态范围，并具有良好的噪声特性。
前端
线性通道
数字光接收机方框图
时钟提取与数据再生 （CDR）
性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比
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，然
后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。 光接收机前端一般由光检测器和前置放大器组成。 2、要求： 低噪声 高灵敏度 足够的带宽 3、分类： 低阻型前端 高阻型前端 跨（互）阻型前端
2、高阻型前置放大器： 技术要求：系统对噪声特性要求较高，对带宽的要求较低。 设计思路：尽量加大偏置电阻，以便把前置放大电路的噪声减小至尽可能小 的值 电路特点：噪声较小，但频带较窄，前置级的动态范围也较小，对应的接收 机的均衡电路复杂。 适用对象：码率较低的数字光纤通信系统的光接收机中 3、跨阻型前置放大器： 技术要求：系统对带宽和噪声特性都有较高的要求 设计思路：引入电压并联负反馈，一方面偏置电阻和反馈电阻的值可以取的 很大，从而使电路的噪声大为减小，另一方面等效输入电阻较小，增加了带 宽。 R 1
对于GaAs接收机（工作在短波长的接收机），这样的集成 比较容易，早已得到实现。 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5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。 如下图所示， 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。
判决 电路 时钟 恢复
数据 输出
数据恢复
四、光电集成接收机 光接收机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2 GHz，甚至达到10 GHz。 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。
在数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元宽度相 对于码元周期T的大小，分为NRZ码和NZ码两种。
3、判决再生
• 提取时钟信号后，在最佳的取 样时间对升余弦信号进行取样， 然后将取样幅度与判决阈值进 行比较，确定码元是“ 0” 还是 “ 1” ，从而把升余弦波形恢复 再生成原传输的数字信号。 • 最佳的判决时间应是升余弦波 形的正负峰值点，这时取样幅 度最大，抵抗噪声的能力最强。 要求： •稳定可靠 •抗连“0”和连“1” •时钟抖动小
器提出要求，使展宽的脉冲无（或小的）码间干扰，满足这一要
求的滤波器成为均衡滤波器（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，而相邻码元在此 时刻的瞬时值为零。
三、时钟提取与数据再生（CDR）
1、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、判决电路 2、时钟提取：