2013光纤通信第3章_光接收机(东北电力大学)解析

光纤通信信息工程学院郑学梅第三章光接收机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光接收机灵敏度的计算3.5光接收机的组成模块3.1光接收机简介3.1.1光接收机的组成光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种数字光接收机框图数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分光接收机也可以分为三部分：①光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心；②主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道；③判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分3.1.2光接收机的性能指标光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示接收机灵敏度的定义为：在满足给定能的误码率指标条件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用dBm来表示，即接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）就是光接收的动态范围Pmax和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率min10-310lg10rPSmaxmin10lg(dB)PDP3.2光电检测器光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下：在所用光源的波长范围内有较高的响应度；较小的噪声；响应速度快；对温度变化不敏感；与光纤尺寸匹配；工作寿命长3.2.1PN结的光电效应在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应右图为半导体PN结的形成加反向偏压后光电二极管及其能带结构3.2.2PIN光电二极管1．原理与结构PIN光电二极管的原理和结构2．光电二极管的波长响应（光谱特性）（1）上截止波长光电效应必须满足条件hv＞Eg或＜c是真空中的光速，是入射光的波长，h是普朗克常量ghcE也就是说,入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为（2）响应波长的下限设x=0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为经过x距离后吸收的光功率可以表示为gg1.24chcEE≈()0expxp13．光电转换效率常用量子效率和响应度衡量光电转换效率当入射功率为P0时，光生电流可以表示为w1是零电场的表面层的厚度，w是耗尽区的厚度量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率0011exp1exppeIrpwwh0101exp1-exppI/eη=-r-αw-αwp/hν可以知道，要提高量子效率，必须采取如下措施：①尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；②尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射光功率p0的比值来表示,称其为响应度00pIeRph4．响应速度响应速度常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示影响响应速度的主要因素有3点（1）光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数结电容与耗尽区的宽度w及结区面积A有关dAC=w（2）载流子在耗尽区里的渡越时间下图为漂移速度与电场强度关系若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压须满足V＞Esw（3）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟5．光电二极管的暗电流暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流3.2.3雪崩光电二极管1．工作原理APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）2．APD的平均雪崩增益平均雪崩增益的定义为IM是雪崩增益后输出电流的平均值；Ip是未倍增时的初始光生电流MpIGI光电二极管输出电流和反向偏压的关系平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为SB11/mGVIRV3．APD的结构光纤通信在0.85m波段常用的APD有拉通型（RAPD）和保护环型（GAPD）两种另一种在长波长波段使用的APD的结构称为SAM（SeperatedAbsorptionandMultiplexing）结构4．APD的过剩噪声APD的过剩噪声系数为在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数来表示过剩噪声系数，即2222ggFGGgxFGG≈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P(x1＜XN＜x1+dx1)它的积分就是概率分布函数，为F(x1,t1)=P(XN≤x1)=P(XN≤x1)表示XN是落在(−∞，x1)中的概率111d111,dxxxfxtx1111,dxfxtx2．随机过程的数字特征（1）均值设是一个随机过程，它的均值（数学期望）为均值也可以用时平均值（用符号〈〉表示）来代替，即Xxt，EXxt，,dEXxtxfxtx，1limd2TTTEXtXtXttT（2）标准差（均方差）随机变量的方差D(X)和标准差（均方差）分别为X222DXEXEXEXEXXDX3．平稳随机过程的功率谱密度设有时间函数x(t)，，假设x(t)满足荻氏条件，且绝对可积，那么x(t)的傅里叶变换为和之间有以下的巴塞伐（parseval）等式成立jedwtxFwxttxtxFw221dd2xxttFww把函数x(t)限制在的时间间隔里，可以得到左边表示平均功率，而就是此函数的双边平均功率谐密度，简称功率谱密度，它表示1Hz频带上平均功率的大小。所谓“双边”，是指对的正负频域都有意义,TT22111limdlim,d222TxTTTxttFTTT21lim,2xxTSFTT3.3.2放大器输入端的噪声源放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数对随机噪声，m=0时，上式可写成221exp22xmfx221exp22xfx1．输入端的等效电路及噪声源光接收机的等效电路带有热噪声的电阻可以有两种等效方式一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联这种等效下并联电流噪声源的功率谱密度为另一种等效方式是把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联电压噪声源的双边功率谱密度为2bbd2dIRikKSfR2bbd2dEReSkKRf2．放大器的输出噪声电压的计算放大器输出噪声电压的均方值为是放大器、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22222nat2bt2d1d22ITETkKvSZSZCRRtba//RRRtdsaCCCCTZ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e0为电子电荷，C，Igate是场效应管的栅漏电流（2）沟道热噪声功率谱密度为gm是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对SiFET，；对GaAsFET，（3）输出瑞的总噪声功率当Rb足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此得到0gateISeI1901.610eoutd2dmikKgf0.71.1≈22222tna0gate2bb221d2d22TTmmCkKkKkKveIZZRggR2tnamCvg2．双极晶体管的噪声源散粒噪声基区电阻的热噪声分配噪声（1）散粒噪声功率谱密度为Ib是晶体管的基极工作电流（2）基区电阻的热噪声基区电阻的热噪声在输入端作为串联电压噪声源，谱密度为2a1b'bd2dekKrf2a0bddieIf（3）分配噪声功率谱密度为将集电极回路里的噪声源等效到输入端，可等效为一个串联电压噪声源，功率谱密度为对双极晶体管，有下列关系存在双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为2c0cddieIf222a20c20cddmeeIkKfeIg0cmeIgkK2na0bbd2T2kKveIZR2222b'bds2bd22T1kKrZCCR22222t20ctd2TkK1ZCeIR3.3.4前置放大器的设计1．低阻型前置放大器这种前置放大器从频带的要求出发选择偏置电阻，使之满足Rt≤的要求。BW为码速率所要求的放大器的带宽t12WBC2．高阻型前置放大器一般只在码速率较低的系统中使用3．跨（互）阻型前置放大器实际上是电压并联负反馈放大器当考虑其频率特性时，上截止频率为宽频带、低噪声动态范围比高阻型前置放大器有很大改善it12HfRC3.4光接收机灵敏度的计算3.4.1灵敏度计算的一般方法3.4.2光电检测过程的统计分布和灵敏度的精确计算1．光电效应阶段设入射光功率为p(t)，那么在时间间隔L内产生的平均的“电子—空穴”对数可以用量子效率来表示，为0是每秒钟内暗电流产生的电子数000dtLtptth根据量子统计规律，在时间间隔L内产生m个“电子—空穴”对的概率是均值为的泊松分布，即也就是光电二极管光生电子—空穴对的概率密度函数00,,!mePmttLm2．雪崩倍增过程的统计性质假设整个雪崩过程进行的相当快，每一初始的“电子—空穴”对倍增出随机数为gl的二次“电子—空穴”对（包括初始“电子—空穴”对本身），可以得出gl=n的概率为11111prob11111•11111!1knknnlkGnkkGGPgnGknknnk对于在时间间隔(t0,t0+l)内入射的光功率，APD产生的初始的“电子—空穴”对是概率密度为泊松分布的随机变量，而每一个初始的“电子—空穴”对又雪崩倍增成随机数为g的二次“电子—空穴”对，因此，在时间间隔L内产生总数为个“电子—空穴”对的概率为是N个随机变量gl的和的概率密度函数，gl是独立无关的，因此，01!NNLnglNlePPgN1NngllPgprobprobprob1NnglNPlPPPg个的卷积…3．灵敏度的精确计算从光电检测过程实际的概率密度函数出发，通过放大器和光电检测器概率密度函数的卷积计算求出总噪声的概率密度函数，进而计算接收机的灵敏度3.4.3灵敏度的高斯近似计算1．光电检测器噪声的功率谱密度光电检测器的噪声包括散粒噪声和暗电流噪声散粒噪声和暗电流噪声的双边功率谱密度可以分别为2ds2220s0s0sd()dxieIgeIGFGeIGf2dark2220d0d0dd()dxieIgeIGFGeIGf对于光电二极管，G=1，则有对于光电二极管和APD，输入端等效的并联电流噪声源的功率谱密度可以分别表示如下对PDi=0或1对APDi=0或12ds0sddieIf2dark0dddieIf2nd0sidd()dieIIf2nd20sidd()()dieIIGFGf2．接收机灵