光纤通信系统-光接收机

光检测器与光接收机(2)2020/11/1光纤通信系统2光中继器光接收机的特性光接收机功能与组成本节内容2020/11/1光纤通信系统3光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机光接收机的任务2020/11/1光纤通信系统4光接收机的组成均衡滤波信号光光探测器电压供给光电变换和前放前放主放自动增益控制线性放大判决电路时钟恢复数据恢复数据输出2020/11/1光纤通信系统5光接收机的前端(1)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。是光接收机的核心。要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号光信号光电变换前置放大2020/11/1光纤通信系统6光接收机的前端(2)光检测器的选择：要视具体应用场合而定。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。APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，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。前置放大器的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)。PIN/FET和APD/FET。2020/11/1光纤通信系统7光接收机的前端(3)根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路低阻抗前端从频带要求出发选择偏置电阻RL优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大缺点：灵敏度低，噪声较高2020/11/1光纤通信系统8光接收机的前端(4)高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统。跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器）优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。2020/11/1光纤通信系统9光接收机的线性通道对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。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。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。主放大器均衡滤波AGC电路2020/11/1光纤通信系统10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为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。为了精确地确定“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。判决器时钟恢复输出2020/11/1光纤通信系统11判决、再生过程均衡器输出波形时钟再生后的信号判决电压最佳取样时间相应于“1”和“0”信号电平相差最大的位置，可由眼图决定。2020/11/1光纤通信系统12眼图是观测系统性能最直观、最简单的方法。误码率是最终结果，眼图可用于分析形成误码的原因。形成：眼图就是随机信号在反复扫描过程中叠加在一起的综合反映。2020/11/1光纤通信系统13以一个3比特长的NRZ码为例，它有八种可能的图样，如果同时将这八种图样叠加，就得到眼图。2020/11/1光纤通信系统14眼图的一般结构2020/11/1光纤通信系统15眼图分析1.眼睛睁开最大处为最佳判决时刻2.眼睛睁开度表征噪声容限3.眼睛展开度减小表征时钟抖动增加4.眼皮厚度体现噪声大小5.非线性传输特性会产生眼图的不对称性。21VVE21//ttE模型化眼图t1t2V1V2阈值最佳判决时刻2020/11/1光纤通信系统1630ps/div(a)30ps/div(b)背对背传输80km典型的10Gb/s光发射及传输后的眼图2020/11/1光纤通信系统17光接收机的噪声特性光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。散粒噪声光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：2020/11/1光纤通信系统18量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：量子噪声2020/11/1光纤通信系统19光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子——空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。暗电流噪声2020/11/1光纤通信系统20漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：漏电流噪声2020/11/1光纤通信系统21APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：APD倍增噪声2020/11/1光纤通信系统22热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热作用引起的一种随机脉动。光检测器放大器偏置电阻光子流hRL•量子噪声•暗电流噪声•漏电流噪声•APD倍增噪声•热噪声•放大器噪声接收机噪声及其分布图：2020/11/1光纤通信系统23光接收机的灵敏度接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。灵敏度是光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。误码率（BER）：接收机判决电路错误确定一个比特的概率。噪声引起误码的图解说明2020/11/1光纤通信系统24•二进制信号的误码概率I1I02020/11/1光纤通信系统25•二进制信号的误码概率I1I02020/11/1光纤通信系统26•二进制信号的误码概率I1I02020/11/1光纤通信系统27•二进制信号的误码概率I1I02020/11/1光纤通信系统28Q被广泛用来说明接收机的特性。Q=6，BER=10E-9Q7，BER10E-12通常:2.5Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-9；10Gb/s系统的接收灵敏度对应于BER=10E-10；2020/11/1光纤通信系统29光接收机灵敏度的恶化实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。在这种非理想条件下，与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。其影响因素很多。2020/11/1光纤通信系统30光接收机的组成光接收机的噪声特性光接收机的灵敏度光接收机的性能评估：眼图、误码曲线小结2020/11/1光纤通信系统31光接收模块实例图片2020/11/1光纤通信系统32思考题量子效率的定义及提高量子效率的措施是什么？1PIN光电二极管η=90%，λ=1.3μm，计算该器件在1.3μm的响应度以及当入射光功率为-37dBm时的光电流。22020/11/1光纤通信系统34滤波器作用:在数字光纤通信系统中，光脉冲从光发射机输出，经过光纤长距离传输，由于光纤色散的影响，波形将出现拖尾，系统中其他的器件，如光放大器、光检测器等，因其带宽的限制和非理想的传输特性，会使光脉冲发生畸变，同时加剧码元间的串扰，造成判决电路误判，产生误码。所以在判决电路前必须加滤波器对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于定时判决。机理:滤波器的机理可以用波形说明。图（a）中的波形表示单个已经发生拖尾现象的码元，在其他码元的判决时刻，其存在的拖尾会对其他码元造成串扰。但经过滤波器后输出的波形，在本码元判决时刻，波形的瞬时值为最大值；而这个码元波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过滤波均衡以后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对相邻码元的判决，上述这种情况可从图（b）中明显地看出。2020/11/1光纤通信系统35判决与再生为了能从滤波器的输出信号判决出是“0”码还是“1”码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决，亦即应将混合在信号中的时钟信号（又称定时信号）提取出来，这是时钟恢复电路应该完成的功能。接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由滤波器送过来的信号，若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码；低于判决门限电平，则被判为“0”码。