4.2光接收机解析.ppt

第第4 4章章 光端机光端机光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器光接收机是光纤通信系统的重要组成光接收机是光纤通信系统的重要组成光接收机是光纤通信系统的重要组成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部分，其作用是将光信号转换回电信部分，其作用是将光信号转换回电信部分，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。号，恢复光载波所携带的原信号。号，恢复光载波所携带的原信号。号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机光接收机光接收机光接收机4.2 光接收机光接收机第第4 4章章 光端机光端机PINPIN管管 结构结构 在在P P型型半半导导体体和和N N型型半半导导体体之间夹着一层本征半导体。之间夹着一层本征半导体。特点特点 结电容变小结电容变小 频带宽，可达频带宽，可达10GHz 输出电流小，微安量级输出电流小，微安量级 线性输出范围宽线性输出范围宽 第第4 4章章 光端机光端机雪雪崩崩光光电电二二极极管管第第4 4章章 光端机光端机雪崩光电二极管雪崩光电二极管ADPADP利用利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。电流增益高电流增益高 106 响应速度快响应速度快 100GHz 温度敏感温度敏感 需补偿需补偿n=13倍增因子倍增因子第第4 4章章 光端机光端机 光接收机作用作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。数字光接收机最主要的性能指标：灵敏度灵敏度和动态范围动态范围。第第4 4章章 光端机光端机 4.2.1 4.2.1 光接收机基本组成光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图。主要包括：光光检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、均均衡衡器器、时时钟钟提提取取电电路、取样判决器路、取样判决器以及自动增益控制自动增益控制(AGC)AGC)电路电路。光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号数字光接收机方框图前端前端前端前端线性通道线性通道线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生第第4 4章章 光端机光端机1.1.前端：前端：低噪声、高灵敏度和足够带宽低噪声、高灵敏度和足够带宽 光光检检测测器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：对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85m、1.31m和1.55m)兼容；(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。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PINPIN光光电电二极管二极管和雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)APD)。第第4 4章章 光端机光端机 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度灵敏度影响很大。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(低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器)。光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端低阻抗前端从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻RRL L优点：优点：优点：优点：电路简单，不电路简单，不电路简单，不电路简单，不需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大缺点：缺点：缺点：缺点：灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪声较高声较高声较高声较高第第4 4章章 光端机光端机高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值减至尽可能小的值减至尽可能小的值减至尽可能小的值优点优点优点优点：噪声较低：噪声较低：噪声较低：噪声较低缺点缺点缺点缺点：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分量损失太大量损失太大量损失太大量损失太大,对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出很高要求很高要求很高要求很高要求,多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统.跨阻抗前端跨阻抗前端跨阻抗前端跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电流流流流-电压转换器）电压转换器）电压转换器）电压转换器）优点：优点：优点：优点：宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。被广泛采用。被广泛采用。被广泛采用。第第4 4章章 光端机光端机光电放大器光电放大器第第4 4章章 光端机光端机对主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余弦波形。弦波形。弦波形。弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。机的动态范围。机的动态范围。机的动态范围。提供高的增益，提供高的增益，提供高的增益，提供高的增益，放大到适合于放大到适合于放大到适合于放大到适合于判决电路的电判决电路的电判决电路的电判决电路的电平。平。平。平。主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波AGCAGC电路电路电路电路2.线性通道第第4 4章章 光端机光端机再生电路的任务是将均衡网络输出的升余弦波形恢复成数字再生电路的任务是将均衡网络输出的升余弦波形恢复成数字信号。信号。3.3.再生：再生：判决电路判决电路和时钟提取电路时钟提取电路 第第4 4章章 光端机光端机 判决、再生过程第第4 4章章 光端机光端机 4.2.2 4.2.2 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。光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪声热噪声热噪声热噪声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声第第4 4章章 光端机光端机光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上时，的产生是由于光信号入射到光检测器上时，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光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布泊松分布泊松分布泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是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光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到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。最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。第第4 4章章 光端机光端机光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪声热噪声热噪声热噪声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一：当没有光信号照射光检测器时，外界的一：当没有光信号照射光检测器时，外界的一：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些杂散光或热运动也会产生一些电子些杂散光或热运动也会产生一些电子些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检空穴对，光检空穴对，光检空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。第第4 4章章 光端机光端机光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏：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，但这种噪声并非置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非置电压时，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，良好的结构本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构本征性噪声，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。和严格的工艺降低。和严格的工艺降低。和严格的工艺降低。第第4 4章章 光端机光端机光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：APDAPDAPDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的：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。随机特性产生附加的噪声。随机特性产生附加的噪声。随机特性产生附加的噪声。第第4 4章章 光端机光端机光检测器光检测器光检测器光检测器放大器放大器放大器放大器偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻光子流光子流光子流光子流h h R RL L 量子噪声量子噪声量子噪声量子噪声 暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声暗电流噪声 漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声漏电流噪声 APDAPD倍增噪声倍增噪声倍增噪声倍增噪声 热噪热噪热噪热噪声声声声 放大器噪声放大器噪声放大器噪声放大器噪声接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图：热噪声热噪声热噪声热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。离子间热相互作用引起的一种随机脉动。离子间热相互作用引起的一种随机脉动。离子间热相互作用引起的一种随机脉动。第第4 4章章 光端机光端机4.2.3 4.2.3 光接收机的主要指标光接收机的主要指标 数字光接收机主要指标有光接收机的数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度灵敏度和和动态范围动态范围。（1 1）光接收机的灵敏度）光接收机的灵敏度 物理意义：灵敏度反映的是接收机接收物理意义：灵敏度反映的是接收机接收微弱光信号微弱光信号的能力，的能力，提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。定义：指在系统满足给定定义：指在系统满足给定误码率误码率指标的条件下，光接收机指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率（所需的最小平均接收光功率（W W）。工程中常用毫瓦分贝）。工程中常用毫瓦分贝（dBmdBm）来表示，即）来表示，即:第第4 4章章 光端机光端机误码率误码率：由由于于噪噪声声的的存存在在，放放大大器器输输出出的的是是一一个个随随机机过过程程，其其取取样样值值是是随随机机变变量量，因因此此在在判判决决时时可可能能发发生生误误判判，把把发发射射的的“0 0”码码误误判判为为“1 1”码码，或或把把“1 1”码码误误判判为为“0 0”码。码。接接收收码码元元被被错错误误判判决决的的概概率率，叫叫做做误误码码率率。用用较较长长时时间间间间隔隔内内，在在传传输输的的码码流流中中，误误判判的的码码元元数数和和接接收收的的总码元数的比值来表示。总码元数的比值来表示。第第4 4章章 光端机光端机（2 2）光接收机的动态范围）光接收机的动态范围 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许输入光功率（标的条件下，接收机的最大允许输入光功率（dBmdBm）和最小允许输入光功率（和最小允许输入光功率（dBmdBm）之差（之差（dBdB）。）。即：即：动态范围表示的是接收机动态范围表示的是接收机接收强光信号的能力接收强光信号的能力。数字光接收机的动态范围一般应大于数字光接收机的动态范围一般应大于1515dBdB。第第4 4章章 光端机光端机4.2.4 4.2.4 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络一、一、基本功能基本功能：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰进行幅整形，使其变为升余弦信号，以利于克服码间干扰进行幅度判决。度判决。二、二、码间干扰码间干扰：光纤色散引起光脉冲展宽，当光脉冲展宽超：光纤色散引起光脉冲展宽，当光脉冲展宽超过分配的时隙时，一部分光脉冲能量进入相邻时隙，对邻过分配的时隙时，一部分光脉冲能量进入相邻时隙，对邻近码元信号进行干扰，叫做码间干扰。近码元信号进行干扰，叫做码间干扰。码间干扰是产生误码的重要原因，同时影响接收机的灵敏码间干扰是产生误码的重要原因，同时影响接收机的灵敏度，为克服码间干扰，对均衡网络提出了一定的要求。度，为克服码间干扰，对均衡网络提出了一定的要求。第第4 4章章 光端机光端机三、均衡网络三、均衡网络1 1、要求：只要均衡网络的传递函数为：、要求：只要均衡网络的传递函数为：就可以在判决时做到无码间干扰。其中，就可以在判决时做到无码间干扰。其中，是发送脉冲的频谱；是发送脉冲的频谱；，分别是光纤、放大器和均衡网络的传递函数，分别是光纤、放大器和均衡网络的传递函数，是升余弦信号的频谱。是升余弦信号的频谱。2 2、均衡电路、均衡电路 均衡电路的设计，从原则上讲是网路综合问题，如果按照上式进行设均衡电路的设计，从原则上讲是网路综合问题，如果按照上式进行设计，是非常复杂和困难的。目前光纤通信系统采用单模光纤，对于计，是非常复杂和困难的。目前光纤通信系统采用单模光纤，对于140Mb/s140Mb/s以下的系统，光脉冲时间展宽很小。因此，均衡网络可以做的比以下的系统，光脉冲时间展宽很小。因此，均衡网络可以做的比较简单，有时就用较简单，有时就用RCRC或或LCLC滤波器实现。滤波器实现。第第4 4章章 光端机光端机四、眼图分析方法四、眼图分析方法 将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的将均衡滤波器输出的随机脉冲序列输入到示波器的y y轴，用时钟信轴，用时钟信号作为外触发信号，示波器上就显示出随机序列的眼图。号作为外触发信号，示波器上就显示出随机序列的眼图。模型化的眼图：模型化的眼图：1 1、眼图的垂直张开度：表示系统抵抗噪声的能力；、眼图的垂直张开度：表示系统抵抗噪声的能力；2 2、眼图的水平张开度：反映过门限失真量的大小，水平张开度的减小、眼图的水平张开度：反映过门限失真量的大小，水平张开度的减小会导致提取出的时钟信号抖动的增加；会导致提取出的时钟信号抖动的增加；3 3、眼睛睁开最大处为最佳判决、眼睛睁开最大处为最佳判决时刻；时刻；4 4、眼皮厚度体现噪声大小；、眼皮厚度体现噪声大小；5 5、非线性传输特性会产生眼图的不、非线性传输特性会产生眼图的不对称性。对称性。阈值阈值t t1 1t t2 2VV1 1VV2 2最佳判决时刻最佳判决时刻第第4 4章章 光端机光端机 图左是一个刚从光发射机出来的信号眼图，图右是经过图左是一个刚从光发射机出来的信号眼图，图右是经过80km80km传输之后的眼图。可以看出：经过传输之后信号质量变传输之后的眼图。可以看出：经过传输之后信号质量变差了。差了。第第4 4章章 光端机光端机4.2.5 4.2.5 自动增益控制电路自动增益控制电路主放大器和主放大器和AGCAGC决定光接收机的动态范围，决定光接收机的动态范围，为了增大动态范围为了增大动态范围，要采用自，要采用自动增益控制电路。动增益控制电路。当采用雪崩光电二极管作为光电检测器时，可以采用两种方法扩大接收当采用雪崩光电二极管作为光电检测器时，可以采用两种方法扩大接收机的动态范围：一种是对主放大器进行自动增益控制（机的动态范围：一种是对主放大器进行自动增益控制（AGCAGC）；另一种是）；另一种是对对APDAPD的雪崩增益进行控制。这两种方法都是以输出信号经峰值检波和的雪崩增益进行控制。这两种方法都是以输出信号经峰值检波和AGCAGC放大后的信号作为控制信号的，如图。放大后的信号作为控制信号的，如图。自动增益控制电路框图第第4 4章章 光端机光端机两种常用的两种常用的AGCAGC电路：电路：1 1、改变差分放大器工作电流的、改变差分放大器工作电流的AGCAGC电路电路 通过改变差分放大器恒通过改变差分放大器恒流源的电流来控制放大器的流源的电流来控制放大器的增益，增益，G G1 1电流变化引起电流变化引起G G2 2和和G G3 3电流变化，从而改变增益。电流变化，从而改变增益。这种方法的应用已经非这种方法的应用已经非常普遍，但在高速率的光接常普遍，但在高速率的光接收机中，小电流工作下的晶收机中，小电流工作下的晶体管往往不能保证有良好的体管往往不能保证有良好的高频特性，结果限制了这种高频特性，结果限制了这种方法在高速系统中的应用。方法在高速系统中的应用。第第4 4章章 光端机光端机 在这个电路中，信号从在这个电路中，信号从G G1 1管的基极输入，晶体管管的基极输入，晶体管G G2 2和和G G3 3是一对差分管，是一对差分管，G G2 2管的导通情管的导通情况受况受AGCAGC信号控制，改变信号控制，改变G G2 2和和G G3 3管的信号电流分配比例，就管的信号电流分配比例，就可以改变放大器的电压增益。可以改变放大器的电压增益。优点优点：控制范围较大（一级：控制范围较大（一级的控制范围可达的控制范围可达303040dB)40dB)，高频特性较好。高频特性较好。2 2、分流式控制电路、分流式控制电路第第4 4章章 光端机光端机习 题光接收机中的噪声主要来源于（）和（），为抑制噪声，一般要求前置放大器应满足（）、（）和（）的要求，目前常用的前置放大电路为（）型。为增大光接收机的接收动态范围，应采用（）电路。数字光接收机主要由哪几部分组成?各部分功能是什么？怎样从光接收机眼图估计光接收机性能？接收机灵敏度和动态范围的定义及物理意义是什么?在满足一定误码率条件下，光接收机最大接收光功率为0.1mW，最小接收光功率为1000nW，求接收机灵敏度和接收机动态范围。