光接收机二概述.ppt

光接收机二概述光接收机二概述 数字光接收机方框图数字光接收机方框图 光检测器光检测器偏压控制偏压控制前置放大器前置放大器AGC电路电路均衡器均衡器判决器判决器时钟时钟提取提取再生码流再生码流主放大器主放大器光信号光信号前端前端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（CDR）性能指标性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比接收灵敏度、误码率或信噪比1、低阻型前置放大器：、低阻型前置放大器：技术要求技术要求：系统对带宽的要求较高，对噪声特性要求较低。：系统对带宽的要求较高，对噪声特性要求较低。设计思路设计思路：从频带要求出发选择偏置电阻：从频带要求出发选择偏置电阻设设前前放放输输入入回回路路的的总总并并联联电电阻阻为为Rt，总总并并联联电电容容为为Ct，则则应应使使输输入入回回路路的的RC时间常数（时间常数（=RtCt）尽量小以满足带宽的要求，即有）尽量小以满足带宽的要求，即有 Rt1/2BwCt式式中中，Bw为为码码率率所所要要求求的的放放大大器器的的最最小小带带宽宽。当当光光接接收收机机接接收收码码流流的的码码率率为为fB(bit/s)时时，放大器的，放大器的带宽应为带宽应为 BwfB/2电电路路特特点点：频频带带宽宽，电电路路简简单单，接接收收机机不不需需要要或或只只需需要要很很少少的的均均衡衡，动动态范围较大；由于前放输入回路的电阻值较小，噪声较大。态范围较大；由于前放输入回路的电阻值较小，噪声较大。适用对象适用对象：高速数字光纤通信系统的光接收机中：高速数字光纤通信系统的光接收机中2、高阻型前置放大器：、高阻型前置放大器：技术要求技术要求：系统对噪声特性要求较高，对带宽的要求较低。：系统对噪声特性要求较高，对带宽的要求较低。设设计计思思路路：尽尽量量加加大大偏偏置置电电阻阻，以以便便把把前前置置放放大大电电路路的的噪噪声声减减小小至至尽尽可可能能小小的值的值电电路路特特点点：噪噪声声较较小小，但但频频带带较较窄窄，前前置置级级的的动动态态范范围围也也较较小小，对对应应的的接接收收机的均衡电路复杂。机的均衡电路复杂。适用对象适用对象：码率较低的数字光纤通信系统的光接收机中：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：、跨阻型前置放大器：技术要求技术要求：系统对带宽和噪声特性都有较高的要求：系统对带宽和噪声特性都有较高的要求设计思路设计思路：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：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。宽。电路特点电路特点：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：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。改善。适用对象：适用对象：被广被广 泛采用。泛采用。光接收机光接收机前置放大器等效电路前置放大器等效电路跨阻型前置放大器的跨阻型前置放大器的工作原理工作原理：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，仍然很大，但负反馈使输入阻抗减小了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倍，因此带宽也比高阻抗放大器的扩大了的扩大了G 倍。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，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。因此光接收机常使用这种结构的前放。前放前放GID RLCT高阻（低阻）型高阻（低阻）型前放前放G RLIDCT 跨阻型跨阻型二、线性通道二、线性通道1、主放、主放：具有：具有AGC功能，可根据输入信号（平均值）大小自动功能，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（范围。有时用限幅放大器（LA）替代）替代AGC。主放大器主放大器和和AGC决定着光接收机的决定着光接收机的动态范围。动态范围。2、均均衡衡滤滤波波器器：接接收收机机噪噪声声正正比比于于接接收收带带宽宽，因因此此，采采用用低低通通滤滤波波来来减减低低噪噪声声。通通常常滤滤波波器器带带宽宽 f比比特特率率B（常常取取为为0.60.8B)，这这将将引引起起脉脉冲冲展展宽宽，而而导导致致码码间间干干扰扰。因因此此，对对滤滤波波器器提提出出要要求求，使使展展宽宽的的脉脉冲冲无无（或或小小的的）码码间间干干扰扰，满满足足这这一一要要求求的的滤滤波波器成为均衡滤波器（或匹配滤波器）。器成为均衡滤波器（或匹配滤波器）。3、无码间干扰条件：、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。刻的瞬时值为零。三、时钟提取与数据再生（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：、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、判决电路时钟提取电路、判决电路2、时钟提取：、时钟提取：将将f=B的的谱谱分分量量与与接接收收信信号号分分离离的的过过程程，向向判判决决电电路路提提供供码码间间隔隔TB=1/B的的信信息息，使使判判决决过过程程同同步步。在在RZ码码中中，信信号号本本身身含含有有f=B的的谱谱分分量量，使使用用窄窄带带滤滤波波器器（如如声声表表面面波波滤滤波波器器），即即可可提提取取出出时时钟钟；而而在在NRZ码码中中，信信号号缺缺乏乏f=B的的谱谱分分量量，首首先先要要对对信信号号进进行行非非线线性性预预处处理理（微微分分、整整流流电电路路或或延延迟迟原原理理）窄窄化化脉脉冲冲，再再经经锁锁相相环环路提取出时钟。路提取出时钟。在数字光纤通信系统中，按照在数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元宽度相码时码元宽度相对于码元周期对于码元周期T的大小，分为的大小，分为NRZ码和码和NZ码两种。码两种。3、判决再生、判决再生提提取取时时钟钟信信号号后后，在在最最佳佳的的取取样样时时间间对对升升余余弦弦信信号号进进行行取取样样，然然后后将将取取样样幅幅度度与与判判决决阈阈值值进进行行比比较较，确确定定码码元元是是“0”还还是是“1”，从从而而把把升升余余弦弦波波形形恢恢复复再再生成原传输的数字信号。生成原传输的数字信号。最最佳佳的的判判决决时时间间应应是是升升余余弦弦波波形形的的正正负负峰峰值值点点，这这时时取取样样幅幅度最大，抵抗噪声的能力最强。度最大，抵抗噪声的能力最强。要求：要求：稳定可靠稳定可靠抗连抗连“0”和连和连“1”时钟抖动小时钟抖动小四、光电集成接收机四、光电集成接收机 光光接接收收机机中中除除光光检检测测器器以以外外的的所所有有元元件件都都是是标标准准的的电电子子器器件件，很很容容易易用用标标准准的的集集成成电电路路(IC)技技术术将将它它们们集集成成在在同同一一芯芯片片上。上。不不论论是是硅硅(Si)还还是是砷砷化化镓镓(GaAs)IC技技术术都都能能够够使使集集成成电电路路的工作带宽超过的工作带宽超过2 GHz，甚至达到，甚至达到10 GHz。为为了了适适合合高高传传输输速速率率的的需需求求，人人们们一一直直在在努努力力开开发发单单片片光光接接收收机机，即即用用“光光电电集集成成电电路路(OEIC)技技术术”在在同同一一芯芯片片上上集集成成包括光检测器在内的全部元件。包括光检测器在内的全部元件。对对于于GaAs接接收收机机（工工作作在在短短波波长长的的接接收收机机），这这样样的的集集成成比较容易，早已得到实现。比较容易，早已得到实现。对对于于工工作作在在1.31.6m波波长长的的系系统统，人人们们需需要要基基于于InP的的OEIC接收机接收机。在在1991年年试试验验成成功功的的单单路路InGaAs OEIC接接收收机机，其其运运行行速速率达率达5 Gb/s。InGaAs OEIC接收机也可以用接收机也可以用混合法实现混合法实现。如如下下图图所所示示，电电元元件件集集成成在在GaAs基基片片上上，而而光光检检测测器器集集成成在在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。基片上，两个部分通过接触片连接在一起。光电集成接收机光电集成接收机 光接收机的光接收机的噪声有两部分：噪声有两部分：外外部部电电磁磁干干扰扰产产生生 这这部部分分噪噪声声的的危危害害可可以以通通过过屏屏蔽蔽或或滤滤波加以消除；波加以消除；内内部部产产生生 这这部部分分噪噪声声是是在在信信号号检检测测和和放放大大过过程程中中引引入入的的随随机机噪噪声声，只只能能通通过过器器件件的的选选择择和和电电路路的的设设计计与与制制造造尽尽可可能能减减小，小，一般不可能完全消除。一般不可能完全消除。我们要讨论的噪声是指内部产生的我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声随机噪声随机噪声随机噪声。光光接接收收机机噪噪噪噪声声声声的的的的主主主主要要要要来来来来源源源源是是是是:光光光光检检检检测测测测器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声和和和和前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声。因因为为前前置置级级输输入入的的是是微微弱弱信信号号，其其噪噪声声对对输输出出信信噪噪比比影影响响很很大大，而而主主放放大大器器输输入入的的是是经经前前置置级级放放大大的的信信号号，只只要要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。5.3.2 光接收机的噪声特性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,而光接收机的而光接收机的噪声对灵敏度或信噪比有着决定性的影响。噪声对灵敏度或信噪比有着决定性的影响。光接收机存在的噪声可光接收机存在的噪声可分为两类分为两类：散粒噪声和热噪声：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，放大器的略，放大器的输出噪声主要由前置级所决定输出噪声主要由前置级所决定光接收机的噪声等效模型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，上图示出光接收机的噪声等效模型，由由光检测器光检测器光检测器光检测器和和和和放大器放大器放大器放大器两两 部分组成。部分组成。光电检测器分解为：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光检测器的量子噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率等效噪声功率)，功率谱密度表示为功率谱密度表示为 Sq id2暗电流噪声产生的均方噪声电流暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率等效噪声功率)，其相应的其相应的 功率谱密度为功率谱密度为 Sd ip 光检测器的输出光生电流光检测器的输出光生电流 R 光检测器的偏置电阻光检测器的偏置电阻 C 光检测器的电容光检测器的电容(结电容和其他电容结电容和其他电容)光检测器噪声：光检测器噪声：总噪声：总噪声：信号电流：信号电流：1、PIN光检测器噪声光检测器噪声包括：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，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。其功率谱密度为常数。量子噪声的噪声方差：量子噪声的噪声方差：暗电流噪声的噪声方差：暗电流噪声的噪声方差：2、APD光检测器的噪声光检测器的噪声信号电流均方噪声（经历倍增）信号电流均方噪声（经历倍增）：暗电流噪声（经历倍增）：暗电流噪声（经历倍增）：l 漏电流噪声（未经历倍增）：漏电流噪声（未经历倍增）：总噪声：总噪声：信号电流：信号电流：放大器分解为放大器分解为:理想放大器理想放大器，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻Rin 等效噪声电流源等效噪声电流源i02，相应的功率谱密度，相应的功率谱密度 SI 等效噪声电压源等效噪声电压源u02，相应的功率谱密度，相应的功率谱密度 SE 3、前置放大器噪声、前置放大器噪声光接收机的噪声等效模型光接收机的噪声等效模型 光接收机的前置级放大电路光接收机的前置级放大电路(a)(a)双极型晶体管；双极型晶体管；(b)(b)场效应管；场效应管；(c)(c)跨阻型跨阻型 放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据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。型前置放大电路示于下图。其其输入输入的的等效噪声功率为：等效噪声功率为：场效应管场效应管(FET)前置放大器前置放大器双极型晶体管双极型晶体管(BJT)前置放大器前置放大器k为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为绝对温度，为绝对温度，R、Rin的意义见上图，的意义见上图，为为BJT的直流电流的直流电流放大倍数，放大倍数，Ic为为BJT的集电极偏置电流，的集电极偏置电流，C为包括光电检测器电容、前置放大器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，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，为放大器带宽，e为电子电荷量。为电子电荷量。gm是是FET的跨导的跨导跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器-双极型晶体管双极型晶体管 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器-场效应管场效应管光接收机的输入等效总噪声可以表示为：光接收机的输入等效总噪声可以表示为：三种类型前置放大器的比较：三种类型前置放大器的比较：(1)双双极极型型晶晶体体管管前前置置放放大大器器的的主主要要特特点点是是输输入入阻阻抗抗低低，电电路路时时间间常常数数RC小小于于信信号号脉脉冲冲宽宽度度T，因因而而码码间间干干扰扰小小，适适用于高速率传输系统。用于高速率传输系统。(2)场场效效应应管管前前置置放放大大器器的的主主要要特特点点是是输输入入阻阻抗抗高高，噪噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。(3)跨跨阻阻型型前前置置放放大大器器最最大大的的优优点点是是改改善善了了带带宽宽特特性性和和动态范围，并具有良好的噪声特性。动态范围，并具有良好的噪声特性。InGaAs光电二极管在波长为光电二极管在波长为1300 nm时有如下参数：初时有如下参数：初级暗电流级暗电流ID=4 nA，负载电阻负载电阻RL=1000 W W，量子效率，量子效率h h=0.90，表面漏电流可以忽略，入射光功率为，表面漏电流可以忽略，入射光功率为300 nW(-35 dBm)，接接收机带宽为收机带宽为20 MHz，计算光检测器的各种噪声。计算光检测器的各种噪声。首先计算初级光电流：首先计算初级光电流：量子噪声均方根电流：量子噪声均方根电流：例例负载均方热噪声电流为：负载均方热噪声电流为：光检测器暗电流：光检测器暗电流：例例(续续)l数字接收机的性能指标由数字接收机的性能指标由比特误码率（比特误码率（BER）所决定。所决定。lBER定义为码元在传输过程中出现差错的概率，工程中定义为码元在传输过程中出现差错的概率，工程中常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码元数之常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码元数之比来表示。如比来表示。如BER=10-6，则表示每传输百万比特只允许，则表示每传输百万比特只允许错错1个比特；个比特；BER=10-9则表示每传输则表示每传输10亿个比特只允许亿个比特只允许错错1个比特。通常，个比特。通常，数字光接收机要求数字光接收机要求BER10-9。5.3.3误码率误码率l 误码产生的原因：误码产生的原因：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”码码误判为误判为“1”1”码，或把码，或把“1”1”码误判为码误判为“0”0”码。码。光光接接收收机机对对码码元元误误判判的的概概率率称称为为误误码码率率(BER)，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总码码元元数数的的比比值来表示。值来表示。码码元元被被误误判判的的概概率率，可可以以用用噪噪声声电电流流(压压)的的概概率率密密度度函函数数来来计计算。算。l 误码率的计算：误码率的计算：在在已已知知光光检检测测器器和和前前置置放放大大器器的的噪噪声声功功率率，并并假假设设了了噪噪声声的的概概率率分分布布后后，就就可可以以分分别别计计算算“0”0”码码和和“1”1”码码的的误误码码率率了了。图图(a)表表示示判判决决电电路路接接收收到到的的叠叠加加了了噪噪声声的的比比特特流流，I1是是“1”码码平平均均电电流流，I0 是是“0”码码的的电电流流（平平均均电电流流为为0），ID是是判决门限电流。判决门限电流。图图(b)表表示示“1”码码信信号号和和“0”码码信信号号在在平平均均光光生生信信号号电电流流 I1和和I0 附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。在在“1”1”码码时时，如如果果在在取取样样时时刻刻带带有有噪噪声声的的电电流流I I1 1IIID D，则则可可能能被误判为被误判为“1”1”码。码。要要确确定定误误码码率率，不不仅仅要要知知道道噪噪声声功功率率的的大大小小，而而且且要要知知道道噪噪声声的概率分布。的概率分布。光光接接收收机机输输出出噪噪声声的的概概率率分分布布十十分分复复杂杂，一一般般假假设设噪噪声声电电流流(或电压或电压)的瞬时值服从高斯分布，其的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为概率密度函数为:式式中中x是是代代表表噪噪声声这这一一高高斯斯随随机机变变量量的的取取值值，其其均均值值为为零零，方差为方差为2。在在发发“0”0”码码时时，平平均均噪噪声声功功率率0 02 2=A A2 2，A A2 2为为前前置置放放大大器器的的平平均噪声功率。均噪声功率。这这时时没没有有光光信信号号输输入入，光光检检测测器器的的平平均均噪噪声声功功率率D D=0(=0(略略去去暗暗电电流流)。发发“0”0”码条件下噪声的概率密度函数为码条件下噪声的概率密度函数为 :在已知光检测器和前置放大器的在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，就可以分别计算分布后，就可以分别计算“0”码和码和“1”码的误码率了。码的误码率了。计算误码率的示意图计算误码率的示意图 根根据据误误码码率率的的定定义义，把把“0”码码误误判判为为“1”码码的的概概率率，应应等等于于I0值超过值超过ID值的概率值的概率，即，即式中式中在在发发“1”码码时时，平平均均噪噪声声功功率率12=A2+D2。D2是是在在放放大大器器输输出端光检测器的平均噪声功率。出端光检测器的平均噪声功率。这这时时噪噪声声电电流流的的幅幅度度为为I1-Im，Im为为“1”码码的的平平均均电电流流，判判决决门门限限值值仍仍为为ID，则则只只要要取取样样值值Im-I1Im-ID或或I1-ImID)式中式中 “0”码码和和“1”码码的的误误码码率率一一般般是是不不相相等等的的，但但对对于于“0”码码和和“1”码码等等概概率率的的码码流流而而言言，一一般般认认为为Pe,01=Pe,10时时，可可以以使误码率达到最小。使误码率达到最小。(Im-I1)(Im-ID)把把“1”码误判为码误判为“0”码的概率为：码的概率为：可见，可见，BER主要取决于判决阈值主要取决于判决阈值ID，为使，为使BER最小，应对最小，应对ID的选的选取进行优化。实际中，当取进行优化。实际中，当ID选择满足以下关系时，选择满足以下关系时，BER最小最小引入补余误差函数引入补余误差函数则上述误码率分别为则上述误码率分别为总的误码率为总的误码率为ID的直接表达式可写成的直接表达式可写成 Q的物理意义：的物理意义：另外，只要知道另外，只要知道Q值，就可求出误码率，结果示于下图。值，就可求出误码率，结果示于下图。例如：例如：Q=6,BER10-9，Q7，BER=10-12。“1”码和码和“0”码的码的平均电流之差平均电流之差“0”码和码和“1”码噪声电流码噪声电流的均方值的均方值如果如果“0”码对应的平均电流等于零，则码对应的平均电流等于零，则Q就是信号电流与噪声就是信号电流与噪声电流之比，所以称电流之比，所以称Q为数字信噪比。为数字信噪比。通常通常:2.5Gb/s系统的接收灵敏度系统的接收灵敏度对应于对应于BER=10E-9；10Gb/s系统的接收灵敏度系统的接收灵敏度对应于对应于BER=10E-10；典型的典型的10Gb/s光接收机的误码特性光接收机的误码特性5.3.4 信噪比（信噪比（SNR）SNR=平均信号功率平均信号功率噪声功率噪声功率对于不同的入射光功率，对于不同的入射光功率，APD光接收机存在最佳增益，故可光接收机存在最佳增益，故可根据入射光功率调整根据入射光功率调整APD偏压，使其工作于最佳增益。偏压，使其工作于最佳增益。模拟光接收机信噪比定义为模拟光接收机信噪比定义为 Pr=10lg 5.3.5 灵敏度灵敏度 灵灵敏敏度度是是衡衡量量光光接接收收机机性性能能的的综综合合指指标标。灵灵敏敏度度Pr的的定定义义是是，在在保保证证通通信信质质量量(限限定定误误码码率率或或信信噪噪比比)的的条条件件下下，光光接接收收机机所所需需的的最最小小平平均均接接收收光光功功率率Pmin，并并以以dBm为为单单位。由定义得到位。由定义得到灵敏度的物理意义：灵敏度的物理意义：灵敏度衡量并体现了光接收机灵敏度衡量并体现了光接收机“抵制噪声抵制噪声”、“接收并恢接收并恢复微弱光信号复微弱光信号”的极限能力。的极限能力。这种能力应该这种能力应该从两个方面来理解从两个方面来理解。（1）噪声一定时，灵敏度越高，光接收机在正常工作状态）噪声一定时，灵敏度越高，光接收机在正常工作状态下所需要输入的最小光功率下所需要输入的最小光功率P越小，说明光接收机接收（处越小，说明光接收机接收（处理）微弱光信号的能力越强。理）微弱光信号的能力越强。（2）输入的光功率）输入的光功率P一定时（一定时（P Pmin），灵敏度越高（），灵敏度越高（Pmin越小），光接收机在正常工作状态下所允许的噪声越小），光接收机在正常工作状态下所允许的噪声 功率就越大，说明光接收机的抗噪能力越强。功率就越大，说明光接收机的抗噪能力越强。数字光接收机灵敏度的分析与计算数字光接收机灵敏度的分析与计算 具体思路：具体思路：首首先先求求出出数数字字光光接接收收机机的的误误码码率率与与前前端端噪噪声声及及输输入入光光功功率率等等参参量量的的定定量量关关系系式式，然然后后，令令误误码码率率等等于于给给定定的的误误码码率率指指标标，从从而而求求出出所所需需要要的的最最小小光光功功率率Pmin，Pmin即即代代表表光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度，Pmin越越小小，灵灵敏敏度度越越高高。有有时时，也也可可以以用用每每一一比比特特输输入入的的光光脉脉冲冲中中所所包包含含的的最最小小平平均均能能量量来来表表示示光光接收机的灵敏度。接收机的灵敏度。1.理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 假假设设光光检检测测器器的的暗暗电电流流、漏漏电电流流为为零零，光光电电二二极极管管的的量量子子效效率率为为1，放放大大器器完完全全没没有有噪噪声声，系系统统可可以以检检测测出出单单个个光光子子形形成成的的电电子子-空空穴穴对对所所产产生生的的光光电电流流，这这种种接接收收机机称称为为理理想想光光接接收收机机。它它的的灵灵敏敏度度只只受受到到光光检检测测器器的的量量子子噪噪声声的的限限制制，因因为为量量子子噪噪声声是是伴伴随随光光信信号号的的随随机机噪噪声声，只只要要有有光光信信号号输输入入，就就有有量量子子噪声存在。噪声存在。首首先先考考虑虑理理想想光光接接收收机机的的误误码码率率。当当光光检检测测器器没没有有光光输输入入时时，放放大大器器就就完完全全没没有有电电流流输输出出，因因此此“0”码码误误判判为为“1”码码的概率为的概率为0，即，即Pe,01=0。产产生生误误码码的的唯唯一一可可能能就就是是当当一一个个光光脉脉冲冲输输入入时时，光光检检测测器器没有产生光电流，放大器没有电流输出。没有产生光电流，放大器没有电流输出。这这个个概概率率，即即“1”码码误误判判为为“0”码码的的概概率率Pe,10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。为一个码元的平均光子数。当当“0”码和码和“1”码等概率出现时，码等概率出现时，误码率为：误码率为：现现在在考考虑虑理理想想光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度。设设传传输输的的是是非非归归零零码码(NRZ)，每每个个光光脉脉冲冲最最小小平平均均光光能能量量为为Ed，码码元元宽宽度度为为Tb，一一个个码码元元平平均均光光子子数数为为n，那那么么光光接接收收机机所所需需最最小小平平均均接接收收功功率率为为:式式中中，因因子子2是是“0”码码和和“1”码码功功率率平平均均的的结结果果，h=6.62810-34Js为为普普朗朗克克常常数数，f=c/，f、分分别别为为光光频频率率和和光波长，光波长，c为真空中的光速。为真空中的光速。利利用用Tb=1/fb，fb为为传传输输速速率率；并并考考虑虑光光/电电转转换换时时的的量量子子效效率为率为。Pmin=Pr=10 lg 对对于于数数字字光光纤纤通通信信系系统统，一一般般要要求求误误码码率率Pe10-9，所所以以得得到到n21。这这表表明明至至少少要要有有21个个光光子子产产生生的的光光电电流流，才才能能保保证证判判决决时时误误码率小于或等于码率小于或等于10-9。设设=0.7，并并把把相相关关的的常常数数代代入入，计计算算出出的的不不同同和和不不同同fb的的Pr值列于下表。值列于下表。这这是是光光接接收收机机可可能能达达到到的的最最高高灵灵敏敏度度，这这个个极极限限值值是是由由量量子子噪噪声声决决定定的的，所所以以称称为为量量子子极极限限。量量子子极极限限灵灵敏敏度度可可以以作作为为衡衡量量实际光接收机灵敏度高低的一种基准。实际光接收机灵敏度高低的一种基准。由下表由下表 可以看到灵敏度与光波长和传输速率的关系。可以看到灵敏度与光波长和传输速率的关系。把这些关系代入，把这些关系代入，得到得到理想光接收机灵敏度理想光接收机灵敏度:-65.7 -59.2 -71.1 -63.8灵敏度灵敏度pr/dBm 140 622 34 140速度速度fb/(Mb.s-1)1.551.31波长波长 /理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 2.实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度 影影响响实实际际光光接接收收机机灵灵敏敏度度的的因因素素很很多多，计计算算也也十十分分复复杂杂，这这里里只只作作简简要要介介绍绍。利利用用误误码码率率的的公公式式可可以以计计算算最最小小平平均均接接收收光功率光功率。为为此此，应应建建立立Q与与入入射射光光功功率率的的关关系系。在在发发“0”码码的的情情况况下下，入入射射信信号号的的光光功功率率P0=0，输输出出光光电电流流I0=0。在在发发“1”码码的的情况下，入射信号的光功率情况下，入射信号的光功率P1和光电流和光电流I1的关系为的关系为式式中中，g为为APD倍倍增增因因子子(对对于于PIN，g=1)，R为为光光检检测测器器的的响响应度，应度，P=(P1+P0)/2为为“0”码和码和“1”码的平均光功率。码的平均光功率。I1=gRP1=2gRP Q=式式中中，0和和1分分别别为为传传输输“0”码码和和“1”码码时时的的平平均均噪噪声声电电流流。如前所述，在略去暗电流的情况下，如前所述，在略去暗电流的情况下，在放大器输出端在放大器输出端“1”码的平均电流码的平均电流Im=I1A，A为放大为放大器增益，可以得到器增益，可以得到给定给定Q值，值，便得到便得到限定误码率的最小平均接收光功率限定误码率的最小平均接收光功率 02=A2 12=A2+D2 式式中中，A2是是前前置置放放大大器器的的平平均均噪噪声声功功率率；D2是是在在放放大大器器输输出出端端光光检检测测器器的的平平均均噪噪声声功功率率，D2=i2qA2，i2q为为均均方量子噪声电流方量子噪声电流，对对于于PIN光光电电二二极极管管，D A，g=1，最最小小平平均均接接收收光光功功率率 式中式中nA=A2/A2是折合到输入端的放大器噪声功率。是折合到输入端的放大器噪声功率。Pmin=设设PIN光光接接收收机机的的工工作作参参数数如如下下：光光波波长长=0.85 m，传传输输速速率率fb=8.448Mb/s，光光电电二二极极管管响响应应度度R=0.4，互互阻阻抗抗前前置置放放大大器器(FET)的的nA10-18。要要求求误误码码率率Pe=10-9，即即Q=6，计计算得到算得到Pmin=1.510-8W，Pr=-48.2 dBm。这这样样计计算算光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度是是一一种种粗粗略略的的方方法法，其其中中没没有有考考虑虑下下列列因因素素：波波形形引引起起的的码码间间干干扰扰的的影影响响；均均衡衡器器频频率率特特性的影响；光检测器暗电流和信号含直流光的影响。性的影响；光检测器暗电流和信号含直流光的影响。下下图图示示出出典典型型短短波波长长光光接接收收机机灵灵敏敏度度与与传传输输速速率率的的关关系系曲曲线线。图图中中误误码码率率限限定定为为110-9，假假设设光光检检测测器器量量子子效效率率=0.5，附加噪声系数附加噪声系数x=0.4，暗电流，暗电流id=1nA，相对脉冲展宽，相对脉冲展宽/T=0.3。由由图图可可见见，在在限限定定误误码码率率的的条条件件下下，决决定定光光接接收收机机灵灵敏敏度度的主要因素是：的主要因素是：传输速率和光检测器传输速率和光检测器传输速率和光检测器传输速率和光检测器 前置放大器的噪声特性前置放大器的噪声特性前置放大器的噪声特性前置放大器的噪声特性 典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系码率越高对灵敏码率越高对灵敏度要求越高度要求越高APD灵敏度显著灵敏度显著高于高于pin接收机灵敏度和比特率的关系接收机灵敏度和比特率的关系一个数字光纤链路工作在一个数字光纤链路工作在850 nm时要求时要求BER为为10-9：(a)先求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极先求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极限。由前可知，误码概率是：限。由前可知，误码概率是：解出解出 。因此，对于这个。因此，对于这个BER指标，要求每个脉指标，要求每个脉冲平均有冲平均有21个光子产生。可以得到个光子产生。可以得到E，即：即：例例(b)对一个传输速率为对一个传输速率为10 Mb/s的简单二值信号系统，为了得到的简单二值信号系统，为了得到10-9的的BER指标，试求光检测器上的最小入射功率指标，试求光检测器上的最小入射功率P0。如果检如果检测器的量子效率为测器的量子效率为1，则有：，则有：得：得：其中其中1/t t是数据速率是数据速率B的一半的一半(这里假设这里假设0和和1等概出现等概出现)，解出，解出P0可得：可得：例例(续续)A=5.3.6 自动增益控制和动态范围自动增益控制和动态范围 放放大大器器是是一一个个普普通通的的宽宽带带高高增增益益放放大大器器，由由于于前前置置放放大大器器输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。主主放放大大器器一一般般由由多多级级放放大大器器级级联联构构成成，其其功功能能是是提提供供足足够够的增益的增益A，以满足判决所需的电平，以满足判决所需的电平Im。Im=I1A，可以得到，可以得到式中，式中，g为为APD倍增因子倍增因子，R为为光检测器的响应度光检测器的响应度，P为为“0”码和码和“1”码的平均光功率。码的平均光功率。主放大器的另一个功能是实现主放大器的另一个功能是实现自动增益控制自动增益控制(AGC)，使光，使光接收机具有一定的接收机具有一定的动态范围动态范围动态范围动态范围，以保证在入射光强度变化时输出，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。电流基本恒定。DR=10lg 对对于于APD光光接接收收机机，AGC控控制制光光检检测测器器的的偏偏压压和和放放大大器器的的输出；输出；对于对于PIN光接收机，光接收机，AGC只控制放大器的输出。只控制放大器的输出。动态范围动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光接收的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率机所能承受的最大平均接收光功率Pmax和所需最小平均接和所需最小平均接收光功率收光功率Pmin的比值，用的比值，用dB表示。根据定义表示。根据定义 动动态态范范围围是是光光接接收收机机性性能能的的另另一一个个重重要要指指标标，它它表表示示光光接接收收机机接接收收强强光光的的能能力力，数数字字光光接接收收机机的的动动态态范范围围一一般般应应大大于于15 dB。由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范围，化，为实现宽动态范围，采用采用AGC是十分有必要的是十分有必要的。AGC一一般采用直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。般采用直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。5.3.7 眼图分析眼图分析 在在实实际际的的通通信信系系统统中中，数数字字信信号号经经过过非非理理想想的的传传输输系系统统必必定定要要产产生生畸畸变变，信信号号通通过过信信道道后后，也也会会引引入入噪噪声声和和干干扰扰，也也就就是是说说，总总是是在在不不同同程程度度上上存存在在码码间间干干扰扰的的。在在码码间间干干扰扰和和噪噪声声同同时时存存在在情情况况下下，系系统统性性能能很很难难进进行行定定量量的的分分析析，常常常常甚甚至至得得不不到到近近似似结结果果。为为了了便便于于实实际际评评价系统的性能，常用所谓价系统的性能，常用所谓“眼图眼图”。眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。是观测系统性能最直观、最简单一种常用的测试手段。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方法。误码率是最终结果，眼图可用于分析形成误码的原因。的原因。眼图应用：眼图应用：眼眼图图对对于于展展示示数数字字信信号号传传输输系系统统的的性性能能提提供供了了很很多多有有用用的的信信息息：可可以以从从中中看看出出码码间间串串扰扰的的大大小小和和噪噪声声的的强强弱弱，有有助助于于直直观观地地了了解解码码间间串串扰扰和和噪噪声声的的影影响响，评评价价一一个个基基带带系系统统的的性性能能优优劣劣；可可以以指指示示接接收收滤滤波波器的调整，以减小码间串扰。器的调整，以减小码间串扰。眼图的观测：眼图的观测：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，由于荧光屏的余辉作用，扫描线所得的每一个码元波步，由于荧光屏的余辉作用，扫描线所得的每一个码元波形将重叠在一起，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼形将重叠在一起，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称睛，故称