4.2光接收机解析.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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,
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、.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
12、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
13、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
14、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
15、 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
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