第七章光接收機(jī)

1、第七章第七章 光接收機(jī)光接收機(jī)7.1 光光 接接 收收 機(jī)機(jī)7.2 光接收機(jī)的誤碼源光接收機(jī)的誤碼源7.3 光接收機(jī)的靈敏度光接收機(jī)的靈敏度7.1 光光 接接 收收 機(jī)機(jī)7.1.1光接收機(jī)作用光接收機(jī)作用 光接收機(jī)作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動(dòng)增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。 光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測(cè)器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱(chēng)光接收機(jī)前端。前端性能是決定光接收機(jī)的主要因素。7.1.2光接收機(jī)基本組成光接收機(jī)基本組成 直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)方

2、式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖見(jiàn)圖7.1。 主要包括：光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。 光檢測(cè)器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào) 圖 7.1 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 前端線性通道時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生光接收機(jī)的前端光接收機(jī)的前端前端：由光電二極管和前置放大器組成作用：將耦合入光電檢測(cè)器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變光生電流，然后進(jìn)行預(yù)放大(電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換)，以便后級(jí)作進(jìn)一步處理。前端是光接收機(jī)的核心要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測(cè)器的選擇：要視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定。A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性

3、度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快。B. APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)其探測(cè)靈敏度特別高，但需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路。 從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用pin光電二極管作光探測(cè)器。EDFA + pin同樣可以帶來(lái)高靈敏度。前置放大器主要作用是保持探測(cè)的電信號(hào)不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。器件的選擇器件的選擇光接收機(jī)的線性通道光接收機(jī)的線性通道對(duì)主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形和補(bǔ)償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的升余弦波形根據(jù)輸入信號(hào) (平均值) 大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。提供高的

4、增益，放大到適合于判決電路的電平判決再生與時(shí)鐘提取判決再生與時(shí)鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)為確定是1或是0，需要對(duì)某時(shí)隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為1，則由再生電路產(chǎn)生一個(gè)矩形1脈沖；若判決結(jié)果為0，則由再生電路重新輸入一個(gè)0。為了精確地確定“判決時(shí)刻”，需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致通過(guò)光數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào)路徑光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)光接收機(jī)的結(jié)構(gòu) 光電檢測(cè)器是把光信號(hào)變換為電信號(hào)的關(guān)鍵器件，對(duì)其要求是： 在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光電檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流。 波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖的3個(gè)低損耗窗口兼容。 有足夠高的

5、響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。 產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號(hào)。 光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。 工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)。 功耗和體積小，使用簡(jiǎn)便。 光接收機(jī)的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分。 對(duì)前置放大器要求是較低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益。 前置放大器的的類(lèi)型目前有3種：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（或跨導(dǎo)前置放大器）。 主放大器一般是多級(jí)放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來(lái)自前置放大器的輸出信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平。并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC），以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)應(yīng)保持恒定輸出。 主放大器

6、和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 均衡器的作用是對(duì)已畸變(失真)和有碼間干擾的電信號(hào)進(jìn)行均衡補(bǔ)償，減小誤碼率。 再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，由判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成。 5自動(dòng)增益控制（自動(dòng)增益控制（AGC） AGC就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益。作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，使光接收機(jī)的輸出保持恒定。 圖7.1中除光檢測(cè)器以外的所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，很容易用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路(IC)技術(shù)將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術(shù)都能夠使集成電路的工作帶寬超過(guò)2GHz，甚至達(dá)到10GHz。 為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努

7、力開(kāi)發(fā)單片光接收機(jī)，即用“光電集成電路(OEIC)技術(shù)”在同一芯片上集成包括光檢測(cè)器在內(nèi)的全部元件。 這樣的完全集成對(duì)于GaAs接收機(jī)(即工作在短波長(zhǎng)的接收機(jī))是比較容易的，而且早已得到實(shí)現(xiàn)。 然而，對(duì)于工作在1.3-1.6m波長(zhǎng)的系統(tǒng)，人們需要基于InP的OEIC接收機(jī)。在1991年試驗(yàn)成功的單路InGaAs OEIC接收機(jī)，其運(yùn)行速率達(dá)5Gb/s。光電集成接收機(jī)光檢測(cè)器電路部分GaAs基片N-InP基片P-接觸片N-接觸片 InGaAs OEIC接收機(jī)也可以用混合法實(shí)現(xiàn)。如圖所示， 電元件集成在GaAs基片上，而光檢測(cè)器集成在InP基片上，兩個(gè)部分通過(guò)接觸片連接在一起。 7.1.3 光解調(diào)

8、原理光解調(diào)原理1. 非相干檢測(cè)方式非相干檢測(cè)方式常用的非相干檢測(cè)方式就是直接功率檢測(cè)方式。直接功率檢測(cè)方式是通過(guò)光電二極管直接將接收的光信號(hào)恢復(fù)成基本調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。2. 相干檢測(cè)方式相干檢測(cè)方式就像普通的無(wú)線電收音機(jī)一樣，首先接收光信號(hào)要與一個(gè)光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)，如圖7.5所示。圖7.5 相干檢測(cè)原理7.1.4 光接收機(jī)的指標(biāo)光接收機(jī)的指標(biāo) 對(duì)于不同的光纖通信系統(tǒng)，有著不同的光接收機(jī)質(zhì)量指標(biāo)。(1) 光接收機(jī)靈敏度光接收機(jī)靈敏度所謂光接收機(jī)靈敏度，就是指在一定誤碼率或信噪比(有時(shí)還要加上信號(hào)波形失真量)條件下光接收機(jī)需要接收的最小平均光功率(

9、有時(shí)也稱(chēng)為平均最小輸入光功率)。(2) 光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍所謂光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，就是指在一定誤碼率或信噪比(有時(shí)還要加上信號(hào)波形失真量)條件下光接收機(jī)允許的光信號(hào)平均光功率的變化范圍。7.2 光接收機(jī)的誤碼源光接收機(jī)的誤碼源7.2.1 光接收機(jī)的噪聲源光接收機(jī)的噪聲源Fig. 7.2: 噪聲源和干擾放大器噪聲光子檢測(cè)量子噪聲(泊松分布)體暗電流表面暗電流統(tǒng)計(jì)增益起伏APD(對(duì)雪崩光電二極管)熱噪聲1. 光電檢測(cè)器噪聲光電檢測(cè)器噪聲 光電檢測(cè)器上的噪聲包括光檢測(cè)器產(chǎn)生的量子（或散彈噪聲）、暗電流噪聲及表面漏電流噪聲。2. 熱噪聲熱噪聲 熱噪聲包括檢測(cè)器負(fù)載電阻及放大器發(fā)熱引起的噪聲

10、。3. 放大器的噪聲放大器的噪聲7.2.2 光接收機(jī)的信噪比光接收機(jī)的信噪比 光接收機(jī)輸出端的信噪比為：光接收機(jī)輸出端的信噪比為： 放大器噪聲功率光檢測(cè)器噪聲功率光電流信號(hào)功率S/N提高光接收機(jī)信噪比的措施：提高光接收機(jī)信噪比的措施：（1）光檢測(cè)器必須要有很高的量子效率，以產(chǎn)生較大的信號(hào)功率；（2）使光檢測(cè)器和放大器噪聲保持盡可能低的值。7.3 光接收機(jī)的靈敏度光接收機(jī)的靈敏度7.3.1 數(shù)字光接收機(jī)的誤碼率數(shù)字光接收機(jī)的誤碼率 由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程， 其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機(jī)對(duì)碼元

11、誤判的概率稱(chēng)為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率，BER)， 用較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)Ne和接收的總碼元數(shù)Nt的比值來(lái)表示。 根據(jù)通信系統(tǒng)理論，二進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率可以表示為：BtNNNBERete 其中B=1/Tb是脈沖傳輸速率。光纖通信系統(tǒng)的典型誤碼范圍是10-9到10-12。Fig. 7.3: 脈沖展寬導(dǎo)致的碼間串?dāng)_誤碼源碼間串?dāng)_（誤碼源碼間串?dāng)_（ISI） 脈沖在傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于光纖色散以及非線性效應(yīng)導(dǎo)致展寬，比特能量向其它比特泄漏，導(dǎo)致接收機(jī)0和1的判決誤碼。這種問(wèn)題在高速傳輸系統(tǒng)中尤為突出。Fig. 7.5: 接收信號(hào)的概率分布 dyypvPv) 1

12、|(1 dyypvPv)0|(0ththevbPvaPP01發(fā)送一個(gè)邏輯1脈沖而均衡器輸出電壓小于 的概率：發(fā)送一個(gè)邏輯0脈沖而均衡器輸出電壓大于 的概率：如果設(shè)閾值電壓為 則誤碼概率定義為：th加權(quán)因子a和b是先驗(yàn)數(shù)據(jù)分布確定的，a,b代表1或0出現(xiàn)的概率。利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費(fèi)時(shí)，而且不能對(duì)光接收機(jī)的設(shè)計(jì)提供多少幫助。所以，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的分析。假設(shè)輸出信號(hào)s 的幅度具有均值為m的高斯概率分布函數(shù)。如果在任意時(shí)間t1對(duì)信號(hào)電壓s(t)進(jìn)行抽樣，抽樣信號(hào)s(t1)落在(s, s+ds)的概率：dsmsdssf2exp21)(22其中

13、f(s)是概率密度函數(shù)，2是噪聲方差，它的平方根是標(biāo)準(zhǔn)偏差，即概率分布寬度的量度。f(x)xm1/e22高斯假設(shè) 增加，偏離平均值的 概率越大發(fā)送0碼時(shí)被均衡器輸出解調(diào)電路誤判為1的概率，即噪聲脈沖超過(guò)閾值vth的概率：dvbvdyyfdyypvPoffoffvoffvvthththth22002exp21)(0|)(類(lèi)似地，也可以得到發(fā)送的1碼被誤判為0的概率：dvbvdyyfdyypvPononvonvvthththth22112exp21)(1 |)(單比特誤碼率bvQth QeQerfdxeQPBERQQxe2/2/222121211誤碼率 bit-error-rateonthonof

14、foffthvbbvQ dyexerfxy022其中設(shè)0和1等概率發(fā)送，且選取判決電壓為vth = (bonoff + boffon)/(off + on)：當(dāng)on = off = 且boff=0, bon=V, 則vth = V/2 22121VerfPe描述接收機(jī)性能Fig. 7.7: BER 和 Q 因子的關(guān)系曲線Q和特定誤碼率下的信噪比相關(guān)，因此，被廣泛用來(lái)說(shuō)明接收機(jī)的性能。 下面分析兩種傳輸速率的情況：例BER與信噪比的關(guān)系曲線(b)b) 對(duì)于高速SONET鏈路，OC-12速率是622Mb/s，要得到相同的通話(huà)效果 (11分鐘才有一個(gè)誤碼)，則要求BER為10-11或10-12，這就

15、表示至少要求 V/ = 13(a)a) 信噪比為8.5時(shí)誤碼率為Pe = 10-5。對(duì)于一個(gè)速率為1.544Mb/s 的電話(huà)的接收信號(hào)電平值，Pe = 10-5意味著每0.065秒有一位誤碼，這是非常不理想的。但是通過(guò)增加信號(hào)功率，只要使V/ 從8.5 增加至12，BER就會(huì)降到10-9。此時(shí)，每11分鐘才有一位誤碼，通常這是可以容忍的-21-20-19-1810-510-610-710-810-910-10 27-1 223-1 231-1Bit Error RateReceived Optical Power(dBm)典型的10Gb/s光接收機(jī)的誤碼特性眼圖是觀測(cè)系統(tǒng)性能最直觀、最簡(jiǎn)單的方

16、法。誤碼率是最終結(jié)果，眼圖可用于分析形成誤碼的原因。1、形成脈沖序列示波器y軸時(shí)鐘信號(hào)外觸發(fā)2、眼圖分析A、眼睛睜開(kāi)最大處為最佳判決時(shí)刻B、眼睛睜開(kāi)度表征噪聲容限C、眼睛展開(kāi)度E/表征過(guò)門(mén)限失真大小，E/減小表示時(shí)鐘抖動(dòng)增加D、眼皮厚度：體現(xiàn)噪聲大小及碼間干擾E、眼圖斜率：體現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)定時(shí)誤差的敏感性，斜率愈大，愈敏感21VVE 21/ttE 眼圖眼圖眼圖眼圖定義：量子效率為1，沒(méi)有暗電流(即沒(méi)有光的時(shí)候沒(méi)有電子空穴對(duì)產(chǎn)生)，對(duì)于達(dá)到特定誤碼率時(shí)的最小接收機(jī)功率稱(chēng)為量子極限。在這種極限條件下，所有的參數(shù)都是理想的，檢測(cè)器性能僅受限于光檢測(cè)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性 (量子噪聲) 。假設(shè)在時(shí)間 t內(nèi)有一個(gè)能量

17、為 E 的光脈沖落在光檢測(cè)器上，在時(shí)間 t內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的均值為：而t內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生的電子個(gè)數(shù)n服從泊松分布： ! neNnPNnr7.3.2 光檢測(cè)器的量子極限光檢測(cè)器的量子極限hvEdttPhvNt0)()(/tPhvqIp因此在時(shí)間t內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生0個(gè)電子的概率為：在這種情況下，信號(hào)就會(huì)被接收機(jī)判斷為0脈沖。 對(duì)于理想光接收機(jī)，當(dāng)光檢測(cè)器沒(méi)有光輸入時(shí)，放大器就完全沒(méi)有電流輸出，因此“0”碼誤判為“1”碼的概率Pe01 = 0。產(chǎn)生誤碼的唯一可能就是當(dāng)一個(gè)光脈沖輸入時(shí)，光檢測(cè)器沒(méi)有產(chǎn)生光電流，放大器沒(méi)有電流輸出。因此“0” “1”等概發(fā)送時(shí)，誤碼率Pe為：通過(guò)這個(gè)式子，我們可以得到滿(mǎn)足一定誤碼

18、率要求時(shí)所需要的最小輸入能量。量子極限 (續(xù)) NreP02/)0(5 . 05 . 05 . 05 . 0010110NreeeeePPPPP 一個(gè)數(shù)字光纖鏈路工作在850nm時(shí)要求BER為10-9。(a) 先求出與光檢測(cè)器量子效率和入射光子能量有關(guān)的量子極限。由前可知，誤碼概率是：解出 。因此，對(duì)于這個(gè)BER指標(biāo)，要求每個(gè)脈沖平均有21個(gè)光子產(chǎn)生?？梢缘玫紼，即：(b) 對(duì)一個(gè)傳輸速率為10Mb/s的簡(jiǎn)單二值信號(hào)系統(tǒng)，為了得到10-9的BER指標(biāo)，試求光檢測(cè)器上的最小入射功率P0。如果檢測(cè)器的量子效率為1，則有：其中 是數(shù)據(jù)速率B的一半(這里假設(shè)0和1等概出現(xiàn))，解出P0可得： 9102/

19、2/0NreP03.202ln10ln9NhvE21thchvPE21210t/1例pW6 .24)1085. 0(2/1010/100 . 310626. 621221668340msbsmsJhcBP7.3.3 影響光接收機(jī)靈敏度的主影響光接收機(jī)靈敏度的主要因素要因素1. 輸入和輸出信號(hào)波形輸入和輸出信號(hào)波形在光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)接收到的光信號(hào)波形是被光纖線路展寬了的信號(hào)波形，這種波形將會(huì)存在碼間干擾。為了減少碼間干擾的影響，必須對(duì)接收的信號(hào)波形進(jìn)行濾波均衡，變成沒(méi)有碼間干擾的信號(hào)波形(實(shí)際中多采用升余弦波)。經(jīng)過(guò)均衡后，光接收機(jī)的帶寬可以用如下公式表示： 式中：是輸出波形的滾降因子。

20、從上式可以看出，光接收機(jī)的帶寬將大于奈奎斯特帶寬。TB2112. 非理想均衡濾波非理想均衡濾波為了有利于判決，我們希望光接收機(jī)輸出的信號(hào)波形為升余弦波。3. 直流光和背景光直流光和背景光由于光源是在一定正向偏置電壓下工作的，因此無(wú)信號(hào)時(shí)光接收機(jī)仍然能夠接收到一定的光功率，這種光信號(hào)稱(chēng)為直流光。4. 判決閾值判決閾值 為了將升余弦波信號(hào)恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，在均衡濾波電路之后還設(shè)置了再生判決電路。判決電路的作用為：當(dāng)信號(hào)在判決時(shí)刻大于判決閾值時(shí)，判決電路輸出“1”；當(dāng)信號(hào)在判決時(shí)刻小于判決閾值時(shí)，判決電路輸出“0”。 數(shù)字接收機(jī)用誤碼率的度量，而模擬接收機(jī)用信噪比信噪比來(lái)度量，信噪比定義為均方信號(hào)電流與均方噪聲電流之比。 以幅度調(diào)制為例，時(shí)變電信號(hào)s(t)用來(lái)直接調(diào)制偏置電流為IB的光源，發(fā)送光功率P(t)有如下形式：其中Pt是平均發(fā)射功率，m為調(diào)制指數(shù)：DI一般不能太大，以確保光源工作在線性區(qū)。 )(1tmsPtPtBIImD7.