《光纖通信》第三章光接收機(jī)-PPT課件

1、第三章 光接收機(jī)光接收機(jī)框圖探測器：實(shí)現(xiàn)光電變換。前放：實(shí)現(xiàn)低噪聲放大。主放：提供足夠的增益，且增益受AGC電路的控制。均衡器：保證判決時(shí)不存在碼間干擾。判決器、時(shí)鐘提取：對信號進(jìn)行再生。AGC電路：改變接收機(jī)的增益，擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。光信號探測器 前置放大器主放大器均衡器判決器時(shí)鐘提取AGC電路譯碼器3.1 探測器半導(dǎo)體探測器：光電二極管PD (PIN)雪崩光電二極管APD光電二極管工作在反向偏壓的PN結(jié)二極管。工作原理-受激吸收。 加反向偏壓，形成耗盡區(qū)。入射光子，hEg時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對。在電場的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴 向P區(qū)漂移。電子到達(dá)N區(qū)，空穴到達(dá)P區(qū)，被外電路 吸收，形

2、成光生電流。光電二極管結(jié)構(gòu)-PIN結(jié)構(gòu)PI N光IuRLI為本征半導(dǎo)體，低摻雜；P、N均為高摻雜。光電二極管響應(yīng)波長光電效應(yīng)需滿足條件： hEg即: hc/Eg截止波長：c=hcEg=1.24Eg(eV)(m)Si: c=1.06 mGe,InGaAs: c=1.6 m 響應(yīng)波長: Si: 0.5-1.0 m Ge, InGaAs: 1.1-1.6 m光電二極管光電轉(zhuǎn)換效率 量子效率： =光生的電子-空穴對數(shù)入射光子數(shù)=Ip/e0P0/h=IpP0he0Ip: 光生電流P0：入射光功率響應(yīng)度（常用物理量）:R=IpP0=e0h (A/W)1光電二極管暗電流 Id 無光照射時(shí)PD的反向電流。 I

3、d: Si: 1nA Ge: 1A InGaAs: 10nAId作為一直流噪聲源存在探測器已加反向電壓P0(W)Ip(A)0IdR: 斜率R=IpP0光電二極管響應(yīng)速度常用上升，下降時(shí)間表示。主要由結(jié)電容和負(fù)載電阻的時(shí)間常數(shù)決定。 上升時(shí)間(RL=50) Si: 300ps Ge: 500ps InGaAs: 100ps工作于主干線：2.5Gbit/s 10Gbit/s雪崩光電二極管（APD）工作在高反向偏壓的PN結(jié)二極管。入射光功率產(chǎn)生一次光生電流，一次光生電流被雪崩放大，形成較大的反向電流。PI N光IuRL 響應(yīng)波長與PIN同。雪崩光電二極管平均雪崩增益G=一次光生電流總輸出電流G=11

4、-(V/VB)mVB: 擊穿電壓m：常數(shù)，與APD材料、摻雜特性及波長有關(guān)V：反向電壓GV1101001000VBSi：G100 Ge：G10 InGaAs：G1020經(jīng)驗(yàn)公式：雪崩光電二極管 APD 的溫度特性GV1101005010015020C40C60CT VB。APD實(shí)用時(shí)應(yīng)在偏置電路中加溫度補(bǔ)償。雪崩光電二極管 APD的倍增噪聲APD 噪聲：量子噪聲（散彈噪聲） 暗電流噪聲 倍增噪聲-影響最大APD的過剩噪聲系數(shù)：F(G)Gxx: 過剩噪聲指數(shù)。 Si-APD: x: 0.3-0.5 Ge-APD: x: 0.8-1.0InGaAs-APD: x: 0.5-0.7雪崩光電二極管 A

5、PD的倍增噪聲 F(G) 表示由于倍增作用而增加的一個(gè)噪聲系數(shù)。通過APD倍增后信號功率與G2成正比，而噪聲功率與G2F(G)=G2+x成正比，即APD放大噪聲比放大信號多Gx倍。例:G=100, x=0.5, F(G)=10, APD放大噪聲比放大信號多10倍。 G=100, x=1.0, F(G)=100, APD放大噪聲比放大信號多100倍。過剩噪聲指數(shù)為APD的重要指標(biāo).3.2 光接收機(jī)的靈敏度接收靈敏度 (1) 保證達(dá)到給定誤碼率的條件下，光接收機(jī)需 要的最小平均光功率。(W，dBm) (2) 保證達(dá)到給定誤碼率的條件下，光接收機(jī)需要的每一光脈沖的最低平均能量。 (3) 保證達(dá)到給定

6、誤碼率的條件下，光接收機(jī)需要的每一光脈沖的最低平均光子數(shù)。3.2 光接收機(jī)的靈敏度P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-26-24給定BER接收靈敏度Pmin-29.4 dBm光接收機(jī)靈敏度的量子極限假設(shè)： 系統(tǒng)頻帶無限寬 系統(tǒng)無噪聲 光源消光比為零 光電管暗電流為零 量子效率為1 BER=10-9時(shí)， E1=21h每個(gè)入射1碼脈沖應(yīng)有21個(gè)光子的能量。 (2) 每個(gè)入射1碼脈沖含有的平均光子數(shù)為21個(gè)。 (3) Pmin=10.5Rb hc/ (1) Rb: 碼元速率: 波長P164例題由于光源EXT=0，“0”碼時(shí)接收的光能量為0；

7、光電二極管的暗電流為0、 “0”碼時(shí)接收的光能量為0、系統(tǒng)又無噪聲，因此“0”碼誤判為“”碼的概率為0，即Pe, 01=0。由于系統(tǒng)無噪聲，只要光電二極管輸出一個(gè)電子空穴對，判決器就能判出來。所以產(chǎn)生誤碼的惟一可能就是當(dāng)一個(gè)光脈沖輸入時(shí)，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。光接收機(jī)靈敏度的量子極限因?yàn)楣庾佑?jì)數(shù)過程的概率分布為泊松分布，“1”碼持續(xù)期間產(chǎn)生的平均光子數(shù)=E1/hv,所以： Pe,10=e-0/0！=e-=e-E1/hv=e-n當(dāng)“0”碼和“1”碼等概率出現(xiàn)時(shí)，誤碼率為：設(shè)傳輸?shù)氖欠菤w零碼(NRZ)，每個(gè)光脈沖最小平均光能量為E1，碼元寬度為Tb，一個(gè)碼元平均光子數(shù)為n，那

8、么光接收機(jī)所需最小平均接收功率為 :靈敏度與碼速的關(guān)系Rb Pmin(變差)PIN: PminRb3/2 (4.5dB/比特率倍程)APD：PminRb7/6(3.5dB/比特率倍程)APD比PIN改善靈敏度5-10dB靈敏度與量子極限差10dB左右1101001000Rb(Mb/s)Pmin(dBm)-80-70-60-50-40-30-20量子極限APDPINP177 EXT（百分比定義） Pmin惡化對于PIN Pmin9EXT(%) (dB)對于APD Pmin18EXT(%) (dB) 例：EXT=10% Pmin=1.8dB LD消光比對靈敏度的影響圖3.4.5其它因素對靈敏度的影

9、響暗電流輸入波形放大器噪聲P1903.3 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 保證達(dá)到給定誤碼率的條件下，允許接收 光功率的變化范圍。(dB) -反映接收機(jī)接收強(qiáng)信號的能力。系統(tǒng)對接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求： D(dB)=PTR(dBm)-10dBPmin(dBm)可正常接收比發(fā)送功率小10dB的光功率例：fb=34Mb/s, Pmin=-44dBm, PTR=-3dBm 要求：D=31dB接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-12-10給定BER接收靈敏度Pmin-8-6過載功率Pmax動(dòng)態(tài)范圍DD(dB)=Pmax(dBm)

10、-Pmin(dBm)3.4 光接收機(jī)的均衡網(wǎng)絡(luò)升余弦形頻譜 在光纖通信系統(tǒng)中，常設(shè)計(jì)均衡網(wǎng)絡(luò)使輸出波形具有升余弦形頻譜。頻譜H()=1 0 (1+)Ts3.4 光接收機(jī)的均衡網(wǎng)絡(luò)升余弦形頻譜頻譜H()/Ts2/Ts-/Ts-2/Ts10.5=1=0.5: 滾降因子，01，表示頻譜曲線滾降的快慢。=1滾降最慢。=03.4 光接收機(jī)的均衡網(wǎng)絡(luò)升余弦形頻譜 波形hout(t)=sin(t/Ts)cos(t/Ts)tTs1-(2tTs)thout(t)Ts2Ts3Ts4Ts-Ts-2Ts-3Ts-4Ts=103.4 光接收機(jī)的均衡網(wǎng)絡(luò)升余弦形頻譜 波形 hout(0)=1 hout(nTs)=0 n=

11、1, 2, 3,.本碼元判決時(shí)刻信號最大，相鄰碼元在本碼元判決時(shí)刻信號為零，無碼間干擾。3.4 光接收機(jī)的均衡網(wǎng)絡(luò)均衡網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù) Heq()為實(shí)現(xiàn)無碼間干擾判決需滿足S()Hof()Ham()Heq()=H()S(): 發(fā)送脈沖的頻譜Hof(): 光纖的傳遞函數(shù)Ham(): 放大器的傳遞函數(shù)（包含檢測器傳遞函數(shù)）Heq()=H()S()Hof()Ham() 均衡網(wǎng)絡(luò)與發(fā)送脈沖波形，光纖特性，放大器特性有關(guān)。3.3 光接收機(jī)的均衡網(wǎng)絡(luò)眼圖分析法眼圖-隨機(jī)信號在反復(fù)掃描過程中疊加 在一起的綜合反應(yīng)。對比圖(b)和(d)可知, 眼圖的“眼睛”張開得越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越小, 反之，表示碼間串?dāng)_越大。 連“1”連“0”+1-1+1-1判決門限V1V2t1t2眼圖分析法模型化眼圖：垂直張開度：E=V1/V2 反映系統(tǒng)的抗噪聲能力。水平張開度： E=t1/t2 反映過門限失真的大小。 E小,會(huì)導(dǎo)致提取出的時(shí)鐘信號的抖動(dòng)增加。眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響。最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)是“眼睛”張開最大的時(shí)刻； 眼圖斜邊的斜率決定了系統(tǒng)對抽樣定時(shí)誤差的靈敏程度： 斜率越大， 對定時(shí)誤差