第四章 光接收機(jī)

第四章光接收機(jī)第1頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述；§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器；§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲；§4-4光接收機(jī)的靈敏度；§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)；本章思考題。第四章的主要內(nèi)容第2頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

光接收機(jī)的作用：探測(cè)經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號(hào)，并進(jìn)行放大、再生，恢復(fù)原始信號(hào)。

光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)：靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，其中最主要的是靈敏度，光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心部件

；接收機(jī)理論中，中心問題就是如何降低輸入端的噪聲、提高接收靈敏度。處理電路電信號(hào)放大第3頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述一、光纖通信對(duì)光電檢測(cè)器的要求1.波長(zhǎng)響應(yīng)應(yīng)在光纖通信窗口，即對(duì)一定的光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；2.響應(yīng)度要高，光電轉(zhuǎn)換效率要高，輸出電流大；3.噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號(hào)；4.響應(yīng)速度要快，常用對(duì)光脈沖的響應(yīng)的上升或下降沿表示，反應(yīng)了光信號(hào)的反應(yīng)能力；5.性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗和體積??；6.對(duì)工作溫度的變化不敏感；7.具有良好的線性，保證光電轉(zhuǎn)換過程不失真。

第4頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述二、數(shù)字光接收機(jī)的主要組成

數(shù)字光接收機(jī)可以分為圖中的8個(gè)部分，或者分為三大塊。1.光檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，然后送入前置放大器，但是光電流非常小，在nA~μA量級(jí)。η↑，N↓，τ↓前端線性通道判決再生（數(shù)據(jù)恢復(fù)）第5頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

2.前置放大器低噪聲放大器，改善信噪比，其噪聲對(duì)整個(gè)放大器的輸出噪聲影響很大，影響光接收機(jī)的靈敏度。輸出毫伏級(jí)的電壓。3.主放大器把前端輸出的信號(hào)放大到后繼電路需要的電平，即保證增益/提供足夠的增益。第6頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

4.均衡濾波減小噪聲，克服、消除放大器及其他部件(光纖)引起的信號(hào)波形失真，使噪聲及碼間干擾降到最低，對(duì)失真的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)波形供正確判決。5.判決器設(shè)置判決電平，使放大器送過來的輸入信號(hào)與判決門限電平比較。判決時(shí)刻，被判碼元的瞬時(shí)值最大，而相鄰碼元在此時(shí)刻的瞬時(shí)值為0。第7頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-1概述

6.譯碼器如果發(fā)射端進(jìn)行線路編碼、擾碼，在接收端需要有相應(yīng)的譯碼/解擾電路。7.AGC電路通過AGC電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，使輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)不受輸入信號(hào)變化的影響，保證主放大器的動(dòng)態(tài)范圍。8.時(shí)鐘提取/時(shí)鐘恢復(fù)同步脈沖提取，以供在準(zhǔn)確時(shí)刻抽樣判決。第8頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件，由光纖傳輸來的光信號(hào)通過它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，一種是PIN光電二極管，另一種是APD（雪崩）光電二極管。第9頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第10頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器一、光電二極管的工作原理光電二極管對(duì)應(yīng)受激吸收。在反向偏壓作用下半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)。

光電檢測(cè)器是外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時(shí)，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)（光生載流子），在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，這些電子-空穴對(duì)在耗盡層內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成漂移電流，同時(shí)在耗盡層兩側(cè)部分電子-空穴對(duì)由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)入耗盡層，在電場(chǎng)作用下形成擴(kuò)散電流，這兩部分電流之和為光生電流。

第11頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器第12頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器二、光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)由光電效應(yīng)可知，當(dāng)入射光子能量hυ小于禁帶寬度Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足條件hυ≥Eg，即光頻υc＜Eg/υ的入射光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λc=hc/Eg=1.24/Eg。即只有波長(zhǎng)λ＜λc

的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc

為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，又稱為截止波長(zhǎng)，相應(yīng)的υc稱為截止頻率。第13頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

光電二極管除了截止波長(zhǎng)外，當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大下降。經(jīng)過x距離后光信號(hào)被吸收的光功率為入射光波長(zhǎng)很短時(shí)，材料的吸收系數(shù)很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層就被吸收。半導(dǎo)體光電二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)：λmin<λ<λmax。Si光電二極管：0.5~1.0μm；Ge和InGaAs光電二極管：1.1~1.6μm；InGaAsP：0.8~1.6μm。第14頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器三、PIN光電二極管

PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間加一層摻雜濃度非常低或不摻雜的N型本征半導(dǎo)體材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層。第15頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

此動(dòng)畫為PIN光電二極管工作原理動(dòng)畫。第16頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器1.PIN光電二極管工作原理

入射光從P側(cè)進(jìn)入（P區(qū)非常薄，對(duì)入射光幾乎是透明的），在耗盡區(qū)光吸收產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，形成光生電流。2.PIN光電二極管的特性參數(shù)（1）光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)度第17頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器入射功率為Pin時(shí)，光生電流可以表示為所以，光電轉(zhuǎn)換效率又可寫成也可直接用響應(yīng)度表示光電轉(zhuǎn)換效率那么，如何才能得到高量子效率呢？第18頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器得到高量子效率應(yīng)可以采取的措施：減小入射面的反射率；盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)充分地被吸收。問題解決了嗎？為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的寬度，使其可以吸收大部分的光子。但是，耗盡區(qū)越寬，光生載流子漂移渡越反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度/響應(yīng)時(shí)間，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。第19頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器例1：一個(gè)PIN光電二極管，它的P接觸層厚1um。假設(shè)僅僅在耗盡區(qū)中（I層）吸收的光子才能有效地轉(zhuǎn)換成光電流。當(dāng)波長(zhǎng)為0.9um時(shí)，α=5×104m-1，忽略反射損耗，求：①該光電二極管可以得到的最大量子效率？②為使量子效率達(dá)到80%，耗盡區(qū)厚度最小應(yīng)為多少？解：①②第20頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器（2）響應(yīng)速度/響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)速度：半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)，是光電二極管的另一重要參數(shù)，用響應(yīng)時(shí)間或響應(yīng)帶寬表示。定義：響應(yīng)時(shí)間是光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后延由90%下降到10%，分別用脈沖上升時(shí)間τr和脈沖下降時(shí)間τf表示。擴(kuò)散引起拖尾10%高度90%高度第21頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

如果脈沖上升時(shí)間τr和脈沖下降時(shí)間τf相同，則前后沿相同，光電二極管具有單一的時(shí)間常數(shù)τ0，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)或exp(-t/τ0)，所以有

如果從頻域角度看，響應(yīng)時(shí)間即意味這個(gè)器件的帶寬，響應(yīng)時(shí)間短，則帶寬寬。響應(yīng)帶寬定義：探測(cè)器帶寬通常定義為輸出信號(hào)下降到功率的3dB處的頻率。簡(jiǎn)單的估算法：第22頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

實(shí)際上，τr≠τf。影響響應(yīng)速度的因素有：光電二極管和它的負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)，結(jié)電容與耗盡區(qū)的寬度w及結(jié)區(qū)面積A有關(guān)Cj越小越好。載流子在耗盡區(qū)里的渡越時(shí)間τd

涉及到時(shí)間和效率的問題，τd作為上升時(shí)間的一部分，是因?yàn)槲展庾雍笮纬呻娏魃行枰欢螘r(shí)間。此時(shí)第23頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

為減小τr

，可以減小耗盡層寬度，然而耗盡層的寬度過小將導(dǎo)致量子效率下降。因此，光電探測(cè)器的帶寬和響應(yīng)度/量子效率之間需要折中考慮，決定的帶寬實(shí)際情況是，工作速率不是很高，在1Gb/s左右或以下的τr和τRC的典型值都是100ps。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時(shí)間延遲。第24頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器（3）暗電流理想條件下，當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。暗電流是PIN光電二極管附加噪聲的主要來源，影響光接收機(jī)的靈敏度，所以暗電流越小越好，但是由于PIN光電二極管本身沒有光放大作用，加上其暗電流甚小，本身產(chǎn)生的附加噪聲很低，所以對(duì)光接收機(jī)靈敏度產(chǎn)生的影響并不顯著。第25頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器（4）噪聲噪聲是光電二極管很重要的參數(shù)，直接影響光接收機(jī)的靈敏度。噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲（shotnoise），以及由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲的表示方法：噪聲通常用均方噪聲電流（在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率）來描述?！β试肼暤刃Чβ蔔EP：是指產(chǎn)生等于探測(cè)器或接收機(jī)均方根噪聲的電流所需的輸入功率。定義為SNR=1時(shí)，每單位帶寬的最小光功率，并由NEP=Pin/(△f)1/2表示。第26頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器NEP是產(chǎn)生探測(cè)器平均噪聲所需的光功率，即直接將噪聲與光功率進(jìn)行比較，衡量了可探測(cè)到的最小信號(hào)功率。均方散粒噪聲電流：入射光功率產(chǎn)生的光電二極管電流為

I(t)=Ip+is(t)其中，is(t)是散粒噪聲的電流起伏，與之有關(guān)的均方散粒噪聲電流為

<is2(t)>=2eIpB，B是放大器的帶寬當(dāng)暗電流Id的存在不可忽略時(shí)，均方散粒噪聲電流為

<is2(t)>=2e(Ip+Id)B第27頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器其中，2eIpB稱為量子噪聲，是由于入射光子所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定了光接收機(jī)靈敏度的極限。2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲，暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，Si光電二極管的Id<1nA，而Ge光電二極管的Id約為100nA~幾百nA。第28頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器均方熱噪聲電流：

<iT2(t)>=4kTB/R，R是負(fù)載電阻與放大器輸入電阻的并聯(lián)（=RL∥Ri）。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為：

<i2>=2e(Ip+Id)B+4kTB/R3.PIN光電二極管的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：噪聲小、工作電壓低（僅十幾伏）、工作壽命長(zhǎng)，使用方便和價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：沒有倍增效應(yīng)。即在同樣大小入射光的作用下僅產(chǎn)生較小的光電流，所以用它做成的光接收機(jī)的靈敏度不高；PIN光電二極管只能用于較短距離的光纖通信（小容量與大容量皆可）。第29頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器四、雪崩光電二極管(APD:avalanchephotodiode)1.工作原理

APD的工作原理也是基于光電效應(yīng)，但是PIN光電二極管的1個(gè)光子只產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)，無增益；APD利用電離碰撞，1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴對(duì)，有增益，因此，APD不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其內(nèi)部放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)而完成的。入射光—一對(duì)電子-空穴對(duì)(一次光生電流)—與晶格碰撞電離，產(chǎn)生雪崩增益多對(duì)電子-空穴對(duì)(二次光生電流）吸收外電場(chǎng)加速第30頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

實(shí)際上，APD可看成一個(gè)二級(jí)器件：第一級(jí)是一個(gè)PIN光電二極管，光在其中產(chǎn)生一次光生載流子；第二級(jí)是一個(gè)基于雪崩增益的內(nèi)置放大級(jí)，在高電場(chǎng)作用下，載流子近似雪崩（幾十~200伏的偏置電壓）。第一級(jí)：耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對(duì)的作用。第二級(jí)：增加了一個(gè)附加層：高電場(chǎng)區(qū)(增益區(qū))，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對(duì)。N+PπP+電場(chǎng)E高電場(chǎng)區(qū)耗盡區(qū)+-雪崩區(qū)雪崩電離需要的最小電場(chǎng)第31頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

此動(dòng)畫為APD的場(chǎng)分布動(dòng)畫：和PIN光電二極管相比，其存在一個(gè)雪崩電離的高電場(chǎng)區(qū)。第32頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

此動(dòng)畫為APD的場(chǎng)分布動(dòng)畫：由于高電場(chǎng)區(qū)的雪崩電離，外電路形成倍增的光生電流。第33頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器2.APD的特性參數(shù)

除了PIN的特性參數(shù)必須考慮外，還必須考慮:（1）倍增因子雪崩增益的整個(gè)過程都是隨機(jī)的，倍增因子G是個(gè)平均量。

平均雪崩增益倍增因子：G=IM/Ip其中，Ip是雪崩之前的初始光生電流，IM是雪崩增益后輸出的平均光生電流。

APD的倍增因子G在40～100之間。PIN光電管因無雪崩倍增作用，所以G=1。

第34頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器倍增因子與反向偏壓的關(guān)系：式中，Rs是APD串聯(lián)電阻或APD的體電阻；n是材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)，一般為3~6。對(duì)應(yīng)地，APD響應(yīng)度有GVVB(擊穿電壓)第35頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器（2）過剩噪聲/附加噪聲

PIN光電二極管的噪聲主要是量子噪聲和暗電流噪聲，APD管還有過剩噪聲。雪崩過程的復(fù)雜隨機(jī)性對(duì)噪聲電流同樣也起放大作用（每個(gè)光生載流子不會(huì)經(jīng)歷相同的倍增過程，具有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動(dòng)），使得總噪聲增加，這種隨機(jī)性的電流起伏將帶來附加噪聲，一般稱為過剩噪聲/附加噪聲。過剩噪聲可以用過剩噪聲系數(shù)F(G)來描述。第36頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器APD過剩噪聲系數(shù)的定義：其中，符號(hào)“<>”表示平均值，g是每個(gè)載流子產(chǎn)生倍增的隨機(jī)倍增數(shù)，因此<g>=G；<g2>是均方值，表示的是功率，所以噪聲功率<g2>=F(G)·G2。

G有一個(gè)最佳值，此時(shí)信噪比最高。在工程上，為簡(jiǎn)化計(jì)算，常用過剩噪聲指數(shù)x表示過剩噪聲系數(shù)第37頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器對(duì)于Si光電二極管：x=0.3~0.5；

Ge光電二極管：x=0.8~1.0；

InGaAs的APD：x=0.5~0.7。第38頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-2半導(dǎo)體光電檢測(cè)器例2：已知Si-PIN光電二極管的耗盡區(qū)寬度為40um，InGaAs-PIN光電二極管的耗盡區(qū)寬度為4um，兩者的光生載流子漂移速度為105m/s，結(jié)電容為1pF，負(fù)載電阻為100Ω。求：這兩種光電二極管的帶寬各是多少？解：第39頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲光接收機(jī)的前端：光檢測(cè)器+前置放大器前置放大器：

低噪聲放大器，是為了改善信噪比而設(shè)計(jì)，其噪聲對(duì)整個(gè)放大器的輸出噪聲影響很大，直接關(guān)系到光接收機(jī)的靈敏度。光接收機(jī)不是對(duì)任何微弱光信號(hào)都能正確接收的，這是因?yàn)樾盘?hào)在檢測(cè)和放大的過程中總會(huì)受到一些干擾，不可避免地引進(jìn)一些噪聲。第40頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲引進(jìn)的噪聲可以分為兩部分：一部分是來自空間的無線電波以及周圍的電器設(shè)備的電磁干擾，這部分可以通過屏蔽等方法加以減弱或防止；另外一部分噪聲是隨機(jī)的，在信號(hào)檢測(cè)和放大過程中引進(jìn)，對(duì)于這部分噪聲只能通過電路設(shè)計(jì)和制造工藝盡可能地減小。由于噪聲的存在，限制了光接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，雖然放大器的增益可以做的足夠大，但微弱信號(hào)被放大的同時(shí)，噪聲也被放大。――→前置放大器第41頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲一、輸入端噪聲等效模型1.輸入端等效電路前置放大器：分解為理想放大器A和等效到輸入端的噪聲源(等效噪聲電流源ia和等效噪聲電壓源ea)。isiTiaipCaCbCjRbRaA檢測(cè)電路偏置電路放大電路eaPD的噪聲(散粒噪聲)電阻熱噪聲放大器等效到輸入端的噪聲第42頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲輸入端等效電路的簡(jiǎn)單說明：Rb：等于RL∥Rb’；Cb：偏置電路的雜散電容；Ra：放大器的輸入電阻；Ca：放大器的輸入電容。電路中的噪聲：光檢測(cè)器等效為電流源ip和并聯(lián)的散粒噪聲電流源is(t)；帶有熱噪聲的電阻等效為一個(gè)無噪聲的電阻和一個(gè)并聯(lián)的噪聲電流源iT(t)；放大器有源器件（三極管或場(chǎng)效應(yīng)管）也會(huì)引起噪聲。將有源器件的各種噪聲都等效到輸入端，等效為輸入端并聯(lián)的噪聲電流源ia(t)以及輸入端串聯(lián)的噪聲電壓源ea(t)。第43頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲所以，光接收機(jī)前端的噪聲源有：散粒噪聲is(t)；熱噪聲iT(t)；放大器的噪聲ia(t)和ea(t)。二、光接收機(jī)的噪聲與信噪比噪聲是光電二極管的重要參數(shù)，直接影響光接收機(jī)的靈敏度。1.光接收機(jī)的噪聲（1）散粒噪聲is(t)均方散粒噪聲電流：第44頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲所以，當(dāng)暗電流Id的存在不可忽略時(shí)，（2）熱噪聲iT(t)熱噪聲也是用均方噪聲電流（即功率）表示：第45頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲（3）放大器的熱噪聲放大器的熱噪聲用放大器噪聲指數(shù)Fn表示：因此，前端的總噪聲為2.光接收機(jī)的信噪比

電功率與電流的平方成正比。第46頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲（1）對(duì)PIN光電二極管當(dāng)光功率很小時(shí)，光接收機(jī)是熱噪聲限制光接收機(jī)噪聲主要是熱噪聲σT，σs2<<σT

2，此時(shí)有第47頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲（2）對(duì)APD光電二極管當(dāng)光功率很小時(shí)，光接收機(jī)是熱噪聲限制光接收機(jī)噪聲主要是熱噪聲σT，σs2<<σT

2，此時(shí)有(APD)當(dāng)功率比較大時(shí)，光接收機(jī)是散粒噪聲限制接收機(jī)，噪聲主要是σs，σs2>>σT

2

。(PIN)第48頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲三、前置放大器的設(shè)計(jì)問題前置放大器是典型的小信號(hào)放大器。由前端噪聲與SNR的分析可知，輸入端的電阻越大，SNR越好，但輸入電阻的加大勢(shì)必造成輸入端RC時(shí)間常數(shù)加大，3dB帶寬減小。前置放大器主要的三種類型：1.低阻型前置放大器這種前置放大器從頻帶角度出發(fā)，選擇偏置電阻。

3dB帶寬=1/(2πRC)通過減小偏置電阻設(shè)計(jì)前置放大器，從而保證接收機(jī)的帶寬。第49頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲優(yōu)點(diǎn)：帶寬大，電路簡(jiǎn)單，不需要或只需要很少的均衡，動(dòng)態(tài)范圍較大；缺點(diǎn)：靈敏度低，噪聲較高，SNR較低。低阻型前置放大器在高碼速光通信中用得多，低碼速中一般不采用，而是采用高阻型前置放大器。低阻抗前端第50頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲2.高阻型前置放大器這種前置放大器的設(shè)計(jì)思想是盡量加大偏置電阻，盡可能提高信噪比。通過增加偏置電阻設(shè)計(jì)前置放大器，從而保證接收機(jī)的信噪比。SNR雖很好，但是帶寬較小，只適用于低速率通信系統(tǒng)中。優(yōu)點(diǎn)：噪聲較低；缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍小、高頻分量損失太大,對(duì)均衡電路提出很高要求。高阻抗前端第51頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲3.跨阻型前置放大器這種前置放大器的設(shè)計(jì)宗旨是光接收機(jī)具有好的信噪比和足夠的帶寬。它實(shí)際上是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器(電流電壓轉(zhuǎn)換器)。

3dB帶寬=1/(2πRiCt)，Ct是輸入端的總電容；Ri是跨阻型前置放大器等效到輸入端的電阻?？缱杩骨岸薘b第52頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲式中，A是放大器的增益，也就是說跨阻型的輸入電阻很小，Δf很寬?？缱栊偷腞b(有時(shí)也可以忽略，直接用反饋電阻做偏置)和負(fù)反饋電阻Rf都取得很大，從而使熱噪聲大大減小，提高信噪比。優(yōu)點(diǎn)：寬頻帶(等效輸入電阻很小)、低噪聲(高SNR)、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。第53頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-3光接收機(jī)的前端及噪聲

因此，跨阻型前置放大器具有高阻放大器的低噪聲，又具有低阻放大器的寬帶寬Δf

。跨阻型前置放大器的設(shè)計(jì)問題：

跨阻型前置放大器適合高碼速通信系統(tǒng)（從數(shù)Gb/s到幾十Gb/s的高速系統(tǒng)），其設(shè)計(jì)問題是反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。第54頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度

靈敏度是光接收機(jī)最重要的性能參數(shù)！靈敏度的概念和誤碼率聯(lián)系在一起。（判決電路）

信號(hào)再生：（判決電路）

判決是通過時(shí)鐘信號(hào)的上升沿在最佳時(shí)刻對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將取樣值與判決閾值進(jìn)行比較，若取樣幅度大于判決閾值，則判為“1”，反之判為“0”，從而使信號(hào)得到再生。一、靈敏度的定義在限定的誤碼率條件下（在保證達(dá)到給定的誤碼率條件下），光接收機(jī)所需要輸入的最小平均光功率<P>min，單位是W或dBm（分貝毫瓦），Pr=10lg(<P>min/1mW)。第55頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度二、誤碼率BER(biterrorrate)

為什么會(huì)產(chǎn)生誤碼？如果有噪聲，則可能導(dǎo)致對(duì)碼元“1”或“0”的誤判，要確定誤碼率BER，那么必須知道噪聲的概率分布。

SNR決定BER。噪聲的概率分布很復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流/噪聲電壓瞬時(shí)值服從高斯分布(近似計(jì)算)，其概率密度函數(shù)為式中，x是噪聲隨機(jī)變量的取值，平均值為0；σ2是均方差。第56頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度

為什么會(huì)要采用高斯近似計(jì)算？

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)來進(jìn)行相應(yīng)的分析。

光接收機(jī)靈敏度的精確計(jì)算：

從光電檢測(cè)過程實(shí)際的概率密度函數(shù)出發(fā)，通過放大器和光電檢測(cè)器概率密度函數(shù)的卷積計(jì)算求出總噪聲的概率密度函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算接收機(jī)的靈敏度。第57頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度IID“0”碼t“1”碼I1I0P(0→1)P(1→0)P/概率密度圖中的I1：“1”碼的電流；

ID：判決閾值的電流（類似比較器）；

I0：“0”碼的電流。第58頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度

如果忽略暗電流的影響，“0”碼時(shí)平均噪聲功率為σ02，當(dāng)I0超過ID時(shí)有可能發(fā)生碼元誤判，此時(shí)把“0”碼判為“1”碼的概率為

“1”碼時(shí)平均噪聲功率為σ12，噪聲電流為(I-I1)，當(dāng)(I-I1)<(ID-I1)時(shí)，把“1”碼判為“0”碼的概率為第59頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度

“0”碼和“1”碼的誤碼率BER一般是不相等的，但對(duì)于PCM編碼而言，“1”碼出現(xiàn)的概率P(1)等于“0”碼出現(xiàn)的概率P(0)，總BER=[P(0→1)+P(0→1)]/2，通常認(rèn)為P(0→1)=P(0→1)時(shí)可以使BER達(dá)到最小，總的誤碼率可以表示為（Q值和BER的關(guān)系）

第60頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度式中，要使誤碼率達(dá)到最小，則要求P(0→1)=P(0→1)，使Q=ID/σ0=(I1-ID)/σ1；或者Q=I1/(σ0+σ1)。

Q參數(shù)，含有信噪比SNR的信息，知道系統(tǒng)的Q參數(shù)，就可求出其誤碼率。Q參數(shù)被廣泛用來說明接收機(jī)的特性;Q=6，BER=10-9，Q>7，BER<10-12通常：2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)應(yīng)于BER=10-9；10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)應(yīng)于BER=10-10。第61頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度接收機(jī)靈敏度-70-20-30-40-40-50-6010-1100101比特率(dBm)(Gb/s)量子極限通?？梢赃_(dá)到的值1.3mm1.5mm第62頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度三、靈敏度靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能夠接收微弱光信號(hào)的能力。Pr↑，則光接收機(jī)能夠接收更微弱的光信號(hào)。1.理想光接收機(jī)的靈敏度

理想光接收機(jī)：暗電流為0，放大器沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測(cè)出單個(gè)光子形成的電子-空穴對(duì)所產(chǎn)生的光電流。理想光接收機(jī)的靈敏度只受到光檢測(cè)器量子噪聲（本征噪聲）的限制。第63頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度2.實(shí)際光接收機(jī)的靈敏度（高斯近似計(jì)算）假設(shè)EXT=0，“0”碼時(shí)，入射信號(hào)光功率P0=0，輸出光電流I0=0；“1”碼時(shí)，入射信號(hào)的光功率P1和光電流Ip的關(guān)系為式中，<P>in=(P1+P0)/2。放大器輸出端“1”碼的電流I1=Ip·A，A是放大器的增益，所以根據(jù)Q參數(shù)有第64頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度

因此，對(duì)于一給定Q值，便可得到限定誤碼率的最小平均接收光功率：對(duì)于PIN-PD，σs2<<σT2，σs2可忽略，此時(shí)∴Δf↑，碼速越高，靈敏度越低。第65頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度3.靈敏度下降機(jī)理以上對(duì)于靈敏度的分析，只考慮了接收機(jī)噪聲的情況，并且假定是理想的接收，即“1”碼為恒定能量的光脈沖，“0”碼的能量為零。但實(shí)際上，光發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)偏離理想情況，可能導(dǎo)致最小接收平均光功率的增加，這種增加稱為“功率代價(jià)”。（1）發(fā)射“0”碼時(shí)接收光功率不為零引入的功率代價(jià)假定發(fā)射“0”碼時(shí)，接收光功率P0=0，所以對(duì)于理想情況有

消光比：EXT=P0/P1=0第66頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度

實(shí)際上，P0取決于偏置電流Ib和閾值電流Ith（假設(shè)Ib<Ith

，則P0<<P1），P0≠0，所以引起功率代價(jià)。對(duì)于光接收機(jī)，功率代價(jià)為實(shí)際情況，通常PIN-PD的EXT<0.05，功率代價(jià)小于0.4dB，可以忽略；但是對(duì)于APD，功率代價(jià)是PIN-PD的3倍，不能忽略。第67頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度（2）激光器強(qiáng)度噪聲引入的功率代價(jià)噪聲分析中，假定入射到接收機(jī)的光功率代價(jià)沒有波動(dòng)，實(shí)際上，任何光發(fā)射機(jī)均有功率波動(dòng)，光接收機(jī)把這種功率的波動(dòng)轉(zhuǎn)換成電流的起伏，這就是強(qiáng)度噪聲，其值為引起的功率代價(jià)：對(duì)于數(shù)字光接收機(jī)，通常γI<0.01，δI<0.02dB，可忽略；但是對(duì)于模擬光纖系統(tǒng)，γI是一個(gè)限制因素。第68頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度（3）光源、光纖系統(tǒng)噪聲引起的功率代價(jià)模式噪聲（多模光纖系統(tǒng)）、色散引起脈沖展寬、LD的頻率啁啾、反射噪聲都將引起功率代價(jià)。（4）時(shí)鐘抖動(dòng)引起的功率代價(jià)靈敏度的計(jì)算是假定在電壓脈沖峰值對(duì)信號(hào)取樣，時(shí)鐘的抖動(dòng)會(huì)使取樣偏離最佳時(shí)間，增加誤碼率，引入功率代價(jià)。第69頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-4光接收機(jī)的靈敏度（5）輸入和輸出信號(hào)波形的影響

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，變成沒有碼間干擾的信號(hào)波形(實(shí)際中多采用升余弦波)。第70頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)一、線性通道提供足夠增益的主放，同時(shí)保證光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍；均衡濾波器，減小噪聲，降低碼間干擾。1.主放大器：高增益放大器和AGC

作用：（1）提供足夠的增益A；（2）保證動(dòng)態(tài)范圍的AGC電路。（1）主放大器的增益A

放大器輸出端“1”碼的電流I1=Ip·A第71頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)（2）動(dòng)態(tài)范圍

光接收機(jī)能適應(yīng)輸入信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化的能力稱為光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。為什么要設(shè)計(jì)AGC來滿足光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍？中繼距離較短時(shí)，光接收機(jī)的輸入功率會(huì)增加；新建線路，新器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了富余量，這也將使光接收機(jī)的輸入功率增加；其他原因?qū)е碌墓饨邮諜C(jī)輸入功率的增加。第72頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)①動(dòng)態(tài)范圍的定義

在限定誤碼率的條件下，光接收機(jī)所能承受的最大信號(hào)平均接收光功率<P>max和所需要最小信號(hào)平均接收光功率<P>min的比值，表示為對(duì)于我國(guó)，動(dòng)態(tài)范圍要求DR≥18dB，設(shè)計(jì)時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的考慮：第73頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)式中，LP—光源可能超過設(shè)計(jì)要求的光功率，一般在1~2dB；

Mc—光纖線路每公里的富余度，它應(yīng)考慮在線路的設(shè)計(jì)壽命時(shí)間內(nèi)，因維修增加接頭的損耗、因環(huán)境條件變化增加的損耗、以及因連接器增加的損耗，一般在0.02~0.4dB/km取值;lmax—光纖線路最大的中繼距離；

ME—設(shè)備的富余度，它應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)壽命時(shí)間內(nèi)接收機(jī)靈敏度降低和光源發(fā)送光功率的減小等因素的影響，一般在3~6dB。

第74頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)②動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)現(xiàn)：AGCPIN-PD光接收機(jī)，PD無倍增，AGC只控制主放大器的放大倍數(shù)，電路實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單。APD光接收機(jī)，AGC通過對(duì)APD倍增因子（即控制APD的偏壓）和主放大器增益的控制來擴(kuò)大光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。第75頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)APD光接收機(jī)模塊電路：

峰值檢波輸出的直流信號(hào)送到AGC放大器進(jìn)行比較放大產(chǎn)生一個(gè)AGC電壓，該電壓控制APD的反向偏置電壓和主放的工作點(diǎn)（目的是控制主放的增益），從而使均衡器輸出幅度是穩(wěn)定的升余弦波。主放前放均衡濾波判決器AGC運(yùn)放高壓偏置電路峰值檢波時(shí)鐘APDRb參考第76頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

高壓偏置電路實(shí)際上是一個(gè)直流變壓器，將AGC輸出的直流電壓變換成100~200V的直流高壓，供APD做直流偏壓，直流變壓器的輸出電壓可調(diào)節(jié)，從而控制APD增益的目的。主放前放均衡濾波判決器AGC運(yùn)放高壓偏置電路峰值檢波時(shí)鐘APDRb參考第77頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

實(shí)際設(shè)備中，可采用分級(jí)控制的方法。當(dāng)輸入光功率增加時(shí)，先控制APD的倍增因子，使放大器的放大倍數(shù)保持不變，當(dāng)倍增因子降低到最小時(shí)，使之保持最小值，而后對(duì)主放的放大倍數(shù)進(jìn)行控制，最終使之適合正確判決。APD的G的最小值一般不低于3。主放前放均衡濾波判決器AGC運(yùn)放高壓偏置電路峰值檢波時(shí)鐘APDRb參考§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)第78頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

在某些特殊的情況下，如果光接收機(jī)的輸入信號(hào)超過它的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，此時(shí)AGC不能解決問題，必須在通信線路中加光衰減器才能使系統(tǒng)正常工作。主放前放均衡濾波判決器AGC運(yùn)放高壓偏置電路峰值檢波時(shí)鐘APDRb參考§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)第79頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)2.均衡濾波

低通濾波器，減小噪聲、降低碼間干擾。通信系統(tǒng)是頻率受限系統(tǒng)（即帶寬不是無窮的），它的時(shí)域響應(yīng)將是無限的，也就是說它的輸出波形在時(shí)域上有很長(zhǎng)的拖尾，使前后碼元在波形上互相重疊而產(chǎn)生碼間干擾，影響接收機(jī)的靈敏度。光纖通信中，輸出波形常常被均衡成升余弦頻譜（相頻特性為線性）。均衡低通濾波器的作用就是將主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之均衡成有利于判決的升余弦頻譜函數(shù)特性的波形，做到判決時(shí)無碼間干擾/碼間干擾最小。第80頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)(1)升余弦頻譜函數(shù)

式中，濾波器帶寬f=w/2π，取值為0.6~0.8B，B是比特率。對(duì)頻譜函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得到時(shí)域上的信號(hào)：第81頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)均衡器后的輸出波形(當(dāng)t=m/B時(shí)，hout(t)=0)：

hout(t)的時(shí)域圖對(duì)應(yīng)著判決電路接收到的電壓脈沖Vout(t)形狀。在t=0時(shí)刻，信號(hào)最大，在t=m/B（m為整數(shù)）時(shí)，hout(t)=0。t=m/B對(duì)應(yīng)相鄰碼元的判決時(shí)刻，此時(shí)電壓脈沖不會(huì)對(duì)其他碼元造成干擾。因此，雖不能消除碼間干擾及相互影響，但可以做到不管輸入波形如何變化，只要經(jīng)過均衡濾波器后，在某些特定點(diǎn)上干擾為零，故可用于正確判決。hout(t)t01/B2/B3/B-1/B-2/B-3/B第82頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)未經(jīng)均衡濾波器出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象：圖中，TB=1/B。

hout(t)第83頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)單個(gè)脈沖均衡前后波形的比較：所以，如果信號(hào)具有升余弦頻譜，碼間干擾最小，理論上可達(dá)到零。故對(duì)主放輸出的信號(hào)進(jìn)行變換，→升余弦頻譜。

第84頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

對(duì)于均衡濾波器，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮線性通道的傳遞函數(shù)HT(f)：Hout(f)和Hin(f)分別是與輸出和輸入脈沖形狀有關(guān)的傅立葉變換標(biāo)準(zhǔn)頻譜函數(shù)。

均衡電路的設(shè)計(jì)，原則上是一個(gè)均衡網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，實(shí)際工程中很少完全按理論上設(shè)計(jì)，通常是選取一個(gè)特性近似的網(wǎng)絡(luò)代替，再通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行調(diào)整。第85頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)二、數(shù)據(jù)恢復(fù)（將均衡器輸出的信號(hào)恢復(fù)成理想的數(shù)字信號(hào)）

—帶選通的比較器，與判決門限電平進(jìn)行比較

選通時(shí)刻由同步脈沖提取。鎖相電路聲表面波濾波器A信號(hào)參考時(shí)鐘提?。号袥Q器：第86頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

數(shù)據(jù)恢復(fù)的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室里觀察最簡(jiǎn)單、最直觀的方法是眼圖分析法。（觀察碼間干擾）一、獲得眼圖的方法

將均衡濾波器輸出的隨機(jī)脈沖序列輸入到示波器的y軸，用時(shí)鐘信號(hào)作為外觸發(fā)信號(hào)，使與其碼元周期同步，示波器上將顯示隨機(jī)信號(hào)在反復(fù)掃描過程中疊加在一起的綜合、像人眼的圖形，即眼圖。第87頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)1.眼圖的形成閾值1電平0電平第88頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)眼圖測(cè)量是判斷數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中有無碼間干擾、接收機(jī)性能好壞的最直觀最簡(jiǎn)單的方法，誤碼率是最終結(jié)果，眼圖可用于分析形成誤碼的原因；如果接收的信號(hào)沒有碼間干擾及波形畸變，各段波形完全重合，恰似張開的眼睛，示波器既細(xì)又清晰；如果碼間有干擾、波形畸變和噪聲時(shí)，掃描示波線不能完全重合，眼圖線跡將變得既不細(xì)又不清晰，眼圖睜開也將減小。第89頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)2.顯示基本測(cè)量參數(shù)的眼圖的一般結(jié)構(gòu)第90頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)二、眼圖分析法模型化眼圖過門限失真：信號(hào)剛過門限電平時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)失真；峰值干擾：采樣時(shí)刻的失真（噪聲）；t2：可進(jìn)行信號(hào)采樣的時(shí)間。最佳判決時(shí)刻第91頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)眼圖分析的結(jié)果：1.眼睛睜開最大處為最佳判決時(shí)刻；2.眼睛睜開度（垂直張開度）表征噪聲容限：E┷=V1/V2，表示系統(tǒng)抵抗噪聲的能力，也稱為SNR邊際；3.眼睛展開度（水平張開度）減小表征過門限失真量的大?。篍//=t1/t2，E//減小表示時(shí)鐘抖動(dòng)增加；4.眼皮厚度體現(xiàn)噪聲大小及碼間干擾；5.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；6.非線性傳輸特性會(huì)產(chǎn)生眼圖的不對(duì)稱性。第92頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5§4-5光接收機(jī)的線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)

眼圖的張開度受噪聲和碼間干擾的影響。當(dāng)輸出端SNR很大時(shí)，張開度主要受碼間干擾的影響，因此，觀測(cè)眼圖的張開度就可以估計(jì)碼間干擾的大小，這給均衡濾波電路的調(diào)整提供了簡(jiǎn)單而適用的觀測(cè)手段。背對(duì)背傳輸80km典型的10Gb/s光發(fā)射及傳輸后的眼圖第93頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5電子載流子（UTC）光接收機(jī)2信道雙PD芯片(4PD陣列)平衡接收模塊電子載流子（UTC）光電探測(cè)器，利用它的芯片制造技術(shù)，人們已開發(fā)出43Gb/sDQPSK系統(tǒng)用的2信道平衡接收模塊第94頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

陣列波導(dǎo)光柵(AWG)PIC多信道光接收機(jī)單片集成了AWG路由（WGR）波長(zhǎng)解復(fù)用器和陣列PIN光電探測(cè)器并且在PIN之后又集成了異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）作為前置放大器

第95頁，共109頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5

平面波導(dǎo)集成電路（PIC）

多信道光接收機(jī)