第七章 光接收機(jī)

1、第七章 光接收機(jī)數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的各種干擾最終產(chǎn)生誤碼誤碼源：碼間串?dāng)_光纖色散以及非線性效應(yīng)導(dǎo)致展寬，使比特能量向其它比特泄漏，導(dǎo)致接收機(jī)0和1的判決誤碼誤碼源：非線性損傷光纖傳輸中的非線性效應(yīng)：1. 布里淵散射2. 拉曼散射3. 交叉增益調(diào)制4. 交叉相位調(diào)制5. 四波混頻造成： WDM系統(tǒng)中多信道之間的串?dāng)_ 40 Gb/s單波長(zhǎng)高速信道內(nèi)的碼間串?dāng)_系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)帶來(lái)噪聲，噪聲對(duì)光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾。如鏈路中：由接收機(jī)引入的噪聲源如下圖所示：誤碼源：噪聲的干擾接收機(jī)的任務(wù)1. 檢測(cè)出因?yàn)殚L(zhǎng)途傳輸而變得很微弱的信號(hào)2. 從受到各種干擾的信號(hào)中恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)接收機(jī)主要部件及其功能數(shù)字接收機(jī)的性

2、能模擬接收機(jī)的性能本章討論的主要問(wèn)題本章討論的主要問(wèn)題主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、自動(dòng)增益控制(AGC)電路、時(shí)鐘提取電路以及取樣判決器?；趶?qiáng)度調(diào)制的數(shù)字接收機(jī)模型7.1 接收機(jī)工作的基本原理接收機(jī)工作的基本原理前端線性通道時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生光接收機(jī)的核心部分：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)變光生電信號(hào)，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后級(jí)作進(jìn)一步處理要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測(cè)器的選擇：A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，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)，探測(cè)靈敏度高，但

3、需要較高的偏置電壓和溫度補(bǔ)償電路常用搭配：EDFA光放大器 + pin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，一般采用基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的放大器器件的選擇線性通道對(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波形根據(jù)輸入信號(hào)大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定，以擴(kuò)大接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平判決再生與時(shí)鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)對(duì)某時(shí)隙的碼元進(jìn)行判決，恢復(fù)原始信息為精確確定“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 1or0nbpnnbnTtgb

4、tP nbpnnTtgbMtPMti入射到光檢測(cè)器的二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列表示為：其中P(t)是接收光功率 Tb是比特周期 bn是第n位二進(jìn)制數(shù) gp(t)是接收脈沖的波形脈沖序列導(dǎo)致光電二極管在時(shí)間t內(nèi)的平均輸出電流為：此電流經(jīng)過(guò)放大可產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)接收的信號(hào)hvqPIp接收機(jī)主要部件及其功能數(shù)字接收機(jī)的性能模擬接收機(jī)的性能本章討論的主要問(wèn)題本章討論的主要問(wèn)題光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱(chēng)為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率，BER)：誤判的碼元數(shù)Ne和接收的總碼元數(shù)Nt的比值： BtNNNBERete光纖通信系統(tǒng)的典型誤碼范圍是10-9到10-12。7.2 數(shù)字接收機(jī)性能數(shù)字接收機(jī)性能兩種發(fā)

5、生誤碼的情況 dyypvPv) 1|(1 dyypvPv)0|(0發(fā)送一個(gè)1脈沖而均衡器輸出電壓小于v的概率：發(fā)送一個(gè)“0”脈沖而均衡器輸出電壓大于v的概率：給定一個(gè)電壓v誤碼發(fā)生的概率 thththoutthoutevbPvaPPvvPPvvPP0100|11 |如果設(shè)閾值電壓為vth則誤碼概率定義為：加權(quán)因子a和b是先驗(yàn)概率，或代表1或0出現(xiàn)的概率如果在任意時(shí)間t1對(duì)信號(hào)電壓v(t) 進(jìn)行抽樣，抽樣信號(hào)v(t1)落在(v, v+dv)的概率：dvmvdvvf222exp21)(信號(hào)幅度高斯分布發(fā)送0碼時(shí)被誤判為1的概率，即噪聲脈沖超過(guò)閾值vth的概率：dvbvdyyfdyypvPoffof

6、fvoffvvthththth22002exp21)(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 QeQerfdxeQPBERQQxe2/2/222121211誤碼率 bit-error-rateonthonoffoffthvbbvQ 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/2VerfVPe221121信噪比例

7、BER與信噪比的關(guān)系曲線信噪比為8.5時(shí)Pe = 10-5。對(duì)于一個(gè)速率為1.544Mb/s 的電話接收信號(hào)，Pe = 10-5意味著每0.065秒有一位誤碼，這是非常不理想的。如果將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。例 (續(xù))BER與信噪比的關(guān)系曲線對(duì)于一個(gè)速率為622Mb/s的鏈路，要得到相同的通話效果 (11分鐘才有一個(gè)誤碼)，則要求BER為10-11或10-12，這就表示至少要求 V/ = 13系統(tǒng)速率越高對(duì)信噪比的要求越高定義：沒(méi)有暗電流的情況下，對(duì)于達(dá)到特定誤碼率時(shí)所需的最小接收機(jī)功率稱(chēng)為量子極限在這種極限條件下，

8、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： ! neNnPNnr光檢測(cè)器的量子極限hvEdttPhvNt0)(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和1等概發(fā)送時(shí)，誤碼率Pe為：通過(guò)這個(gè)式子，可以得到滿足一定

9、誤碼率要求時(shí)所需要的最小輸入能量。量子極限 (續(xù)) NreP02/)0(5 . 05 . 05 . 05 . 0100110NreeeeePPPPP一個(gè)數(shù)字光纖鏈路工作在850 nm時(shí)要求BER為10-9：(a) 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： 9102/2/0NreP03.202ln10ln9NhvE21例(b) 對(duì)一個(gè)10 Mb/s的二進(jìn)制信號(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：得：其中1/t是數(shù)據(jù)速率

10、B的一半(這里假設(shè)0和1等概出現(xiàn))，解出P0可得：thchvPE21210例 (續(xù))pW6 .24)1085. 0(2/1010/100 . 310626. 621221668340msbsmsJhcBP2211210BhchcPt定義：定義：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率，如10-9)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率min，并以dBm為單位。量子極限下：物理意義：物理意義：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。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號(hào)。理想接收機(jī)靈敏度)dBm(10log103minPSt22/1minBhcNBhvNEP在不考慮碼間干擾、均衡器頻

11、率特性影響的情況下，限定誤碼率的最小平均接收光功率由下式給出：其中nA是折合到輸入端的放大器噪聲功率。將上式結(jié)果代入定義式中即可算出實(shí)際接收機(jī)的靈敏度。實(shí)際接收機(jī)靈敏度AnQPmin)dBm(10log103minPS設(shè)pin-PD光接收機(jī)的工作參數(shù)如下：光波長(zhǎng) = 850 nm，傳輸速率fb = 8.448 Mb/s，光電二極管響應(yīng)度 = 0.4，互阻抗前置放大器的噪聲nA10-18。要求誤碼率Pe = 10-9，即Q = 6，可以計(jì)算得到min = 1.510-8W，S = -48.2 dBm。例04 . 0106180minAnQP光接收機(jī)靈敏度與傳輸速率的關(guān)系由圖可見(jiàn)，決定光接收機(jī)靈敏

12、度的主要因素是傳輸速率和光檢測(cè)器的特性等：碼率越高檢測(cè)器靈敏度變差A(yù)PD靈敏度顯著高于pin定義：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率max和所需最小平均接收光功率min的比值，用dB表示。根據(jù)定義：在動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)，需要光接收機(jī)能保持穩(wěn)定輸出。)dB(lg10minmaxppDR光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍(DR)物理意義：動(dòng)態(tài)范圍表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15 dB 由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。DR的物理含義接收機(jī)主要部件及其功能數(shù)字接收機(jī)的性能模擬接收機(jī)的性能本章討論的主要問(wèn)

13、題本章討論的主要問(wèn)題模擬接收機(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) )(1tmsPtPtBIImD7.3 模擬接收機(jī)模擬接收機(jī)22022121prsMmIMmPiteqBLDpNFRTBkBqIBMFMIIqi42)(222eqBDppNsRTBkBMFMIIqMmIiiNS/4)()(2212222若s(t)為正弦信號(hào)，檢測(cè)器輸出的均方電流為(忽略直流項(xiàng))：接收機(jī)的均方噪聲電流為均方量子噪聲電流、等效電阻熱噪聲電流、暗噪聲電流和表面漏電流之和：忽略表面漏電流，信噪比為： )(1)(10tmsMItmsPMtiprs在接收端，模擬光信號(hào)產(chǎn)生的光電流為：APD光信噪比eqBreqBPRTBkPmRTBkImNS/421/421220222qBPmqBImNSrp44022對(duì)于pin，M = 1，當(dāng)入射光功率很小入射光功率很小時(shí)，噪聲電流主要是電電路噪聲路噪聲項(xiàng)：當(dāng)入光功率很大時(shí)，則和信號(hào)檢測(cè)過(guò)程相關(guān)的量子噪聲量子噪聲為主要噪聲：由于這種情況下的信噪比