光纖通信第5章光探測及光接收機(jī)課件

第五章光探測及光接收機(jī)第五章光探測及光接收機(jī)1第五章光探測及光接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了。光接收機(jī)的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姍z測器。對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些要求。第五章光探測及光接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅2第五章光探測及光接收機(jī)5.1光探測原理5.2光電二極管5.3數(shù)字光接收機(jī)5.4接收機(jī)信噪比（SNR）5.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度第五章光探測及光接收機(jī)5.1光探測原理35.3數(shù)字光接收機(jī)接收機(jī)的設(shè)計很大程度上取決于發(fā)射機(jī)使用的調(diào)制方式，特別是與傳輸信號的種類，即模擬或數(shù)字信號有關(guān)。因為大多數(shù)光波系統(tǒng)使用數(shù)字調(diào)制方式，所以在本章中，我們集中討論數(shù)字光接收機(jī)。關(guān)于模擬接收機(jī)的設(shè)計，我們將在第六章和第八章中討論。5.3數(shù)字光接收機(jī)接收機(jī)的設(shè)計很大程度上取決于發(fā)射機(jī)使用4數(shù)字光接收機(jī)原理組成圖信號光光探測器電壓供給均衡濾波前放主放自動增益控制主放（線性信道）判決電路時鐘恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)輸出光電變換和前放數(shù)字光接收機(jī)原理組成圖信號光光探測器電壓供給均衡濾波前放主放55.3.1光電變換與前置放大前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計前置放大器就顯得特別重要。接收機(jī)的前端是光電二極管，通常采用PIN光電二極管和APD光電二極管。低噪聲前置放大器的作用是放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電信號，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。5.3.1光電變換與前置放大前置放大器在減弱或防止電磁干6前置放大器的設(shè)計要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。光電二極管產(chǎn)生的信號光電流經(jīng)前置放大器輸入阻抗時將產(chǎn)生信號光電壓。使用大的負(fù)載電阻RL，可使該輸入電壓增大，因此，常常使用高阻抗前置放大器。大的RL可減小熱噪聲和提高接收機(jī)靈敏度。高輸入阻抗前置放大器的主要缺點是它的帶寬窄，因為前置放大器的設(shè)計要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。光電二極管產(chǎn)7負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但負(fù)反饋使輸入阻抗減小了G倍，因此帶寬也比高阻抗放大器的擴(kuò)大了G倍。它的靈敏度高、頻帶寬。動態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收機(jī)常使用這種結(jié)構(gòu)的前放。轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但85.3.2線性放大由主放大器、低通濾波器和自動增益控制電路組成。有時候，為了校正和補(bǔ)償前端對帶寬的限制，在主放大器之前還要插入一個均衡器。低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同時避免引入更多的碼間干擾。采用自動增益控制電路，在接收機(jī)平均入射光功率一定的變化范圍內(nèi)，通過放大器的增益的自動控制使得輸出穩(wěn)定。均衡濾波的作用是將輸出波形均衡成具有升余弦頻譜函數(shù)特性，做到判決時無碼間干擾。因為前放、主放以及均衡濾波電路起著線性放大的作用，所以有時也稱為線性通道。5.3.2線性放大由主放大器、低通濾波器和自動增益控制電95.3.3數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時鐘恢復(fù)電路。它的任務(wù)是把均衡器輸出的升余弦信號恢復(fù)成數(shù)字信號。為了判決每個比特是“0”還是“1”，首先要確定判決的時刻，這就需要要從升余弦波形在f＝B點提取準(zhǔn)確的時鐘信號。時鐘信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)囊葡嗪笤谧罴训娜訒r間對升余弦信號進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進(jìn)行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。5.3.3數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時鐘恢復(fù)電路10判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳的判決時間應(yīng)是升余弦波形的正負(fù)峰值點，這時取樣幅度最大，抵抗噪聲的能力最強(qiáng)。判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳的115.4接收機(jī)信躁比（SNR）SRN為平均信號功率和噪聲功率之比。光接收機(jī)使用光電二極管，將入射光功率轉(zhuǎn)換為電流。即使入射光功率不變時，兩種基本的噪聲，散粒噪聲和熱噪聲也會引起光生電流的起伏。電流起伏引入的電噪聲影響接收機(jī)性能。本節(jié)回顧噪聲機(jī)理，并討論光接收機(jī)的信噪比(SNR)。5.4接收機(jī)信躁比（SNR）SRN為平均信號功率和噪聲功125.4.1噪聲機(jī)理1.散粒噪聲散粒噪聲是由檢測器本身引起的，它圍繞著一個平均統(tǒng)計值而起伏，這種無規(guī)則的起伏就是散粒噪聲。光電流IP=RPin散粒噪聲的電流起伏均方散粒噪聲電流為：5.4.1噪聲機(jī)理1.散粒噪聲散粒噪聲是由檢測器本身引135.4.1噪聲機(jī)理2.熱噪聲由于電子在光電二極管負(fù)載電阻RL上隨機(jī)地?zé)徇\(yùn)動，即使在外加電壓為零時，也產(chǎn)生電流的隨機(jī)起伏。這種附加的噪聲成分就是熱噪聲電流。均方熱噪聲電流為：該噪聲電流經(jīng)放大器放大后要擴(kuò)大Fn（放大器的噪聲指數(shù)）倍：5.4.1噪聲機(jī)理2.熱噪聲由于電子在光電二極管負(fù)載電145.4.1噪聲機(jī)理總的均方噪聲電流為：暗電流5.4.1噪聲機(jī)理總的均方噪聲電流為：暗電流155.4.1信躁比（SNR）1.PIN光接收機(jī)信躁比（SRN）為平均信號功率和噪聲功率之比，并考慮到電功率與電流平方成正比，則SNR可表示為：光電二極管響應(yīng)度5.4.1信躁比（SNR）1.PIN光接收機(jī)信躁比（S161.PIN光接收機(jī)接收機(jī)性能受限熱噪聲時：接收機(jī)性能受限散粒噪聲時：1.PIN光接收機(jī)接收機(jī)性能受限熱噪聲時：接收機(jī)性能受限散172.APD光接收機(jī)2.APD光接收機(jī)182.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的熱噪聲與PIN的相同，但是散粒噪聲卻受到平均雪崩增益的影響，其值為：FA是APD的過剩噪聲指數(shù)電離率之比2.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的熱噪聲與PIN的相同，但是192.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：接收機(jī)性能受限熱噪聲時：接收機(jī)性能受限散粒噪聲時：2.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：接收機(jī)性能受限熱202.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：使SNR最大M值稱為最佳平均雪崩增益，記為Mopt2.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：使SNR最大M值215.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度數(shù)字接收機(jī)的性能指標(biāo)由比特誤碼率(BER)所決定。BER定義為碼元在傳輸過程中出現(xiàn)差錯的概率，工程中常用一段時間內(nèi)出現(xiàn)誤碼的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比來表示。910BER-=，表示每傳輸10億個比特只允許錯1個比特通常數(shù)字光接收機(jī)要求910BER-￡接收機(jī)靈敏度定義為保證比特誤碼率為10－9時，要求的最小平均接收光功率recP，表示每傳輸百萬比特只允許錯2個比特610BER-=5.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度數(shù)字接收機(jī)的性能指標(biāo)由比特誤碼率225.5.1比特誤碼率5.5.1比特誤碼率235.5.1比特誤碼率由于接收機(jī)噪聲的影響，可能把比特“1”誤認(rèn)為“0”碼；同樣也可能把“0”碼錯判為“1”碼。誤碼率包括這兩種可能引起的誤碼，因此誤碼率為：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)對于脈沖編碼調(diào)制（PCM）比特流，P(1)=P(0)，BER=[P(0/1)+P(1/0)]/2P(1)和P(0)分別為接收“1”和“0”碼的概率，P(0/1)是把“1”判為“0”的概率；P(1/0)是把“0”判為“1”的概率。5.5.1比特誤碼率由于接收機(jī)噪聲的影響，可能把比特“1”24二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0二進(jìn)制信號的誤碼概率I1I0255.5.1比特誤碼率誤差函數(shù)erfc(x)的互補(bǔ)函數(shù)接收“1”碼的均方噪聲電流接收“0”碼的均方噪聲電流5.5.1比特誤碼率誤差函數(shù)erfc(x)的互補(bǔ)函數(shù)接收“26實際上，可以選擇最佳的ID值使BER最小。BER最小的ID值為：超擾比實際上，可以選擇最佳的ID值使BER最小。BER最小的ID值27Q被廣泛用來說明接收機(jī)的特性。Q=6，BER=10-9Q>7，BER<10-12BER和Q參數(shù)的關(guān)系Q被廣泛用來說明接收機(jī)的特性。BER和Q參數(shù)的關(guān)系285.5.2最小平均接收光功率最小接收光功率（比特誤碼率低于指定值使接收機(jī)可靠工作所需要的功率）設(shè)“0”碼時不發(fā)射光功率，即P0=0，I0=0；“1”碼時功率P1，電流I1平均接收光功率5.5.2最小平均接收光功率最小接收光功率（比特誤碼率低于29PIN光接收機(jī)，熱噪聲占支配地位，則APD光接收機(jī)，熱噪聲仍占支配地位，在考慮散粒噪聲影響時，類似討論SNR的情況，借助調(diào)整APD增益M，也可使接收機(jī)靈敏度達(dá)到最佳，容易得到最小的最佳M值為PIN光接收機(jī)，熱噪聲占支配地位，則APD光接收機(jī)，熱噪聲仍305.5.3光電探測器的量子限制閱讀內(nèi)容5.6靈敏度下降機(jī)理

“功率代價”

5.7光接收機(jī)的性能

“眼圖”P2265.5.3光電探測器的量子限制閱讀內(nèi)容5.6靈敏度下降機(jī)31第五章光探測及光接收機(jī)第五章光探測及光接收機(jī)32第五章光探測及光接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅度衰減了，而且脈沖波形也展寬了。光接收機(jī)的作用就是檢測經(jīng)過傳輸后的微弱光信號，并放大、整形、再生成原輸入信號。它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆姍z測器。對光電檢測器的要求是靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應(yīng)與光纖芯徑匹配。用半導(dǎo)體材料制成的光電檢測器正好滿足這些要求。第五章光探測及光接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號經(jīng)光纖傳輸后，不僅幅33第五章光探測及光接收機(jī)5.1光探測原理5.2光電二極管5.3數(shù)字光接收機(jī)5.4接收機(jī)信噪比（SNR）5.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度第五章光探測及光接收機(jī)5.1光探測原理345.3數(shù)字光接收機(jī)接收機(jī)的設(shè)計很大程度上取決于發(fā)射機(jī)使用的調(diào)制方式，特別是與傳輸信號的種類，即模擬或數(shù)字信號有關(guān)。因為大多數(shù)光波系統(tǒng)使用數(shù)字調(diào)制方式，所以在本章中，我們集中討論數(shù)字光接收機(jī)。關(guān)于模擬接收機(jī)的設(shè)計，我們將在第六章和第八章中討論。5.3數(shù)字光接收機(jī)接收機(jī)的設(shè)計很大程度上取決于發(fā)射機(jī)使用35數(shù)字光接收機(jī)原理組成圖信號光光探測器電壓供給均衡濾波前放主放自動增益控制主放（線性信道）判決電路時鐘恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)輸出光電變換和前放數(shù)字光接收機(jī)原理組成圖信號光光探測器電壓供給均衡濾波前放主放365.3.1光電變換與前置放大前置放大器在減弱或防止電磁干擾和抑制噪聲方面起著特別重要的作用，所以精心設(shè)計前置放大器就顯得特別重要。接收機(jī)的前端是光電二極管，通常采用PIN光電二極管和APD光電二極管。低噪聲前置放大器的作用是放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電信號，以供主放大器進(jìn)一步放大和處理。5.3.1光電變換與前置放大前置放大器在減弱或防止電磁干37前置放大器的設(shè)計要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。光電二極管產(chǎn)生的信號光電流經(jīng)前置放大器輸入阻抗時將產(chǎn)生信號光電壓。使用大的負(fù)載電阻RL，可使該輸入電壓增大，因此，常常使用高阻抗前置放大器。大的RL可減小熱噪聲和提高接收機(jī)靈敏度。高輸入阻抗前置放大器的主要缺點是它的帶寬窄，因為前置放大器的設(shè)計要求在帶寬和靈敏度之間進(jìn)行折衷。光電二極管產(chǎn)38負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但負(fù)反饋使輸入阻抗減小了G倍，因此帶寬也比高阻抗放大器的擴(kuò)大了G倍。它的靈敏度高、頻帶寬。動態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器的大。因此光接收機(jī)常使用這種結(jié)構(gòu)的前放。轉(zhuǎn)移阻抗前置放大器負(fù)載電阻跨接到反向放大器的輸入和輸出端，盡管RL仍然很大，但395.3.2線性放大由主放大器、低通濾波器和自動增益控制電路組成。有時候，為了校正和補(bǔ)償前端對帶寬的限制，在主放大器之前還要插入一個均衡器。低通濾波器的作用是整形電壓脈沖，減小噪聲，同時避免引入更多的碼間干擾。采用自動增益控制電路，在接收機(jī)平均入射光功率一定的變化范圍內(nèi)，通過放大器的增益的自動控制使得輸出穩(wěn)定。均衡濾波的作用是將輸出波形均衡成具有升余弦頻譜函數(shù)特性，做到判決時無碼間干擾。因為前放、主放以及均衡濾波電路起著線性放大的作用，所以有時也稱為線性通道。5.3.2線性放大由主放大器、低通濾波器和自動增益控制電405.3.3數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時鐘恢復(fù)電路。它的任務(wù)是把均衡器輸出的升余弦信號恢復(fù)成數(shù)字信號。為了判決每個比特是“0”還是“1”，首先要確定判決的時刻，這就需要要從升余弦波形在f＝B點提取準(zhǔn)確的時鐘信號。時鐘信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)囊葡嗪笤谧罴训娜訒r間對升余弦信號進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進(jìn)行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。5.3.3數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路包括判決電路和時鐘恢復(fù)電路41判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳的判決時間應(yīng)是升余弦波形的正負(fù)峰值點，這時取樣幅度最大，抵抗噪聲的能力最強(qiáng)。判決、再生過程均衡器輸出波形時鐘再生后的信號判決電壓最佳的425.4接收機(jī)信躁比（SNR）SRN為平均信號功率和噪聲功率之比。光接收機(jī)使用光電二極管，將入射光功率轉(zhuǎn)換為電流。即使入射光功率不變時，兩種基本的噪聲，散粒噪聲和熱噪聲也會引起光生電流的起伏。電流起伏引入的電噪聲影響接收機(jī)性能。本節(jié)回顧噪聲機(jī)理，并討論光接收機(jī)的信噪比(SNR)。5.4接收機(jī)信躁比（SNR）SRN為平均信號功率和噪聲功435.4.1噪聲機(jī)理1.散粒噪聲散粒噪聲是由檢測器本身引起的，它圍繞著一個平均統(tǒng)計值而起伏，這種無規(guī)則的起伏就是散粒噪聲。光電流IP=RPin散粒噪聲的電流起伏均方散粒噪聲電流為：5.4.1噪聲機(jī)理1.散粒噪聲散粒噪聲是由檢測器本身引445.4.1噪聲機(jī)理2.熱噪聲由于電子在光電二極管負(fù)載電阻RL上隨機(jī)地?zé)徇\(yùn)動，即使在外加電壓為零時，也產(chǎn)生電流的隨機(jī)起伏。這種附加的噪聲成分就是熱噪聲電流。均方熱噪聲電流為：該噪聲電流經(jīng)放大器放大后要擴(kuò)大Fn（放大器的噪聲指數(shù)）倍：5.4.1噪聲機(jī)理2.熱噪聲由于電子在光電二極管負(fù)載電455.4.1噪聲機(jī)理總的均方噪聲電流為：暗電流5.4.1噪聲機(jī)理總的均方噪聲電流為：暗電流465.4.1信躁比（SNR）1.PIN光接收機(jī)信躁比（SRN）為平均信號功率和噪聲功率之比，并考慮到電功率與電流平方成正比，則SNR可表示為：光電二極管響應(yīng)度5.4.1信躁比（SNR）1.PIN光接收機(jī)信躁比（S471.PIN光接收機(jī)接收機(jī)性能受限熱噪聲時：接收機(jī)性能受限散粒噪聲時：1.PIN光接收機(jī)接收機(jī)性能受限熱噪聲時：接收機(jī)性能受限散482.APD光接收機(jī)2.APD光接收機(jī)492.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的熱噪聲與PIN的相同，但是散粒噪聲卻受到平均雪崩增益的影響，其值為：FA是APD的過剩噪聲指數(shù)電離率之比2.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的熱噪聲與PIN的相同，但是502.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：接收機(jī)性能受限熱噪聲時：接收機(jī)性能受限散粒噪聲時：2.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：接收機(jī)性能受限熱512.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：使SNR最大M值稱為最佳平均雪崩增益，記為Mopt2.APD光接收機(jī)APD接收機(jī)的信躁比為：使SNR最大M值525.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度數(shù)字接收機(jī)的性能指標(biāo)由比特誤碼率(BER)所決定。BER定義為碼元在傳輸過程中出現(xiàn)差錯的概率，工程中常用一段時間內(nèi)出現(xiàn)誤碼的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比來表示。910BER-=，表示每傳輸10億個比特只允許錯1個比特通常數(shù)字光接收機(jī)要求910BER-￡接收機(jī)靈敏度定義為保證比特誤碼率為10－9時，要求的最小平均接收光功率recP，表示每傳輸百萬比特只允許錯2個比特610BER-=5.5接收機(jī)誤碼率和靈敏度數(shù)字接收機(jī)的性能指標(biāo)由比特誤碼率535.5.1比特誤碼率5.5.1比特誤碼率545.5.1比特誤碼率由于接收機(jī)噪聲的影響，可能把比特“1”誤認(rèn)為“0”碼；同樣也可能把“0”碼錯判為“1”碼。誤碼率包括這兩種可能引起的誤碼，因此誤碼率為：BER=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)對于脈沖編碼調(diào)制（PCM）比特流，P(