《光纤通信》第三章-光接收机课件.ppt

1、第三章第三章 光接收机光接收机光接收机框图光接收机框图n探测器：探测器：实现光电变换实现光电变换。n前放：前放：实现低噪声放大实现低噪声放大。n主放：主放：提供足够的增益，且增益受提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。电路的控制。n均衡器：均衡器：保证判决时不存在码间干扰。保证判决时不存在码间干扰。n判决器、时钟提取：对信号进行再生。判决器、时钟提取：对信号进行再生。nAGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。光光信信号号探探测测器器 前置前置放大器放大器主放主放大器大器均衡器均衡器判决器判决器时钟时钟提取提取AGC电路电路译码器译码

2、器3.1 探测器探测器n半导体探测器：半导体探测器：光电二极管光电二极管PD(PIN)雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD光电二极管光电二极管n工作在工作在反向偏压反向偏压的的PN结二极管。结二极管。n工作原理工作原理-受激吸收受激吸收。加反向偏压，形成耗尽区加反向偏压，形成耗尽区。入射光子，入射光子，h Eg时产生电子时产生电子-空穴对。空穴对。在电场的作用下，电子向在电场的作用下，电子向N区漂移，空穴区漂移，空穴 向向P区漂移。区漂移。电子到达电子到达N区，空穴到达区，空穴到达P区，被外电路区，被外电路 吸收，形成吸收，形成光生电流光生电流。光电二极管光电二极管n结构结构-PIN结构结构PI

3、 N光光IuRLI为为本征半导体，低掺杂；本征半导体，低掺杂；P、N均为高掺杂。均为高掺杂。光电二极管光电二极管n响应波长响应波长光电效应需满足条件：光电效应需满足条件：h Eg即即:hc/Eg截止波长截止波长：c=hcEg=1.24Eg(eV)(m)Si:c=1.06 mGe,InGaAs:c=1.6 m 响应波长响应波长:Si:0.5-1.0 m Ge,InGaAs:1.1-1.6 m光电二极管光电二极管n光电转换效率光电转换效率 量子效率：量子效率：=光生的电子光生的电子-空穴对数空穴对数入射光子数入射光子数=Ip/e0P0/h=IpP0h e0Ip:光生电流光生电流P0：入射光功率：入

4、射光功率响应度（常用物理量）响应度（常用物理量）:R=IpP0=e0h (A/W)1光电二极管光电二极管n暗电流暗电流 Id 无光照射时无光照射时PD的反向电流。的反向电流。Id:Si:1nA Ge:1 A InGaAs:10nAId作为一直流噪声源存在作为一直流噪声源存在探测器已加反向电压探测器已加反向电压P0(W)Ip(A)0IdR:斜率斜率R=IpP0光电二极管光电二极管n响应速度响应速度常用上升，下降时间表示。常用上升，下降时间表示。主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。上升时间上升时间(RL=50)Si:300ps Ge:500ps InGaAs

5、:100ps工作于主干线：工作于主干线：2.5Gbit/s 10Gbit/s雪崩光电二极管雪崩光电二极管（APDAPD）n工作在工作在高反向偏压高反向偏压的的PN结二极管。结二极管。入射光功率产生一次光生电流，一次光生电入射光功率产生一次光生电流，一次光生电流被雪崩放大，形成较大的反向电流。流被雪崩放大，形成较大的反向电流。PI N光光IuRL 响应波长响应波长与与PIN同。同。雪崩光电二极管雪崩光电二极管n平均雪崩增益平均雪崩增益G=一次光生电流一次光生电流总输出电流总输出电流G=11-(V/VB)mVB:击穿电压击穿电压m：常数，与：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关材料、掺杂特性及波

6、长有关V：反向电压：反向电压GV1101001000VBSi：G100 Ge：G10 InGaAs：G1020经验公式：经验公式：雪崩光电二极管雪崩光电二极管n APD 的温度特性的温度特性GV1101005010015020C40C60CT VB。APD实用时应在偏置电路中加温度补偿。实用时应在偏置电路中加温度补偿。雪崩光电二极管雪崩光电二极管n APD的倍增噪声的倍增噪声APD 噪声：噪声：量子噪声（散弹噪声）量子噪声（散弹噪声）暗电流噪声暗电流噪声 倍增噪声倍增噪声-影响最大影响最大APD的过剩噪声系数：的过剩噪声系数：F(G)Gxx:过剩噪声指数。过剩噪声指数。Si-APD:x:0.3

7、-0.5 Ge-APD:x:0.8-1.0InGaAs-APD:x:0.5-0.7雪崩光电二极管雪崩光电二极管n APD的倍增噪声的倍增噪声 F(G)表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。通过通过APD倍增后信号功率与倍增后信号功率与G2成正比，成正比，而噪声功率与而噪声功率与G2F(G)=G2+x成正比，成正比，即即APD放大噪声比放大信号多放大噪声比放大信号多Gx倍。倍。例例:G=100,x=0.5,F(G)=10,APD放大噪声比放大信号多放大噪声比放大信号多10倍。倍。G=100,x=1.0,F(G)=100,APD放大噪声比放大信号多放大噪声比放

8、大信号多100倍。倍。过剩噪声指数为过剩噪声指数为APD的重要指标的重要指标.3.2 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度n接收灵敏度接收灵敏度(1)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的最小平均光功率。要的最小平均光功率。(W，dBm)(2)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的每一光脉冲的最低平均能量。要的每一光脉冲的最低平均能量。(3)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的每一光脉冲的最低平均光子数。要的每一光脉冲的最低平均光子数。3.2 光接收机的灵敏度光接收机的

9、灵敏度P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-26-24给定给定BER接收灵敏度接收灵敏度Pmin-29.4 dBm光接收机灵敏度的量子极限光接收机灵敏度的量子极限n假设假设：系统频带无限宽系统频带无限宽 系统系统无噪声无噪声 光源消光比为零光源消光比为零 光电管暗电流为零光电管暗电流为零 量子效率为量子效率为1 BER=10-9时，时，E1=21h 每个入射每个入射1码脉冲应有码脉冲应有21个光子的能量。个光子的能量。(2)每个入射每个入射1码脉冲码脉冲含有的平均光子数为含有的平均光子数为21个。个。(3)Pmin=10.5Rb hc/

10、(1)Rb:码元速率码元速率:波长波长P P164164例题例题n由于光源由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为码时接收的光能量为0；n光电二极管的暗电流为光电二极管的暗电流为0、“0”码时接收的光能码时接收的光能量为量为0、系统又无噪声，因此、系统又无噪声，因此“0”码误判为码误判为“”码的概率为码的概率为0，即，即Pe,01=0。n由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生

11、光电流，放大器没有电流输出。产生光电流，放大器没有电流输出。光接收机灵敏度的量子极限光接收机灵敏度的量子极限因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1”1”码持续期间产生的平均光子数码持续期间产生的平均光子数=E=E1 1/hv,/hv,所以：所以：P Pe e,10,10=e=e-0 0/0/0！=e=e-=e=e-E1/hv-E1/hv=e=e-n-n当当“0”码和码和“1”码等概率出现时，误码率为：码等概率出现时，误码率为：9ee,01e,10e,10111PPPP1022221n设传输的是非归零码设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平，每个

12、光脉冲最小平均光能量为均光能量为E1，码元宽度为，码元宽度为Tb，一个码元平均光子，一个码元平均光子数为数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为，那么光接收机所需最小平均接收功率为:1minbbb10.522EnhvPR hvTT灵敏度与码速的关系灵敏度与码速的关系nRb Pmin(变差变差)nPIN:Pmin Rb3/2(4.5dB/比特率倍程比特率倍程)nAPD：Pmin Rb7/6(3.5dB/比特率倍程比特率倍程)nAPD比比PIN改善改善灵敏度灵敏度5-10dBn灵敏度与量子极限灵敏度与量子极限差差10dB左右左右1101001000Rb(Mb/s)Pmin(dBm)-80-70-

13、60-50-40-30-20量子极限量子极限APDPINP177n EXT（百分比定义）（百分比定义）Pmin恶化恶化对于对于PIN Pmin 9EXT(%)(dB)对于对于APD Pmin 18EXT(%)(dB)例：例：EXT=10%Pmin=1.8dB LD消光比对灵敏度的影响消光比对灵敏度的影响图图3.4.53.4.5其它因素对灵敏度的影响其它因素对灵敏度的影响n暗电流暗电流n输入波形输入波形n放大器噪声放大器噪声nP1903.3 接收机的动态范围接收机的动态范围n接收机的动态范围接收机的动态范围 保证达到给定误码率的条件下，允许接收保证达到给定误码率的条件下，允许接收 光功率的变化范

14、围。光功率的变化范围。(dB)-反映接收机接收强信号的能力。反映接收机接收强信号的能力。系统对接收机动态范围的要求：系统对接收机动态范围的要求：D(dB)=PTR(dBm)-10dBPmin(dBm)可正常接收比发送功率小可正常接收比发送功率小10dB的光功率的光功率例：例：fb=34Mb/s,Pmin=-44dBm,PTR=-3dBm 要求：要求：D=31dB接收机的动态范围接收机的动态范围P(dBm)BER10-1010-910-810-710-610-510-4-32-30-28-12-10给定给定BER接收灵敏度接收灵敏度Pmin-8-6过载功率过载功率Pmax动态范围动态范围DD(d

15、B)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)3.4 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络n升余弦形频谱升余弦形频谱 在光纤通信系统中，常设计均衡网络使在光纤通信系统中，常设计均衡网络使输出波形具有输出波形具有升余弦形频谱升余弦形频谱。频谱频谱H()=1 0 (1+)Ts3.4 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络n升余弦形频谱升余弦形频谱频谱频谱 H()/Ts2/Ts-/Ts-2/Ts10.5=1=0.5:滚降因子，滚降因子，01，表示频谱曲线滚降的快慢。，表示频谱曲线滚降的快慢。=1滚降最慢。滚降最慢。=03.4 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络n升余弦形频谱升余弦形频谱 波形波形hou

16、t(t)=sin(t/Ts)cos(t/Ts)tTs1-(2 tTs)thout(t)Ts2Ts3Ts4Ts-Ts-2Ts-3Ts-4Ts=103.4 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络n升余弦形频谱升余弦形频谱 波形波形n hout(0)=1n hout(nTs)=0 n=1,2,3,.n本码元判决时刻信号最大，本码元判决时刻信号最大，n相邻码元在本码元判决时刻信号为零，相邻码元在本码元判决时刻信号为零，无码间干扰。无码间干扰。3.4 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络n均衡网络的传递函数均衡网络的传递函数 Heq()为实现无码间干扰判决需满足为实现无码间干扰判决需满足S()Hof()H

17、am()Heq()=H()S():发送脉冲的频谱发送脉冲的频谱Hof():光纤的传递函数光纤的传递函数Ham():放大器的传递函数（包含检测器传递函数）放大器的传递函数（包含检测器传递函数）Heq()=H()S()Hof()Ham()均衡网络与发送脉冲波形，光纤特性，均衡网络与发送脉冲波形，光纤特性，放大器特性有关。放大器特性有关。3.3 光接收机的均衡网络光接收机的均衡网络n眼图分析法眼图分析法眼图眼图-随机信号在反复扫描过程中叠加随机信号在反复扫描过程中叠加 在一起的综合反应。在一起的综合反应。对比图对比图(b)和和(d)可知可知,眼眼图的图的“眼睛眼睛”张开得越大，张开得越大，且眼图越端

18、且眼图越端正，表示码正，表示码间串扰越小间串扰越小,反之，表示反之，表示码间串扰越码间串扰越大。大。连连“1”连连“0”+1-1+1-1判决门限判决门限V1V2t1t2n眼图分析法眼图分析法模型化眼图：模型化眼图：垂直张开度：垂直张开度：E=V1/V2 反映系统的抗噪声能力。反映系统的抗噪声能力。水平张开度：水平张开度：E=t1/t2 反映过门限失真的大小。反映过门限失真的大小。E 小小,会导致提取出的时钟信号的抖动增加。会导致提取出的时钟信号的抖动增加。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。最佳最佳抽样时刻抽样时刻应是应是“眼睛眼睛”张开最大的时刻；张开最大

19、的时刻；眼图斜边的斜率决定了系统对抽样眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵定时误差的灵敏程度敏程度：斜率越大，斜率越大，对定时误差越灵敏；对定时误差越灵敏；图的阴影区的垂直高度表示图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围信号的畸变范围；图中央的横轴位置对应于图中央的横轴位置对应于判决门限电平判决门限电平；抽样时刻上抽样时刻上,上下两阴影区的间隔距离之半为上下两阴影区的间隔距离之半为噪声噪声的容限的容限,噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决；噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决；图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过形零点位置的变化范围，即过零点畸变零点畸变，它对于，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。收系统有很大影响。n本章作业本章作业:P210 3.1,3.2