第三章-光接收机

光纤通信第3章*3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介第3章光接收机光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机*光纤通信第3章光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光纤通信第3章光接收机的类型直接检测：IM-DD光接收机平衡接收机相干检测IM-DD数字光接收机原理框图*光纤通信第3章相干接收机光纤通信第3章光接收机的性能指标1、误码率常用的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是在一定的时间间隔t内，区分发生差错的脉冲数Ne和在这个时间间隔内传输的总脉冲数Nt之比。其中B＝1/Tb比特速率例如：误码率为10-9,代表平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。光纤电信系统典型误码率范围是10-9到10-12*光纤通信第3章光接收机的灵敏度是在满足给定能的误码率指标条件下，最低接受的平均光功率Pmin。光接收机灵敏度中的光功率在工程上常用绝对功率值（dBm）来表示，即Pmin：最低接受光功率10－3指1mw光功率2、灵敏度*光纤通信第3章光纤通信第3章3、光接收机的动态范围在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）。即*光纤通信第3章光纤通信第3章4、功率代价实际光发送机发出的光信号并非理想比特流，并在光纤传输过程中可能变形。这种非理想条件与仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光功率增大了，这个增量称为功率代价，也称灵敏度恶化。其影响因素很多。*光纤通信第3章810Gb/s80kmG.652光纤传输实验-误码特性功率代价*光纤通信第3章光纤通信第3章3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介第三章光接收机*光纤通信第3章光电检测器光电二极管（PD）雪崩光电二极管*光纤通信第3章1、光电二极管（PD：Photodiode）1）PD的工作原理原理:光电效应--受激吸收过程工作在反向偏压下入射光子的能量大于禁带宽度,光子被吸收,产生电子空穴对。电子空穴对在电场的作用下定向运动,形成光电流h>Eg或hc/Eg耗尽区PN*光纤通信第3章定义：为光电二极管的上截止波长。Si 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的PD：1.06mGe或InGaAs材料：1.6-1.7m当入射波长太短时，大量光子在零场区被吸收，光电转换效率会下降。Si材料的PD：0.5-1.0mGe或InGaAs材料：1.1-1.6m2）PD的工作特性a)波长响应范围吸收的光功率：P(x)=P(0)[1–e-()x]*光纤通信第3章(b)光电转换效率量子效率:定义为单位时间内产生的光生电子－空穴对数与单位时间入射的总光子数之比。响应度:定义为光生电流与入射光功率之比。Ip=(e0/h)p0(1–R)exp(-w1)[1-exp(-w)](A/W)==(1–R)exp(-w1)[1-exp(-w)]*光纤通信第3章不同材料光电二极管的响应度曲线*光纤通信第3章提高量子效率需要采取以下措施：减小入射表面的反射率增加耗尽区宽度,减小零电场区的厚度（采用PIN结构）*光纤通信第3章(c)响应速度响应速度通常用响应时间表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的上升或下降时间。影响响应速度的主要因素有：*光纤通信第3章光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数载流子在耗尽区里的渡越时间耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟PN*光纤通信第3章漂移运动的速度*光纤通信第3章不同的脉冲响应情况反向偏压的作用:对光电二极管上施加反向偏压是十分有利的。原因是耗尽区宽度增加，结电容减小，载流子的漂移速度也快，所以不仅提高了量子效率，而且加快了响应速度。*光纤通信第3章(d)暗电流无光照时光电二极管的反向漏电流，称为暗电流。暗电流的无规则随机涨落产生噪声。*光纤通信第3章3）光电二极管的结构PIN的结构异质结构在PN结光电二极管基础上加以改进，在PN结中间加上接近本征半导体的I层(轻掺杂的N区)，形成PIN结构。P和N层都很薄，因此吸收光的区域基本上在耗尽区。*光纤通信第3章2、雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhotodiode)1)工作原理光电效应+碰撞电离、雪崩倍增效应。初始电子空穴对,二次电子空穴对*光纤通信第3章2）APD的工作特性（a)APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压平均雪崩增益定义为:式中Ip为一次光电流，Im为倍增后输出电流的平均值。由于倍增过程是随机产生的，因此雪崩倍增效应具有统计的特征，故倍增效应应取统计平均值。G与反向电压有关：存在雪崩击穿电压*光纤通信第3章3）APD的结构Si-APD结构保护环型（GAPD）*光纤通信第3章拉通型拉通型（Reach-throughAPD，RAPD）*光纤通信第3章长波长APD结构SAM-APD(SeparatedAbsorptionandMultiplexingAPD)入射光透明地经过高场区，在吸收区被充分吸收，形成吸收区和倍增区分离的结构。形成纯空穴电流注入高场区，减小过剩噪声，加大增益。*光纤通信第3章新型光电检测器解决响应速度和量子效率对I区要求的矛盾。行波光电二极管*光纤通信第3章光纤通信第3章3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介第三章光接收机*光纤通信第3章光纤通信第3章3.3放大电路及其噪声3.3.1噪声的数学处理3.3.2放大器输入端的噪声源1、放大器输入端的等效电路2、放大器输入端的噪声源3、放大器输出噪声的计算3.3.3场效应管和双极晶体管的噪声源3.3.4前置放大器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 *光纤通信第3章光纤通信第3章3.3.1噪声的数学处理1、噪声的概念1）广义噪声：随机噪声电磁干扰2）随机噪声总是与信号相对存在表示方法：SNR，NF3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声*光纤通信第3章光纤通信第3章2、随机噪声的概率密度函数和概率分布函数对于平稳随机噪声x，落在x和x+dx之间的概率为：f(x)称为随机过程的概率密度函数，F(x)是概率分布函数。两随机变量之和：Z=X+Y,*光纤通信第3章光纤通信第3章3、随机过程的数字特征1）数学期望（均值）2)标准差方差：标准差:*光纤通信第3章光纤通信第3章4、平稳随机过程的功率谱密度Parseval等式平均功率=双边平均功率谱密度*光纤通信第3章光纤通信第3章3.3.2放大器输入端的噪声源放大器噪声的特点：服从高斯分布对高斯分布，若Z=X+Y，fz(z)依然是高斯分布，且Z2=X2+Y2*光纤通信第3章光纤通信第3章1、放大器输入端的等效电路*光纤通信第3章光纤通信第3章2、放大器输入端的噪声源思路：将所有噪声源等效到输入端是平稳随机过程输入端是白噪声从各个噪声源的功率谱密度出发分析1）电阻的热噪声等效为并联电流噪声源：等效为串联电压噪声源：2）放大器有源器件的噪声：SI，SE*光纤通信第3章光纤通信第3章3、放大器输出噪声的计算1）思路放大器是线性系统对并联电流噪声源对串联电压噪声源，先转换成电流源。输入导纳为:对SE，乘以按高斯分布对噪声功率求和*光纤通信第3章2）输出噪声功率3）小结：偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；输入电阻Rt越大，输入电容ct越小，串联电压噪声源的影响越小。*光纤通信第3章3.3.3场效应管和双极晶体管的噪声源1、场效应管的噪声源场效应管前置放大器高频段等效电路*光纤通信第3章1）输入端等效电路光纤通信第3章2）噪声源（1）散粒噪声Igate为FET的栅漏电流。（2）沟道的热噪声gm为FET的跨导，为数值系数，对SiFET,=0.7;对GaAsFET,=1.1。等效到输入端*光纤通信第3章3）输出端总噪声gm/Ct2是场效应管前放的优值。*光纤通信第3章光纤通信第3章2、双极晶体管前置放大器的噪声1）输入端等效电路*光纤通信第3章光纤通信第3章2）输入端噪声源（1）散粒噪声（2）基极电阻的热噪声*光纤通信第3章（3）分配噪声（4）1/f噪声*光纤通信第3章光纤通信第3章3）输出噪声功率Rt=Rb||Ra,ct=cd+cs+ca存在最佳集电极电流*光纤通信第3章光纤通信第3章3.3.4前置放大器的设计1、高阻型（主要考虑噪声性能）2、低阻型（主要考虑频带要求）3、跨阻型(互阻型)*光纤通信第3章跨阻型放大器:电压并联负反馈放大器考虑频率特性:考虑噪声性质:*光纤通信第3章44.7Mb/s系统的前置放大器*光纤通信第3章前置放大器的发展趋势:集成化,模快化*光纤通信第3章光纤通信第3章3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介第三章光接收机*光纤通信第3章光纤通信第3章3.4光接收机的灵敏度计算3.4.1灵敏度计算的一般方法3.4.2接收机灵敏度的高斯近似3.4.3影响接收机灵敏度的因素*光纤通信第3章光纤通信第3章3.4.1灵敏度计算的一般方法1.灵敏度的概念:保证误码率为需要值的情况下所需要的最低接收平均光功率(dBm).2.一般方法1）求总噪声的概率密度函数f0(x),f1(x)2)从概率密度函数出发计算误码率。*光纤通信第3章计算BER“0”码误判为“1”码的概率：“1”码误判为“0”码的概率：误码率*光纤通信第3章1）精确计算：从雪崩倍增实际的概率密度函数出发计算总噪声的概率密度函数，进而计算接收机的灵敏度。2）高斯近似计算：假设雪崩倍增过程的概率密度函数为高斯函数，从而使总噪声的计算变得简单。光接收机灵敏度计算方法光纤通信第3章3.4.2接收机灵敏度的高斯近似计算1、光电检测器的噪声对PD：*光纤通信第3章暗电流噪声散粒噪声对APD：在输入端是并联电流噪声源。光电检测器的噪声与接收光功率有关。光纤通信第3章*光电检测器在输入端等效的并联电流噪声源的功率谱密度可以分别表示为：对PD对APD放大器和均衡滤波器输出端APD的噪声功率为：对“1”码光纤通信第3章*对高斯近似分布，若Z=X+Y，则Z的概率密度函数还是高斯函数，且其方差满足：总噪声功率（即总噪声高斯分布的方差）为：对“0”码对“1”码*光纤通信第3章当判决电平为D时，“0”码误判为“1”码的概率为对上式进行变变换，令得到同样的情况，“1”码误判为“0”码的概率为令上式变成BER和Q一一对应Q含有信噪比的概念对于“0”、“1”等概率码，*光纤通信第3章光纤通信第3章1、光电检测器的散粒噪声与放大器热噪声的影响光电检测器的散粒噪声与放大器热噪声是影响接收机灵敏度的重要因素。一般来说，当采用光电二极管作为检测器时，散粒噪声一般可以忽略，当采用APD作为检测器时，APD的过剩噪声成为影响接收机灵敏度的重要因素，放大器噪声对灵敏度的影响相对减小。*光纤通信第3章3.4.3影响接收机灵敏度的因素3、输入波形的影响*光纤通信第3章当用PIN光电二极管作检测器时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降4.5dB；当用APD作检测器（设），且工作在最佳雪崩增益时，比特率增加倍程，灵敏度大约下降3.5dB。原因：比特速率增加，噪声的等效带宽增加，接收机的灵敏度下降。2、比特速率对接收机灵敏度的影响输入脉冲波形越窄，它的频谱越宽，越有利于限制高频噪声，提高接收机灵敏度；可以证明输入脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高；发送RZ码时接收机的灵敏度比NRZ码要。4）EXT的影响*光纤通信第3章光纤通信第3章3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介第三章光接收机*光纤通信第3章3.5光接收机的组成模块3.5.1码间干扰问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 与均衡滤波电路3.5.2接收机的动态范围和自动增益控制电路3.5.3再生电路*光纤通信第3章3.5.1码间干扰问题与均衡滤波电路1）无码间干扰判决的条件线性相移系统非线性相移系统发送任意脉冲发送(t)脉冲；*光纤通信第3章2）均衡网络对均衡网络的要求升余弦频谱*光纤通信第3章S()•Hof()•Ham()•Heq()=A()Heq()=A()/[S()•Hof()•Ham()]3）常用的均衡电路(频域均衡、时域均衡）a)频域均衡可变均衡电路*光纤通信第3章射极补偿电路:提升高频分量*光纤通信第3章b)时域补偿器——自适应均衡器*光纤通信第3章4）眼图分析法*光纤通信第3章3.5.2接收机的动态范围和自动增益控制电路1.接收机动态范围实现Da:AGC电路使用限幅放大器*光纤通信第3章2）放大器电压自动增益控制电路改变差分放大器工作电流晶体管的输入电阻改变放大器的增益分流输入信号限幅放大*光纤通信第3章分流式控制电路*光纤通信第3章1）再生电路的组成：判决电路：带有选通输入的比较器时钟提取电路：锁相环滤波器信号的预处理：原因:需要将NRZ转换成RZ方法：微分整流3.5.3再生电路*光纤通信第3章3）锁相环路2)信号预处理*光纤通信第3章3）声表面波滤波器*光纤通信第3章声表面波的主要性质:（1）振铃性质（2）等效带宽和品质因数（3）通带纹波*光纤通信第3章光纤通信第3章光收发电路的发展趋势集成化:单片集成光电集成(OEIC),混合集成模块化向高速发展：采用行波方式传播异质结双极型晶体管（HBT）高电子迁移率晶体管（HEMT）DSP接收机*光纤通信第3章光纤通信第3章3.1光接收机简介3.2光电检测器3.3放大电路及其噪声3.4光接收机的灵敏度3.5光接收机的组成模块3.6相干检测光接收机简介第三章光接收机*光纤通信第3章光纤通信第3章相干光通信的定义相干光——是由两个激光器产生的具有空间叠加、相互干涉特性的激光。相干光通信——在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端，则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息接收的通信方式。光检测器电信号处理本地光震荡器信号光混频器基带信号ωsωL*光纤通信第3章光纤通信第3章相干接收机的构成*光纤通信第3章本振激光器光混频器ωsωL光检测器放大滤波解调判决再生数字信号处理本振光锁相基带信号数字信号光纤通信第3章相干光通信的特点（1）灵敏度高，中继距离长相干光通信的一个最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。由于热噪声、暗电流等因素的影响，IM/DD系统的灵敏度通常比量子极限灵敏度低20dB。而在相干通信系统中，在同等热噪声和暗电流作用下，通过提高本振光功率可以使灵敏度充分接近量子极限。选择性好，通信容量大在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其它噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能。此外，由于相干探测优良的波长选择性，可用于信道间隔小到GHz量级的光频分复用技术，实现多信道复用，有效使用光纤带宽。*光纤通信第3章光纤通信第3章相干光通信的特点（2）具有多种调制方式相干传输可以保留光的振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息，是传统的IM-DD光通信技术不具备的。因此在相干光通信中，除了可以对光进行幅度调制外，还可以使用M-PSK、M-QAM等多种多阶调制格式，大大提高频谱效率。色散和非线性容限高与IM/DD和差分PSK系统相比，相干接收的电信号于光信号的电场矢量成正比，即相干接收系统为线性的，在理论上，相干传输系统的所有线性失真（色度色散和偏振摸色散）都能够被完全无损补偿，甚至非线性影响也能被有效平衡。而色散和偏振模色散正是IM/DD系统进行长距离传输的最大限制因素。*光纤通信第3章光纤通信第3章相干检测方式的分类（1）零差检测选择ωL=ωs,即ωIF=0。零差检测接收光功率可以放大几个数量级，虽然噪声也增大，但仍能使灵敏度大幅提高，但技术复杂，必须严格控制相位变化，使φs－φL保持不变，同时要求ωL=ωs。（2）外差检测选择ωL≠ωs,即ωIF=ωs－ωL＞0。外差检测也能提高灵敏度，信噪比改善比零差检测低3dB，但因无需实现相位锁定，接收机设计相对简单。（3）同步检测与异步检测在相干光通信中，带有相位跟踪的接收机叫做同步接收机。没有相位相位跟踪的接收机叫做异步接收机。异步接收机的性能要差于同步接收机，但是异步接收机结构简单，使用成本低。*光纤通信第3章光纤通信第3章单臂相干检测原理图*光纤通信第3章光纤通信第3章单臂相干检测分析信号的表达式本振的表达式考虑理想的3dB、180度光混频器，PD产生的光电流等于*光纤通信第3章光纤通信第3章双臂相干接收分析*光纤通信第3章光纤通信第3章双臂相干检测分析*光纤通信第3章