06197现代通信技术（第2版）魏东兴冯锡钰光纤章节4章
第四章 光接收机,本章内容： 4. 1 数字光接收机基本组成 42 光检测器 43 光接收机前端及噪声 44 光接收机的灵敏度 45 光接收机的线性通道及数据恢复,4.1 数字光接收机基本组成,数字光接收机分为:前端、线性通道和数据恢复三部分。 光接收机最主要的性能指标:灵敏度. 光接收机的中心问题是如何降低输入端的噪声，提高接收灵敏度。,光检测器将光信号转换成电信号， 前置放大器对整个接收机的灵敏度影响很大， 主放大器的作用提供足够增益，AGC电路控制，动态范围。均衡滤波器：保证判决时不存在码间干扰。 判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。 译码（或解扰）电路。,4.2 半导体光检测器,对光检测器的基本要求：,(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85m、1.31m和1.55m）相一致； (2) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流； (3) 响应速度快，满足高工作码速要求； (4) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号； (5) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。,包括： PDPhotoDiode PINp-i-n APDAvalanche Photo Diode MSMMetal-Semiconductor-metal,4.2.1 光电二极管PD工作原理,PD反偏 光子h入射，且： h Eg 或 hc/Eg 电子跃迁，价导电子空穴对 电场作用：漂移， 电子N区 空穴P区,PD缺点：响应速度慢 电子和空穴在耗尽区以外的扩散运动 故PD不实用,Depletion region,4.2.2 PIN光电二极管,I区： 高阻（V基本都加在I区上）、高压、减小P、N区宽度，减少扩散提高O/E效率,PIN 特性参数,截止波长c,显然， c越大光电转换效率越高，但有前提：hEg否则，光电转换的几率下降 定义截止波长c：,PIN 特性参数（C1）,吸收系数：,（4-8）,由图可见，Si光敏二极管的波长响应范围大约为0.71.0m， Ge和InGaAs光敏二极管的波长响应范围大约为1.11.6m， InGaAs稍宽,PIN 特性参数（C2）,2、响应速度 工作速度（带宽）,3、暗电流Id 定义：无光照时光电二极管的反向电流Id 原因：包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。 后果：产生噪声，影响光接收机的灵敏度。 SiPIN光电二极管Id100nA,响应时间由 光生载流子在电场区的渡越时间tr=W/vs W为耗尽层的宽度，vs是载流子的平均漂移速度， 包括光敏二极管在内的检测电路RC常数所决定，见下图。,4.2.3 雪崩光电二极管（APD）,“碰撞电离”效应,APD的特性参数,2、响应速度工作速度,3、暗电流 无光照时光电二极管的反向电流,式中，是噪声功率，g是随机倍增数；是APD的倍增均方值： =F()2 =F(G )G2 F(G)是APD的过剩噪声系数，它可以近似表示为 F( G )G x x称为APD的过剩噪声指数 ，0x1。 由以上各式可得噪声功率： =2eI0G2+xf 其中，f为噪声带宽,结论：由此式可知，噪声指数表示由于倍增作用而增加噪声，经过APD倍增后，信号功率与G2成正比，而噪声功率则与G2+x成正比，即噪声增大是信号增大的Gx倍。,MSM光敏二极管,结构：无PN 结，但是其工作原理与PIN、APD相同，仍然是光子入射，产生电子空穴对。 金属电极连接在半导体表面，称为Finger,加上电场后，在Finger之间产生强电场。这种结构称为Planar 特点： 结电容低 带宽大，可以高达300GHz； 制造容易,4.3光接收机前端及噪声,4.3.1 接收机前端,ip(t)和结电容Cd光检测器； Rb 偏置电阻 Cb 偏置电路的杂散电容； Ra 放大器的输入电阻 Ca 放大器输入电容。 is(t)光检测器的散粒噪声（或称点噪声）， iT电阻热噪声， ia放大器输入端等效电流噪声源或等效电压噪声源 ea 放大器输入端等效电压噪声源,IM-DD中的DDIntensity Modulation-Direct Detection,4.3.2 光接收机噪声分析,1、点（散粒）噪声半导体材料，产生电子的随机性 2、热噪声 载流子无规则热运动 均可看成是高斯过程，且彼此独立,分析过程,考虑到暗电流也会引起点噪声，则上式：s2=2e(Ip+Id)f 可见：点噪声与Id即与入射光功率Pin有关,总噪声功率,则信噪比（SNR） ：,即：,2=s2+T2=2e(Ip+Id)f+(4kT/RL)Fnf,分别讨论PIN 和APD的噪声特性,当入射光功率Pin增加，即Id增加，会使点噪声s2增加，此时： S2T2,1.PIN,2. APD的噪声分析,总SNR（4-35）：,APD的平均电流：IpGRPinRAPDPin 比PIN增加了G倍 热噪声与Ip无关，故APD与PIN的热噪声相同。 点噪声不同： s2=2e（RPin+Id）G2+xf 式中，x为过剩噪声指数,点噪声为主的情况下，忽略（4-35）式分母第二项及暗电流Id ：,显然，SNR是原来的G-x倍。即：在功率Pin较大时，APD的噪声性能下降。,显然热噪声为主时，APD的SNR是PIN的G2倍。 也就是说，在Pin较小时，APD的性能优于PIN,4.3.3 前置放大器的设计,共分三种电路：低阻型、高阻型、跨（互）阻型,高阻型尽量加大偏置电阻，把噪声减小到尽可能小的值。 特点：动态范围小，而且当码速率较高时，信号的高频分量损失太多，因而对均衡电路提出了很高的要求，这在实际中有时是很难做到的。 高阻型前置放大器一般只在码速率较低的系统中使用。,低阻型从频带的要求出发选择偏置电阻，使之满足：,优点： 线路简单，接收机不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态范围较大。 缺点：噪声较大。,实际的跨（互）阻前置放大器,实际是集成电路器件,4.4 光接收机的灵敏度,差错概率、误码率BER： BER=P(l)P(0l)P(0)P(10) 实际上，光纤通信系统的BER至少优于10-6,灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量（即一定的误码率或信噪比）的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率，常以dBm为单位，,设噪声电流（或电压）的瞬时值服从高斯分布，其pdf为:,光敏二极管的电流 :I=Ip+is(t)+iT(t) , 将光电流信号看成是噪声的均值，可用4-46和4-47式表示：,求最佳判决门限ID ，再由BER确定的ID最小就是灵敏度,4.5 光接收机的线性通道及数据恢复,数字光接收机的动态范围一般应大于15dB,2. 码间干扰与均衡滤波,略！（通信原理）,3. 数据恢复 时钟提取 判决电路 比较器,End of CH4,1. 自动增益控制(AGC)和动态范围 (DR) AGC的作用，提高接收机的DR：,
