第三章光接收机.ppt

光纤通信 第3章13.1 3.1 光接收机简介光接收机简介3.23.2 光电检测器光电检测器3.33.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4 3.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度3.5 3.5 光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.63.6 相干检测光接收机简介相干检测光接收机简介第第 3 章章光接收机光接收机光接收机是光纤通信系统的重要组成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号，恢复光载波所携带的原信号光接收机光接收机2光纤通信 第3章光源调制器调制器驱动电路驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤光纤光纤中继器中继器光纤通信 第3章光接收机的类型光接收机的类型l直接检测：IM-DD光接收机 平衡接收机l相干检测IM-DDIM-DD数字光接收机原理框图数字光接收机原理框图3光纤通信 第3章相干接收机相干接收机 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10-124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、灵敏度 5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 6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功率代价，也称灵敏度恶化灵敏度恶化其影响因素很多7光纤通信 第3章8 8 10Gb/s 80km G.65210Gb/s 80km G.652光纤传输实验光纤传输实验- -误码特性误码特性功率代价功率代价8光纤通信 第3章光纤通信 第3章3.1 3.1 光接收机简介光接收机简介3.23.2 光电检测器光电检测器3.33.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4 3.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度3.5 3.5 光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.63.6 相干检测光接收机简介相干检测光接收机简介第三章第三章 光接收机光接收机9光纤通信 第3章光电检测器1.1.光电二极管（光电二极管（PDPD））2.2.雪崩光电二极管雪崩光电二极管10光纤通信 第3章1、光电二极管光电二极管（PD：Photodiode）1 1）） PDPD的工作原理的工作原理 原理原理: : 光电效应光电效应 ----受激吸受激吸收过程收过程• 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 耗尽区耗尽区PN11光纤通信 第3章 定义：为光电二极管的上截止波长 Si材料的PD：1.06 m Ge 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 m Ge 或InGaAs材料：1.1-1.6 m2 2）））） PDPD的工作特性的工作特性的工作特性的工作特性 a) 波长响应范围波长响应范围 吸收的光功率：P(x) = P(0) [1 – e-()x] 12光纤通信 第3章(b) 光电转换效率光电转换效率 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)]13光纤通信 第3章不同材料光电二极管的响应度曲线不同材料光电二极管的响应度曲线不同材料光电二极管的响应度曲线不同材料光电二极管的响应度曲线14光纤通信 第3章提高量子效率需要采取以下措施：提高量子效率需要采取以下措施：减小入射表面的反射率减小入射表面的反射率增加耗尽区宽度增加耗尽区宽度, , 减小零电场区的厚度（采用减小零电场区的厚度（采用PINPIN结构）结构）15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：16光纤通信 第3章l 光电二极管结电容及其负载电阻的RC时间常数l 载流子在耗尽区里的渡越时间l 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 PN17光纤通信 第3章漂移运动的速度18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19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 20光纤通信 第3章3 3）光电二极管的结构）光电二极管的结构l l PINPIN的结构的结构的结构的结构l l 异质结构异质结构异质结构异质结构 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21光纤通信 第3章2、 雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photodiode)1) 1) 工作原理工作原理 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22光纤通信 第3章2 2）） APDAPD的工作特性的工作特性 （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23光纤通信 第3章3 3）） APDAPD的结构的结构 (1)(1)(1)(1)Si-APDSi-APDSi-APDSi-APD结构结构结构结构保护环型（保护环型（GAPDGAPD））24光纤通信 第3章拉通型拉通型（拉通型（Reach-through APDReach-through APD，，RAPDRAPD））25光纤通信 第3章(2)(2)长波长长波长长波长长波长APDAPD结构结构结构结构 SAM-APDSAM-APD (Separated (Separated Absorption and Absorption and Multiplexing APD)Multiplexing APD)Ø 入射光透明地经过高入射光透明地经过高场区，在吸收区被充分场区，在吸收区被充分吸收，形成吸收区和倍吸收，形成吸收区和倍增区分离的结构。

增区分离的结构Ø 形成纯空穴电流注入形成纯空穴电流注入高场区，减小过剩噪声，高场区，减小过剩噪声，加大增益加大增益26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解决响应速度和量子效率对I I区要求的矛盾区要求的矛盾行波光电二极管行波光电二极管27光纤通信 第3章光纤通信 第3章3.1 3.1 光接收机简介光接收机简介3.23.2 光电检测器光电检测器3.33.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4 3.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度3.5 3.5 光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.63.6 相干检测光接收机简介相干检测光接收机简介第三章第三章 光接收机光接收机28光纤通信 第3章光纤通信 第3章3.3 放大电路电路及其噪声3.3.1 噪声的数学处理噪声的数学处理3.3.2 放大器输入端的噪声源放大器输入端的噪声源 1、放大器输入端的等效电路、放大器输入端的等效电路 2、放大器输入端的噪声源、放大器输入端的噪声源 3、放大器输出噪声的计算、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 前置放大器的设计前置放大器的设计29光纤通信 第3章光纤通信 第3章 3.3.1 噪声的数学处理噪声的数学处理 1、噪声的概念、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，NF 3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声30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、随机噪声的概率密度函数和概率分布函数 对于平稳随机噪声对于平稳随机噪声x， 落在落在x和和x+dx之间的概率为：之间的概率为： f(x) 称为随机过程的概率密度函数，称为随机过程的概率密度函数， F(x) 是概率分布函数。

是概率分布函数 两随机变量之和：两随机变量之和：Z = X + Y, 31光纤通信 第3章光纤通信 第3章3、随机过程的数字特征、随机过程的数字特征1）数学期望（均值））数学期望（均值） 2) 标准差标准差 方差：方差： 标准差标准差:32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、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33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输入端的噪声源放大器噪声的特点：放大器噪声的特点：n服从高斯分布服从高斯分布n对高斯分布，若对高斯分布，若Z = X + Y，， fz(z) 依然是依然是高斯分布，且高斯分布，且 Z2 =  X2 +  Y234光纤通信 第3章光纤通信 第3章1、放大放大 器输入端的等效电路器输入端的等效电路 35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、放大器输入端的噪声源思路：思路：Ø将所有噪声源等效到输入端将所有噪声源等效到输入端Ø是平稳随机过程是平稳随机过程Ø输入端是白噪声输入端是白噪声Ø从各个噪声源的功率谱密度出从各个噪声源的功率谱密度出发分析发分析1）电阻的热噪声）电阻的热噪声 等效为并联电流噪声源：等效为并联电流噪声源： 等效为串联电压噪声源：等效为串联电压噪声源：2）放大器有源器件的噪声：）放大器有源器件的噪声： SI ，，SE 36光纤通信 第3章光纤通信 第3章 3、放大、放大 器输出噪声的计算器输出噪声的计算1）思路）思路Ø 放大器是线性系统Ø 对并联电流噪声源Ø 对串联电压噪声源，先转换 成电流源。

输入导纳为: 对SE，乘以Ø 按高斯分布对噪声功率求和37光纤通信 第3章2）输出噪声功率3）小结：Ø 偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；Ø 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38光纤通信 第3章3.3.3 场效应管和双极晶体管的噪声源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39光纤通信 第3章1）输入端等效电路）输入端等效电路光纤通信 第3章2）噪声源）噪声源（（1）散粒噪声）散粒噪声 Igate为为FET的栅漏电流的栅漏电流 （（2）沟道的热噪声）沟道的热噪声 gm为为FET的跨导，的跨导，  为数值系数，对为数值系数，对Si FET,  =0.7; 对对GaAs FET,  =1.1。

等效到输入端等效到输入端40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41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、双极晶体管前置放大器的噪声1）输入端等效电路42光纤通信 第3章光纤通信 第3章2）输入端噪声源）输入端噪声源（1）散粒噪声（2）基极电阻的热噪声43光纤通信 第3章（3）分配噪声（4） 1/ f 噪声44光纤通信 第3章光纤通信 第3章 3）输出噪声功率）输出噪声功率Rt = Rb || Ra , ct = cd + cs + ca存在最佳集电极电流45光纤通信 第3章光纤通信 第3章 前置放大器的设计前置放大器的设计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)46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:47光纤通信 第3章44.7Mb/s系统的前置放大器48光纤通信 第3章前置放大器的发展趋势: 集成化, 模快化49光纤通信 第3章光纤通信 第3章3.1 3.1 光接收机简介光接收机简介3.23.2 光电检测器光电检测器3.33.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4 3.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度3.5 3.5 光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.63.6 相干检测光接收机简介相干检测光接收机简介第三章第三章 光接收机光接收机50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 灵敏度计算的一般灵敏度计算的一般方法方法3.4.2 接收机灵敏度的高斯近似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影响接收机灵敏度的因素51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灵敏度计算的一般方法1. 灵敏度的概念灵敏度的概念: 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。

52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53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接收机灵敏度的高斯近似计算1、光电检测器的噪声、光电检测器的噪声 对PD： 54光纤通信 第3章暗电流噪声 散粒噪声对APD： Ø 在输入端是并联电流噪声源Ø 光电检测器的噪声与接收光功率有关光纤通信 第3章56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57 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 58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，60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的影响n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。

n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，n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61光纤通信 第3章3.4.3 影响接收机灵敏度的因素影响接收机灵敏度的因素3、输入波形的影响、输入波形的影响62光纤通信 第3章Ø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；Ø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、比特速率对接收机灵敏度的影响Ø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；Ø可以证明输入 脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高；Ø发送RZ码时接收机的灵敏度比NRZ码要 4））EXT的影响的影响63光纤通信 第3章光纤通信 第3章3.1 3.1 光接收机简介光接收机简介3.23.2 光电检测器光电检测器3.33.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4 3.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度3.5 3.5 光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.63.6 相干检测光接收机简介相干检测光接收机简介第三章第三章 光接收机光接收机64光纤通信 第3章3.5 光接收机的组成模块3.5.1 3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路3.5.2 3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路3.5.3 3.5.3 再生电路再生电路65光纤通信 第3章 码间干扰问题与均衡滤波电路码间干扰问题与均衡滤波电路1 1）） 无码间干扰判决的条件l 线性相移系统l 非线性相移系统l 发送任意脉冲发送(t)脉冲；66光纤通信 第3章2） 均衡网络vv 对均衡网络的要求v 升余弦频谱67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) 频域均衡频域均衡 可变均衡电路可变均衡电路68光纤通信 第3章 射极补偿电路:提升高频分量69光纤通信 第3章b) 时域补偿器——自适应均衡器70光纤通信 第3章4）眼图分析法71光纤通信 第3章 接收机的动态范围和自动增益控制电路接收机的动态范围和自动增益控制电路接收机的动态范围和自动增益控制电路接收机的动态范围和自动增益控制电路1. 接收机动态范围接收机动态范围实现实现Da: AGC电路电路 使用限幅放大器使用限幅放大器72光纤通信 第3章2 2）放大器电压自动增益控制电路）放大器电压自动增益控制电路v 改变差分放大器工作电流改变差分放大器工作电流晶体管的输入电阻l l 改变放大器的增益改变放大器的增益l l 分流输入信号分流输入信号l l 限幅放大限幅放大73光纤通信 第3章v 分流式控制电路分流式控制电路74光纤通信 第3章1）再生电路的组成：l 判决电路：带有选通输入的比较器l 时钟提取电路：锁相环 滤波器l 信号的预处理：原因:需要将NRZ转换成RZ 方法：微分整流 再生电路再生电路75光纤通信 第3章3）锁相环路2) 信号预处理76光纤通信 第3章3 3）））） 声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器77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78光纤通信 第3章光纤通信 第3章光收发电路的发展趋势光收发电路的发展趋势n集成化: 单片集成 光电集成(OEIC),混合集成n模块化n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） nDSP接收机79光纤通信 第3章光纤通信 第3章3.1 3.1 光接收机简介光接收机简介3.23.2 光电检测器光电检测器3.33.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4 3.4 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度3.5 3.5 光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.63.6 相干检测光接收机简介相干检测光接收机简介第三章第三章 光接收机光接收机80光纤通信 第3章光纤通信 第3章 相干光通信的定义n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。

n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ωsωL81光纤通信 第3章光纤通信 第3章相干接收机的构成相干接收机的构成82光纤通信 第3章本振本振激光器激光器光混光混频器频器ωωs sωωL L光检光检测器测器放大放大滤波滤波解解调调判决判决再生再生数字信数字信号处理号处理本振光本振光锁锁相相基带信号基带信号数字信号数字信号光纤通信 第3章相干光通信的特点（相干光通信的特点（1））n灵敏度高，中灵敏度高，中继距离距离长 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n选择性好，通信容量大性好，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83光纤通信 第3章光纤通信 第3章相干光通信的特点（相干光通信的特点（2））n具有多种具有多种调制方式制方式 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n色散和非色散和非线性容限高性容限高 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84光纤通信 第3章光纤通信 第3章 相干检测方式的分类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85光纤通信 第3章光纤通信 第3章单臂相干检测原理图单臂相干检测原理图86光纤通信 第3章光纤通信 第3章单臂相干检测分析单臂相干检测分析n 信号的表达式n本振的表达式n考虑理想的3dB、180度光混频器，PD产生的光电流等于87光纤通信 第3章光纤通信 第3章双臂相干接收分析双臂相干接收分析88光纤通信 第3章光纤通信 第3章双臂相干检测分析双臂相干检测分析89光纤通信 第3章。