程控交换与光纤通信4.2.ppt

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4.2光接收机光接收机uu数字光接收机的功能是：

数字光接收机的功能是：

数字光接收机的功能是：

数字光接收机的功能是：

把经光纤传输后幅度被把经光纤传输后幅度被把经光纤传输后幅度被把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原始的数字码流。

并放大处理，恢复为原始的数字码流。

并放大处理，恢复为原始的数字码流。

并放大处理，恢复为原始的数字码流。

uu数字光接收机最主要的性能指标是数字光接收机最主要的性能指标是数字光接收机最主要的性能指标是数字光接收机最主要的性能指标是灵敏度和动态灵敏度和动态灵敏度和动态灵敏度和动态范围范围范围范围。

4.2.1光接收机基本组成光接收机基本组成对于直直接接强强度度调调制制的的光光信信号号，采采用用直直接接检检测测方方式式的的数数字字光光接接收收机机方方框框图图示示于于图图4.14，主主要要包包括括光光检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、均均衡衡器器、时时钟钟提提取电路、取样判决器以及自动增益控制取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路电路。

图图4.14数字光接收机方框图数字光接收机方框图nn1.光检测器光检测器nn光光检检测测器器是是光光接接收收机机实实现现光光/电电转转换换的的关关键键器器件件，其其性性能能特特别别是是响响应应度度和和噪噪声声直直接影响光接收机的灵敏度。

接影响光接收机的灵敏度。

对光光检测器的要求如下：

器的要求如下：

（1）波波长响响应要要和和光光纤低低损耗耗窗窗口口（0.85m、1.31m和和1.55m）兼容；兼容；

（2）响响应度度要要高高，在在一一定定的的接接收收光光功功率率下下，能能产生最大的光生最大的光电流；流；（3）噪声要尽可能低，噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；能接收极微弱的光信号；（4）性性能能稳定定，可可靠靠性性高高，寿寿命命长，功功耗耗和和体体积小。

小。

目目前前，适适合合于于光光纤通通信信系系统应用用的的光光检测器器有有PIN光光电二极管和雪崩光二极管和雪崩光电二极管二极管（APD）。

2.放大器放大器前置放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。

光接收机的灵敏度影响很大。

主放大器一般是多主放大器一般是多级放大器，它的作用是提放大器，它的作用是提供足供足够的增益，的增益，并通并通过它它实现自自动增益控制增益控制（AGC），以使，以使输入光信号在一定范入光信号在一定范围内内变化化时，输出出电信号保持恒定。

主放大器和信号保持恒定。

主放大器和AGC决定着光决定着光接收机的接收机的动态范范围。

3.均衡和再生均衡和再生均均衡衡的的目目的的是是对对经经光光纤纤传传输输、光光/电电转转换换和和放放大大后后已已产产生生畸畸变变（失失真真）的的电电信信号号进进行行补补偿偿，使使输输出出信信号号的的波波形形适适合合于于判判决决（一一般般用用具具有有升升余余弦弦谱谱的的码码元元脉脉冲冲波形波形），以消除码间干扰，减小误码率。

，以消除码间干扰，减小误码率。

再再生生电电路路包包括括判判决决电电路路和和时时钟钟提提取取电电路路，它它的的功功能能是是从从放放大大器器输输出出的的信信号号与与噪噪声声混混合合的的波波形形中中提提取取码码元元时时钟钟，并并逐逐个个地地对对码码元元波波形形进进行行取取样样判判决决，以以得得到到原发送的码流。

原发送的码流。

4.光电集成接收机光电集成接收机为了了适适合合高高传输速速率率的的需需求求，人人们一一直直在在努努力力开开发单片片光光接接收收机机，即即用用“光光电集集成成电路路（OEIC）技技术”在在同同一一芯芯片片上上集集成成包包括括光光检测器器在在内内的的全全部部元元件件。

这样的的完完全全集集成成对于于GaAs接接收收机机（即即工工作作在在短短波波长的的接接收收机机）是是比比较容容易易的的，而而且且早早已已得得到到实现。

然然而而，对于于工工作作在在1.31.6m波波长的的系系统，人人们需需要要基基于于InP的的OEIC接收机。

接收机。

InGaAsOEIC接接收收机机也也可可以以用用混混合合法法实现。

如如图4.15所所示示，电元元件件集集成成在在GaAs基基片片上上，而而光光检测器器集集成成在在InP基基片片上上，两两个部分通个部分通过接触片接触片连接在一起。

接在一起。

图图4.15光电集成接收机光电集成接收机4.2.2噪声特性噪声特性l光光接接收收机机的的噪噪声声主主要要是是内内部部产产生生的的，这这部部分分噪噪声声是是在在信信号号检检测测和和放放大大过过程程中中引引入入的的随随机机噪噪声声，只只能能通通过过器器件件的的选选择择和和电电路路的的设设计计与与制制造造尽尽可可能能减减小小，一一般般不不可能完全消除。

可能完全消除。

l光光接接收收机机噪噪声声的的主主要要来来源源是是光光检检测测器器的的噪噪声声和和前前置置放大器的噪声放大器的噪声。

l因因为为前前置置级级输输入入的的是是微微弱弱信信号号，其其噪噪声声对对输输出出信信噪噪比比影影响响很很大大，而而主主放放大大器器输输入入的的是是经经前前置置级级放放大大的的信信号号，只只要要前前置置级级增增益益足足够够大大，主主放放大大器器引引入入的的噪噪声声就就可以忽略。

可以忽略。

图4.16光接收机的噪声等效模型图中图中i2q和和i2d分别为光检测器的量子噪声和暗电流噪声分别为光检测器的量子噪声和暗电流噪声产生的均方噪声电流产生的均方噪声电流（等效噪声功率等效噪声功率）。

ip、R和和C分别为光检测器的输出光生电流、偏置电阻和电容分别为光检测器的输出光生电流、偏置电阻和电容（结电容和其他电容结电容和其他电容）。

放大器分解为理想放大器和等效噪声电流源放大器分解为理想放大器和等效噪声电流源i20和电压源和电压源u20，放放大大器器噪噪声声特特性性取取决决于于所所采采用用的的前前置置放放大大器器类类型型，根根据据放放大大器器噪噪声声等等效效电电路路和和晶晶体体管管理理论论可可以以计计算算。

常常用三种类型前置放大电路示于图用三种类型前置放大电路示于图4.17三种类型前置放大器的比较：

三种类型前置放大器的比较：

（1）双双极极型型晶晶体体管管前前置置放放大大器器的的主主要要特特点点是是输输入入阻阻抗抗低低，电电路路时时间间常常数数RC小小于于信信号号脉脉冲冲宽宽度度T，因因而而码码间干扰小，适用于高速率传输系统。

间干扰小，适用于高速率传输系统。

（2）场场效效应应管管前前置置放放大大器器的的主主要要特特点点是是输输入入阻阻抗抗高，高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。

噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。

（3）跨跨阻阻型型前前置置放放大大器器最最大大的的优优点点是是改改善善了了带带宽宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。

特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。

图图4.17光接收机的前置级放大电路光接收机的前置级放大电路（a）双极型晶体管；双极型晶体管；（b）场效应管；场效应管；（c）跨阻跨阻型型4.2.3误码率误码率由由于于噪噪声声的的存存在在，放放大大器器输输出出的的是是一一个个随随机机过过程程，其其取取样样值值是是随随机机变变量量，因因此此在在判判决决时时可可能能发发生生误误判判，把把发发射射的的“0”码码误误判判为为“1”码码，或或把把“1”码码误误判判为为“0”码。

码。

光光接接收收机机对对码码元元误误判判的的概概率率称称为为误误码码率率（在在二二元元制制的的情情况况下下，等等于于误误比比特特率率，BER），用用较较长长时时间间间间隔隔内内，在在传传输输的的码码流流中中，误误判判的的码码元元数数和和接接收收的的总总码码元元数数的的比值来表示。

比值来表示。

图图4.18计算误码率的示意图计算误码率的示意图码元被误判的概率，码元被误判的概率，可以用噪声电流可以用噪声电流（压压）的概率密度函数来计的概率密度函数来计算。

如图算。

如图4.18所示，所示，I1是是“1”码的电流，码的电流，I0是是“0”码的电流。

码的电流。

Im是是“”码的平均电流，而码的平均电流，而“0”码的平均电流为码的平均电流为0。

D为判决为判决门限值，一般取门限值，一般取D=Im/2。

在在“”码码时时，如如果果在在取取样样时时刻刻带带有有噪噪声声的的电电流流I1D，则则可可能能被被误误判判为为“”码码。

要要确确定定误误码码率率，不不仅仅要要知知道道噪噪声声功功率率的的大大小小，而且要知道噪声的概率分布。

而且要知道噪声的概率分布。

在在发发“0”码码时时，平平均均噪噪声声功功率率N0=NA，NA为为前前置置放大器的平均噪声功率放大器的平均噪声功率。

在在发发“1”码码时时，平平均均噪噪声声功功率率N1=NA+ND。

ND是是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。

Q称称为为超超扰扰比比，含含有有信信噪噪比比的的概概念念。

它它还还表表示示在在对对“0”码码进进行行取取样样判判决决时时，判判决决门门限限值值D超超过过放放大大器平均噪声电流的倍数。

器平均噪声电流的倍数。

由由此此可可见见，只只要要知知道道Q值值，就就可可根根据据式式（4.12）的的积积分分求求出出误误码码率率，结结果果示示于于图图4.19。

例例如如：

Q=6,BER10-9，Q7，BER=10-12。

总误码率（率（BER）可以表示）可以表示为图4.19误码率和Q的关系4.2.4灵敏度灵敏度灵灵敏敏度度是是衡衡量量光光接接收收机机性性能能的的综综合合指指标标。

灵灵敏敏度度Pr的的定定义义是是，在在保保证证通通信信质质量量（限限定定误误码码率率或或信信噪噪比比）的的条条件件下下，光光接接收收机机所所需需的的最最小小平平均均接接收收光光功功率率Pmin，并以并以dBm为单位。

由定义得到为单位。

由定义得到（4.14）灵灵敏敏度度表表示示光光接接收收机机调调整整到到最最佳佳状状态态时时，能能够够接接收收微微弱弱光光信信号号的的能能力力。

提提高高灵灵敏敏度度意意味味着着能能够够接接收收更微弱的光信号。

更微弱的光信号。

图图4.20示示出出典典型型短短波波长长光光接接收收机机灵灵敏敏度度与与传传输输速速率率的的关关系系曲曲线线。

图图中中误误码码率率限限定定为为110-9，假假设设光光检检测测器器量量子子效效率率=0.5，附附加加噪噪声声系系数数x=0.4，暗暗电电流流id=1nA，滚降因子滚降因子=1，相对脉冲展宽相对脉冲展宽/T=0.3。

由由图图可可见见，在在限限定定误误码码率率的的条条件件下下，决决定定光光接接收收机机灵灵敏敏度度的的主主要要因因素素是是传传输输速速率率和和光光检检测测器器、前前置置放放大大器的特性器的特性，特别是噪声特性，特别是噪声特性。

图图4.20典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系的关系典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系的关系4.2.5自动增益控制和动态范围自动增益控制和动态范围放放大大器器是是一一个个普普通通的的宽宽带带高高增增益益放放大大器器，由由于于前前置置放放大大器器输输出出信信号号幅幅度度较较大大，所所以以主主放放大大器器的的噪噪声声通通常不必考虑。

常不必考虑。

主主放放大大器器一一般般由由多多级级放放大大器器级级联联构构成成，其其功功能能是是提提供供足足够够的的增增益益A，以以满满足足判判决决所所需需的的电电平平Im，Im=IP1A，式式中中，g为为APD倍倍增增因因子子，为为光光检检测测器器的的响响应应度度，P为为“0”码和码和“1”码的平均光功率。

码的平均光功率。

主主放放大大器器的的另另一一个个功功能能是是实实现现自自动动增增益益控控制制（AGC），使使光光接接收收机机具具有有一一定定的的动动态态范范围围，以以保保证证在在入入射射光光强度变化时输出电流基本恒定。

强度变化时输出电流基本恒定。

动动态态范范围围（DR）的的定定义义是是：