光纤通信技术_Chapter3.pptx

1、,第 3 章,光接收机,3.1 光接收机简介3.1.1 光接收机的组成 光接收机:模拟光接收机:光纤CATV 信号数字光接收机:通信系统采用数字信号检测方式:相干检测:将接收到的光信号与一个光本地振荡器的振荡信号进行混频，再被光电 检测器变换成中频电信号，类似于无线电收音机。非相干检测:直接功率检测方式，通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基带调 制信号。G？相对固定的信号,1,数字光接收机:,2.,光电检测器:实现光信号转换成电信号，也就是对光进行解调。前置放大器:对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。由于前端的噪声对整个 放大器的输出噪声影响甚大，因此前置放大器必须是低噪声和高带宽的，

2、其输出一 般是mV 量级主放大器:提供足够的增益，将输入信号放大到判决电路所需要的电平（峰-峰值一 般为V：3V）自动增益控制（AGC）电路:可以控制主放大器的增益，使得输出信号的幅度在一定 的范围内不受输入信号幅度的影响均衡滤波器:对主放大输出的失真数字脉冲进行整形，保证判决时不存在码间干扰，以得到最小的误码率判决器：在时钟同步下，对信号进行再生1.时钟恢复电路:从信号码流中提取准确的时钟信息作为基准来标定，来精确地确定“判决时刻”，以保证与发送端一致。如果在发射端进行了线路编码（或扰乱），那么，在接收端需要有相应的译码（或解扰）电路。,第 3 章,2,光接收机,光接收机基本概念:,第 3

3、章光接收机,3,接收机前端:光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端=测量原理噪声线性通道:主放大器、均衡滤波器和自动增益控制模拟电路控制判决、再生:判决器、译码器和时钟恢复数字电路，通信技术。在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输入端的噪声，提高接收灵敏度。灵敏 度主要取决于检测器和放大器引入的噪声。噪声的分析和灵敏度的计算是本章重点讨论的问题。,第 3 章,4,光接收机,3.1.2 光接收机的性能指标1.光接收机主要的性能指标：衡量功率误码率（BER）：误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生 差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示。光接收机的误码来

4、自于系统的各种噪声和干扰。这种噪声经接收机转换为电流噪声迭加在接收机前端 的信号上，使得接收机对微弱的信号不能正确的接收。ITUT规定：在码型PRBS,223-1，SDH：BER：10-9，DWDM：BER：10-12,灵敏度：动态范围：,第 3 章光接收机2.光接收二极管的主要性能指标：衡量物理、电子学量光电二极管的波长晌应（光谱特性）光电转换效率响应速度等效电路光电二极管的暗电流,5,第 3 章光接收机2.光接收二极管的主要性能指标：衡量物理、电子学量(1)光电二极管的波长晌应（光谱特性）A.响应波长的上限-截止波长（频率下限）在光电二极管中，入射光的吸收伴随着导带和价带之间的电子跃迁。光

5、电效应必须 满足条件:,Si:1.06um,Ge:1.6um,Si:0.51umGe:11.6umB.响应波长的下限响应波长（频率上限）当入射光波长太短时，光子的吸收系数很 强，使大量入射光子在PN 结的表面层（零电 场的中性区）被吸收，但中性区中产生的“电 子-空穴”对在扩散进入耗尽区之前很容易再被 复合掉，使光电转换效率大大下降。X位置吸收 掉的光子数,6,B.量子效率:入射光子能够转换成光电流的概率，即光生“电子-空穴”对和入射的光 子数的比值,第 3 章光接收机光电转换效率量子效率 响应度：衡量光电转换效率。光生电流:设光接收二极管表面的反射率是r，入射光功率为p0，零电场的表 面层的

6、厚度 w，光电吸收系数为a,耗尽区的厚度w1,吸收系数为a1,光生电流可以 表示为,7,C.响应度：,第 3 章,光接收机,8,第 3 章光接收机(3)响应速度响应时间:上升时间、下降时间。光生电流脉冲由前沿最大幅度的10%上升到90%、后沿的90%下降到10%的时间定义为脉冲上升时间和下降时间。影响响应速度因素：,A.,9,光电二极管和它的负 载电阻的RC 时间常数,B.,载流子在耗尽区里的 渡越时间,C.,耗尽区外产生的载流 子由于扩散而产生的时 间延迟,(4).等效电路,A.,PIN：Cd,Rs负载：RLAMP:Rin,Ca,(5)光电二极管的暗电流暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流

7、。暗电流的随机起伏会形成暗电流噪声。Si:小于1nAGe:几百nAInGaAs:pA小。光通信中使用最普遍的接收器,第 3 章,10,光接收机,3.2.3雪崩光电二极管APD1.APD 的平均雪崩增益雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，满足统计学规律。一般用平均雪崩增益（倍 增因子）G 来表示APD 的倍增的大小。,第 3 章,光接收机,G：40100；m：培增次数，IM:APD输出光电流；Ip：APD输入光电流，同光电二极管V：APD反向工作电压；I：APD的内部平均电流/单位光强 VB：APD反向击穿电压；,11,T1,T2,T3,第 3 章2.APD 的平均雪崩增益与偏压和温度,光接收机,

8、APD的雪崩增益随偏压变化的非 线性十分明显。为了获得高的增 益，要求接近击穿电压下工作，而击穿电压是温度的函数，当温 度变化时雪崩增益也发生较大的 变化。,要求：在使用时，APD有一个随着 温度变化的偏压电路，来矫正非 线性的偏压。,反向击穿 电压,12,符号表示平均值，随机变量g 是每个初始的“电子-空穴”对生成的二次“电子-空穴”对的随机数（包括初始“电子-空穴”对本身）,G 是平均雪崩增益，G=g。F(G）表示由于雪崩效应的随机性引起的过剩噪声系数。在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数x 来表示过剩噪声系数。在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD 有利于延长系统的传输距离。在灵敏

9、度要求不高的场合，一般采用PIN 光电检测器。,第 3 章光接收机3.APD的过剩噪声雪崩倍增过程是一个复杂的随机过程，引入随机噪声。定义APD 的过剩噪声系 数,13,3.3 放大电路及其噪声从光电检测器出来的电信号是很微弱的，必须要得到放大。尽管放大器的增益 可以做得足够大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪声所淹没。为了改善光接收机的噪声特性，在放大过程中必须要尽可能 地少引入噪声。放大器的噪声主要来源于放大器内部的电阻和有源器件。所以，放 大器的噪声与电路结构和所用的有源器件有关。不管前置放大器的具体结构如何，从低噪声角度出发，第一级采用共射极（或共源

10、极）则是公认的。有源器件：双极晶体管（Bi-junction Transistor,BJT）场效应管（Field Effect Transistor,FET）放大器的输出噪声主要由前置放大级所决定，这是因为对于一个多级放大器，在输入信号被各级放大的同时，输入端的噪声也以同样的倍数被放大。尽管各级放 大器中的任何电阻和有源器件也会引入附加噪声，但只要放大器第一级的增益很大，以后各级引入的噪声就可以忽略。因此，分析前置放大器的噪声是必要的，在分析 中把所有的噪声源都等效到输入端。对放大器的噪声进行控制和优化，关键在于前 置放大器。,第 3 章,14,光接收机,3.3.2放大器输入端的噪声源放大器的

11、噪声包括电阻的热噪声及有源器件（双极晶体管和场效应管）的散粒噪声。这些噪声源都是由无限多个统计独立的不规则电子的运动所产生，服从 正态分布的。放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数：,均值为零的高斯噪声的2实际上就代表噪声电压（或噪声电流）的平方的平均值，也是1欧姆电阻上的噪声功率。对于概率密度为高斯函数的各个随机噪声源，它们之和的概率密度仍是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的方差之和。,第 3 章,光接收机,15,第 3 章,光接收机,1 输入端的等效电路及噪声源 光电检测器:is(t)：ig(t)光电流源in(t):散粒噪声 Cd:结电容。偏置电路:Rb:偏置电阻Cs:C6杂散

12、电容,16,ib:偏置电阻的并联热噪声电流源vb:偏置电阻的串联热噪声电压源放大器:Ra:输入电阻Ca:C5输入电容。ia:三极管的并联噪声电流ea:三极管的串联噪声电压源,噪 声,噪 声,噪 声,噪 声,2.噪声源光电管的噪声：半导体的电子空穴复合产生的散粒噪声，电流源in(t)偏置电阻的噪声：当温度大于绝对零度后，电阻中大量的电子就会在热激励下做不规则 的运动，形成不规则变化的微弱电流，形成电阻的热噪声。带有热噪声的电阻可以有两种等效方式：一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联，电流噪声功率谱密度k:玻尔兹曼常数，T：绝对温度热噪声随温度的升高而加大。一个理想的电阻和一个噪声电压源串联，电压

13、噪声功率谱密度,放大器的噪声：将第一级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分为两种情况：输入端并联的基极电流噪声源ia=SI电流噪声功率谱密度，基极端输入端串联的串联集发极电压噪声源ea=SE电压噪声功率谱密度，集电极端,第 3 章,17,光接收机,第 3 章,18,光接收机,3 放大器的输出噪声电压的计算（1）计算步骤：放大器输出噪声电压的方差（均方值）可以通过下面的步骤来计算：对输入端并联电流源，用输入端各噪声源的功率谱密度乘以放大器的传递函数的平 方（功率增益因子）,得到输出端的功率谱密度；跨阻放大器对输入端串联电压源，先将其功率谱密度乘以输入导纳的平方，转换为电流源，再 乘以放大器的传

14、递函数，得到输出端的功率谱密度；输出端功率谱密度对积分，得到输出端的噪声电压的方差（噪声功率）;由于放大器的各噪声源的概率分布函数均为高斯函数，所以输出端总噪声电压的方 差等于各噪声源的方差之和。,（2）计算：放大器输出噪声电压的均方值,ZT是放大器、均衡滤波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传递关系，称为转移阻抗或跨阻。Sn(W)：光 电 管 的 散 粒 噪 声；SIR(W)：偏 置 电 阻 的 热 噪 声；SI(W)：三极管输入回路的电流散粒噪声；SE(W)：三极管输出回路的电压散粒噪声。,第 3 章,光接收机,19,（2）计算：放大器输出噪声电压的均方值,ZT是放大器、均衡滤波

15、器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传递关系，称为转移阻抗或跨阻。放大器输出噪声的功率（均方差值）为：,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，串联电压噪声源对总噪声的影响越小。放大器的输入电流噪声是一定的。,第 3 章,光接收机,20,1.场效应管的噪声源场效应管是电压控制器件，它的最大特点是输入阻抗很高，栅漏电流很小，噪声也 较小，适合作高阻前置放大器。场效应管的主要噪声源有两个：栅漏电流的散粒噪声沟道热噪声散粒噪声散粒噪声是由于栅极电流的随机起伏所形成的，在输入端等效为并联电流噪声源，其功率谱密度为：沟道热噪声场效应管的沟道电导在输出回路（漏极

16、回路）里产生一个噪声电流，其功率谱密度 为：,式中，gm是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对Si FET:0.7,GaAs FET:1.1。将漏 极回路里的这个噪声电流折算到输入端，得到一个等效串联电压噪声源。,第 3 章3.3.3场效应管和双极晶体管的噪声源,21,光接收机,称为场效应管前置放大器的优值。一般情况下，场效应管的散粒噪声远小于沟道噪声，当Rb 足够大时，第一项可以忽 略。选用跨导大、结电容小的场效应管，可以减小场效应管前置放大器的噪声。,第 3 章光接收机（3）输出端的总噪声功率用场效应管作前置放大器，输出端的总噪声功率为,22,（2）基区电阻的热噪声晶体管的基区一般较薄，掺杂也低，因此基区的体电阻Rbb不能忽略。基区电阻的热 噪声在输入端作为串联电压噪声源，谱密度为,第 3 章光接收机2 双极晶体管的噪声源双极晶体管主要的噪声源有散粒噪声、基区电阻的热噪声和分配噪声。（1）散粒噪声散粒噪声是由于注入到基区里的载流子的随机涨落所引起的，从而使基极电流存在 着随机起伏。在输入端，它作为并联电流噪声源，功率谱密度为：,23,（3）分配噪声分配噪声是由于基区中载流子的复合速