第七章光接收機

第七章光接收機數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)中的各種干擾最終產(chǎn)生誤碼誤碼源：碼間串?dāng)_光纖色散以及非線性效應(yīng)導(dǎo)致展寬，使比特能量向其它比特泄漏，導(dǎo)致接收機0和1的判決誤碼誤碼源：非線性損傷光纖傳輸中的非線性效應(yīng)：1.布里淵散射2.拉曼散射3.交叉增益調(diào)制4.交叉相位調(diào)制5.四波混頻造成：

WDM系統(tǒng)中多信道之間的串?dāng)_>40Gb/s單波長高速信道內(nèi)的碼間串?dāng)_系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都會帶來噪聲，噪聲對光信號會產(chǎn)生干擾。如鏈路中：由接收機引入的噪聲源如下圖所示：誤碼源：噪聲的干擾接收機的任務(wù)1.檢測出因為長途傳輸而變得很微弱的信號2.從受到各種干擾的信號中恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)接收機主要部件及其功能數(shù)字接收機的性能模擬接收機的性能本章討論的主要問題主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、自動增益控制(AGC)電路、時鐘提取電路以及取樣判決器。基于強度調(diào)制的數(shù)字接收機模型7.1接收機工作的基本原理前端線性通道時鐘提取數(shù)據(jù)再生光接收機的核心部分：前端前端：由光電二極管和前置放大器組成作用：將耦合入光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換為時變光生電信號， 然后進行預(yù)放大，以便后級作進一步處理要求：低噪聲、高靈敏度、足夠的帶寬光檢測器的選擇：A. pin光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快B. APD最大的優(yōu)點是它具有載流子倍增效應(yīng)，探測靈敏度高，但需要較高的偏置電壓和溫度補償電路常用搭配：EDFA光放大器+pin前置放大器 主要作用是保持探測的電信號不失真地放大和保證噪聲最小，一般采用基于場效應(yīng)晶體管(FET)的放大器器件的選擇線性通道對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進行整形和補償，使之成為有利于判決的碼間干擾最小的波形根據(jù)輸入信號大小自動調(diào)整放大器增益，使輸出信號保持恒定，以擴大接收機動態(tài)范圍提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平判決再生與時鐘提取任務(wù)：把線性通道輸出的波形恢復(fù)成數(shù)字信號對某時隙的碼元進行判決，恢復(fù)原始信息為精確確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準確的時鐘信息作為標定，以保證與發(fā)送端一致入射到光檢測器的二進制數(shù)字脈沖序列表示為：其中P(t)是接收光功率Tb是比特周期bn是第n位二進制數(shù)gp(t)是接收脈沖的波形脈沖序列導(dǎo)致光電二極管在時間t內(nèi)的平均輸出電流為：此電流經(jīng)過放大可產(chǎn)生一個電壓信號接收的信號接收機主要部件及其功能數(shù)字接收機的性能模擬接收機的性能本章討論的主要問題光接收機對碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率，BER)：誤判的碼元數(shù)Ne和接收的總碼元數(shù)Nt的比值：光纖通信系統(tǒng)的典型誤碼范圍是10-9到10-12。7.2數(shù)字接收機性能兩種發(fā)生誤碼的情況發(fā)送一個"1"脈沖而均衡器輸出電壓小于v的概率：發(fā)送一個“0”脈沖而均衡器輸出電壓大于v的概率：給定一個電壓v誤碼發(fā)生的概率如果設(shè)閾值電壓為vth則誤碼概率定義為：加權(quán)因子a和b是先驗概率，或代表1或0出現(xiàn)的概率如果在任意時間t1對信號電壓v(t)進行抽樣，抽樣信號v(t1)落在(v,v+dv)的概率：信號幅度高斯分布發(fā)送0碼時被誤判為1的概率，即噪聲脈沖超過閾值vth的概率：類似地，也可以得到發(fā)送的1碼被誤判為0的概率：單比特誤碼率誤碼率bit-error-rate其中設(shè)0和1等概率發(fā)送，且選取判決電壓為vth=(bonsoff+boffson)/(soff+son)：當(dāng)son=soff=s且boff=0,bon=V,則vth=V/2信噪比例BER與信噪比的關(guān)系曲線信噪比為8.5時Pe=10-5。對于一個速率為1.544Mb/s的電話接收信號，Pe=10-5意味著每0.065秒有一位誤碼，這是非常不理想的。如果將V/s

從8.5增加至12，BER就會降到10-9。此時，每11分鐘才有一位誤碼，通常這是可以容忍的。例(續(xù))BER與信噪比的關(guān)系曲線對于一個速率為622Mb/s的鏈路，要得到相同的通話效果(11分鐘才有一個誤碼)，則要求BER為10-11或10-12，這就表示至少要求V/s=13系統(tǒng)速率越高對信噪比的要求越高定義：沒有暗電流的情況下，對于達到特定誤碼率時所需的最小接收機功率稱為量子極限在這種極限條件下，檢測器性能僅受限于光檢測過程的統(tǒng)計特性(量子噪聲)。假設(shè)在時間t內(nèi)有一個能量為E的光脈沖落在光檢測器上，在時間t內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對的均值為：而t內(nèi)實際產(chǎn)生的電子個數(shù)n服從泊松分布：光檢測器的量子極限因此在時間t內(nèi)實際產(chǎn)生0個電子的概率為：在這種情況下，信號就會被接收機判斷為0脈沖。對于理想光接收機，當(dāng)光檢測器沒有光輸入時，放大器完全沒有電流輸出，因此0碼誤判為1碼的概率Pe01=0。產(chǎn)生誤碼的唯一可能就是當(dāng)一個光脈沖輸入時，光檢測器沒有產(chǎn)生光電流，放大器沒有電流輸出。因此0和1等概發(fā)送時，誤碼率Pe為：通過這個式子，可以得到滿足一定誤碼率要求時所需要的最小輸入能量。量子極限(續(xù))一個數(shù)字光纖鏈路工作在850nm時要求BER為10-9：(a)求出與光檢測器量子效率和入射光子能量有關(guān)的量子極限由前可知，誤碼概率是：解出。因此，對于這個BER指標，要求每個脈沖平均有21個光子產(chǎn)生?？梢缘玫紼，即：例(b)對一個10Mb/s的二進制信號系統(tǒng)，為了得到10-9的BER指標，試求光檢測器上的最小入射功率P0如果檢測器的量子效率為1，則有：得：其中1/t是數(shù)據(jù)速率B的一半(這里假設(shè)0和1等概出現(xiàn))，解出P0可得：例(續(xù))定義：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率，如10-9)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率<P>min，并以dBm為單位。量子極限下：物理意義：靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力。提高靈敏度意味著能夠接收更微弱的光信號。理想接收機靈敏度在不考慮碼間干擾、均衡器頻率特性影響的情況下，限定誤碼率的最小平均接收光功率由下式給出：其中nA是折合到輸入端的放大器噪聲功率。將上式結(jié)果代入定義式中即可算出實際接收機的靈敏度。實際接收機靈敏度設(shè)pin-PD光接收機的工作參數(shù)如下：光波長l

=850nm，傳輸速率fb=8.448Mb/s，光電二極管響應(yīng)度=0.4，互阻抗前置放大器的噪聲nA≈10-18。要求誤碼率Pe

=10-9，即Q=6，可以計算得到<P>min=1.5×10-8W，S=-48.2dBm。例光接收機靈敏度與傳輸速率的關(guān)系由圖可見，決定光接收機靈敏度的主要因素是傳輸速率和光檢測器的特性等：碼率越高檢測器靈敏度變差A(yù)PD靈敏度顯著高于pin定義：在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率<P>max和所需最小平均接收光功率<P>min的比值，用dB表示。根據(jù)定義：在動態(tài)范圍之內(nèi)，需要光接收機能保持穩(wěn)定輸出。光接收機的動態(tài)范圍(DR)物理意義：動態(tài)范圍表示光接收機接收強光的能力，數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB

由于使用條件不同，輸入光接收機的光信號大小要發(fā)生變化，為實現(xiàn)寬動態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。DR的物理含義接收機主要部件及其功能數(shù)字接收機的性能模擬接收機的性能本章討論的主要問題模擬接收機用信噪比來度量，信噪比定義為均方信號電流與均方噪聲電流之比時變電信號s(t)用來直接調(diào)制偏置電流為IB的光源，發(fā)送光功率P(t)有如下形式：其中Pt是平均發(fā)射功率，m為調(diào)制指數(shù)：DI一般不能太大，以確保光源工作在線性區(qū)7.3模擬接收機若s(t)為正弦信號，檢測器輸出的均方電流為(忽略直流項)：接收機的均方噪聲電流為均方量子噪聲電流、等效電阻熱噪聲電流、暗噪聲電流和表面漏電流之和：忽略表面漏電流，信噪比為：在接收端，模擬光信號產(chǎn)生的光電流為：APD光信噪比對于pin，M=1，當(dāng)入射光功率很小時，噪聲電流主要是電路噪聲項：當(dāng)入光功率很大時，則和信號檢測過程相關(guān)的量子噪聲為主要噪聲：由于這種情況下的信噪比和電路噪聲無關(guān)，因此代表了模擬接收機靈敏度的基本限制和量子極限。pin光信噪比光信噪比vs.平均接收光功率討論：1)