光接收机(二)

1、 5.3 光接收机光接收机 5.3.1 光接收机基本组成光接收机基本组成 强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于下图。强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于下图。 主要包括：主要包括： 光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电时钟提取电 路、取样判决器路、取样判决器以及以及自动增益控制自动增益控制(AGC)电路电路。 数字光接收机方框图数字光接收机方框图 光检测器光检测器 偏压控制偏压控制 前置放大器前置放大器 AGC 电路电路 均衡器均衡器判决器判决器 时钟时钟 提取提取 再生码流再生码流 主放大器主放大器 光信号光信号 前

2、端前端线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生 （CDR） 性能指标性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比接收灵敏度、误码率或信噪比 一、前端一、前端 1、作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然、作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然 后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。 光接收机前端一般由光检测器和前置放大器组成。光接收机前端一般由光检测器和前置放大器组成。 2、要求：、要求： 低噪声低噪声 高灵敏度高灵敏度 足够的带宽足够的带宽 3、分类：、分类： 低阻型前端低阻型前端 高阻型前端高阻型前

3、端 跨（互）阻型前端跨（互）阻型前端 (一一) 光检测器光检测器 光检测器光检测器是光接收机实现光是光接收机实现光/电转换的电转换的关键器件关键器件，其性能特别是，其性能特别是 响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下：对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85m、 1.31m和和1.55m)兼容；兼容； (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；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) 噪声要尽可能低，噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；

4、能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。 目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管光电二极管和和雪雪 崩光电二极管崩光电二极管(APD)，其性能的优劣直接影响整个光接收机的性能。，其性能的优劣直接影响整个光接收机的性能。 (二二) 前置放大器前置放大器 从光检测器输出的电流信号十分微弱，必须经过前置放从光检测器输出的电流信号十分微弱，必须经过前置放 大器放大，前置放大器在光接收机中起关键作用，要求它有大器放大，前置放大器在光接收机中起关键作用，要求它有 足够小的噪

5、声、适当的带宽和一定的增益。前置放大器的噪足够小的噪声、适当的带宽和一定的增益。前置放大器的噪 声对光接收机的灵敏度影响很大。声对光接收机的灵敏度影响很大。 前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前 放可供选择：放可供选择：低阻型前置放大器、高阻型前置放大器、跨阻低阻型前置放大器、高阻型前置放大器、跨阻 型（转移阻抗型）前置放大器。型（转移阻抗型）前置放大器。 1、低阻型前置放大器：、低阻型前置放大器： 技术要求技术要求：系统对带宽的要求较高，对噪声特性要求较低。：系统对带宽的要求较高，对噪声特性要求较低。 设计思路设计思路：从频带要求出

6、发选择偏置电阻：从频带要求出发选择偏置电阻 设前放输入回路的总并联电阻为设前放输入回路的总并联电阻为Rt，总并联电容为，总并联电容为Ct，则应使输入回路，则应使输入回路 的的RC时间常数（时间常数（=RtCt）尽量小以满足带宽的要求，即有）尽量小以满足带宽的要求，即有 Rt1/2BwCt 式中，式中，Bw为码率所要求的放大器的最小带宽。当光接收机接收码流的码为码率所要求的放大器的最小带宽。当光接收机接收码流的码 率为率为fB(bit/s)时，放大器的带宽应为时，放大器的带宽应为 BwfB/2 电路特点电路特点：频带宽，电路简单，接收机不需要或只需要很少的均衡，动：频带宽，电路简单，接收机不需要

7、或只需要很少的均衡，动 态范围较大；由于前放输入回路的电阻值较小，噪声较大。态范围较大；由于前放输入回路的电阻值较小，噪声较大。 适用对象适用对象：高速数字光纤通信系统的光接收机中：高速数字光纤通信系统的光接收机中 2、高阻型前置放大器：、高阻型前置放大器： 技术要求技术要求：系统对噪声特性要求较高，对带宽的要求较低。：系统对噪声特性要求较高，对带宽的要求较低。 设计思路设计思路：尽量加大偏置电阻，以便把前置放大电路的噪声减小至尽可能小：尽量加大偏置电阻，以便把前置放大电路的噪声减小至尽可能小 的值的值 电路特点电路特点：噪声较小，但频带较窄，前置级的动态范围也较小，对应的接收：噪声较小，但频

8、带较窄，前置级的动态范围也较小，对应的接收 机的均衡电路复杂。机的均衡电路复杂。 适用对象适用对象：码率较低的数字光纤通信系统的光接收机中：码率较低的数字光纤通信系统的光接收机中 3、跨阻型前置放大器：、跨阻型前置放大器： 技术要求技术要求：系统对带宽和噪声特性都有较高的要求：系统对带宽和噪声特性都有较高的要求 设计思路设计思路：引入电压并联负反馈，一方面偏置电阻和反馈电阻的值可以取的：引入电压并联负反馈，一方面偏置电阻和反馈电阻的值可以取的 很大，从而使电路的噪声大为减小，另一方面等效输入电阻较小，增加了带很大，从而使电路的噪声大为减小，另一方面等效输入电阻较小，增加了带 宽。宽。 电路特点

9、电路特点：由于引入了电压并联负反馈环节，使得跨阻型前置放大器既有较宽：由于引入了电压并联负反馈环节，使得跨阻型前置放大器既有较宽 的频带，又有较低的噪声，同时动态范围（较高阻型前置放大器）也有了较大的频带，又有较低的噪声，同时动态范围（较高阻型前置放大器）也有了较大 的改善。的改善。 适用对象：适用对象：被广被广 泛采用。泛采用。 L Wi it R1 BR 2 R C1A 光接收机光接收机 前置放大器等效电路前置放大器等效电路 跨阻型前置放大器的跨阻型前置放大器的工作原理工作原理： 负载电阻跨接到反相放大器的输入和输出端，尽管负载电阻跨接到反相放大器的输入和输出端，尽管RL仍然很大，仍然很大

10、， 但负反馈使输入阻抗减小了但负反馈使输入阻抗减小了G 倍，因此带宽也比高阻抗放大器倍，因此带宽也比高阻抗放大器 的扩大了的扩大了G 倍。倍。 它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大，它的灵敏度高、频带宽。动态范围也比高阻抗前置放大器的大， 因此光接收机常使用这种结构的前放。因此光接收机常使用这种结构的前放。 前放前放 G ID RL CT 高阻（低阻）型高阻（低阻）型 前放前放 G RL ID CT 跨阻型跨阻型 二、线性通道二、线性通道 1、主放、主放：具有：具有AGC功能，可根据输入信号（平均值）大小自动功能，可根据输入信号（平均值）大小自动 调整放大器增益，使输出信号保

11、持恒定。用以扩大接收机的动态调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态 范围。有时用限幅放大器（范围。有时用限幅放大器（LA）替代）替代AGC。 主放大器主放大器和和AGC决定着光接收机的决定着光接收机的动态范围。动态范围。 2、均衡滤波器：、均衡滤波器：接收机噪声正比于接收带宽，因此，采用低通接收机噪声正比于接收带宽，因此，采用低通 滤波来减低噪声。通常滤波器带宽滤波来减低噪声。通常滤波器带宽 f比特率比特率B（常取为（常取为 0.60.8B)，这将引起脉冲展宽，而导致码间干扰。因此，对滤波，这将引起脉冲展宽，而导致码间干扰。因此，对滤波 器提出要求，使展宽的脉冲无（或小的）码

12、间干扰，满足这一要器提出要求，使展宽的脉冲无（或小的）码间干扰，满足这一要 求的滤波器成为均衡滤波器（或匹配滤波器）。求的滤波器成为均衡滤波器（或匹配滤波器）。 3、无码间干扰条件：、无码间干扰条件： 判决时刻，被判码元的瞬时值最大，而相邻码元在此时判决时刻，被判码元的瞬时值最大，而相邻码元在此时 刻的瞬时值为零。刻的瞬时值为零。 三、时钟提取与数据再生（三、时钟提取与数据再生（CDR） 1、功能：将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，包括：、功能：将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，包括： 时钟提取电路、判决电路时钟提取电路、判决电路 2、时钟提取：、时钟提取： 将将f=B的谱分量与接

13、收信号分离的过程，向判决电路提的谱分量与接收信号分离的过程，向判决电路提 供码间隔供码间隔TB=1/B的信息，使判决过程同步。在的信息，使判决过程同步。在RZ码中，码中， 信号本身含有信号本身含有f=B的谱分量，使用窄带滤波器（如声表的谱分量，使用窄带滤波器（如声表 面波滤波器），即可提取出时钟；而在面波滤波器），即可提取出时钟；而在NRZ码中，信号码中，信号 缺乏缺乏f=B的谱分量，首先要对信号进行非线性预处理的谱分量，首先要对信号进行非线性预处理 （微分、整流电路或延迟原理）窄化脉冲，再经锁相环（微分、整流电路或延迟原理）窄化脉冲，再经锁相环 路提取出时钟。路提取出时钟。 在数字光纤通信系

14、统中，按照在数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元宽度相码时码元宽度相 对于码元周期对于码元周期T的大小，分为的大小，分为NRZ码和码和NZ码两种。码两种。 判决判决 电路电路 时钟时钟 恢复恢复 数据恢复数据恢复 数据数据 输出输出 3、判决再生、判决再生 提取时钟信号提取时钟信号后后，在最佳的取，在最佳的取 样时间对升余弦信号进行取样，样时间对升余弦信号进行取样， 然后将取样幅度与判决阈值进然后将取样幅度与判决阈值进 行比较，确定码元是行比较，确定码元是“0”还是还是 “1”，从而把升余弦波形恢复再，从而把升余弦波形恢复再 生成原传输的数字信号。生成原传输的数字信号。 最佳的判决时间应是升

15、余弦波最佳的判决时间应是升余弦波 形的正负峰值点，这时取样幅形的正负峰值点，这时取样幅 度最大，抵抗噪声的能力最强。度最大，抵抗噪声的能力最强。 要求：要求： 稳定可靠稳定可靠 抗连抗连“0”和连和连“1” 时钟抖动小时钟抖动小 四、光电集成接收机四、光电集成接收机 光接收机中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器光接收机中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器 件，件， 很容易用标准的集成电路很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片技术将它们集成在同一芯片 上。上。 不论是硅不论是硅(Si)还是砷化镓还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路技术都能够使集成电路 的工作

16、带宽超过的工作带宽超过2 GHz，甚至达到，甚至达到10 GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光 接收机，即用接收机，即用“光电集成电路光电集成电路(OEIC)技术技术”在同一芯片上集成在同一芯片上集成 包括光检测器在内的全部元件。包括光检测器在内的全部元件。 对于对于GaAs接收机（工作在短波长的接收机），这样的集成接收机（工作在短波长的接收机），这样的集成 比较容易，早已得到实现。比较容易，早已得到实现。 对于工作在对于工作在1.31.6m波长的系统，人们需要基于波长的系统，人们需要基于InP的的OEIC 接收机接收机

17、。 在在1991年试验成功的单路年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速接收机，其运行速 率达率达5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收机也可以用接收机也可以用混合法实现混合法实现。 如下图所示，如下图所示， 电元件集成在电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成基片上，而光检测器集成 在在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。基片上，两个部分通过接触片连接在一起。 光电集成接收机光电集成接收机 光 检 测 器 电 路 部 分 GaAs基 片 N-InP基 片 P-接 触 片N-接 触 片 光接收机的光接收机的噪声有两部分：噪声有两部分： 外部电磁干扰产生外部电磁干扰产

18、生 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤 波加以消除；波加以消除； 内部产生内部产生 这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的 随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减 小，小， 一般不可能完全消除。一般不可能完全消除。 我们要讨论的噪声是指内部产生的我们要讨论的噪声是指内部产生的。 光接收机光接收机: 。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪 比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要比影响很大

19、，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要 前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。 5.3.2 光接收机的噪声特性光接收机的噪声特性 光接收机的性能由接收机灵敏度或信噪比表征光接收机的性能由接收机灵敏度或信噪比表征,而光接收机的而光接收机的 噪声对灵敏度或信噪比有着决定性的影响。噪声对灵敏度或信噪比有着决定性的影响。 光接收机存在的噪声可光接收机存在的噪声可分为两类分为两类：散粒噪声和热噪声：散粒噪声和热噪声 在光接收机中，尽管各级放大器均会引入附加噪声，但在光接收机中，尽管各级放大器均会引入附加噪声，但 只要第一级放大器的增益很大，

20、以后各级的噪声就可以忽只要第一级放大器的增益很大，以后各级的噪声就可以忽 略，放大器的略，放大器的输出噪声主要由前置级所决定输出噪声主要由前置级所决定 光接收机的噪声等效模型光接收机的噪声等效模型 放 大 器 Rin 0 SI SE CR Sd d Sq q ip 放大器光电检测器 0 上图示出光接收机的噪声等效模型，上图示出光接收机的噪声等效模型， 由由两两 部分组成。部分组成。 光电检测器分解为：光电检测器分解为： iq2光检测器的量子噪声产生的均方噪声电流光检测器的量子噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率等效噪声功率)， 功率谱密度表示为功率谱密度表示为 Sq id2暗电流噪声产生的均方

21、噪声电流暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率等效噪声功率)， 其相应的其相应的 功率谱密度为功率谱密度为 Sd ip 光检测器的输出光生电流光检测器的输出光生电流 R 光检测器的偏置电阻光检测器的偏置电阻 C 光检测器的电容光检测器的电容(结电容和其他电容结电容和其他电容) 2 q qp d i S = ei df 光检测器噪声：光检测器噪声： 总噪声：总噪声： 222 2 PINsdPd e IIB 信号电流：信号电流： RPII ps 1、PIN光检测器噪声光检测器噪声 包括：量子噪声、暗电流噪声，均属于散粒噪声，严格讲，散粒噪声的概包括：量子噪声、暗电流噪声，均属于散粒噪声，严格讲

22、，散粒噪声的概 率密度函数服从泊松分布，实际中可用高斯分布近似。散粒噪声为白噪声，率密度函数服从泊松分布，实际中可用高斯分布近似。散粒噪声为白噪声， 其功率谱密度为常数。其功率谱密度为常数。 量子噪声的噪声方差：量子噪声的噪声方差： 22 sqqp - =Sf df = 2eI B= 2eRPB 暗电流噪声的噪声方差：暗电流噪声的噪声方差： 2 ddd - =Sf df = 2eI B 2、APD光检测器的噪声光检测器的噪声 信号电流均方噪声（经历倍增）信号电流均方噪声（经历倍增） ： 222 2 x spp eI gB 暗电流噪声（经历倍增）：暗电流噪声（经历倍增）： 22 11 2 x d

23、d eI gB l 漏电流噪声（未经历倍增）：漏电流噪声（未经历倍增）： 2 22 2 dd eIB 总噪声：总噪声： 22222 1212 2() x APDsddpdd eIIgIB 信号电流：信号电流： sp IIRPg 放大器分解为放大器分解为: 理想放大器理想放大器，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻Rin 等效噪声电流源等效噪声电流源i02，相应的功率谱密度，相应的功率谱密度 SI 等效噪声电压源等效噪声电压源u02，相应的功率谱密度，相应的功率谱密度 SE 3、前置放大器噪声、前置放大器噪声 放 大 器 Rin 0 SI SE CR Sd d Sq q ip 放大器光电检测器 0

24、 光接收机的噪声等效模型光接收机的噪声等效模型 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) (a) 双极型晶体管；双极型晶体管； (b) (b) 场效应管；场效应管； (c) (c) 跨阻型跨阻型 偏压 (a) 偏压 (b) 偏压 (c) Rf 放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型， 根据根据 放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类 型前置放大电路示于下图。型前置放大电路示于下图。 其其输入输入的的等效噪声功率为：等效噪声功率为： 场效应管场效应管(FET)前置放大器前

25、置放大器 2 23 2 42.82.8(2) 3 A mm kTkTkTC BB Rg Rg 222 23 2()() (2) 2 2 /3 c A incc eIkTkTkTC BB RRRIeI 双极型晶体管双极型晶体管(BJT)前置放大器前置放大器 k为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为绝对温度，为绝对温度，R、Rin的意义见上图，的意义见上图，为为BJT的直流电流的直流电流 放大倍数，放大倍数，Ic为为BJT的集电极偏置电流，的集电极偏置电流，C为包括光电检测器电容、前置放大器为包括光电检测器电容、前置放大器 输入电容以及杂散电容在内的总等效电容，输入电容以及杂散电容在内的总等效电容，

26、B为放大器带宽，为放大器带宽，e为电子电荷量。为电子电荷量。 gm是是FET的跨导的跨导 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器 - 双极型晶体管双极型晶体管 22 23 2() (2) 2 2 /3 c A fc eIkTkTC BB RReI 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器 - 场效应管场效应管 2 23 2 42.82.8(2) 3 f A fmm kTkTkTC BB Rg Rg 光接收机的输入等效总噪声可以表示为：光接收机的输入等效总噪声可以表示为： 222 totalPDA 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) 双极型晶体管前置放大器双极型晶体管前置放大器的主要

27、的主要特点特点是输入阻抗低，是输入阻抗低， 电路时间常数电路时间常数RC小于信号脉冲宽度小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，因而码间干扰小， 适用于高速率传输系统。适用于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器场效应管前置放大器的主要的主要特点特点是输入阻抗高，是输入阻抗高， 噪噪 声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器最大的最大的优点优点是改善了带宽特性和是改善了带宽特性和 动态范围，并具有良好的噪声特性。动态范围，并具有良好的噪声特性。 InGaAs光电二极管在波长为光电二极管在波长为1300 nm

28、时有如下参数：初时有如下参数：初 级暗电流级暗电流ID = 4 nA，负载电阻负载电阻RL = 1000 W W，量子效率，量子效率h h=0.90 ，表面漏电流可以忽略，入射光功率为，表面漏电流可以忽略，入射光功率为300 nW (-35 dBm)，接接 收机带宽为收机带宽为20 MHz，计算光检测器的各种噪声。计算光检测器的各种噪声。 196 7 348 0.90 1.6 101.3 10 3 100.282 6.625 103 10/ p ee IRPPP hvhc Cm WA J sm s hh 首先计算初级光电流：首先计算初级光电流： 量子噪声均方根电流：量子噪声均方根电流： 219

29、66182 22(1.6 10)(0.282 10)(20 10)1.80 10 qp ieI BCAHzA 例例 负载均方热噪声电流为：负载均方热噪声电流为： 2186 23 2 103231020 1 )293)(/1038. 1 (44 AHz k KKJ B R Tk i L B T W 21996202 22(1.6 10)(4 10)(20 10)2.56 10 dd ieI BCAHzA 光检测器暗电流：光检测器暗电流： 例例 (续续) l数字接收机的性能指标由数字接收机的性能指标由比特误码率（比特误码率（BER）所决定。所决定。 lBER定义为码元在传输过程中出现差错的概率，工

30、程中定义为码元在传输过程中出现差错的概率，工程中 常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码元数之常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码元数之 比来表示。如比来表示。如BER=10-6，则表示每传输百万比特只允许，则表示每传输百万比特只允许 错错1个比特；个比特； BER=10-9则表示每传输则表示每传输10亿个比特只允许亿个比特只允许 错错1个比特。通常，个比特。通常，数字光接收机要求数字光接收机要求BER10-9。 5.3.3误码率误码率 l 误码产生的原因：误码产生的原因： 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程， 其取样值其取样值 是随

31、机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”0”码码 误判为误判为“1”1”码，或把码，或把“1”1”码误判为码误判为“0”0”码。码。 SrPt SD 发射信号发射信号接收信号接收信号 TX AMP 噪声噪声光源光源探测器探测器 判决判决 01010100 01011010 P t t 发射信号发射信号 误码误码 判决判决 时刻时刻 判决判决 门限门限 噪声噪声 (a) (b) 在接收端探测到的在接收端探测到的 带有噪声的信号带有噪声的信号 St r (c) (d) tDtDtDtDtDtDtDtD 由于噪声叠加由于噪声叠加 , , “ 0

32、0 ”码，”码， 在判决时刻变成在判决时刻变成 使“1”码使“1”码 经判决电路后产生了一个误码。经判决电路后产生了一个误码。 系统构成系统构成 I D I 取样值取样值 判决判决 时刻时刻 光接收机对码元误判的概率称为光接收机对码元误判的概率称为误码率误码率(BER)，用较长时间间，用较长时间间 隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比 值来表示。值来表示。 码元被误判的概率，可以用噪声电流码元被误判的概率，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。算。 BER 出错的比特数 总的比特数 l 误码率的计

33、算：误码率的计算： 在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的 概率分布后，概率分布后， 就可以分别计算就可以分别计算“0”0”码和码和“1”1”码的误码率了码的误码率了。 tD 信信 号号 时间时间 判决时刻判决时刻 I1 ID I0 P(0/1) P(1/0) 信号信号 概率概率 判决门限判决门限 (a)(a) (b)(b) 图图(a)表示判决电路接收到的叠加了噪声的比特流，表示判决电路接收到的叠加了噪声的比特流， I1是是“1” 码平均电流，码平均电流， I0 是是“0”码的电流（平均电流为码的电流（平均电流为0），）， ID

34、是判是判 决门限电流。决门限电流。 图图(b)表示表示 “1” 码信号和码信号和 “0” 码信号在平均光生信号电流码信号在平均光生信号电流 I1 和和I0 附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。附近的高斯概率分布，阴影区表示错误识别概率。 在在“1”1”码时码时，如果在取样时刻带有噪声的电流，如果在取样时刻带有噪声的电流I I1 1IIID D，则可能，则可能 被误判为被误判为“1”1”码。码。 要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声 的概率分布。的概率分布。 光接收机输出噪声的概率分布光接收机输出噪声的概率分布十分复

35、杂，一般假设噪声电流十分复杂，一般假设噪声电流 ( (或电压或电压) )的瞬时值服从高斯分布，其的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为概率密度函数为: : 式中式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零， 方差为方差为2。 2 exp 2 1 )( 2 2 x xf 在发在发“0”0”码时码时，平均噪声功率，平均噪声功率0 02 2= =A A2 2，A A2 2为前置放大器的平为前置放大器的平 均噪声功率。均噪声功率。 这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率D D=0(=0(略去暗电略去暗电

36、流流) )。发发“0”0”码条件下噪声的概率密度函数为码条件下噪声的概率密度函数为 : : 2 0 0 2 0 0 1 ()exp 22 I f I t Is Im I1(t) I0(t) 判 决 门 限D 0 在已知光检测器和前置放大器的在已知光检测器和前置放大器的 噪声功率，并假设了噪声的概率噪声功率，并假设了噪声的概率 分布后，就可以分别计算分布后，就可以分别计算“0”码码 和和“1”码的误码率了。码的误码率了。 计算误码率的示意图计算误码率的示意图 根据误码率的定义，根据误码率的定义，把把“0”码误判为码误判为“1”码的概率，应等于码的概率，应等于I0 值超过值超过ID值的概率值的概率

37、，即，即 式中式中 在发在发“1”码时码时，平均噪声功率，平均噪声功率12=A2+D2。D2是在放大器输是在放大器输 出端光检测器的平均噪声功率。出端光检测器的平均噪声功率。 这时噪声电流的幅度为这时噪声电流的幅度为I1-Im，Im为为“1”码的平均电流，判决码的平均电流，判决 门限值仍为门限值仍为ID，则只要取样值，则只要取样值Im-I1Im-ID或或I1-ImID) 00 /xI 式中式中 “0”码和码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码码 和和“1”码等概率的码流而言，码等概率的码流而言，一般认为一般认为Pe,01=Pe,10时，可以时，可以

38、使误码率达到最小。使误码率达到最小。 1 1 / m yII 2 1 101 2 1 1 ()1 ,exp () 22 Dm II m em II Pd II 1 2 ()/ 1 exp 22 Dm II y dy (Im-I1)(Im-ID) 把把“1”码误判为码误判为“0”码的概率为：码的概率为： 1 10 1 0 01 0 1 ,erfc 22 1 ,erfc 22 D e D e II P II P 2 erfc 2 erfc 4 1 0 0 1 1 IIII BER DD 可见，可见，BER主要取决于判决阈值主要取决于判决阈值ID，为使，为使BER最小，应对最小，应对ID的选的选 取

39、进行优化。实际中，当取进行优化。实际中，当ID选择满足以下关系时，选择满足以下关系时，BER最小最小 Q IIII DD 0 0 1 1 01 0110 II ID 引入补余误差函数引入补余误差函数 2 2 erfc( )exp x xy dy 则上述误码率分别为则上述误码率分别为 总的误码率为总的误码率为 ID的直接表达式可写成的直接表达式可写成 Q的物理意义：的物理意义： 另外，只要知道另外，只要知道Q值，就可求出误码率，结果示于下图。值，就可求出误码率，结果示于下图。 例如：例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。 2 2/exp 2 erfc 2 1 2 Q QQ

40、BER 01 01 II Q 01 01 II Q “1”码和码和“0”码的平码的平 均电流之差均电流之差 “0”码和码和“1”码噪声电流的码噪声电流的 均方值均方值 如果如果“0”码对应的平均电流等于零，则码对应的平均电流等于零，则Q就是信号电流与噪声就是信号电流与噪声 电流之比，所以称电流之比，所以称Q为数字信噪比。为数字信噪比。 通常通常: 2.5Gb/s系统的接收灵敏度系统的接收灵敏度 对应于对应于BER=10E-9； 10Gb/s系统的接收灵敏度系统的接收灵敏度 对应于对应于BER=10E-10； -21-20-19-18 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9

41、10 -10 2 7-1 2 23-1 2 31-1 Bit Error Rate Received Optical Power(dBm) 典型的典型的10Gb/s光接收机的误码特性光接收机的误码特性 5.3.4 信噪比（信噪比（SNR） SNR= 平均信号功率平均信号功率 噪声功率噪声功率 2 2 s I 对于不同的入射光功率，对于不同的入射光功率，APD光接收机存在最佳增益，故可光接收机存在最佳增益，故可 根据入射光功率调整根据入射光功率调整APD偏压，使其工作于最佳增益。偏压，使其工作于最佳增益。 模拟光接收机信噪比定义为模拟光接收机信噪比定义为 Pr =10lg min 3 () (d

42、Bm) 10 PW 5.3.5 灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度灵敏度Pr的定的定 义是，义是，在保证通信质量在保证通信质量(限定误码率或信噪比限定误码率或信噪比)的条件下，光的条件下，光 接收机所需的最小平均接收光功率接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以，并以dBm为单为单 位。由定义得到位。由定义得到 灵敏度的物理意义：灵敏度的物理意义： 灵敏度衡量并体现了光接收机灵敏度衡量并体现了光接收机“抵制噪声抵制噪声”、“接收并恢接收并恢 复微弱光信号复微弱光信号”的极限能力。的极限能力。 这种能力应该这种能力应该从两个方面来理解

43、从两个方面来理解。 （1）噪声一定时，灵敏度越高，光接收机在正常工作状态）噪声一定时，灵敏度越高，光接收机在正常工作状态 下所需要输入的最小光功率下所需要输入的最小光功率P越小，说明光接收机接收越小，说明光接收机接收 （处理）微弱光信号的能力越强。（处理）微弱光信号的能力越强。 （2）输入的光功率）输入的光功率P一定时（一定时（P Pmin ），灵敏度越高），灵敏度越高 （ Pmin越小），光接收机在正常工作状态下所允许的噪声越小），光接收机在正常工作状态下所允许的噪声 功率就越大，说明光接收机的抗噪能力越强。功率就越大，说明光接收机的抗噪能力越强。 数字光接收机灵敏度的分析与计算数字光接收机

44、灵敏度的分析与计算 具体思路：具体思路： 首先求出数字光接收机的误码率与前端噪声及输入光功率首先求出数字光接收机的误码率与前端噪声及输入光功率 等参量的定量关系式，然后，令误码率等于给定的误码率等参量的定量关系式，然后，令误码率等于给定的误码率 指标，从而求出所需要的最小光功率指标，从而求出所需要的最小光功率Pmin，Pmin即代表光即代表光 接收机的灵敏度，接收机的灵敏度，Pmin越小，灵敏度越高。有时，也可以越小，灵敏度越高。有时，也可以 用每一比特输入的光脉冲中所包含的最小平均能量来表示用每一比特输入的光脉冲中所包含的最小平均能量来表示 光接收机的灵敏度。光接收机的灵敏度。 1. 理想光

45、接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 假设光检测器的暗电流、漏电流为零，光电二极管的量子假设光检测器的暗电流、漏电流为零，光电二极管的量子 效率为效率为1，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形 成的电子成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接理想光接 收机收机。 它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子，因为量子 噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子 噪声存在。噪声存在。

46、首先考虑理想光接收机的误码率。首先考虑理想光接收机的误码率。当光检测器没有光输入当光检测器没有光输入 时，放大器就完全没有电流输出，因此时，放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为码误判为“1”码的码的 概率为概率为0，即，即Pe,01=0。 产生误码的唯一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器产生误码的唯一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器 没有产生光电流，放大器没有电流输出。没有产生光电流，放大器没有电流输出。 这个概率，即这个概率，即“1”码误判为码误判为“0”码的概率码的概率Pe,10=exp(-n)，n 为一个码元的平均光子数。为一个码元的平均光子数。 当当“0”码和码和“1”码

47、等概率出现时，码等概率出现时， 误码率为：误码率为： ,01,01 111 exp 222 eee PPPn 现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是非归零码是非归零码 (NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为，码元宽度为Tb， 一一 个码元平均光子数为个码元平均光子数为n，那么，那么光接收机所需最小平均接收功率光接收机所需最小平均接收功率 为为 : 式中，因子式中，因子2是是“0”码和码和“1”码功率平均的结果，码功率平均的结果， h=6.62810-34Js为普朗克常数，为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率

48、和分别为光频率和 光波长，光波长，c为真空中的光速。为真空中的光速。 利用利用Tb=1/fb，fb为传输速率；并考虑光为传输速率；并考虑光/电转换时的量子效电转换时的量子效 率为率为。 Pmin= 22 d bb Enhf TT Pr= 10 lg h2 b nhcf 对于数字光纤通信系统，一般要求误码率对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe10-9，所以得到，所以得到 n21。 这表明至少要有这表明至少要有21个光子产生的光电流，个光子产生的光电流， 才能保证判决时误才能保证判决时误 码率小于或等于码率小于或等于10-9。 设设=0.7，并把相关的常数代入，并把相关的常数代入， 计算出的不

49、同计算出的不同和不同和不同fb的的Pr 值列于下表。值列于下表。 这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子 噪声决定的，所以称为噪声决定的，所以称为量子极限量子极限。量子极限灵敏度可以作为衡量。量子极限灵敏度可以作为衡量 实际光接收机灵敏度高低的一种基准。实际光接收机灵敏度高低的一种基准。 由下表由下表 可以看到灵敏度与光波长和传输速率的关系。可以看到灵敏度与光波长和传输速率的关系。 把这些关系代入，把这些关系代入， 得到得到理想光接收机灵敏度理想光接收机灵敏度: -65.7 -59.2 -71.1 -63.8 灵敏度灵敏度pr/

50、dBm 140 622 34 140 速度速度fb/(Mb.s-1) 1.551.31 波长波长 /()m 理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 2. 实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度 影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂，影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂， 这里只作简要介绍。利用误码率的公式可以计算这里只作简要介绍。利用误码率的公式可以计算最小平均接收最小平均接收 光功率光功率。 为此，应建立为此，应建立Q与与入射光功率入射光功率的关系。在发的关系。在发“0”码的情况码的情况 下，入射信号的光功率下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流，输出光电流I0

51、=0。在发。在发“1”码的码的 情况下，入射信号的光功率情况下，入射信号的光功率P1和光电流和光电流I1的关系为的关系为 式中，式中，g为为APD倍增因子倍增因子(对于对于PIN，g=1)，R为光检测器的响为光检测器的响 应度，应度，P=(P1+P0)/2为为“0”码和码和“1”码的平均光功率。码的平均光功率。 I1=gRP1=2gRP Q= 01 2gRpA 式中，式中，0和和1分别为传输分别为传输“0”码和码和“1”码时的码时的平均噪声电流平均噪声电流。 如前所述，在略去暗电流的情况下，如前所述，在略去暗电流的情况下， 01 min () 2 Q P gRA 在放大器输出端在放大器输出端“

52、1”码的平均电流码的平均电流Im=I1A，A为放大为放大 器增益，可以得到器增益，可以得到 给定给定Q值，值， 便得到便得到限定误码率的最小平均接收光功率限定误码率的最小平均接收光功率 02= A2 12= A2+ D2 式中，式中，A2是是前置放大器的平均噪声功率前置放大器的平均噪声功率； D2是是在放大器在放大器 输出端光检测器的平均噪声功率输出端光检测器的平均噪声功率，D2=i2qA2，i2q为为均均 方量子噪声电流方量子噪声电流， 对于对于PIN光电二极管，光电二极管， D A，g=1，最小平均接收光功，最小平均接收光功 率率 式中式中nA= A2/A2是折合到输入端的放大器噪声功率。

53、是折合到输入端的放大器噪声功率。 Pmin= A A Q nQ RAR 设设PIN光接收机的工作参数如下：光波长光接收机的工作参数如下：光波长=0.85 m， 传输速率传输速率fb=8.448Mb/s，光电二极管响应度，光电二极管响应度R=0.4，互阻抗前互阻抗前 置放大器置放大器(FET)的的nA10-18。要求误码率。要求误码率Pe=10-9，即，即Q=6， 计计 算得到算得到Pmin=1.510-8W，Pr=-48.2 dBm。 这样计算光接收机的灵敏度是一种粗略的方法，其中没这样计算光接收机的灵敏度是一种粗略的方法，其中没 有考虑下列因素：波形引起的码间干扰的影响；均衡器频率特有考虑下

54、列因素：波形引起的码间干扰的影响；均衡器频率特 性的影响；光检测器暗电流和信号含直流光的影响。性的影响；光检测器暗电流和信号含直流光的影响。 下图示出典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系下图示出典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系 曲线。图中误码率限定为曲线。图中误码率限定为110-9，假设光检测器量子效率，假设光检测器量子效率 =0.5， 附加噪声系数附加噪声系数x=0.4，暗电流，暗电流id=1nA，相对脉冲展宽，相对脉冲展宽 /T=0.3。 由图可见，由图可见，在限定误码率的条件下，决定光接收机灵敏度在限定误码率的条件下，决定光接收机灵敏度 的主要因素是：的主要因素是： 典型短波

55、长光接收机灵敏度与传输速率的关系典型短波长光接收机灵敏度与传输速率的关系 60 55 50 45 40 35 30 25 1246 8 1020 4060 80 100140 200 400 600 fb / (Mbs 1) Pr / dB m PIN-BJ PIN-FET APD-BJ APD-FET 码率越高对灵敏码率越高对灵敏 度要求越高度要求越高 APD灵敏度显著灵敏度显著 高于高于pin 接接 收收 机机 灵灵 敏敏 度度 -70 -20 -30 - 4 0 -40 -50 -60 10-110 0 101 比特率比特率 (dBm) (Gb/s) 量子量子 极限极限 通常可以通常可以

56、 达到的值达到的值 1.3 m 1.5 m 接收机灵敏度和比特率的关系接收机灵敏度和比特率的关系 一个数字光纤链路工作在一个数字光纤链路工作在850 nm时要求时要求BER为为10-9： (a) 先求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极先求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极 限。由前可知，误码概率是：限。由前可知，误码概率是： 解出解出 。因此，对于这个。因此，对于这个BER指标，要求每指标，要求每 个脉冲平均有个脉冲平均有21个光子产生。可以得到个光子产生。可以得到E，即：即： 9 102/2/0 N r eP 03.202ln10ln9N h hv E21 例例 (b

57、) 对一个传输速率为对一个传输速率为10 Mb/s的简单二值信号系统，为了得的简单二值信号系统，为了得 到到10-9的的BER指标，试求光检测器上的最小入射功率指标，试求光检测器上的最小入射功率P0。如果如果 检测器的量子效率为检测器的量子效率为1，则有：，则有： 得：得： 其中其中1/t t是数据速率是数据速率B的一半的一半(这里假设这里假设0和和1等概出现等概出现)，解出，解出P0 可得：可得： t hc hvPE2121 0 例例 (续续) pW6 .24 )1085. 0(2 /1010/100 . 310626. 621 2 21 6 6834 0 m sbsmsJhcB P 2 21 1 21 0 Bhchc P t A= 2 m I gRp 5.3.6 自动增益控制和动态范围自动增益控制和动态范围 放大器是一个普通的宽带高增益放大器，放大器是一个普通的宽带高增益放大器， 由于前置放大器由于前置放大器 输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。 主放大器一般由多级放大器级联构成，主放大器一般由多级放大器级联构成， 其功能是提供足够其功能是提供足够 的增益的增益A，以满足判决所需