光纤通信原理第四章光接收机

4.2光接收机4.2.1光接收机简介4.2.2放大电路及其噪声4.2.3光接收机灵敏度的计算4.2.4光接收机的组成模块4.2.5线路编码4.2.1光接收机简介光接收机的组成光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系统。检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成基带信号。直接检测数字光接收机框图数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分。①光电检测器：将光信号变成电信号，光解调；②前置放大器：放大微弱的光电流，低噪声、宽频带，输出mV量级；③主放大器：将输入放大到判决电平，P-P值1-3V；④AGC：控制主放大器增益，使其输出幅度在一定范围内不受输入信号幅度的影响；⑤均衡滤波器：对主放输出的失真数字信号整形，判决时消除码间干扰；⑥判决器和时钟恢复电路：对信号进行再生。精确地确定判决时刻，需要从信号码流中提取准确的时钟作为标定，保证收发一致。光接收机也可分为三部分：①接收机前端：光检测器和前置放大器，是光接收机的核心；②线性通道：主放大器、均衡滤波器和自动增益控制；③判决、再生部分：判决器、译码器和时钟恢复。光接收机的性能指标光接收机主要性能指标：误码率（BER）、灵敏度及动态范围。误码率是码元被错误判决的概率，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。典型范围：10-9-10-12接收机灵敏度定义：在满足给定的误码率指标条件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用dBm来表示，即min10-310lg10rPS光接收的动态范围：接收机的最低输入光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）。maxmin10lg(dB)PDPPmax和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率。一台高质量的接收机应有较宽的动态范围，低于这个动态范围的下限（灵敏度）和高于这个动态范围的上限（接收机过载功率），判决时将产生过大误码。4.2.2放大电路及其噪声•放大器在放大信号时也放大噪声，接收信号太弱时，会被噪声淹没，放大器必须是低噪声的。•放大器的噪声主要来源于其内部的电阻和有源器件，与电路结构和有源器件类型有关。•有源器件：双极晶体管和场效应管。第一级用共射或共源型噪声低。•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增益足够大，以后各级引入的噪声可略，•分析时把所有噪声等效到输入端。放大器输入端的噪声源电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率密度函数可以表示为高斯函数对随机噪声，统计平均值m=0时，上式可写成221exp22xmfx221exp22xfx均值为零的高斯噪声的2代表噪声电压或噪声电流的平方的平均值，也是1电阻的噪声功率。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也是高斯函数，而且总噪声的方差等于各个噪声源的方差之和。在计算放大器的噪声时，可分别分析各个噪声源的方差，并认为这些噪声源都是具有均匀、连续功率谱密度的白噪声，通过各个噪声源的功率谱密度求出放大器输出的总噪声。1．光接收机输入端等效电路及噪声源is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs：偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大器的输入电阻和电容。放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia,设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。带有热噪声的电阻可以有两种等效方式:一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联。这种等效下并联电流噪声源的功率谱密度为k是玻耳兹曼常数，K是绝对温度。另一种等效方式是把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联。电压噪声源的双边功率谱密度为2bbd2dIRikKSfR2bbd2dEReSkKRf2．放大器输出噪声电压的计算放大器输出噪声电压方差的计算步骤：对输入端并联电流源，用各噪声源的功率谱密度乘以放大器的功率增益因子，得输出端功率谱密度；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成电流源，再乘以放大器功率增益因子，得输出端功率谱密度；输出端功率谱密度对积分，得输出端噪声电压的方差；放大器各噪声源的概率分布函数均为高斯函数，因此，输出端总噪声电压的方差等于各噪声源的方差之和。放大器输出噪声电压的均方值为；；放大器的增益因子，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，实为转移阻抗，SI、SE分别是第一级放大器等效噪声电流源和电压源的功率谱密度。可见：①偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；②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。22222nat2bt2d1d22ITETkKvSZSZCRRtba//RRRtdsaCCCCTZ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是电压控制器件，最大特点是输入阻抗很高，栅漏电流很小，适合作高阻前置放大器，其主要噪声源有两个:栅漏电流的散粒噪声沟道热噪声（1）散粒噪声散粒噪声功率谱密度为0gateISeIC为电子电荷，Igate是场效应管的栅漏电流（2）沟道热噪声场效应管的沟道电导在输出回路（漏极回路）产生一个噪声电流，功率谱密度为gm是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对SiFET，；对GaAsFET，1901.610eoutd2dmikKgf0.71.1≈2tnamCvg（3）输出瑞的总噪声功率当Rb足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此得到22222tna0gate2bb221d2d22TTmmCkKkKkKveIZZRggR2．双极晶体管的噪声源散粒噪声基区电阻的热噪声分配噪声（1）散粒噪声功率谱密度为Ib是晶体管的基极工作电流（2）基区电阻的热噪声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2a1b'bd2dekKrf2a0bddieIf（3）分配噪声功率谱密度为将集电极回路里的噪声源等效到输入端，为一个串联电压噪声源，功率谱密度为对双极晶体管，有下列关系存在2c0cddieIf222a20c20cddmeeIkKfeIg0cmeIgkK22222t20ctd2TkK1ZCeIR222b'bds2bd22T1kKrZCCR2na0bbd2T2kKveIZR2双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为存在最佳集电极电流使散粒和分配噪声最小前置放大器的设计1．低阻型前置放大器这种前置放大器从频带的要求出发选择偏置电阻，使之满足Rt≤的要求。BW为码速率所要求的放大器的带宽。t12WBC2．高阻型前置放大器一般只在码速率较低的系统中使用3．跨（互）阻型前置放大器实际上是电压并联负反馈放大器当考虑其频率特性时，上截止频率为低噪声比低阻型前置放大器低，带宽和动态范围比高阻型前置放大器有很大改善it12HfRC4.2.3光接收机灵敏度的计算灵敏度计算的一般方法光电检测过程的统计分布和灵敏度的精确计算1．光电效应阶段设入射光功率为p(t)，那么在时间间隔L内产生的平均的“电子—空穴”对数可以用量子效率来表示，为0是每秒钟内暗电流产生的电子数000dtLtptth根据量子统计规律，在时间间隔L内产生m个“电子—空穴”对的概率是均值为的泊松分布，即也就是光电二极管光生电子—空穴对的概率密度函数00,,!mePmttLm2．雪崩倍增过程的统计性质假设整个雪崩过程进行的相当快，每一初始的“电子—空穴”对倍增出随机数为gl的二次“电子—空穴”对（包括初始“电子—空穴”对本身），可以得出gl=n的概率为11111prob11111•11111!1knknnlkGnkkGGPgnGknknnk对于在时间间隔(t0,t0+l)内入射的光功率，APD产生的初始“电子—空穴”对是概率密度为泊松分布的随机变量，而每一个初始的“电子—空穴”对又雪崩倍增成随机数为g的二次“电子—空穴”对，因此，在时间间隔L内产生总数为个“电子—空穴”对的概率为是N个随机变量gl的和的概率密度函数，gl是独立无关的，因此，01!NNLnglNlePPgN1NngllPgprobprobprob1NnglNPlPPPg个的卷积…3．灵敏度的精确计算从光电检测过程实际的概率密度函数出发，通过放大器和光电检测器概率密度函数的卷积计算求出总噪声的概率密度函数，进而计算接收机的灵敏度。1.光接收机中有哪些噪声？2.在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路？3.一双极晶体管前置放大器，Rb=2kΩ，Rt=1kΩ，Cd+Cs=2pF，Ca=2pF，Ib=10μA，βc=100，环境温度k=300K，rb′b=50Ω，放大器的等效带宽Δf=100MHz，⑴求输出端的等效总噪声功率；⑵比较各噪声源的影响，起支配作用的噪声源是什么？习题灵敏度的高斯近似计算基本出发点：假设雪崩光电检测过程的概率分布函数也是高斯函数，简化灵敏度和误码率的计算。高斯近似计算法可推导出灵敏度计算的解析表达式，结果与精确计算结果接近。1．光电检测器噪声的功率谱密度在接收机前端，光电检测器的噪声等效为并联电流噪声源，利用光电检测器噪声功率谱密度和线性通道的转移阻抗，计算出光电检测器在接收机输出端的噪声功率。2dark2220d0d0dd()dxieIgeIGFGeIGf2ds2220s0s0sd()dxieIgeIGFGeIGf光电检测器的噪声包括散粒噪声和暗电流噪声，散粒噪声和暗电流噪声的双边功率谱密度可表示为Is和Id：光生电流和暗电流对于光电二极管，G=1，则有对于光电二极管和APD，输入端等效的并联电流噪声源的功率谱密度可分别表示如下对PDi=0或12ds0sddieIf2dark0dddieIf2nd0sidd()dieIIf2nd20sidd()()dieIIGFGf对APDi=0或1Is0和Is1分别对应“0”码和“1”码时的光生电流2．接收机灵敏度的高斯近似计算在放大器和均衡滤波器输出端APD的噪声功率为对“1”码222nd00s0dd()()()02TVeIIGFGZ对“”码222nd10s1dd()()()2TVeIIGFGZ若两个随机变量的概率分布都是高斯函数，则它们之和的概率密度函数也是高斯函数，且其方差等于两个随机变量的方差之和。高斯分布的这一特点使接收机灵敏度的计算得到简化。22211nznand在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率为对“0”码22200nznand对“1”码已知“0”和“1码”方差，“