第七章光接收机

第七章光接收机

数字信号传输 系统中的各种干扰最终产生误码

误码源：码间串扰 光纤色散以及非线性效应导致展宽，使比特能量向其它比特泄漏，导致接收机0和1的判决误码

误码源：非线性损伤 光纤传输中的非线性效应： 1. 布里渊散射 2. 拉曼散射 3. 交叉增益调制 4. 交叉相位调制 5. 四波混频造成： WDM系统中多信道之间的串扰 > 40 Gb/s单波长高速信道内的码间串扰

误码源：噪声的干扰 系统的各个环节都会带来噪声，噪声对光信号会产生干扰：如，链路中：由接收机引入的噪声源如下图所示：

本章讨论的主要问题 接收机的任务 1. 检测出因为长途传输而变得很微弱的信号 2. 从受到各种干扰的信号中恢复出原始数据接收机主要部件及其功能数字接收机的性能模拟接收机的性能

7.1 接收机工作的基本原理 主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器。前端线性通道时钟提取数据再生基于强度调制的数字接收机模型

光接收机的核心部分：前端 前端：由光电二极管和前置放大器组成作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流，然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便后级作进一步处理要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽

器件的选择 • 光检测器的选择： • A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。 • B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，探测灵敏度高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路 • 常用搭配：EDFA光放大器 + pin • 前置放大器 • 主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)

线性通道 提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平对主放输出的失真数字脉冲进行整形和补偿，使之成为有利于判决的码间干扰最小的升余弦波形根据输入信号大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定，以扩大接收机动态范围

判决再生与时钟提取 任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号对某时隙的码元进行判决，恢复原始信号为精确确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致

接收的信号 入射到光检测器的二进制数字脉冲序列表示为：其中P(t)是接收光功率 Tb是比特周期 bn是第n位信息的振幅参数 hp(t)是接收脉冲的波形脉冲序列导致光电二极管在时间t内的平均输出电流为：此电流经过放大和滤波，在均衡器输出端产生一个平均电压

本章讨论的主要问题 接收机主要部件及其功能数字接收机的性能模拟接收机的性能

7.2 数字接收机性能 光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)：在传输的码流中，误判的码元数Ne和接收的总码元数Nt的比值来表示：  光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。

接收信号电平概率分布 给定一个电压v 发送一个"1"脉冲而均衡器输出电压小于v的概率：发送一个“0”脉冲而均衡器输出电压大于v的概率：

误码发生的概率 如果设阈值电压为vth则误码概率定义为：加权因子a和b是先验概率，或代表1或0出现的概率。

信号幅度高斯分布 如果在任意时间t1对信号电压v(t) 进行抽样，抽样信号 v(t1)落在(v, v+dv)的概率：

单比特误码率 发送0码时被误判为1的概率，即噪声脉冲超过阈值vth的概率：类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：

误码率 bit-error-rate 设0和1等概率发送，且选取判决电压为 vth = (bonsoff + boffson)/(soff + son)：其中当son = soff = s且boff=0, bon=V, 则vth = V/2 信噪比

例信噪比为8.5时Pe = 10-5。对于一个速率为1.544Mb/s 的电话接收信号，Pe = 10-5意味着每0.065秒有一位误码，这是非常不理想的。如果将V/s从8.5 增加至12，BER就会降到10-9。此时，每11分钟才有一位误码，通常这是可以容忍的。 BER与信噪比的关系曲线

例 (续) 对于一个速率为622Mb/s的高速链路，要得到相同的通话效果 (11分钟才有一个误码)，则要求BER为10-11或10-12，这就表示至少要求 V/s = 13 系统速率越高对信噪比的要求越高 BER与信噪比的关系曲线

光检测器的量子极限 定义：量子效率为1，没有暗电流，对于达到特定误码率时的最小接收机功率称为量子极限。在这种极限条件下，检测器性能仅受限于光检测过程的统计特性 (量子噪声) 。假设在时间 t内有一个能量为 E 的光脉冲落在光检测器上，在时间 t内产生的电子空穴对的均值为：而t内实际产生的电子个数n服从泊松分布：

量子极限 (续) 因此在时间t内实际产生0个电子的概率为：在这种情况下，信号就会被接收机判断为0脉冲。对于理想光接收机，当光检测器没有光输入时，放大器完全没有电流输出，因此0码误判为1码的概率Pe01 = 0。产生误码的唯一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。因此0和1等概发送时，误码率Pe为：通过这个式子，可以得到满足一定误码率要求时所需要的最小输入能量。

例一个数字光纤链路工作在850 nm时要求BER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限。由前可知，误码概率是：解出。因此，对于这个BER指标，要求每个脉冲平均有21个光子产生。可以得到E，即：

例 (续) (b) 对一个传输速率为10 Mb/s的简单二值信号系统，为了得到10-9的BER指标，试求光检测器上的最小入射功率P0。如果检测器的量子效率为1，则有：得：其中1/t是数据速率B的一半(这里假设0和1等概出现)，解出P0可得：

理想接收机灵敏度 定义：在保证通信质量(限定误码率，如10-9)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率<P>min，并以dBm为单位。量子极限下：物理意义：灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。

实际接收机灵敏度 影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算非常复杂，这里仅介绍一些结论。在不考虑码间干扰、均衡器频率特性影响的情况下，限定误码率的最小平均接收光功率由下式给出：其中nA是折合到输入端的放大器噪声功率。将上式结果代入定义式中即可算出实际接收机的灵敏度。

例设pin-PD光接收机的工作参数如下：光波长l= 0.85 mm，传输速率fb = 8.448 Mb/s，光电二极管响应度 = 0.4，互阻抗前置放大器的噪声nA≈10-18。要求误码率Pe= 10-9，即Q = 6，可以计算得到<P>min = 1.5×10-8W，S = -48.2 dBm。

光接收机灵敏度与传输速率的关系 由图可见，决定光接收机灵敏度的主要因素是传输速率和光检测器的特性等：码率越高对灵敏度要求越高 APD灵敏度显著高于pin

光接收机的动态范围(DR) 定义：在限定的误码率条件下，光接收机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。根据定义：在动态范围之内，需要光接收机能保持稳定输出。

DR的物理含义 物理意义：动态范围表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB。  由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。

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7.3 模拟接收机 模拟接收机用信噪比来度量，信噪比定义为均方信号电流与均方噪声电流之比以幅度调制为例，时变电信号s(t)用来直接调制偏置电流为IB 的光源，发送光功率P(t)有如下形式：其中Pt是平均发射功率，m为调制指数： DI一般不能太大，以确保光源工作在线性区

APD光信噪比 在接收端，模拟光信号产生的光电流为：在检测器输出端的均方信号电流为(忽略直流项)：接收机的均方噪声电流为均方量子噪声电流、等效电阻热噪声电流、暗噪声电流和表面漏电流之和：忽略表面漏电流，信噪比为：

pin光信噪比 对于pin，M = 1，当入射光功率很小时，噪声电流主要是电路噪声项：当入光功率很大时，则和信号检测过程相关的量子噪声为主要噪声：由于这种情况下的信噪比和电路噪声无关，因此代表了模拟接收机灵敏度的基本限制和量子极限。

光信噪比 vs. 平均接收光功率 讨论： 1) 弱信号入射：系统噪声主要为电路噪声，此时使用具有一定放大能力的APD 有助于提高S/N，直到量子噪声被放大到可以与电路噪声比拟； 2) 强信号入射：系统噪声主要以量子噪声为主，此时使用APD没有优势，因为相比信号，量子噪声随放大倍数增大得更快。pin成为较好的选择。 m = 80%

作业 7.8

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