光接收機(jī)(光纖通信課件)

光接收機(jī)一、數(shù)字光接收機(jī)光接收機(jī)的主要作用將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號變換為電信號，并對電信號進(jìn)行放大、整形、再生后，生成與發(fā)送端相同的電信號，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱光接收機(jī)前端。前端的性能是決定光接收機(jī)的主要因素。一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成對于強(qiáng)度調(diào)制（IM）的數(shù)字光信號，在接收端采用直接檢測（DD）方式時(shí)，光接收機(jī)主要包括光電檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘恢復(fù)電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）電路等。光電檢測器光纖光信號電信號前置放大器均衡器主放大器判決器解擾碼解復(fù)用碼型變換輸出信號自動增益控制電路時(shí)鐘恢復(fù)電路告警電路告警信號數(shù)字光接收機(jī)方框圖一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成

1光電檢測器利用光電二極管將經(jīng)光纖傳輸過來的光信號變換為電信號送入前置放大器，對光電檢測器的要求。（1）在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度。（2）波長響應(yīng)要和光纖的3個(gè)低損耗窗口。（3）有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。（4）產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成

1光電檢測器利用光電二極管將經(jīng)光纖傳輸過來的光信號變換為電信號送入前置放大器，對光電檢測器的要求。（5）光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。（6）工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。（7）功耗小，體積小，使用簡便。目前的光電檢測器主要有半導(dǎo)體光電二極管（PIN-PD）、雪崩光電二極管（APD）和光電晶體管等。一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成2放大器光接收機(jī)的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分。前置放大器應(yīng)有較低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益，才能獲得較高的信噪比。前置放大器的噪聲取決于放大器的類型，目前有3種類型的前置放大器可供選擇：低阻抗前置放大器高阻抗前置放大器跨阻抗前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器）跨阻抗放大器具有頻帶寬、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，而且其動態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器改善很多，因而，在高速率大容量的通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成主放大器一般是多級放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來自前置放大器的輸出信號放大到判決電路所需的信號電平。并通過它實(shí)現(xiàn)自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號應(yīng)保持恒定輸出。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動態(tài)范圍。一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成

3均衡器對經(jīng)過光纖線路傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)和有碼間干擾的電信號進(jìn)行均衡補(bǔ)償，使其變?yōu)榇a間干擾盡可能小的信號，以使輸出信號的波形有利于判決再生電路的工作，以消除或減少碼間干擾，減小誤碼率。4再生電路再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號，它由判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成。一、數(shù)字光接收機(jī)（一）光接收機(jī)的基本組成5自動增益控制用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。當(dāng)信號強(qiáng)時(shí)，則通過反饋環(huán)路使上述增益降低；當(dāng)信號變?nèi)酰瑒t通過反饋環(huán)路使上述增益提高，從而達(dá)到使送到判決器的信號穩(wěn)定，以利于判決。光信號光電檢測器前置放大器主放大器均衡濾波判決器APD高壓電路AGC放大器峰值檢波器AGC電路自動增益控制電路原理框圖一、數(shù)字光接收機(jī)（二）光接收機(jī)的噪聲特性光接收機(jī)的噪聲主要來自光接收機(jī)內(nèi)部噪聲：包括光電檢測器的噪聲和光接收機(jī)的電路噪聲。光電檢測器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲；電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。入射光子光電檢測器放大器偏置電阻熱噪聲放大器噪聲量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲接收機(jī)的噪聲及其分布一、數(shù)字光接收機(jī)（二）光接收機(jī)的噪聲特性

1量子噪聲當(dāng)一個(gè)光電檢測器受到外界光照，其光子激勵(lì)而產(chǎn)生的光生載流子是隨機(jī)的，從而導(dǎo)致輸出電流的隨機(jī)起伏，這就是量子噪聲。即使在理想的光檢測器中，熱噪聲和暗電流噪聲等于零，量子噪聲也會伴隨著光信號而產(chǎn)生。這是檢測器固有的噪聲。一、數(shù)字光接收機(jī)（二）光接收機(jī)的噪聲特性2暗電流噪聲暗電流是指無光照射時(shí)光電檢測器中產(chǎn)生的電流。由于激勵(lì)起暗電流的條件（如熱激勵(lì)、放射線等）是隨機(jī)的，因而激勵(lì)出的暗電流也是浮動的，這就產(chǎn)生了噪聲，稱為暗電流噪聲。嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。由漏電流產(chǎn)生的噪聲為漏電流噪聲。一、數(shù)字光接收機(jī)（二）光接收機(jī)的噪聲特性

3雪崩管倍增噪聲由于雪崩光電二極管的雪崩倍增作用是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號的浮動，從而引入噪聲。對于PIN光電二極管來說，內(nèi)部噪聲主要是量子噪聲。對于雪崩光電二極管來說，內(nèi)部的噪聲一方面是倍增嗓聲，另一方面是量子噪聲。一、數(shù)字光接收機(jī)（二）光接收機(jī)的噪聲特性4光接收機(jī)的電路噪聲光接收機(jī)的電路噪聲主要指前置放大器噪聲，其中包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。一、數(shù)字光接收機(jī)（三）光接收機(jī)的主要指標(biāo)

1光接收機(jī)的靈敏度光接收機(jī)的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分貝（dBm）來表示，即如果一部光接收機(jī)在滿足給定的誤碼率指標(biāo)下，所需的平均光功率低，說明它在微弱的輸入光條件下就能正常工作，顯然這部接收機(jī)是靈敏度的，其性能是好的。影響光接收機(jī)靈敏度的主要因素是噪聲，它包括光電檢測器的噪聲、放大器的噪聲等。一、數(shù)字光接收機(jī)（三）光接收機(jī)的主要指標(biāo)2光接收機(jī)的動態(tài)范圍（D）在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)的最低輸入光功率（dBm）和最大允許輸入光功率（dBm）之差（dB）。即低于這個(gè)動態(tài)范圍的下限（即靈敏度），如前所述將產(chǎn)生過大的誤碼；高于這個(gè)動態(tài)范圍的上限，在判決時(shí)亦將造成過大的誤碼。顯然一部好的光接收機(jī)應(yīng)有較寬的動態(tài)范圍，其表示了光接收機(jī)對輸入信號的適應(yīng)能力，數(shù)值越大越好。1.光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)統(tǒng)稱為光端機(jī)。光端機(jī)位于電端機(jī)和光纖傳輸線路之間。光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光（E/O）轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。光接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電（O/E）轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。2.對光發(fā)射機(jī)的要求是：有合適的輸出光功率；有較好的消光比；調(diào)制特性要好。小結(jié)3.數(shù)字光發(fā)射機(jī)基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時(shí)鐘提取、光源、光源的調(diào)制（驅(qū)動）電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測和保護(hù)電路等。小結(jié)4.對光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的方法分為兩類，即直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）和間接調(diào)制（外調(diào)制）。5.數(shù)字光接收機(jī)主要包括光電檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取