【文章內容簡介】 為了適合高傳輸速率的需求 ， 人們一直在努力開發(fā)單片光接收機 ， 即用 “ 光電集成電路 (OEIC)技術 ” 在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件 。 對于工作在 ~ μm波長的系統(tǒng) ， 人們需要基于 InP的OEIC接收機 。 在 1991年試驗成功的單路 InGaAs OEIC接收機 ， 其運行速率達 5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收機也可以用 混合法實現 。 如圖 ， 電元件集成在 GaAs基片上 ， 而光檢測器集成在 InP基片上 ， 兩個部分通過接觸片連接在一起 。 圖 光電集成接收機 光檢測器電路部分G a A s 基片N＋ I n P 基片P 接觸片 N 接觸片 噪聲特性 光接收機的 噪聲有兩部分： 外部電磁干擾產生 這部分噪聲的危害可以通過屏蔽或濾波加以消除； 內部產生 這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲 ， 只能通過器件的選擇和電路的設計與制造盡可能減小 ， 一般不可能完全消除 。 我們要討論的噪聲是指內部產生的 隨機噪聲 。 光接收機 噪聲的主要來源是 :光檢測器的噪聲和前置放大器的噪聲 。 因為前置級輸入的是微弱信號 ， 其噪聲對輸出信噪比影響很大 ， 而主放大器輸入的是經前置級放大的信號 ， 只要前置級增益足夠大 ， 主放大器引入的噪聲就可以忽略 。 圖 光接收機的噪聲等效模型 放大器Rini20SISECRSdi 2 dSqi 2 qip放大器光電檢測器～u 2 0 圖 ， 由 光檢測器 和 放大器兩部分組成 。 p157 〈 iq2〉 光檢測器的量子噪聲 功率譜密度分別表示為 Sq 〈 id2〉 暗電流噪聲產生的均方噪聲電流 (等效噪聲功率 )， 其相應的功率譜密度 Sd ip 光檢測器的輸出光生電流 R 光檢測器的偏置電阻和 C 光檢測器的電容 (結電容和其他電容 ) 放大器分解為 : 理想放大器 相應的功率譜密度 SI 等效噪聲電流源 〈 i02〉 相應的功率譜密度 SE 電壓源 〈 u02〉 ， 相應的功率譜密度 Rin放大器的輸入電阻 。 光檢測器等效噪聲特性請參看 。 放大器噪聲特性取決于所采用的前置放大器類型 ， 根據放大器噪聲等效電路和晶體管理論可以計算 。 常用三種類型前置放大電路示于圖 ， 其輸出的 等效噪聲功率 NA為： 場效應管 (FET)前置放大器 32222 3)2(][ BAgCkTBARgKTRKTNmmA???? () 32222232)2()(2])//()(2[ BAeICkTBAIRRKTeIRKTNccmcA?? ????() 雙極型晶體管 (BJT)前置放大器 跨阻型前置放大器 雙極型晶體管 3222232)2()(2]//2[ BAeICkTBAeIRRKTNccfA?? ???() 跨阻型前置放大器 場效應管 32222 3)2(][ BAgCkTBARgKTRKTNmmfAf???? () 圖 (a) 雙極型晶體管； (b) 場效應管； (c) 跨阻型 偏壓( a )偏壓( b )偏壓( c )Rf三種類型前置放大器的比較： (1) 雙極型晶體管前置放大器 的主要 特點 是輸入阻抗低 ， 電路時間常數 RC小于信號脈沖寬度 T， 因而碼間干擾小 ， 適用于高速率傳輸系統(tǒng) 。 (2) 場效應管前置放大器 的主要 特點 是輸入阻抗高 ， 噪聲小 ， 高頻特性較差 ， 適用于低速率傳輸系統(tǒng) 。 (3) 跨阻型前置放大器 最大的 優(yōu)點 是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍 ， 并具有良好的噪聲特性 。 誤碼率 由于噪聲的存在 ， 放大器輸出的是一個隨機過程 ， 其取樣值是隨機變量 ， 因此在判決時可能發(fā)生誤判 ， 把發(fā)射的 “ 0”碼誤判為 “ 1”碼 ， 或把 “ 1”碼誤判為 “ 0”碼 。 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)， 用較長時間間隔內 ， 在傳輸的碼流中 ，誤判的碼元數和接收的總碼元數的比值來表示 。 碼元被誤判的概率 ， 可以用噪聲電流 (壓 )的概率密度函數來計算 。 如圖 ， I1是 “ 1”碼的電流 ， I0是 “ 0”碼的電流 。 Im是 “ １ ” 碼的平均電流 ， 而 “ 0”碼的平均電流為 0。 D為判決門限值 ， 一般取 D=Im/2。 圖 計算誤碼率的示意圖 tIsImI1( t )I0( t )判決門限 D0 在 “ １ ” 碼時 ， 如果在取樣時刻帶有噪聲的電流 I1D， 則可能被誤判為 “ 0”碼； 在 “ 0”碼時 ， 如果在取樣時刻帶有噪聲的電流 I0D， 則可能被誤判為 “ １ ” 碼 。 要確定誤碼率 ， 不僅要知道噪聲功率的大小 ， 而且要知道噪聲的概率分布 。 光接收機輸出噪聲的概率分布 十分復雜 ， 一般假設噪聲電流 (或電壓 )的瞬時值服從高斯分布 ， 其 概率密度函數為 : 式中 x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值 ， 其均值為零 ， 方差為 σ2。 ]2e xp[21)(22???xxf ?? () 在已知光檢測器和前置放大器的噪聲功率 ， 并假設了噪聲的概率分布后 ， 現在可以分別計算 “ 0”碼和 “ １ ” 碼的誤碼率了 。 在發(fā) “ 0”碼時 ， 平均噪聲功率 N0=NA， NA為前置放大器的平均噪聲功率 。 這時沒有光信號輸入 ， 光檢測器的平均噪聲功率ND=0(略去暗電流 )。 由式 ()得到 發(fā) “ 0”碼的條件下噪聲的概率密度函數為 : ]2e xp[21)(02000 NINIf ???() 根據誤碼率的定義 ， 把 “ 0”碼誤判為 “ 1”碼的概率 ， 應等于 I0值超過 D值的概率 ， 即 式中 x=I0/ 0N 在發(fā) “ 1”碼時 ， 平均噪聲功率 N1=NA+ND。 ND是在放大器輸出端光檢測器的平均噪聲功率 。 這時噪聲電流的幅度為 I1Im， 判決門限值仍為 D， 則只要取樣值 ImI1ImD或 I1ImDIm， 就可能把 “ １ ” 碼誤判為 “ 0”碼 。 0020001 ]2e xp [21, dININP De ?? ???() dxxND]2e xp[210/2? ? ?? ?(I0D) () 式中 y=(I1Im)/ 。 “ 0”碼和 “ 1”碼的誤碼率一般是不相等的 ， 但對于 “ 0”碼和 “ 1”碼等概率的碼流而言 ， 一般認為 Pe,01=Pe,10時 ， 可以使誤碼率達到最小 。 1N)(]2 )(e xp[2 1, 1121101 mID me IIdNIINPm ???? ? ????() dyyP NIDe m ]2e xp[21, 1/)(201 ??????? ?(ImI1)(ImD) () 把“ 1”碼誤判為“ 0”碼的概率為： 因此， 總誤碼率 (BER)可以表示為： dxxPQe]2e xp[212? ? ?? ?() 式中 Q= 10 NDIND m ??() Q= 10 NNI m?() Q稱為 超擾比 ， 含有信噪比的