【文章內(nèi)容簡介】 4 2sTp d nkTe I I f F fR? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 （ 1）對 PIN光電二極管 當(dāng)光功率很小時，光接收機是熱噪聲限制光接收機噪聲主要是熱噪聲 σT， σs2 σT 2，此時有 ? ?? ?22242p i nIPpinp d nISN RPSN RkTe I I f F fR?? ? ?? ?????????? ? ? ? ? ? ?， 式 中 是 響 應(yīng) 度? ? 24innRPSN Rk T F f???? ? ?? ?? ?22242p i nI G Ppinp d nISN RGPSN RkTe I I f F fR?? ?? ?? ?????? ? ???? ? ? ? ? ? ?， 式 中 是 響 應(yīng) 度2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 （ 2）對 APD光電二極管 當(dāng)光功率很小時，光接收機是熱噪聲限制光接收機噪聲主要是熱噪聲 σT， σs2 σT 2，此時有 (APD) 當(dāng)功率比較大時，光接收機是散粒噪聲限制接收機，噪聲主要是 σs， σs2 σT 2 。 (PIN) ? ? 24innR G PSNRk T F f?? ??? ??2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 三、前置放大器的設(shè)計問題 前置放大器是典型的小信號放大器。由前端噪聲與SNR的分析可知，輸入端的電阻越大， SNR越好，但輸入電阻的加大勢必造成輸入端 RC時間常數(shù)加大， 3dB帶寬減小。 前置放大器主要的三種類型： 1. 低阻型前置放大器 這種前置放大器從頻帶角度出發(fā)，選擇偏置電阻。 3dB帶寬 =1/(2πRC) 通過減小偏置電阻設(shè)計前置放大器，從而保證接收機的帶寬。 2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 ?優(yōu)點： 帶寬大，電路簡單，不需要或只需要很少的均衡，動態(tài)范圍較大； ?缺點： 靈敏度低，噪聲較高， SNR較低。 低阻型前置放大器在高碼速光通信中用得多，低碼速中一般不采用，而是采用高阻型前置放大器。 低阻抗前端 2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 2. 高阻型前置放大器 這種前置放大器的 設(shè)計思想 是盡量加大偏置電阻，盡可能提高信噪比。 通過增加偏置電阻設(shè)計前置放大器，從而保證接收機的信噪比。 SNR雖很好，但是帶寬較小，只適用于低速率通信系統(tǒng)中。 優(yōu)點： 噪聲較低； 缺點： 動態(tài)范圍小、高頻分量損失太大 ,對均衡電路提出很高要求。 高阻抗前端 2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 3. 跨阻型前置放大器 這種前置放大器的 設(shè)計宗旨 是光接收機具有好的信噪比和足夠的帶寬。它實際上是電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器(電流電壓轉(zhuǎn)換器 )。 3dB帶寬 =1/(2πRiCt)， Ct是輸入端的總電容； Ri是跨阻型前置放大器等效到輸入端的電阻。 跨阻抗前端 Rb //1 1fibfRRRARA????2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 式中， A是放大器的增益，也就是說跨阻型的輸入電阻很小， Δf很寬 。 跨阻型的 Rb(有時也可以忽略，直接用反饋電阻做偏置 )和負(fù)反饋電阻 Rf都取得很大，從而使熱噪聲大大減小，提高信噪比。 優(yōu)點： 寬頻帶 (等效輸入電阻很小 )、低噪聲 (高 SNR)、靈敏度高、動態(tài)范圍大等綜合優(yōu)點，被廣泛采用。 2022/4/13 167。 43 光接收機的前端及噪聲 因此，跨阻型前置放大器具有 高阻放大器的低噪聲 ，又具有 低阻放大器的寬帶寬 Δf 。 跨阻型前置放大器的設(shè)計問題： 跨阻型前置放大器適合高碼速通信系統(tǒng)（從數(shù) Gb/s到幾十 Gb/s的高速系統(tǒng)），其設(shè)計問題是 反饋環(huán)路的穩(wěn)定性 。 2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 靈敏度是光接收機 最重要的性能參數(shù) ！靈敏度的概念和 誤碼率 聯(lián)系在一起。（判決電路） 信號再生： （判決電路） 判決是通過時鐘信號的上升沿 在最佳時刻 對接收的數(shù)字信號進行采樣，然后 將取樣值與判決閾值進行比較 ，若取樣幅度大于判決閾值，則判為“ 1”，反之判為“ 0”，從而使信號得到再生。 一、靈敏度的定義 在 限定的誤碼率 條件下（在保證達(dá)到給定的誤碼率條件下），光接收機所需要輸入的 最小平均光功率Pmin，單位是 W或 dBm（分貝毫瓦）， Pr=10lg (Pmin /1mW) 。 ? ? ???????? ?? 222e x p21 ??? xxf2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 二、誤碼率 BER (bit error rate) 為什么會產(chǎn)生誤碼？ 如果有噪聲，則可能導(dǎo)致對碼元“ 1”或“ 0”的誤判，要確定誤碼率 BER，那么必須知道 噪聲的概率分布 。 SNR決定 BER。 噪聲的概率分布很復(fù)雜，一般假設(shè)噪聲電流 /噪聲電壓瞬時值服從高斯分布 (近似計算 )，其概率密度函數(shù)為 式中， x是噪聲隨機變量的取值，平均值為 0； σ2是均方差。 2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 為什么會要采用高斯近似計算？ 利用數(shù)值計算技術(shù)求得誤碼率的方法非常費時，而且不能對光接收機的設(shè)計提供多少幫助。所以，為了簡化計算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來進行相應(yīng)的分析。 光接收機靈敏度的精確計算： 從光電檢測過程實際的概率密度函數(shù)出發(fā)，通過放大器和光電檢測器概率密度函數(shù)的卷積計算求出總噪聲的概率密度函數(shù)，進而計算接收機的靈敏度。 2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 I ID “0”碼 t “1”碼 I1 I0 P(0→1) P(1→0) P/概率密度 圖中的 I1：“ 1”碼的電流； ID：判決閾值的電流（類似比較器）； I0：“ 0”碼的電流。 ? ?? ?002200210 1 e xp2210 1 e xp22DDIIxIIP dIxP dx???????????? ? ???????????????? ? ? ???????換 元 法 ， 變 量 交 換 ：2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 如果忽略暗電流的影響，“ 0”碼時平均噪聲功率為σ02，當(dāng) I0超過 ID時有可能發(fā)生碼元誤判，此時把“ 0”碼判為“ 1”碼的概率為 “ 1”碼時平均噪聲功率為 σ12，噪聲電流為 (II1)，當(dāng) (II1) (IDI1)時 ，把“ 1”碼判為“ 0”碼的概率為 2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 “0”碼和“ 1”碼的誤碼率 BER一般是不相等的，但對于 PCM編碼而言，“ 1”碼出現(xiàn)的概率 P(1)等于“ 0”碼出現(xiàn)的概率 P(0)，總 BER=[P(0→1)+ P(0→1)]/2，通常認(rèn)為 P(0→1)=P(0→1)時可以使 BER達(dá)到最小，總的誤碼率可以表示為（ Q值和 BER的關(guān)系 ） ? ?? ?? ?? ?? ?111 11211211211 0 e xp2211 0 e xp22DDIIIIIIxIIP d I IxP dx????????????????? ?? ? ? ??????????????????? ? ? ? ??????換 元 法 ， 變 量 交 換 ：?????????? ??QdxxBER 2e x p212?2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 式中，要使誤碼率達(dá)到最小，則要求 P(0→1)=P(0→1)，使 Q=ID/σ0=(I1ID)/σ1；或者 Q=I1/(σ0+ σ1) 。 Q參數(shù)，含有信噪比 SNR的信息，知道系統(tǒng)的 Q參數(shù)，就可求出其誤碼率。 ?????????? ??QdxxBER 2e x p212?Q參數(shù)被廣泛用來說明接收機的特性 。Q=6， BER=109， Q7， BER1012 通常： 于 BER=109； 10Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應(yīng)于 BER=1010。 2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 接 收 機 靈 敏 度 70 20 30 4 0 40 50 60 10 1 10 0 10 1 比特率 (dBm) (Gb/s) 量子 極限 通?？梢? 達(dá)到的值 ? m ? m 是傳輸速率。數(shù)，是一個碼元的平均光子，其中 bbr fnfhP ??2lg10 ???2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 三、靈敏度 靈敏度表示光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠 接收微弱光信號的能力 。 Pr↑，則光接收機能夠接收更微弱的光信號。 1. 理想光接收機的靈敏度 理想光接收機： 暗電流為 0，放大器沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的電子 空穴對所產(chǎn)生的光電流。 理想光接收機的靈敏度只受到光檢測器量子噪聲（本征噪聲）的限制。 21p i n i nI G P G P P I N P D G? ?? ? ? ? ? ? ? ?， 對 于 ， 。2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 2. 實際光接收機的靈敏度（高斯近似計算） 假設(shè) EXT=0，“ 0”碼時，入射信號光功率 P0=0，輸出光電流 I0=0；“ 1”碼時，入射信號的光功率 P1和光電流 Ip的關(guān)系為 式中， Pin=(P1+P0)/2。 放大器輸出端“ 1”碼的電流 I1=IpA ， A是放大器的增益，所以根據(jù) Q參數(shù)有 012 inG P AQ?????2022/4/13 167。 44 光接收機的靈敏度 因此，對于一給定 Q值，便可得到限定誤碼率的最小平均接收光功率： 對于 PINPD， σs2σT2， σs2可忽略，此時 ∴ Δf↑，碼速越高，靈敏度越低。 012 inG P AQ?????? ? ? ?2201m i n 22T S TinP G A G A? ? ??? ????? ??m in124 T