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1、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,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：,误码源：噪声的干扰,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
2、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,本章讨论的主要问题,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。,基于强度调制的数字接收机模型,7.1 接收机工作的基本原理,前端,线性通道,时钟提取 数据再生,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信号， 然后进行预放大，以便后级作进一步处理 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽,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
3、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，一般采用基于场效应晶体管(FET)的放大器,器件的选择,线性通道,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,提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平,判决再生与时钟提取,任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号,对某时隙的码元进行判决，恢复原始信息,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
4、息作为标定，以保证与发送端一致,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位二进制数 gp(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：,此电流经过放大可产生一个电压信号,接收的信号,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,本章讨论的主要问题,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)：误判的码元数Ne和接收的总码元数Nt的比值：,光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。,7.2 数字接收机性能,两种发生误码的情况,发送一个“1“脉冲而均衡器输出电压
5、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：,给定一个电压v,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,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：,信号幅度高斯分布,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：,单比特误码率,误码率 bit-error-rate,其中,设0和1等概率发送，且选取判决电压为 vth = (bonsoff + boffson)/(soff + son)：,当s
6、on = soff = s且boff=0, bon=V, 则vth = V/2,信噪比,例,BER与信噪比的关系曲线,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。,例 (续),BER与信噪比的关系曲线,对于一个速率为622Mb/s的链路，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
7、比的要求越高,定义：没有暗电流的情况下，对于达到特定误码率时所需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：,光检测器的量子极限,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
8、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。,量子极限 (续),一个数字光纤链路工作在850 nm时要求BER为10-9： (a) 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,(b) 对一个10 Mb/s的二进制信号系统，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：,例 (续),定义
9、：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。,理想接收机灵敏度,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。,实际接收机灵敏度,设pin-PD光接收机的工作参数如下：光波长l = 850 nm，传输速率fb = 8.448 Mb/s，光电二极管响应度 = 0.4，互阻抗
10、前置放大器的噪声nA10-18。要求误码率Pe = 10-9，即Q = 6， 可以计算得到min = 1.510-8W，S = -48.2 dBm。,例,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： 码率越高检测器灵敏度变差 APD灵敏度显著高于pin,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max和所需最小平均接收光功率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。,光接收机的动态范围(DR),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
11、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。,DR的物理含义,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,本章讨论的主要问题,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 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,7.3 模拟接收机,若s(t)为正弦信号，检测器输出的均方电流为(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
12、面漏电流之和：,忽略表面漏电流，信噪比为：,在接收端，模拟光信号产生的光电流为：,APD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。,pin光信噪比,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,