1、 光接收机分为直接检测接收机和相干检测接收机光接收机分为直接检测接收机和相干检测接收机直接检测接收机分为模拟和数字光接收机两种直接检测接收机分为模拟和数字光接收机两种数字光接收机框图数字光接收机框图 输入电脉冲输入电脉冲激光发送机激光发送机光脉冲光脉冲衰减和畸变衰减和畸变的光脉冲的光脉冲光纤光纤Pin或雪崩或雪崩光电二极管光电二极管包含光检测器噪包含光检测器噪声的电流脉冲声的电流脉冲放大器和放大器和滤波器滤波器电压脉冲和电压脉冲和放大器噪声放大器噪声判决电路和判决电路和脉冲再生器脉冲再生器再生的输出再生的输出电压脉冲电压脉冲信号处信号处理设备理设备光接收机主要的性能指标是误码率（光接收机主要的
2、性能指标是误码率（BER）、灵敏度以）、灵敏度以及动态范围及动态范围。误码率误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的间隔内，发生差错的码元数和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示总码元数之比来表示。接收机接收机灵敏度灵敏度的定义为：在满足给定能的误码率指标条的定义为：在满足给定能的误码率指标条件下，最低接收的平均光功率件下，最低接收的平均光功率Pmin。在工程上常用。在工程上常用dBm来来表示，即表示，即 min10-310lg10rPS接收机的最低输出光功率（用接收机的最低输出光功率（用dB
3、m来描述）和最大允许来描述）和最大允许输入光功率（用输入光功率（用dBm来描述）之差（来描述）之差（dB）就是光接收的）就是光接收的动态范围动态范围Pmax和和Pmin为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的为保证系统误码率指标条件下，接收机允许的最大接收光功率和最小接收光功率。最大接收光功率和最小接收光功率。maxmin10lg(dB)PDP光纤通信中对光电检测器最重要的几点要光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下：求如下：在所用光源的波长范围内有较高的响应度；在所用光源的波长范围内有较高的响应度；较小的噪声；较小的噪声；响应速度快；响应速度快；对温度变化不敏感；对温度变化不敏感；与光纤
4、尺寸匹配；与光纤尺寸匹配；工作寿命长工作寿命长 在光的照射下，使物在光的照射下，使物体中的电子脱出的现体中的电子脱出的现象叫做象叫做光电效应光电效应。加反向偏压后光电二极管及其能带结构加反向偏压后光电二极管及其能带结构 PIN光电二极管的原理和结构光电二极管的原理和结构（1）上截止波长）上截止波长 光电效应必须满足条件光电效应必须满足条件 hvEg 或或 c是真空中的光速，是入射光的波长，h是普朗克常量 ghcE即入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为（2）响应波长的下限 设x=0时，光功率为p(0)，材料吸收系数为 经过经过x距离后吸收的光功率可
5、以表示为距离后吸收的光功率可以表示为 gg1.24chcEE()0e xp xp1 常用常用量子效率量子效率和和响应度响应度衡量光电转换效率衡量光电转换效率当入射功率为当入射功率为P0时，光生电流可以表示为时，光生电流可以表示为w1是零电场的表面层的厚度，是零电场的表面层的厚度，w是耗尽区是耗尽区的厚度的厚度量子效率量子效率表示入射光子能够转换成光电流表示入射光子能够转换成光电流的概率的概率 0011exp1 exp peIr pwwh0101exp1-exppI/e=-r-w-wp/h要提高量子效率，可采取如下措施：要提高量子效率，可采取如下措施：尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电
6、二尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；极管中的光子数；尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收在耗尽区被充分地吸收 光电转换效率也可以直接用光生电流光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射光功率和入射光功率p0的的比值来表示比值来表示,称其为称其为响应度响应度 00pIeRph0101exp1-exppI/e=-r-w-wp/h响应速度常用响应时间（上升时间和下降响应速度常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示时间）来表示。影响响应速度的主要因素有影响响应速度的主要因素有3点点（1）光电二极管和
7、它的负载电阻的）光电二极管和它的负载电阻的RC时时间常数间常数 结电容与耗尽区的宽度结电容与耗尽区的宽度w及结区面积及结区面积A有关有关 dAC =w（2）载流子在耗尽区里的渡越时间）载流子在耗尽区里的渡越时间下图为漂移速度与电场强度关系下图为漂移速度与电场强度关系若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压须满足向偏压须满足 V EsW（3）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟生的时间延迟 暗电流是指无光照时光电二极管的反向电暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流流。APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电
8、载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）子）平均雪崩增益的定义为平均雪崩增益的定义为IM是雪崩增益后输出电流的平均值；是雪崩增益后输出电流的平均值；Ip是是未倍增时的初始光生电流未倍增时的初始光生电流 MpIGI光电二极管输出电流和反向偏压的关系光电二极管输出电流和反向偏压的关系 平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为 SB11/mGVIRV光纤通信在光纤通信在0.85 m波段常用的波段常用的APD有拉通有拉通型（型（RAPD）和保护环型（）和保护环型（GAPD）两种）两种 另一种在长波长波段使用的另一种在长波长波段使用的APD的结构称的结构称为为SAM（Sepe
9、rated Absorption and Multiplexing）结构）结构 APD的过剩噪声系数为的过剩噪声系数为在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指数来表示过剩噪声系数，即数来表示过剩噪声系数，即 2222ggF GGg xF GG放大器噪声包括电阻热噪声及有源器件的放大器噪声包括电阻热噪声及有源器件的噪声，其概率密度函数可以表示为高斯函噪声，其概率密度函数可以表示为高斯函数数 对随机噪声，对随机噪声，m=0：221exp22xmf x 221exp22xf x场效应管的主要噪声源有两个场效应管的主要噪声源有两个:n栅漏电流的散粒噪声栅漏电流的散粒噪声
10、n沟道热噪声沟道热噪声（1）散粒噪声）散粒噪声散粒噪声其功率谱密度为散粒噪声其功率谱密度为e0为电子电荷，为电子电荷，C，Igate是场效应管的栅是场效应管的栅漏电流漏电流（2）沟道热噪声）沟道热噪声 功率谱密度为功率谱密度为gm是场效应管的跨导；是场效应管的跨导；是器件的数值系数，对是器件的数值系数，对Si FET，；对；对GaAs FET，（3）输出瑞的总噪声功率）输出瑞的总噪声功率 当当Rb足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此足够大时，上式中的第一项可以忽略，因此得到得到 0 gateISe I1901.6 10e outd2dmikK gf0.71.1 222 22tna0 gate
11、 2bb221d2 d22TTmmCkKkKkKveIZZRggR 2tnamCvg（1）散粒噪声）散粒噪声 功率谱密度为功率谱密度为Ib是晶体管的基极工作电流是晶体管的基极工作电流（2）基区电阻的热噪声 基区电阻的热噪声在输入端作为串联电压噪声源，谱密度为2a1bbd2de kKrf2a0bddi e If（3）分配噪声）分配噪声 功率谱密度为功率谱密度为将集电极回路里的噪声源等效到输入端，将集电极回路里的噪声源等效到输入端，可等效为一个串联电压噪声源，功率谱密可等效为一个串联电压噪声源，功率谱密度为度为对双极晶体管，有下列关系存在对双极晶体管，有下列关系存在双极晶体管放大器输出端的总噪声功
12、率为双极晶体管放大器输出端的总噪声功率为 2c0 cddi e If222a20 c20 cddmee Ik K fe Ig0 cme IgkK 2na0 bbd2T2kKv e I Z R2 222bbds2bd22T1kKr Z CCR 22222t20 ctd2Tk K1 Z Ce IR0码被误判为码被误判为1码的概率：码的概率：1()vvn t010()DEfx dx1码被误判为码被误判为0码的概率：码的概率：101()DEf x dx总误码率总误码率BER：0110(0)(1)BERPEPE总噪声包括放大器的热噪声和光电检测器总噪声包括放大器的热噪声和光电检测器的噪声。的噪声。放大器
13、噪声的概率密度：放大器噪声的概率密度：光电检测器的噪声概率密度：光电检测器的噪声概率密度：总噪声总噪声Z=X+Y的概率密度：的概率密度：()XXfx()YYfy()()()ZXYfzfxfy0110(0)(1)BERPEPE高斯近似，即假设高斯近似，即假设APD光电检测过程的概率密度光电检测过程的概率密度函数也是高斯函数。函数也是高斯函数。在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总噪声的概率密度函数依然是高斯函数，其方差为噪声的概率密度函数依然是高斯函数，其方差为两噪声方差之和两噪声方差之和 对对0码码 对对1码码22200nznand22211nzn
14、and当判决电平为当判决电平为D时，时，“0”码误判为码误判为“1”码码的概率为的概率为令令 ，对上式进行变量交换，对上式进行变量交换同样同样“1”码误判为码误判为“0”码的概率为码的概率为令令 ，上式变换成，上式变换成 20012001expd22DvvEv00vvx2002011ed2xDvEx21102111expd22DvvEv11vvx2112101ed2xvDEx如果接收的随机脉冲序列中如果接收的随机脉冲序列中“1”码出现的码出现的概率等于概率等于“0”码出现的概率，总误码率为码出现的概率，总误码率为为使总误码率达到最小，一般令为使总误码率达到最小，一般令E01=E10只需使只需使
15、Q值和误码率的关系值和误码率的关系 01101122BEREE0101DvvDQ221ed2xQBERx（1）灵敏度与放大器噪声的关系）灵敏度与放大器噪声的关系 bmax与与z的关系的关系 （PIN光电二极管作检测器）光电二极管作检测器）（APD作检测器，工作在最佳雪崩增益）作检测器，工作在最佳雪崩增益）放大器噪声的大小与最佳雪崩增益有关放大器噪声的大小与最佳雪崩增益有关 1/2m axbz22maxxxbz（2）接收机灵敏度与比特速率的关系）接收机灵敏度与比特速率的关系 对比特速率较高的系统，接收机灵敏度与对比特速率较高的系统，接收机灵敏度与比特速率的关系为：比特速率的关系为：当用当用PIN
16、光电二极管作检测器时，比特光电二极管作检测器时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降率增加倍频程，灵敏度大约下降4.5dB；当用当用APD作检测器（设作检测器（设x0.5），且工作），且工作在最佳雪崩增益时，比特率增加倍频程，在最佳雪崩增益时，比特率增加倍频程，灵敏度大约下降灵敏度大约下降3.5dB。（3）灵敏度与输入波形的关系）灵敏度与输入波形的关系 输入输入 脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高；发送度最高；发送RZ码时接收机的灵敏度比码时接收机的灵敏度比NRZ码要高。码要高。（4）消光比对灵敏度的影响）消光比对灵敏度的影响 消光比引起的灵敏度的恶化量消光比引起的
17、灵敏度的恶化量 残余光使消光比不为零残余光使消光比不为零 lt（5）激光器和光纤系统的噪声对灵敏度的）激光器和光纤系统的噪声对灵敏度的影响影响 激光器和光纤系统的噪声主要有以下几激光器和光纤系统的噪声主要有以下几种种 激光器的量子噪声激光器的量子噪声 模式分配噪声模式分配噪声 模式噪声模式噪声 反射噪声反射噪声“眼图眼图”上可上可 以观察出码间串扰和噪声的影以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用响，从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。小码间串扰和改善系统的传输性能
18、。眼图眼图 的的“眼睛眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼眼睛睛”张的张的 越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。示码间串扰越大。眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信眼图对于展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直息：可以从中看出码间串扰的大小和噪声的强弱，有助于直观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能观地了解码间串扰和噪声的影响，评价一个基带系统的性能优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。优劣；可以指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰。光接收机的组成和工作原理光接收机的组成和工作原理光电检测器（光电二极管、光电检测器（光电二极管、APD）性能指标：量子效率、响应速度、暗电流性能指标：量子效率、响应速度、暗电流噪声分析和光接收机灵敏度噪声分析和光接收机灵敏度噪声处理噪声处理光电二极管、光电二极管、APD噪声噪声灵敏度高斯近似分析灵敏度高斯近似分析作业：作业：P.136 4、5
