光纤通信课程光接收机的特性研究应用.doc

通信系统综合设计与实践

光接受机特性研究

院（系）名称
信息工程学院
电子与通信工程系
专业名称

学生姓名

指引教师

6月 16日

课程设计任务书
—第二学期
专业： 光电信息科学与工程 学号： 姓名： 郑智虹
课程设计名称： 光纤通信系统课程设计
设计题目： 光接受机特性研究
完毕期限：自 年 6 月 6 日至 年 6 月 19 日共 2 周
一、设计根据
窗体顶端
光接受机是光纤通信系统重要构成某些，它作用是将由光纤传来薄弱光信号转化为电信号，经放大，解决后恢复原信号。光接受机性能对整个光纤通信系统传播质量有着很大影响，通过对光接受机误码率，敏捷度，动态范畴等性能参数研究，为光接受机性能检测和维护等方面工作提供科学数据参照。并用Optimist仿真软件进行仿真， 搭建光接受机传播系统平台，通过参数设立，分析最小误码率下入纤光功率。
二、规定及重要内容
1．查阅有关文献，掌握影响光接受机敏捷度因素。
2．学会Optimist仿真软件用法，并搭建光接受机传播平台；
3．结合仿真平台，分析最佳眼图效果下敏捷度、Q值、增益、功率等参数。分析光接受机传播性能。
三、途径和办法
1．查阅有关文献，掌握光接受机基本构造和基本工作原理；
2．运用Optimist仿真软件搭建光接受机传播系统；
3． APD和PIN两种光电检测器对比分析，验证光接受机性能及影响接受机敏捷度重要因素；
4．设立参数，定向分析两种光电检测器在传播系统中优越性。
四、时间安排
1．课题解说：2小时。
2．阅读资料：10小时。
3．撰写设计阐明书：12小时。
4．修订设计阐明书：6小时。
五、重要参照资料
[1]　李履信．光纤通信系统[M]．机械工业出版社，.7
[2]　刘增基，周洋溢．光纤通信[M]．西安电子科技大学出版社
[3]　王磊，裴丽．光纤通信发展和将来[J]．中华人民共和国科技信息 .4
[4]　杨浚明．光纤通信设计[M]．天津科学技术出版社，1995
[5]　赵梓林．光纤通信工程[M]．人民邮电出版社，1987
[6]　汪杰军．光纤通信系统中光发射机设计[M]．当代电子技术，

指引教师（签字）： 教研室主任（签字）：
批准日期： 年 月 日

摘要
光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为当代通信重要支柱之一，在当代电信网中起着举足轻重作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见，也是世界新技术革命重要标志和将来信息社会中各种信息重要传送工具。本文章一方面简介了光接受机发展历史及理论知识；另一方面使用optisystem模仿仿真软件，运用仿真，修改光接受机性能参数，分析系统性能和影响性能参数因子；最后对光路构造改进以提高光接受机性能。
核心字：光纤通信技术，光接受机

目录
1.绪论 1
1.1光纤通信技术发展历史、目及意义 1
1.2光接受机简介 1
1.3 光接受机类型 2
1.4论文构造和内容 2
2.光接受机基本理论 3
2.1光接受机构造 3
2.1.1光接受电路 3
2.1.2输出电路 4
2.1.3其她电路 4
2.2光接受机性能指标 4
2.2.1敏捷度 4
2.2.2 动态范畴 5
2.2.3影响接受机性能重要因素 5
2.3敏捷度及噪声分析 6
2.3.1抱负接受机敏捷度 6
2.3.2光接受机噪声分析 7
2.3.3光接受机误码率 8
3.光接受机仿真模仿 9
3.1 OptiSystem软件简介 9
3.2 光接受机OptiSystem仿真 9
3.2.1 APD接受机散粒噪声增强 9
3.2.2 误比特率对接受机敏捷度影响 15
3.2.3 最小光功率对接受机敏捷度影响 17
3.3 本章小结 20
总结 21
参照文献 22

1.绪论
1.1光纤通信技术发展历史、目及意义
光纤通信是以光波为信息载体，通过光纤来传递一种通信设施。由于它具备容量大，传播距离远，传播速度快，经济等特点，因此在当今被广泛应用。光纤通信发展史虽然只有二三十年，但由于它无比优越性，使它成为了当代化通信网络中最为重要传播媒介。
在光纤通信系统中，光接受机（Optical receiver）任务是以最小附加噪声及失真，恢复出光纤传播后由光载波所携带信息，因而光接受机输出特性综合反映了整个光纤通信系统性能。
光发射机发射光信号经传播后，不但幅度衰减了，并且脉冲波形也展宽了，光接受机作用就是检测通过传播薄弱光信号，并放大、整形、再生成原传播信号。
1.2光接受机简介
光接受机是光纤通信系统重要构成某些，其性能是整个光纤通信系统性能综合反映。由光发送机发出光信号在光纤线路中传播时，不但会受到损耗影响而导致幅度衰减，同步光纤色散和非线性效应等也许会引起脉冲波形展宽，由此导致信号质量下降会增长接受机接受信号难度，这些都对接受机性能提出了较高规定。
光接受机重要功能是将经光纤线路传播后薄弱光信号进行光电变换，然后通过必要解决后恢复成原始信号。一种典型直接检测光接受机重要由光接受电路和输出接口电路构成。
光接受机性能直接影响光纤通信系统传播距离、误码率和通信质量。

1.3 光接受机类型
光接受机分为模仿光接受机和数字光接受机两种。模仿光接受机用于接受模仿信号，例如说光纤CATV信号。当前通信系统由于大多采用数字信号，因而重要用是数字光接受机。检测方式分为相干检测方式和非相干检测方式。相干检测方式一方面接受将接受到光信号与一种光本地振荡器在光混频器混频之后，再被光电检测器变换成一定规定电信号，类似于无线电收音机。惯用非相干检测方式就是直接功率检测方式，通过光电二极管直接将接受光信号恢复成基本调制信号过程。
1.4论文构造和内容
通过阅读大量资料及当前人们对光纤通信系统研究，本文重要对光纤传播系统中光接受机特性研究。第一章论述了光纤通信技术发展，另一方面解说了光接受机简述及分类；第二章简介了光接受机构造构成及工作原理，还阐明了光接受机性能指标；第三章简朴简介了optisystem这个软件，最后是光接受机仿真分析。

2.光接受机基本理论
2.1光接受机构造

图2.1 光接受机构造
(1) 光电检测器输出信号电流很小，必要由低噪声、宽频带前置放大器进行放大。
(2) 信号进行高增益放大并对经传播和放大后失真信号进行补偿与整形
(3) 将信号基线（低电平）固定在某一电平上，解决信号基线漂移，以便于判决
(4) 从收到带有噪声和畸变波形中辨认信码“1”和“0”。然后由再生电路重新产生和发端同样数字脉冲序列。
2.1.1光接受电路
光接受电路由检测器、前置放大器、主放大器、自动增益控制和均衡电路构成。它将光信号变换成一定幅度、波形好电信号，供后续电路进行再生判决。
（1）光检测与前置放大器
光电检测器完毕光电转换。由发送端发出光信号通过光纤线路传播后，到达接受端已经很薄弱。检测器输出电流仅在nA数量级。因此必要采用多级放大将薄弱电信号放大至判决电路能对的辨认。
由于信号薄弱又带有噪声，如果采用普通放大器进行放大，放大器自身就会将前一级放大器所引入噪声也进行放大，信噪比并没有得到改进。因而多级放大器前级必要满足低噪声、高增益规定，才干得到较大信噪比。
（2）主放和均放
信号经前置放大器输出依然比较薄弱，不能满足幅度判决规定，因而还必要加以放大。由于光接受机入射光功率有一种可变化动态范畴，因而放大器增益也应随入射光功率变化得到相应调节，以适应在不同输入信号状况下仍能保持输出电平稳定。即实现自动增益控制。在光接受机中，把实现自动增益控制放大级称为主放大器。
均放电路重要作用是对接受到信号进行均衡以利于定期判决。
（3）基线解决与定期再生
由于传播线路上所传送码流中“0”、“1”分布并不均匀，并不可避免地有持续“0”或持续“1”浮现，使得信号中直流成分有起伏变化，这种信号在接受机中解决时，因各级间耦合均为交流耦合，即RC耦合，这会使信号基线随直流成分变化而漂移。
这种漂移严重时，会使判决产生误码。在发送端虽已进行了线路码型变换，以使码流中“0”、“1”分布尽量均匀使信号中直流分量尽量恒定，但是由于种种因素，难以达到抱负限度。因而在定期再生电路中，一方面要对基线漂移进行解决，即将信号基线（低电平）固定在某一电平上。
通过基线解决信号，一方面要进行幅度判决，然后再通过时钟提取，还原出幅度和时钟精确再生信号是定期再生。
2.1.2输出电路
输出电路是光端机接受某些在定期再生之后信号解决某些。普通涉及线路码型反变换、输出接口两大某些。低中速率光端机，则将这两某些安装在一块机盘中，称为输出盘。在“光电合架”设备中，取消了输出接口电路，则码型反变换某些和光接受电路装在同一块机盘中。
2.1.3其她电路
告警电路、倒换电路、公务电路、电源电路
2.2光接受机性能指标
光接受机重要性能指标涉及接受机敏捷度、动态范畴、过载功率、误码率、信噪比、Q值等，其中敏捷度和动态范畴是光接受机核心指标。
敏捷度表达在给定误码率（或信噪比）条件下，光接受机接受薄弱信号能力。
动态范畴表达光接受机适应输入信号变化能力。
2.2.1敏捷度
光接受机敏捷度是表征光接受机调节到最佳状态时，接受薄弱光信号能力。它可用下列三种物理量表达。
在保证达到所规定误码率（或信噪比）条件下，接受机所需：
（1）输入最小平均光功率PR；
（2）每个光脉冲最低平均光子数n0；
（3）每个光脉冲最低平均能量Ed。
三种表达办法之间关系：

（式2-1）
式中：T 为脉冲码元时隙，T=1/fb
hf 是一种光子能量
PR 单位为W，惯用mW。若用dBm来表达敏捷度Sr，则可写为：

（式2-2）
2.2.2 动态范畴
动态范畴表征是光接受机适应输入信号变化能力，也即光接受机敏捷度和过载功率之间差值。即

（式2-3）
2.2.3影响接受机性能重要因素
由上述计算接受机最小接受光功率公式中看出，在一定误码率条件下，影响接受机敏捷度因素有：码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、光波波长、信号速率、各种噪声等。下面只对码间干扰、消光比、暗电流影响进行分析。
(1)码间干扰
在光纤通信系统中，光接受机输入光脉冲信号宽度与光发送脉冲及光纤带宽关于。在光纤色散较大状况下，光脉冲通过光纤时将被展宽，产生码间干扰，减少光接受机敏捷度。
(2)消光比
光源在直接强度调制下，由于要考虑一定偏置电流，使得无信号脉冲时仍会有一定输出功率。这种残留光将在接受机中产生噪声，影响接受机敏捷度。定义参数消光比（EXT）为：

（式2-4）

普通规定EXT≤10%。
当EXT≠0时，光源残留光使检测器产生噪声。EXT越大时对敏捷度影响也越大，其值与使用光检测器关于。
(3)暗电流
光电检测器中暗电流对光接受机敏捷度影响与消光比影响相似。暗电流与光源无信号时残留光同样，在接受机中产生噪声，减少接受机敏捷度。
在APD光电检测器中，有两种暗电流，一种是无倍增，一种是有倍增，后者对敏捷度影响要比前者更大某些。
2.3敏捷度及噪声分析
光接受机作用是将接受到薄弱数字光信号通过光电二极管转换为光电流，并经放大、整形、判决等信号解决，完毕信号精确检测。一种性能优良光接受机应具备尽量高接受敏捷度。但敏捷度提高受到了接受机中存在噪声影响。噪声存在将会减少接受机敏捷度。
2.3.1抱负接受机敏捷度
考虑一种抱负光纤通信系统，即是假设系统频带无限宽，系统无噪声。对这样系统，咱们可以为，发送端调制信号是矩形脉冲，光脉冲信号通过光纤传播到接受端，通过光电检测器检测得到电信号还是矩形脉冲。那在这种系统中，接受机敏捷度将受到什么限制呢？最大也许值是多少呢？
（1）抱负接受机敏捷度计算
依照 （式2-5）
在误码率规定为Pe=10-9时，即可求出Ed，即为抱负光纤通信系统接受敏捷度。
（式2-6）
由上式可见，抱负光纤通信系统敏捷度（Pe=10-9时）为21个光子能量。
或者用下式表达
（式2-7）
由此可知，抱负接受机敏捷度与光信号速率、光波频率（或波长）、检测器量子效率η关于。
（2）工程中敏捷度计算
在实际工程应用中，接受机所需最小接受光功率可按如下近似公式计算。
当光电检测器为PIN时：

（式2-8）
当光电检测器为APD时：

（式2-9）
式中fb为系统码速Mbit/s，
fb0为基准计算码速，fb0=25Mbit/s。
2.3.2光接受机噪声分析
光接受机中存在各种噪声源，依照噪声产生不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。接受机中噪声源及其引入部位如图4-12所示。其中散粒噪声涉及光检测器量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声；热噪声重要指负载电阻产生热噪声，放大器噪声（重要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。

图2.2 光接受机噪声
对于光检测器噪声，采用重要办法是从建立噪声数学模型着手进行分析。（此处推导过程不作规定）
如果规定误码率指标为不超过Pe＝10-9，则最小必要接受光脉冲能量应为

(式2-10)
如果量子效率η＝1，则最小检测光脉冲能量必要等于21hf，也就是说最小必要接受21个光子，才干保证误码率不不不大于10-9。如发送端发出“1”码和“0”码等概率浮现（数目相等）每位码持续时间为T，那么平均检测光功率必要至少为

（式2-11）
这就是接受机敏捷度对规定误码率Pe＝10-9基本极限，即所谓量子极限。
2.3.3光接受机误码率
光接受机误码重要由散粒噪声、倍增噪声、热噪声等综合总噪声引起。误码多少及分布不但和总噪声大小关于，还与总噪声分布关于。入射光子在PIN内产生电子或在APD内产生一次电子普通服从泊松分布。但通过电子倍增，再经放大、均衡后，噪声分布变得很复杂。因此要精准计算误码率及敏捷度就比较困难。
（1）误码率定义是

（式2-12）
导致误码因素诸多，如光纤色散、光电二极管噪声、前置放大器噪声等，在这里讨论是光接受机噪声对误码率影响。
为了计算光接受机误码率，必要懂得滤波器输出信号概率分布。
（2）最小误码率分析
在判决点上电压V0超过D概率，即为把“0”码误判为“1”码概率 可以表达为

（式2-12）

把“1”码误判为“0”码概率为
（式2-13）

Pe,01＝Pe,10时可获得最小误码率

（式2-14）

（式2-15）
3.光接受机仿真模仿
3.1 OptiSystem软件简介
随着光纤通信系统日新月异发展，光通信系统越来越复杂。现行光纤通信系统普通涉及众多非线性器件和非高斯噪声源，对这样光纤通信系统设计与分析是非常复杂，需要耗费极其多时间。因而，人工或者单纯依托经验计算设计光纤通信系统已经越来越显得力不从心。在这背景下，这些设计和分析任务被高效、有效、先进计算机辅助软件执行已成为必然趋势。OptiSystem就此营运而生。
OptiSystem是一款创新光纤通信系统设计与仿真软件，它集成了设计、测试和优化各种光网络物理层等诸多功能，从模仿视频广播系统到洲际骨干光纤链路设计均可以使用OptiSystem进行设计、测试、优化。
OptiSystem作为一款独立产品，不依赖于其她模仿框架。它是一款基于现实光纤通信系统模型系统级仿真软件。它拥有强大新模仿环境、真正分层构造定义组件。它容许添加顾客自定义组件，具备良好系统扩展性，可以实现与其她仿真软件例如Matlab无缝衔接。
OptiSystem具备全面顾客图形界面（GUI,Graphical User Interface）,可以灵活控制光学元件布局、网表、组件模型、演示图形等。拥有丰富元件库，其中包括大量有源和无源器件，可以满足普通状况下系统仿真需求。并且有关器件均涉及实际、波长有关参数。参数扫描和优化容许顾客研究特定器件技术参数对系统性能影响。
3.2 光接受机OptiSystem仿真
3.2.1 APD接受机散粒噪声增强
本仿真用于实现光接受机使用PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管是接受信号噪声性能。

图3.1 接受机使用PIN和APD性能比较原理图
APD光接受机在相似入射光功率状况下具备更高信噪比SNR，而其信噪比带改进来源于使光电流以倍增因子M增长内增益。
（1）拟定光衰减器最佳值

图3.2 光衰减器衰减变化量

图3.3 衰减量为5db时，APD眼图

图3.4 衰减量为10db时，APD眼图

图3.5 光衰减量为16.67时，APD眼图
由图3.3,3.4,3.5对比得知，光衰减量为10时，眼图效果最佳。下面就以光衰减量为10。
（2）

图3.6 APD光接受机Gain参数变化

图3.7 Gain=5.56时，APD眼图

图3.8 PIN眼图
由图3.7和图3.8对比可以看出，这时，APD系统品质因数高于PIN系统。

图3.9 Gain=11.11时，APD眼图
由图37图3.9比发现，如果倍增因子M增大，则会存在一种点，在这个点上散粒噪声会减少系统性能，因而找到最优APD增益是很重要。

图3.10 APD不同增益下Q值分布
雪崩光电二极管APD在不同增益下Q值分布曲线如图3.6，由图可知，增益越大，APDQ值越高。

图3.11 APD增益值与误码率变化曲线
由图3.11，APD增益值变化曲线知，增益值在0~22之间时，误码率对APD增益没影响;增益值在22后来，误码率对APD增益影响巨大。
3.2.2 误比特率对接受机敏捷度影响
仿真在运用误比特率度量接受机敏捷度时，分析在不同光功率输入状况下，数据恢复阶段误比特率BER与Q关系。

图3.12 误比特率仿真原理图

图3.10 不同衰减量下Q值曲线
光电二极管PIN在不同衰减量鞋Q值分布曲线如图3.10所示.由图可知，衰减量越大，PINQ值越高。

图3.11 不同衰减量下BER曲线
光电二极管PIN在不同衰减量下BER分布曲线如图3.11所示。由图可知，衰减量越大，PINBER越小。

图3.12 光功率与误比特率关系
由图3.12知，光电二极管PIN光功率在0~11db时，误比特率对PIN光功率无影响；PIN光功率在11db~17db时，误比特率对PIN光功率影响明显；17db~20db时，误比特率对PIN光功率影响不明显；20db后来，误比特率对PIN光功率无影响。
3.2.3 最小光功率对接受机敏捷度影响
仿真对于接受机敏捷度指定误比率条件下，所需最低输入光功率。

图3.13 最小输入光功率原理图

图3.14 光功率参数变化

图3.15功率44.4db时PIN眼图

图3.16 APD眼图

图3.17 光功率与误比特率关系
由图可知，在指定误比特率条件下，所需最低输入光功率为33db。
3.3 本章小结
本章重要光接受机噪声实验研究，一方面简介了optisystem这个仿真软件，另一方面是研究影响光接受机性能各个参数对噪声影响，通过仿真得出图形，进行分析研究。

总结
随着数据通信量剧增，光纤通信系统容量迫切需要提高,光接受机特性研究也变得及其重要。本篇一方面简介了光纤通信技术发展历史、现状及展望，分析了当前人们对通信需求；另一方面简介了光接受机分类及其研究意义。在第二章中，简介了光接受机构造构成与工作原理，分析了光接受机特性指标及各个参数对光接受机噪声系数影响，并且阐明了光接受机应用。在最后，通过仿真分析了光接受机在各个参数变化下噪声系数，并对其进行研究分析。
本文章对逛街收集特性研究不够进一步，尚有更多影响性能参数值得去进一步研究，对提高通信容量有很大意义，本文中存在问题，还请教师提出宝贵意见。

参照文献
[1]　李履信．光纤通信系统[M]．机械工业出版社，.7
[2]　刘增基，周洋溢．光纤通信[M]．西安电子科技大学出版社
[3]　王磊，裴丽．光纤通信发展和将来[J]．中华人民共和国科技信息 .4
[4]　杨浚明．光纤通信设计[M]．天津科学技术出版社，1995
[5]　赵梓林．光纤通信工程[M]．人民邮电出版社，1987
[6]　汪杰军．光纤通信系统中光发射机设计[M]．当代电子技术，