光纤通信ppt概要.pptx
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1、第三章第三章 光接收机光接收机3.1光接收机简介光接收机简介3.2光电检测器光电检测器3.3放大电路及其噪声放大电路及其噪声3.4光接收机灵敏度的计算光接收机灵敏度的计算3.5光接收机的组成模块光接收机的组成模块3.1 光接收机简介光接收机简介 3.1.1 光接收机的组成光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种光接收机分为模拟光接收机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数字光接收机分为光电检测器、前置放大数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分再生和时钟提取七个部分光接收机也可以分为三部分:
2、光接收机也可以分为三部分:光检测器光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端,是和前置放大器合起来称为接收机前端,是光接收机的核心;光接收机的核心;主放大器、均衡滤波主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通器和自动增益控制组成光接收机的线性通道;道;判决器、译码器和时钟恢复组成光判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分接收机的判决、再生部分3.1.2 3.1.2 光接收机的性能指标光接收机的性能指标 光接收机主要的性能指标是误码率(光接收机主要的性能指标是误码率(BER)、灵敏度以及动态范围)、灵敏度以及动态范围误误码码率率是是码码元元被被错错误误判判决决的的概概率率,
3、可可以以用用在在一一定定的的时时间间间间隔隔内内,发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接接收收机机灵灵敏敏度度的的定定义义为为:在在满满足足给给定定能能的的误误码码率率指指标标条条件件下下,最最低低接收的平均光功率接收的平均光功率Pmin。在工程上常用。在工程上常用dBm来表示,即来表示,即接接收收机机的的最最低低输输出出光光功功率率(用用dBm来来描描述述)和和最最大大允允许许输输入入光光功功率率(用(用dBm来描述)之差(来描述)之差(dB)就是光接收的动态范围)就是光接收的动态范围Pmax和和Pmin为为保保
4、证证系系统统误误码码率率指指标标条条件件下下,接接收收机机允允许许的的最最大大接接收收光光功率和最小接收光功率功率和最小接收光功率3.2 光电检测器光电检测器 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在所用光源的波长范围内有较高的响应度;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;与光纤尺寸匹配;与光纤尺寸匹配;工作寿命长工作寿命长3.2.1 PN结 的 光 电效应在在光光的的照照射射下下,使使物物体体中中的的电电子子脱脱出出的的现现象叫做光电效应象叫做光电效应右右图图
5、为为半半导导体体PN结结的的形成形成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3.2.2 PIN光电二极管1原理与结构原理与结构PIN光电二极管的原理和结构光电二极管的原理和结构2光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应(光光谱谱特性)特性)(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是普朗克常量也就是说,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以表示为距离
6、后吸收的光功率可以表示为 3光电转换效率光电转换效率常用量子效率和响应度衡量光电转换效率常用量子效率和响应度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是是零零电电场场的的表表面面层层的的厚厚度度,w是是耗耗尽尽区区的的厚度厚度量量子子效效率率表表示示入入射射光光子子能能够够转转换换成成光光电电流流的概率的概率可以知道,要提高量子效率,必须采取如可以知道,要提高量子效率,必须采取如下措施:下措施:尽量减小光子在表面层的反射率,增加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;入射到光电二极管中的光子数;尽量减小中性区的厚度,增加耗
7、尽区的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宽度,使光子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和和入射光功率入射光功率p0的比值来表示的比值来表示,称其为响应度称其为响应度4响应速度响应速度响响应应速速度度常常用用响响应应时时间间(上上升升时时间间和和下下降降时间)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)光光电电二二极极管管和和它它的的负负载载电电阻阻的的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(2)载流子在耗尽区里的渡越时间)
8、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VEsw(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5光电二极管的暗电流光电二极管的暗电流暗暗电电流流是是指指无无光光照照时时光光电电二二极极管管的的反反向向电电流流3.2.3 雪崩光电二极管1工作原理工作原理APD载载流流子子雪雪崩崩式式倍倍增增示示意意图图(只只画画出出电电子)子)2APD的平均雪崩增益的平均雪崩增益平均雪崩增益的定义为平均雪崩增益的定
9、义为IM是是雪雪崩崩增增益益后后输输出出电电流流的的平平均均值值;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3APD的结构的结构光光纤纤通通信信在在0.85 m波波段段常常用用的的APD有有拉拉通通型(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(SeperatedAbsorptionandMultiplexing)结构)结构4APD的过剩噪声的过剩噪
10、声APD的过剩噪声系数为的过剩噪声系数为在在工工程程上上,为为简简化化计计算算,常常用用过过剩剩噪噪声声指指数来表示过剩噪声系数,即数来表示过剩噪声系数,即3.3 放大电路及其噪声放大电路及其噪声 3.3.1 噪声的数学处理1噪声的统计性质噪声的统计性质对噪声的分析应采用随机过程的分析方法对噪声的分析应采用随机过程的分析方法电电阻阻内内部部微微观观粒粒子子的的热热骚骚动动是是一一个个随随机机过过程程对于随机噪声对于随机噪声XN来说,落在来说,落在x1和和x1+dx1之之间的概率是间的概率是P(x1XNx1+dx1)它的积分就是概率分布函数,为它的积分就是概率分布函数,为F(x1,t1)=P(X
11、Nx1)=P(XNx1)表示表示XN是落在是落在(,x1)中的概率中的概率2随机过程的数字特征随机过程的数字特征(1)均值)均值设设是是一一个个随随机机过过程程,它它的的均均值值(数数学学期望)期望)为为均均值值也也可可以以用用时时平平均均值值(用用符符号号表表示示)来代替,即来代替,即(2)标准差(均方差)标准差(均方差)随机变量的方差随机变量的方差D(X)和标准差(均方差)和标准差(均方差)分别为分别为3平稳随机过程的功率谱密度平稳随机过程的功率谱密度设设有有时时间间函函数数x(t),假假设设x(t)满满足足荻荻氏氏条条件件,且且绝绝对对可可积积,那那么么x(t)的的傅傅里里叶叶变变换换为
12、为和和之之间间有有以以下下的的巴巴塞塞伐伐(parseval)等式成立等式成立把函数把函数x(t)限制在的限制在的时间间隔里,时间间隔里,可以得到可以得到左边表示平均功率,而左边表示平均功率,而就是此函数的双边平均功率谐密度,简称就是此函数的双边平均功率谐密度,简称功率谱密度,它表示功率谱密度,它表示1Hz频带上平均功率频带上平均功率的大小。所谓的大小。所谓“双边双边”,是指对的正负频,是指对的正负频域都有意义域都有意义3.3.2 放大器输入端的噪声源放放大大器器噪噪声声的的概概率率密密度度函函数数可可以以表表示示为为高高斯函数斯函数对随机噪声,对随机噪声,m=0时,上式可写成时,上式可写成1
13、输入端的等效电路及噪声源输入端的等效电路及噪声源光接收机的等效电路光接收机的等效电路带有热噪声的电阻可以有两种等效方式带有热噪声的电阻可以有两种等效方式一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪一种是等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联声电流源并联这种等效下并联电流噪声源的功率谱密度这种等效下并联电流噪声源的功率谱密度为为另一种等效方式是把带有噪声的电阻等效另一种等效方式是把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联电压噪声源的双边功率谱密度为电压噪声源的双边功率谱密度为2 2放大器的输出噪声电压的计算放大器的输出噪声电压的计算放大器的输出噪声电
14、压的计算放大器的输出噪声电压的计算 放大器输出噪声电压的均方值为放大器输出噪声电压的均方值为;是是放放大大器器、均均衡衡滤滤波波器器的的传传递递函函数数,它它表表示示输输入入电电流流与与输输出出电电压压之之间间的的传传递关系,实为转移阻抗递关系,实为转移阻抗可可以以看看出出:偏偏置置电电阻阻Rb越越大大,电电阻阻的的热热噪噪声声越越小小;输输入入电电阻阻Rt越越大大、输输入入电电容容Ct越越小小,串串联联电电压压噪噪声声源源对对总总噪声的影响越小噪声的影响越小3.3.3 场效应管和双极晶体管的噪声源1输入端的等效电路及噪声源输入端的等效电路及噪声源场效应管的主要噪声源有两个场效应管的主要噪声源
15、有两个:n栅漏电流的散粒噪声栅漏电流的散粒噪声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SiFET,;对;对GaAsFET,(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2双极晶体管的噪声源双极晶体管的噪声源l散粒噪声散粒噪声l基区电阻的热噪声基区
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