光纤通信(朱宗玖)第五章.ppt

5.3.4 光电集成接收机 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。这样的完全集成对于GaAs接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易的，而且早已得到实现。然而，对于工作在1.3~1.6μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5Gb/s。 5.4 光接收机的噪声 光接收机的噪声有两部分： 一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除； 另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。 图5.6示出光接收机的噪声等效模型，由光检测器和放大器两部分组成。图中 和 分别为光检测器的量子噪声和暗电流噪声产生的均方噪声电流，其相应的功率谱密度分别表示为Sq和Sd。ip、R和C分别为光检测器的输出光生电流、偏置电阻和电容(结电容和其他电容)。放大器分解为理想放大器和等效噪声电流源 和电压源 ，其相应的功率谱密度分别表示为SI和SE，Rin是放大器的输入电阻。 放大器的噪声  放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图5.7。 (1)双极型晶体管(BJT)前置放大器  双极型晶体管(BJT)前置放大器输出的等效噪声功率NA为： (2)场效应管(FET)前置放大器 场效应管(FET)前置放大器输出的等效噪声功率NA为： (3)跨阻型前置放大器-双极型晶体 跨阻型前置放大器-双极型晶体管输出的等效噪声功率NA为： (4)跨阻型前置放大器-场效应管 跨阻型前置放大器-场效应管输出的等效噪声功率NA为： 5.5 误码率和灵敏度 5.5.1 误码率 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率，用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示 。 码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)概率密度函数来计算。 光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为 式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为 。 在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，现在可以分别计算“0”码和“1”码的误码率了。 在发“0”码时，平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。发“0”码条件下噪声的概率密度函数为 根据误码率的定义，把“0”码误判为“1”码的概率，应等于I0值超过D值的概率，即 在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-ImD-Im，就可能把“1”码误判为“0”码。所以，把“1”码误判为“0”码的概率为： 总误码率(BER)可以表示为 式中 或 5.5.2 灵敏度 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到 1.理想光接收机的灵敏度  假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子－空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。 (1)理想光接收机的误码率  当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为“1”码的概率为0，即Pe，01=0。产生误码的惟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，放大器没有电流输出。这个概率，即“1”码误判为“0”码的概率Pe，10＝exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为 (2)理想光接收机的灵敏度  设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数