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光电技术系 毕业生文献翻译 光接收器性能评估 论文作者姓名： 申请学位专业： 电子科学与技术 申请学位类别： 工学学士 指导教师姓名（职称）： 论文提交日期： 2008年6月10日 光接收器性能评估 在光传送系统中，在作系统功率预算时一个很重要的参数是光接收器灵敏度，定义为给定误码率(BER)下的最低平均光功率。要设计出一个好的光接收器，准确理解将会影响接收器总体灵敏度的各种不同参数非常重要。本文深入分析了整个接收器的光灵敏度，以及在幅度和定时两个方向上，由于随机噪声和符号间干扰(ISI)的累积，而造成的潜在功率损失。分析是基于标准的接收器灵敏度，并假定一个理想的输入信号，忽略ISI、上升/下降时间、抖动和发送器的相关强度噪声(RIN)等因素的不良影响。 存在ISI时的Q因子 一个典型的光接收器由光电探测器、互阻放大器、限幅放大器以及时钟-数据恢复单元组成。图1给出了简化的光接收器模型。接收到的光信号首先被转换为光电流，并由互阻放大器(TIA)放大。限幅放大器的作用类似于“判决”电路，在此，抽样电压v(t)和判决门限VTH相比较。在这个数据判决点，由于随机噪声和ISI的积累，信号显著恶化，由于眼图闭合，导致错误判决。要知道数据判决点眼图开度和BER之间的关系，首先需要了解幅度噪声的统计特性。通常，作为一个品质因数，我们采用信号Q因子来衡量信号的质量，并由它来确定BER。如果不存在ISI失真，并且主要的幅度噪声具有高斯分布，那么信号Q因子定义为： 其中V1，V0是不考虑ISI时，v(t)的高、低电平平均值，1、0分别是高、低电平上具有高斯分布的加性白噪声的均方根值(RMS)。在一个实际的接收器实现中，由于有限的接收器带宽、基线的漂移或有源元件的非线性，ISI总是存在的。如果我们在数据判决之前监视信号眼图，就会发现，除了随机噪声，信号还有一定量的幅度边界波动，这就是由ISI引起，表现出很强的模式相关性。为了估计由ISI所引起的光灵敏度损失，一个简单的办法就是考虑最坏情况下的幅度噪声分布。具体做法就是分别将高斯分布的平均值从V1和V0下移到(V1-VISI)和(V0+VISI)。假定VISI是ISI所引起的垂直方向眼图闭合量(图2)。在此情况下，通过计算最坏噪声分布情况下的BER，可以获得信号Q因子。假定判决门限已按照最低BER得到了优化，Q因子和眼图垂直闭合量VISI的关系如下所示：QBER是在给定的BER下，最低要求的Q因子。基于等式3，QBER和BER之间的关系用曲线示于图3。通常我们在实验室测量的是信号的峰-峰差分摆幅(VP-P=V1-V0），并假定σ1=σ0=NRMS，因此Q因子变为：其中： 其中NRMS是限幅放大器输入端的等效RMS噪声。等式4表明，Q因子代表存在ISI时，眼图垂直开度与RMS噪声的比率。在光接收器的设计中，因ISI的存在而导致Q因子的降低，将会造成光功率的损失或基底误差的上升。 要获得最佳的光灵敏度，重要的是要在数据判决之前最大化信号的Q因子。下面，我们以采用实际器件的具体实现为例，考虑当存在接收器总随机噪声、ISI和CDR抖动容差时，如何精确估计接收器的光灵敏度。实例包括一个10Gbps接收器和一个2.5Gbps接收器，采用MAXIM器件。 RMS噪声损失 为了估计接收器总RMS噪声对于光灵敏度的影响，我们必须知道，要达到规定的BER，需要输入TIA的最小峰-峰电流(表示为IP-P)。在随机噪声分析中，我们假定VISI=0，将VP-P=IP-PxRf和NRMS=NTOTALxRf代入等式4，得到：NTOTAL是TIA输入端的总等效RMS噪声，由TIA的等效输入噪声NTIA (μARMS)、限幅放大器的等效输入噪声NLA(mVRMS)、以及TIA的小信号互阻增益Rf(kΩ)决定。其关系如下： 在实践中，限幅放大器(LA)的等效输入噪声并没有明确给出，不过，NLA可以根据限幅放大器的输入灵敏度VLA——满足规定BER所需的最小差分峰-峰信号摆幅——估算得出。一般来讲，限幅放大器的灵敏度取决于等效输入噪声NLA、直流偏移或有限带宽造成的ISI。然而，由于大多数限幅放大器采用了直流偏移纠正环来获得高灵敏度，并且小信号带宽远高于TIA，因此可以认为，随机噪声是制约限幅放大器灵敏度的主导因素。在此条件下，NLA可以由下式来估算： 根据图3，当QBER=7时BER=10-12。假定光探测器的响应度为(单位A/W)，并且接收到的光信号的消光比为re，那么光调制幅度(OMA)可由下式得到：光灵敏度由下式给出： 以MAX3970，MAX3910和MAX3912为例，这些10GbpsTIA具有1.1μARMS的典型等效输入噪声，但具有不同的互阻增益。如将这些器件与不同灵敏度的限幅放大器配合使用，所获得的接