第七章 光接收机 7.1 光 接 收 机 7.2 光接收机的误码源 7.3 光接收机的灵敏度

7.1 光 接 收 机 7.1.1光接收机作用 光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。

7.1.2光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图见图7.1。 主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。 光检测器 偏压控制 前置放大器 AGC 电路 均衡器 判决器 时钟 提取 再生码流 主放大器 光信号 前端 线性通道 时钟提取 数据再生 图 7.1 数字光接收机方框图

光接收机的前端 前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流， 然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便 后级作进一步处理。前端是光接收机的核心 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽

器件的选择 光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。 B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，一般来说其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用pin光电 二极管作光探测器。EDFA + pin同样可以带来高灵敏度。 前置放大器 对前置放大器要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。其主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。 前置放大器的的类型目前有3种：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨导前置放大器）。

光接收机的线性通道 提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平 对主放输出的失真数字脉冲进行整形和补偿，使之成为有利于判决的码间干扰最小的升余弦波形 根据输入信号 (平均值) 大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。

主放大器 主放大器一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平。 自动增益控制（AGC）就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。

判决再生与时钟提取 任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 为确定是‘1’或是‘0’，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为‘1’，则由再生电路产生一个矩形‘1’脉冲；若判决结果为‘0’，则由再生电路重新输入一个‘0’。 为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致

通过光数据链路的信号路径

7.1.2 光电集成接收机 图7.1中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。 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。

InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。 光电集成接收机

光接收机的结构

7.1.3 光解调原理 1. 非相干检测方式 常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式。直接功率检测方式是通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程。

2. 相干检测方式 就像普通的无线电收音机一样，首先接收光信号要与一个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要求的电信号，如图7.5所示。

图7.5 相干检测原理

7.1.4 光接收机的指标 (1) 光接收机灵敏度 对于不同的光纤通信系统，有着不同的光接收机质量指标。 7.1.4 光接收机的指标 对于不同的光纤通信系统，有着不同的光接收机质量指标。 (1) 光接收机灵敏度 所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机需要接收的最小平均光功率(有时也称为平均最小输入光功率)。

(2) 光接收机动态范围 所谓光接收机动态范围，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。

7.2 光接收机的误码源 7.2.1 光接收机的噪声源 Fig. 7.2: 噪声源和干扰 热噪声 放大器噪声 光子检测 量子噪声 7.2 光接收机的误码源 7.2.1 光接收机的噪声源 热噪声 放大器噪声 光子检测 量子噪声 (泊松分布) 体暗电流 表面暗电流 统计增益起伏APD(对雪崩光电二极管) Fig. 7.2: 噪声源和干扰

1. 光电检测器噪声 2. 热噪声 3. 放大器的噪声 光电检测器上的噪声包括光检测器产生的量子（或散弹噪声）、暗电流噪声及表面漏电流噪声。 热噪声包括检测器负载电阻及放大器发热引起的噪声。 3. 放大器的噪声

7.2.2 光接收机的信噪比 提高光接收机信噪比的措施： 光接收机输出端的信噪比为： 7.2.2 光接收机的信噪比 光接收机输出端的信噪比为： 提高光接收机信噪比的措施： （1）光检测器必须要有很高的量子效率，以产生较大的信号功率； （2）使光检测器和放大器噪声保持尽可能低的值。

7.3 光接收机的灵敏度 7.3.1 数字光接收机的误码率 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(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数Ne和接收的总码元数Nt的比值来表示。

根据通信系统理论，二进制数字传输系统的误码率可以表示为： 其中Ne为给定时间间隔t内发生差错的脉冲数，Nt为总的脉冲数。B=1/Tb是脉冲传输速率。光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。

误码源－码间串扰（ISI） Fig. 7.3: 脉冲展宽导致的码间串扰 脉冲在传输的过程中，由于光纤色散以及非线性效应导致展宽，比特能量向其它比特泄漏，导致接收机‘0’和‘1’的判决误码。这种问题在高速传输系统中尤为突出。 Fig. 7.3: 脉冲展宽导致的码间串扰

Fig. 7.5: 接收信号的概率分布

发送一个逻辑1脉冲而均衡器输出电压小于 的概率： 发送一个逻辑0脉冲而均衡器输出电压大于 的概率： 如果设阈值电压为 则误码概率定义为： 加权因子a和b是先验数据分布确定的，a,b代表1或0出现的概率。

利用数值计算技术求得误码率的方法非常费时，而且不能对光接收机的设计提供多少帮助。所以，为了简化计算，一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析。

高斯假设 假设输出信号s 的幅度具有均值为m的高斯概率分布函数。如果在任意时间t1对信号电压s(t)进行抽样，抽样信号s(t1)落在(s, s+ds)的概率： 其中f(s)是概率密度函数，s2是噪声方差，它的平方根s是标准偏差，即概率分布宽度的量度。 f(x) 1/e s 增加，偏离平均值的 概率越大 x m

单比特误码率 发送0码时被均衡器输出解调电路误判为1的概率，即噪声脉冲超过阈值vth的概率： 类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：

误码率 bit-error-rate 设0和1等概率发送，且选取判决电压为 vth = (bonsoff + boffson)/(soff + son)： 其中 描述接收机性能 Q参数反映了信号质量的重要参数，或者说它描述了接收机的性能 V/峰值均方根信噪比 当son = soff = s且boff=0, bon=V, 则vth = V/2 29

Q和特定误码率下的信噪比相关，因此，被广泛用来说明接收机的性能。 Fig. 7.7: BER 和 Q 因子的关系曲线

例 下面分析两种传输速率的情况： (a) a) 信噪比为8.5时误码率为Pe = 10-5。对于一个速率为1.544Mb/s 的电话的接收信号电平值，Pe = 10-5意味着每0.065秒有一位误码，这是非常不理想的。但是通过增加信号功率，只要使V/s 从8.5 增加至12，BER就会降到10-9。此时，每11分钟才有一位误码，通常这是可以容忍的 (b) b) 对于高速SONET链路，OC-12速率是622Mb/s，要得到相同的通话效果 (11分钟才有一个误码)，则要求BER为10-11或10-12，这就表示至少要求 V/s = 13 结论： 1. 信噪比增加一点，比如1.414倍，BER会降低好几个数量级 2. 对于更高码率的信号，为保障一定的误码率要求更高的信噪比 BER与信噪比的关系曲线 31

典型的10Gb/s光接收机的误码特性

眼图 眼图是观测系统性能最直观、最简单 的方法。误码率是最终结果，眼图可 用于分析形成误码的原因。 1、形成 2、眼图分析 脉冲序列示波器y轴 时钟信号外触发 2、眼图分析 A、眼睛睁开最大处为最佳判决时刻 B、眼睛睁开度表征噪声容限 C、眼睛展开度E//表征过门限失真大小，E//减小表示时钟抖动增加 D、眼皮厚度：体现噪声大小及码间干扰 E、眼图斜率：体现系统对定时误差的敏感性，斜率愈大，愈敏感

眼图

7.3.2 光检测器的量子极限 定义：量子效率为1，没有暗电流(即没有光的时候没有电子空穴对产生)，对于达到特定误码率时的最小接收机功率称为量子极限。 在这种极限条件下，所有的参数都是理想的，检测器性能仅受限于光检测过程的统计特性 (量子噪声) 。假设在时间 t内有一个能量为 E 的光脉冲落在光检测器上，在时间 t内产生的电子空穴对的均值为： 而t内实际产生的电子个数n服从泊松分布：

量子极限 (续) 因此在时间t内实际产生0个电子的概率为： 在这种情况下，信号就会被接收机判断为0脉冲。 对于理想光接收机，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Pe01 = 0。产生误码的唯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。因此“0” “1”等概发送时，误码率Pe为： 通过这个式子，我们可以得到满足一定误码率要求时所需要的最小输入能量。

例 一个数字光纤链路工作在850nm时要求BER为10-9。(a) 先求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极限。由前可知，误码概率是： 解出 。因此，对于这个BER指标，要求每个脉冲平均有21个光子产生。可以得到E，即： (b) 对一个传输速率为10Mb/s的简单二值信号系统，为了得到10-9的BER指标，试求光检测器上的最小入射功率P0。如果检测器的量子效率为1，则有： 其中 是数据速率B的一半(这里假设0和1等概出现)，解出P0可得：

7.3.3 影响光接收机灵敏度的主要因素 1. 输入和输出信号波形 7.3.3 影响光接收机灵敏度的主要因素 1. 输入和输出信号波形 在光纤通信系统中，光接收机接收到的光信号波形是被光纤线路展宽了的信号波形，这种波形将会存在码间干扰。

为了减少码间干扰的影响，必须对接收的信号波形进行滤波均衡，变成没有码间干扰的信号波形(实际中多采用升余弦波)。经过均衡后，光接收机的带宽可以用如下公式表示： 式中：ε是输出波形的滚降因子。从上式可以看出，光接收机的带宽将大于奈奎斯特带宽。

2. 非理想均衡滤波 3. 直流光和背景光 为了有利于判决，我们希望光接收机输出的信号波形为升余弦波。 由于光源是在一定正向偏置电压下工作的，因此无信号时光接收机仍然能够接收到一定的光功率，这种光信号称为直流光。

4. 判决阈值 为了将升余弦波信号恢复为标准数字信号，在均衡滤波电路之后还设置了再生判决电路。判决电路的作用为：当信号在判决时刻大于判决阈值时，判决电路输出“1”；当信号在判决时刻小于判决阈值时，判决电路输出“0”。

7.3.5 模拟接收机信噪比 数字接收机用误码率的度量，而模拟接收机用信噪比来度量，信噪比定义为均方信号电流与均方噪声电流之比。 以幅度调制为例，时变电信 号s(t)用来直接调制偏置电流为IB 的光源，发送光功率P(t)有如下 形式： 其中Pt是平均发射功率，m为调 制指数： DI一般不能太大，以确保光源工作在线性区。 LED

APD光信噪比 在接收端，模拟光信号产生的光电流为： 在检测器输出端的均方信号电流为(忽略直流项)： 接收机的均方噪声电流为均方量子噪声电流、等效电阻热噪声电流、暗噪声电流和表面漏电流之和： 忽略表面漏电流，信噪比为： Ip 初级光电流；ID 初级体暗电流；IL表面漏电流；B 等效噪声带宽；Req 检测器、放大器等效电阻；Ft 基带放大器噪声系数

pin光信噪比 对于pin，M = 1，当入射光功率很小时，噪声电流主要是电路噪声项： 当入光功率很大时，则和信号检测过程相关的量子噪声为主要噪声： 由于这种情况下的信噪比和电路噪声无关，因此代表了模拟接收机灵敏度的基本限制和量子极限。

光信噪比 vs. 平均接收光功率 讨论： 1) 低信号入射：系统噪声主 要为电路噪声，此时使用 具有一定放大能力的APD 有助于提高S/N，直到量 子噪声被放大到可以与电 路噪声比拟； 2) 大信号入射：系统噪声主 要以量子噪声为主，此时 使用APD没有优势，因为 相比信号，量子噪声随放 大倍数增大得更快。pin成 为较好的选择。 m = 80%

作业 7.7, 7.8