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数字光接收机

       哪里有天才,我是把别人喝咖啡的工夫都用在学习上的。—鲁迅
       如图7.2.1a所示,数字光接收机由三部分组成,即光探测器和前置放大器部分、主放大(线性信道)部分以及数据恢复部分。图7.2.1b为100GHz波导探测器的外形图。下面分别介绍每一部分的作用。
数字光接收机
图7.2.1数字光接收机
a)数字光接收机原理构成图b)100GHz波导光探测器
一、光/电转换和前置放大——决定放大器的性能
       接收机的前端是光探测器,它是实现光/电转换的关键器件,直接影响光接收机的灵敏度。紧接着就是低噪声前置放大器,其作用是放大光电二极管产生的微弱电信号,以供主放大器进一步放大和处理。接收机不是对任何微弱信号都能正确接收的,这是因为信号在传输、检测及放大过程中总会受到一些干扰,并不可避免地要引进一些噪声。虽然来自环境或空间无线电波及周围电气设备所产生的电磁干扰可以通过屏蔽等方法减弱或防止,但随机噪声是接收系统内部产生的,是信号在检测、放大过程中引进的,人们只能通过电路设计和工艺措施尽量减小它,却不能完全消除它。虽然放大器的增益可以做得足够大,但在弱信号被放大的同时,噪声也被放大了,当接收信号太弱时,必定会被噪声淹没。前置放大器在减少或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用,所以精心设计前置放大器就显得特别重要。
二、线性放大和数据恢复——眼图分析系统性能
眼图分析法
       线性放大器由主放大器、均衡滤波器和自动增益控制电路组成。自动增益控制电路的作用是在接收机平均入射光功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。低通滤波器的作用是减小噪声,均衡整形电压脉冲,避免码间干扰。接收机的噪声与其带宽成正比,使用带宽Δf小于比特率B的低通滤波器可降低接收机噪声(通常Δf=B/2)。因为接收机其他部分具有较大的带宽,所以接收机带宽将由低通滤波器带宽所决定。此时,由于Δf<B,所以滤波器使输出脉冲发生展宽,使前后码元波形互相重叠,在检测判决时就有可能将“1”码错判为“0”码或将“0”码错判为“1”码,这种现象就叫作码间干扰。均衡滤波的作用就是将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性,做到判决时无码间干扰。因为前置放大器、主放大器以及均衡滤波电路起着线性放大的作用,所以有时也称为线性信道。
       光接收机的数据恢复部分包括判决电路和时钟恢复电路,它的任务是把均衡器输出的升余弦波形信号恢复成数字信号。
       在实验室观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法,如图7.2.2所示。均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的Y轴,用时钟信号作为外触发信号,就可以观察到眼图。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响,当输出端信噪比很大时,张开度主要受码间干扰的影响。因此,观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小,这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。由于受噪声和码间干扰的影响,误码总是存在的,数字光接收机设计的目的就是使这种误码减到最小,通常误码率的典型值为10-9。
NRZ码数字光接收机眼
图7.2.2   NRZ码数字光接收机眼图
a)理想的眼图b)因噪声恶化的眼图c)实测眼图
三、接收机信噪比(SNR)
       由于电子在光电二极管负载电阻RL上随机热运动,即使在外加电压为零时,也产生电流的随机起伏,这种附加的噪声成分就是热噪声电流。
       光生电流是一种随机产生的电流,这种无规则的起伏就是散粒噪声,散粒噪声是由探测器本身引起的,它围绕着一个平均统计值而起伏。
       光接收机除散粒噪声和热噪声这两种基本的噪声外,还有激光器引起的强度噪声。半导体激光器输出光的强度、相位和频率,即使在恒流偏置时也总是在变化,从而形成噪声。半导体激光器的两种基本噪声是自发辐射噪声和电子-空穴复合噪声。在半导体激光器中,噪声主要由自发辐射构成。每个自发辐射光子加到受激发射建立起的相干场中,因为这种增加的信号相位是不定的,于是随机地干扰了相干场的相位和幅值。
        定义信噪比(SNR)为平均信号功率和噪声功率之比,它决定了光接收机的性能。考虑到电功率与电流的平方成正比,这时SNR可由式(7.2.1)给出
数字光接收机(图4)
式中,IP是光生信号电流,其值IP=RPin,这里R是探测器的响应度,Pin是入射信号光功率,是均方热噪声电流,是均方散粒噪声电流,其值分别为
数字光接收机(图5)
式中,Δf是接收机带宽,q是电子电荷,kB是玻尔兹曼常数,T是绝对热力学温度,RL是探测器负载电阻。
SNR可用单个比特时间内(即“1”码内)接收到的平均光子数Np表示。当PIN接收机受限于散粒噪声时,SNR可用简单的表达式表示
数字光接收机(图6)
式中,η是量子效率,NP是“1”码中包含的光子数。在散粒噪声受限系统中,NP=100时,SNR=20dB。相反,在热噪声受限系统中,几千个光子才能达到20dB的信噪比。