光接受机

1 光接收机简介

1.1 简介

作用：将承载信号的光信号通过光电转换、放大、整型、再生变成电信号。

分类
- 直接检测接收机
  - 结构：无本振激光器。
  - 作用：检测光信号的强度信息。
  - 特点：实现简单、成本低、频带利用率低。
- 相干检测接收器
  - 结构：有本振激光器。
  - 作用：检测光信号的相位。
  - 特点：频带利用率高，灵敏度高，中继距离长。

性能指标

灵敏度：给定误码率下，最低接受的平均光功率。
- $S_{r} = 10 \lg_{10} (\frac{P_{m i n} (W)}{10^{- 3}})$ .
动态范围：最低输出-最大输入。
- $D = 10 \lg (\frac{P_{m a x}}{P_{m i n}}) d B$ .
- 下限：灵敏度低于下限：误码过大。
- 上限：过载率高于上限：误码过大。

1.2 直接检测光接收机

分类

模拟
数字

直接检测数字接收机组成&功能：

光电检测器 —— 光电转换。
前置放大器 —— mv 量级，低噪声高带宽。
主放大器 —— 1~3v，提供足够的增益。
自动增益控制 AGC 电路 —— 控制主放大器的增益。
均衡滤波器 —— 整形数字脉冲，保证判决时无码间干扰。
判决器和时钟恢复电路 —— 对信号进行再生。

2 光电检测器

2.1 概述

原理：PN 结的光电效应 —— 受激吸收 —— PN 结外加反向偏压。

要求：

高响应度 —— 转换效率。
响应速度快。
较小的噪声。

分类：

光电二极管 PD 和 PIN 区别 —— 反向偏压。
雪崩光电二极管 APD —— 高反向偏压。

2.2 PIN 光电二极管

原理和结构 —— PIN 结中间设置本征半导体 I 层：N 区。

光谱特性

响应波长上限/上截止波长小于该值才会发生光电效应 $λ_{c} = \frac{h c}{E_{g}} \approx \frac{1.24}{E_{g} (e V)}$ .
响应波长下限/下限波长（经过 x 距离后吸收的光功率）： $p (x) = p (0) [1 - e^{- α (λ) x}]$ .

光电转换效率：

微观：量子效率 $η = \frac{I_{p} / e_{0}}{p_{0} / h υ} = (1 - r) \exp (- α ω_{1}) [1 - \exp (- α ω)]$ .
- $λ$ 上升， $η$ 上升。
- r：反射率；lp：光电流强度； $P_{0}$ 入射光功率； $W_{1}$ 零电场表面层厚度； $W$ 耗尽层厚度。
宏观：响应度 $\cdot R = \frac{I_{p}}{p_{0}} = \frac{η e_{0}}{h υ} = \frac{η λ}{1.24} (μ A / μ W)$ .
- $λ$ 增大， $R$ 先增大后减小。

响应速度：响应时间上升+下降

RC 时间常数。
载流子在耗尽层的渡越时间。
耗尽层外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟。
线性饱和。

暗电流：

定义：无光照时光电二极管的反向电流。
影响：随机起伏产生的暗电流噪声、影响接收机灵敏度。

2.3 APD 雪崩光电二极管

原理：高反向电压，二次电子空穴对。
过剩噪声 —— $F (G) \approx G^{x}$ —— $G$ ：平均雪崩增益。
结构
- GAPD 保护环形 —— 850nm。
- RAPD 拉通型 —— 850nm。
- SAM-APD 分别吸收和倍增 APD —— 1.31&1.55um。
- SAGM 分别吸收渐变倍增 —— 1.31&1.55um。

3 放大电路及其噪声

3.1 概述

原理
- 放大器噪声由前置级决定。
- 将所有噪声源等效到输入端只分析前置放大器。
噪声统计性质
- 概率密度函数 f
- 概率分布函数 F
- 均值 E
- 方差 D
- 功率谱密度函数

接收机噪声图示：

3.2 噪声来源

3.2.1 接收机噪声分类

检测电路 —— 散粒噪声
- 暗电流噪声
- 漏电流噪声
- APD 过程噪声
偏置电路 —— 热噪声
放大电路 —— 热噪声
放大器：电阻的热噪声、有源器件的噪声。

3.2.2 噪声的等效处理

3.2.2.1 概述

热噪声：
- 无噪声电阻并联噪声电流源 —— $S_{I R} = \frac{2 k T}{R_{b}}$ .
- 理想电阻串联噪声电压源 —— $S_{E R} = 2 k T R_{b}$ .
放大器输入端噪声
- 输入端并联电流噪声源 ia，功率谱密度 SI —— $S_{I} = | Z_{T} (ω) |^{2}$ .
- 输入端串联电流噪声源 ea，功率谱密度 SE —— $S_{E} = (\frac{1}{R_{t}} + i ω C_{t})^{2}$
输入噪声电压均方值： $⟨ v_{n a}^{2} ⟩ = (\frac{2 k T}{R_{b}} + S_{1}) \int_{- \infty}^{+ \infty} | Z_{T} (ω) |^{2} \frac{d ω}{2 π} + S_{E} \int_{- \infty}^{+ \infty} | Z_{T} (ω) |^{2} (\frac{1}{R_{t}^{2}} + ω^{2} C_{t}^{2}) \frac{d ω}{2 π}$ .
- 偏置电阻 $R_{b}$ 上升，电阻热噪声降低。
- 输入电阻 $R_{t}$ 上升，输入电容 $C_{t}$ 降低，串联电压噪声源对总噪声的影响下降。

3.2.2.2 管子的噪声

场效应管：

特点：输入阻抗高，栅漏电流小，噪声较小，适合做高阻前置放大器。
噪声源
- 栅漏电流的散粒噪声（在输入端等效为并联电流噪声源）： $S_{I} = e_{0} \cdot I g a t e$ .
- 沟道热噪声（在输入端等效为串联电压噪声源）： $S_{E} = \frac{2 k T τ}{g_{m}}$ .
$R_{b}$ 足够大时噪声功率大则跨导大，结电容小的场效应管 $⟨ v_{n a} ⟩ \propto \frac{C_{t}^{2}}{g_{m}}$ .

双极晶体管：

散粒噪声
- 原因：基区载流子的随机涨落。
- 等效：输入端并联电流。
- $\frac{d ⟨ i_{a}^{2} ⟩}{d f} = e_{0} I_{b}$ .
基区电阻的热噪声：
- 原因：基区较薄，体电阻无法忽略。
- 等效：输入端串联电压。
- $\frac{d ⟨ e_{a 1}^{2} ⟩}{d f} = 2 k T r_{b^{^{'}} b}$
分配噪声：
- 原因：基区载流子的复合速率起伏。
- 等效：输入端串联电压。
- $\frac{d ⟨ e_{a 2}^{2} ⟩}{d f} = \frac{e_{0} I_{c}}{g_{m}^{2}} = \frac{k^{2} T^{2}}{e_{0} I_{c}}$
总噪声功率：必存在一个最佳的集电极电流，噪声和最小设计要兼顾噪声和频带。

3.2.2.3 前置放大器设计

低阻型前置放大器 —— 频带角度 —— 线路简单、前置级的动态范围大、噪声较大。
高阻型前置放大器 —— 噪声角度 —— 噪声较小、动态范围小、均衡电路要求高。
互阻型前置放大器 —— 频带+噪声角度 —— 带宽较宽、动态范围比高阻型有所改善、噪声较低。

4 光接收机的灵敏度

4.1 概述

误码率是指接受码元被错判的概率， $B E R = P (0) E_{01} + P (1) E_{10} = P (0) \int_{D}^{\infty} f_{0} (x) d x + P (1) \int_{- \infty}^{D} f_{1} (x) d x$ 。

灵敏度：最低误码率下，光接收机需要输入的最低平均光功率。

噪声
- 放大器噪声（高斯分布）：电阻热噪声、有源器件噪声。
- 光电检测器噪声（泊松分布）：暗电流噪声、散粒噪声。

4.2 高斯近似计算

4.2.1 步骤

总噪声功率 $\to$ 概率密度 $\to$ 两种错误概率 $\to$ 误码率。
总噪声功率：
- 0 码： $σ_{0}^{2} \leftrightarrow ⟨ V_{n z 0}^{2} ⟩ = ⟨ V_{n a}^{2} ⟩ + ⟨ V_{n d 0}^{2} ⟩$
- 1 码： $σ_{1}^{2} \leftrightarrow ⟨ V_{n z 1}^{2} ⟩ = ⟨ V_{n a}^{2} ⟩ + ⟨ V_{n d 1}^{2} ⟩$
概率密度函数：高斯
两种错误概率：
- 虚警概率 0 错判为 1： $E_{01} = \int_{D}^{+ \infty} \frac{1}{\sqrt{2 π} σ_{0}} e^{(- \frac{(v - v_{0})^{2}}{2 σ_{0}^{2}})} d v = \frac{1}{2} (1 - e r f (\frac{D - v_{0}}{\sqrt{2} σ_{0}}))$
- 漏报概率 1 错判为 0： $E_{10} = \int_{- \infty}^{D} \frac{1}{\sqrt{2 π} σ_{1}} e^{(- \frac{(v - v_{1})^{2}}{2 σ_{1}^{2}})} d v = \frac{1}{2} (1 - e r f (\frac{D - v_{1}}{\sqrt{2} σ_{1}}))$
误码率最小啊
- $E_{01} = E_{10}$ —— D 判决门限： $\frac{D - v_{0}}{σ_{0}} = \frac{v_{1} - D}{σ_{1}} = Q$
- $B E R = \frac{1}{\sqrt{2 π}} \int_{Q}^{\infty} e^{- \frac{x^{2}}{2}} d x = \frac{1}{2} (1 - e r f (\frac{Q}{\sqrt{2}}))$

4.2.2 影响因素

放大器噪声
- 光电二极管
  - 散粒忽略 p.s. = 暗+漏+APD
  - 放大器噪声主要因素
- APD 检测器
  - 放大器噪声影响小
  - APD 过剩噪声为主要因素
比特率
- 比特率增加，带宽增加，噪声等效带宽增加，输出总噪声增加，灵敏度下降。
- PIN —— 比特率增加一倍，灵敏度下降 4.5dB。
- APD —— x=0.5，比特率增加一倍，灵敏度下降 3.5dB。
输入波形
- 输入波形越窄，频谱越宽，可以提高灵敏度。
- 灵敏度：RZ>NRZ
消光比：不为 0 时，光源未完全熄灭，增加光电检测器的散粒噪声，降低灵敏度。

5 光接收机的组成模块

5.1 均衡滤波电路

作用：消除码元波形拖尾影响，消除码间干扰。

方法

频域均衡滤波网络
- 低速率光通信系统：可变均衡电路。
- 高比特率光通信系统：射级可变均衡节。
时域均衡滤波网络：自适应均衡。

眼图分析

参数
- 垂直张开度 $E_{⊥} = \frac{V_{1}}{V_{2}}$ —— 抗噪能力。
- 水平张开度 $E_{p} = \frac{t_{1}}{t_{1} + 2 Δ T}$ —— 过门限失真量大小。
情况

5.2 扩大 APD 接收机动态范围

对主放大器进行增益控制 AGC（改变放大器本身的参数）
- 改变差分放大器电流的 AGC 电路 —— 小电流工作、高频特性差、应用在低速系统。
- 分流式自动增益控制电路 —— 控制范围大、高频特性好。
- 双栅极场效应管控制电路 —— 高频特性好、方便可行、应用在高速系统。
- 采用限幅放大器，限制放大器的输出幅度
控制 APD 的雪崩增益

5.3 再生电路

组成：

判决电路
时钟提取电路
- 发送信号单独传输时钟信号。
- 接受的数字信号提取时钟：锁相环路、滤波器法。

信号预处理：

NRZ 不含时钟分量。
方法：微分、整流电路
- 低速率系统：阻容微分、二极管全波整流电路。
- 高速率系统：逻辑微分整流、延迟原理。

声波表面滤波器 SAWF 性质：

振铃效应 —— 指条数 N 越多，抗连 0 和连 1 性能越好。
等效带宽 —— N 越大，通带越窄，品质因数越高。
通带波纹

6 相干检测光接收机

优势：扩大通信距离吗，提高传输距离p.s.IM-DD（强度调制-直接检波）调制解调容易，成本低
- 零差检测 —— 需锁相电路，同步检测。
- 外差检测 —— 不需锁相电路，异步检测。
形式
- 单臂
- 双臂