1、( 2 )1光纖通信系統4.14.24.3概述光檢測器光設計4.44.54.64.74.8模擬數 字光 數字數字的噪聲及信噪比的噪聲分析前置放大器的誤碼率和接收靈敏度中的定時提取和再生2光纖通信系統4.3光設計4.3.1 概述 功能：經過光纖傳輸后接收到的微弱光信號還原為原來的電信號 要求：以最小的附加噪聲及失真，恢復出所傳輸的信息光性能直接影響:動態范圍中繼距離誤碼率(或信噪比)靈敏度3光纖通信系統光分類模擬數字4光纖通信系統對應光機“0”“1”5光纖通信系統正確出接收經過光纖傳輸的并帶有各種噪聲的微弱光信號數字光需要完成的工作誤碼誤碼誤碼率 P(10) P(01) 6光纖通信系統將“1”碼

2、誤判為“0”碼的概率將“0”碼誤判為“1”碼的概率光輸出碼元出現誤碼的概率“0”“1”“1”“0”產生誤碼率的因素外來-不可-難處理本征-可-可處理(注意：和自控儀表專業定義不一樣）保證一定誤碼率(一般是10-9)條件下所需的最小接收光功率7光纖通信系統靈敏度一類是光纖傳輸信道中引入的各種噪聲， 其影響是任何波形變換都 為力的。一類是信號碼流中碼元的波形經過光纖傳輸后的失真， 其影響可以通過對失真的波形進行整形來減小或消除；4.3.2光基本結構均衡器8光纖通信系統時鐘提取判決解碼解擾編碼電端機光檢測器前置放大器主放大光信號峰值檢波AGC（1）. 光檢測器部分？信號噪聲比值小9光纖通信系統信號數

3、量級噪聲數量級主要系統噪聲光電轉換過程中引入的噪聲納瓦數量級入射到光檢測器光敏面的光信號作用：（2）. 前置放大一臺性能優良的光，應具有無失真地檢測和恢復微弱信號的能力，這首先要求其前端應有低噪聲，高靈敏度和足夠的帶寬。根據不同的應用要求，前端的設計有三種不同的方案：v (1)低阻抗前端(2)高阻抗前端。(3)跨(互)阻抗前端。10光纖通信系統（2）. 前置放大幾十MHz以下輸入級： BJT幾十MHz以上跨阻抗前端11光纖通信系統電壓并聯負反饋放大器（電流-電壓轉換器）優點：寬頻帶（等效輸入電阻很小）、低噪聲（反饋 電阻可以取得很大）、靈敏度高、動態范圍大等綜合優點，被廣泛采用。FET作用：信

4、號預放大（2）. 前置放大 前置放大12光纖通信系統要求：低噪聲主噪聲源主噪聲源前置放大主噪聲源信號數量級噪聲數量級作用：信號預放大（3）. 自動增益（AGC）的作用5.5.4 主放大器(13Vpp)13光纖通信系統使AGC的動態范圍增加10dBAPD的偏置電壓(AGC)電路主放大器放大倍數(AGC)電路主放大器放大倍數(AGC)電路增益受控結構將前放的輸出3.自動增益（AGC）的作用5.5.5當信號強時，則通過反饋環路使上述增益降低當信號變弱，則通過反饋環路使上述增益提高使送到器的信號穩定增加光的動態范圍使能接受強弱不同的信號14光纖通信系統15光纖通信系統主放后波形存在的問題16光纖通信系

5、統電路誤判誤碼碼間干擾前、后碼元的波形重疊出現很長的拖尾主放大器的脈沖形狀是矩形輸出將不色散影響光纖、光檢測器、放大器帶寬有限有限的頻率分量通過頻譜豐富矩形脈沖數字信號(4). 均衡器均衡器的輸出峰值檢波器AGC電路穩定的輸出17光纖通信系統消除帶外噪聲的影響利于再生對有波形畸變和碼間干擾的信號進行均衡(4). 均衡器 避免產生的碼間干擾其他碼元的時刻則應為零。18光纖通信系統本碼元本身的滿足條件的輸出波形升余弦波，高斯波時刻具有最大值減少或消除碼元波形重疊進行波型變換均衡器理想的均衡波形無法實現采用逼近的方式實現逼近的程度用碼間干擾來度量觀測：看眼圖眼圖是觀測系統性能最直觀、最簡單的方法。誤

6、碼率是最終結果，眼圖可用于分析形成誤碼的。形成：眼圖就是隨機信號在反復掃描過程中疊加在一起的綜合反映。19光纖通信系統以一個3比特長的NRZ碼為例，它有八種可能的圖 樣，如果同時將這八種圖樣疊加，就得到眼圖。20光纖通信系統眼圖的一般結構21光纖通信系統眼圖分析t2t1閾值V1V2最佳1. 眼睛睜開最大處為最佳時刻時刻2. 眼睛睜開度表征噪聲容限3. 眼睛展開度減小表征時鐘抖動增加4. 眼皮厚度體現噪聲大小5. 非線性傳輸特性會產生眼圖的不對稱性。22光纖通信系統E = V 1 V2tE /=1 t2模型化眼圖典型的10Gb/s光發射及傳輸后的眼圖30ps/div(b)傳輸80km30ps/d

7、iv(a)背對背23光纖通信系統24光纖通信系統25光纖通信系統26光纖通信系統(5).器和時鐘恢復電路 脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號，如升余弦頻譜脈沖，恢復為“0”或“1”的數字信號。27光纖通信系統脈沖再生電路器時鐘恢復電路碼形成電路電路再生28光纖通信系統取決于時鐘提取電路的時刻和門限的選擇都會影響結果信號與門限電壓作比較器一般由觸發電路來高于門限為“1”碼低于門限為“0”碼還原為相應的數字信號將均衡后的信號器電路時鐘提取29光纖通信系統根據給定的門限電平決定正確的時刻才能從均衡器的輸出信號中正確出是“0”碼還是“1”碼發端信號均衡前均衡后時鐘再生信號30光纖通信系統31光纖通

8、信系統的組成部分作用光電檢測器 (PD，APD)將入射光子轉換為電子-空穴對，形成光電流。前置放大器低噪聲放大，將 mV 信號放大到 mV。主放大器 (AGC)提供足夠的增益，將 mV 信號放大到 V，并能在較大的入射光功率變化范圍內，保持輸出信號的幅度恒定。均衡濾波器消除碼間干擾時鐘提取/數字信號再生提取時鐘，并對數字信號、再生時鐘恢復電路 時鐘恢復電路 鎖相環 聲表面波32光纖通信系統33光纖通信系統34光纖通信系統NRZ碼不含有時鐘的頻率fbRZ碼含有時鐘的頻率35光纖通信系統時鐘頻率提取RC電路微分，通過一個非門產生歸零碼諧振回路選出時鐘頻率fb整形、移相時鐘36光纖通信系統=0.40

9、.6T光纖通信系統鉗位、整形RC電路微分，通過一個非門產生歸零碼調諧放大后的波形限幅整形、移相38光纖通信系統均衡后輸出的信碼NRZ(不歸零)數據時鐘提取 窄帶濾波法 鎖相環法39光纖通信系統窄帶濾波法LC濾波LC諧振衰減振蕩波40光纖通信系統低速使用窄帶濾波法41光纖通信系統可靠抑制抖動積累良好的抗連“0”連“1”性能SAW的兩條指距離L=時產生諧振聲表面波濾波器（SAW)應用聲表面波時鐘提取數據入數據出時鐘3GHz工作42光纖通信系統預處理SAW濾波觸發延遲 關鍵器件窄帶濾波聲表面波(SAW)濾波器必須具有高品質因數以減小時鐘信號的相位抖動,目前工作頻率的指標大約是在3GHz以下.這種方法

10、的優點是性能穩定并且沒有非線性效應的不良影響， 但必須用人工進行時鐘脈沖位置的細調，也不便于集成。43光纖通信系統應用鎖相環時鐘提取 鎖相環法便于集成，并可以對輸入數據速率和環境因素等的變化對輸出的影響進行持續的補償。數據入數據出預處理鑒相器環路濾波VCO延遲時鐘44光纖通信系統 VCO應當可以被經過適當濾波的誤差信號調諧,因此能使得時鐘輸出與比特時間的中心位置對齊。高速率時的頻率獲取和跟蹤的非線性使單片鎖相環集成電路設計十分復雜，但目前已有研究10Gbs實用集成光的報導。45光纖通信系統時間抖動 實際的光沖，因此 大的SNR。，其信號脈沖都不可能是理想的矩形脈點必須與峰值出現的時刻對應才可能

11、獲得最 點取樣時刻是由時鐘電路決定的，但該電路輸出的漂移和噪聲會使取樣時刻在比特時間的某個平均位置附近漂移，這種現象稱為時間抖動。46光纖通信系統、解擾電路 光發射機輸出的信號是經過擾碼、編碼處理的。這種信號經過光纖傳到后還需要將上述經過擾碼、編碼處理過的信號進行一系列的“復原”工作，這些，將由來完成。、解擾電路 首先要通過電路，將mBnB或mB1H等碼型恢復為編碼之前的碼型。然后再經解擾電路將端“擾亂”的碼恢復為被擾之前的狀況，最后再由編碼器將解擾后的碼編為適于在PCM系統中傳輸的HDB3或CMI碼。47光纖通信系統輔助電路 (1)鉗位電路 為了使輸入器的信號穩定，在器前面還加有鉗位電路，它

12、將已均衡波的幅度底部鉗制在一個固定的電位上。48光纖通信系統輔助電路 (2)溫度補償電路 由于光化，由此，使環境溫度變化時，雪崩管的增益將發生變的靈敏度變化。為了盡可能減少這種變化，就需給雪崩管的偏壓加溫度補償電路，使雪崩管偏壓隨溫度產生相應地變化。 (3)告警電路 當輸入光的光信號太弱或無光信號時，由告警電路輸出告警信號至告警盤。49光纖通信系統性能的主要指標 衡量性能的主要指標是:接收靈敏度動態范圍 次要指標有:工作在各種數據格式的能力快速的響應時間工作在各種碼速下的能力低功耗及低價格等 這些要求有些是互相的，在設計時需折衷處理50光纖通信系統接收靈敏度 接收靈敏度是指達到指定誤碼率(對數

13、字系統)或信噪比(對模擬系統)時的最小接收信號光功率。 它通常用dBm表示，即以1mW為基準，用分貝(dB)表示的相對光功率大小。接收光功率為P(mW)，則用dBm表示為: P(dBm)10lgP(mW)/1mW 因此，PlmW時為0dBm。51光纖通信系統影響接收靈敏度的主要因素 影響接收靈敏度的主要因素是光信號檢測過程及前置放大器中的各種噪聲。 在實際光纖傳輸系統中，光很少工作在極限靈敏度下，這是由于在系統設計中考慮到元件老化、溫度變化及制，必須留出一定的富余量(36dB)，而造公差等引起的且對接收靈敏度的要求也與系統應用有關。52光纖通信系統對接收靈敏度的要求與系統應用有關 對于海底通信

14、系統，總希望盡量減少中繼站數目以提高可靠性并容易維護。那末就非常希望有高的接收靈敏度，以延長 中繼距離； 對陸上通信系統及數據網，中繼距離常常取決中繼站位置，對接收靈敏度的要求就不很苛刻 接收靈敏度是設計中最基本的問題。53光纖通信系統動態范圍 在實際的系統中，由于中繼距離、光纖損耗、連接器及熔接頭損耗的不同，功率隨溫度的變化及老化等，故接收光功率有一定的范圍。現定義最大的接收光功率與最小可接收光功率之差為光的動態范圍。 最大光功率決定于非線性失真及前置放大器的飽和電平 最小功率則決定于接收靈敏度。54光纖通信系統動態范圍的作用 寬的動態范圍對系統結構來說更方便靈活，使同一個接收機可用于不同長

15、度的中繼距離，在陸地的通信系統中，中 繼距離可能長短不一由中繼站決定，因此寬動態范圍的要求非常重要，在本地網應用中，各機到的距離可能各不相同，且可能經過不同數量的耦合器、分路器后到達，因此也對動態范圍提出了很高的要求。55光纖通信系統噪聲/靈敏度/動態范圍56光纖通信系統噪聲噪聲閾值誤碼率靈敏度動態范圍放大器飽和區的動態范圍光下，的動態范圍D，是在保證系統的誤碼率指標要求的最低輸入光功率(用dBm來描述)和最大輸入光功率(用dBm來描述)之差(dB)。即D10log(Pmax10-3)-10log(Pmin10-3)10log(PmaxPmin)(5-9)其中10log(Pmin10-3)就是

16、上面的57靈敏度。光纖通信系統的動態范圍 當環境溫度變化時，光纖的損耗將產生變化；隨著時間的增長，光源輸出光功率亦將變化，也可能因一個按標淮化設計的光因此要求工作在不同的系統中，從而引起接收光功率不同。有一個動態范圍。低于這個動態范圍的下限(即靈敏度)，如前所述將產生過大的誤碼；高于這個動態范圍的上限，在時亦將造成過大的誤碼。顯然，一臺質量好的應有較寬的動態范圍。58光纖通信系統4.5數字的噪聲分析噪聲59光纖通信系統靈敏度降低數字系統噪聲的危害誤碼率增大與信息無關的隨化量光的噪聲有兩部分：外部電磁干擾產生這部分噪聲的危害可以通過或濾波加以消除；內部產生這部分噪聲是在信號檢測和放大過程中引入的

17、隨機噪聲，只能通過器件的選擇和電路的設計與制造盡可能減小， 一般不可能完全消除。我們要討論的噪聲是指內部產生的隨機噪聲。噪聲的主要來源是:光檢測器的噪聲和前置放大光器的噪聲。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大，而主放大器輸入的是置級放大的信號，只要前置級增益足夠大，主放大器引入的噪聲就可以忽略。60光纖通信系統光通信系統的主要本征噪聲 光檢測器引入噪聲 光接受機電路噪聲 光源模式分配噪聲61光纖通信系統光檢測器引入噪聲 光散彈噪聲（量子噪聲） 暗電流噪聲 直流光或背景光噪聲 倍增噪聲62光纖通信系統光電路噪聲熱噪聲63光纖通信系統光源模式分配噪聲 使用多縱模LD或對單縱模L

18、D進行高速調制時。 其譜線多個縱模的能量不是固定的，而是隨機分配的。 這種隨機分配的不同光頻率的模式經過光纖傳輸，由于材料色散，使信號隨機起伏，從而形成噪聲。 模分配噪聲不是光形成的噪聲。產生的，而是光源和光纖系統中64光纖通信系統光纖通信系統噪聲分析1光電路噪聲光電路噪聲主要考慮前置放大器，分析方法在其它課程中有較詳細的介紹。2光檢測器的量子噪聲如果光檢測器的暗電流噪聲不大，那么分折光檢測器的噪聲時，主要是考慮光檢測器的量子噪聲。如果使用雪 崩管，還要考慮倍增噪聲。65光纖通信系統光纖通信系統噪聲分析 隨機噪聲 使用隨機過程中方差的概念來分析 推導光檢測器量子噪聲在點產生的平均噪聲功率 隨機

19、過程的方差 描述了隨機過程各時刻的取值，偏離隨機過程均值的程度。光輸出電壓的方差就是：光66輸出噪聲的平均功率光纖通信系統67光纖通信系統噪聲的特征一種隨機性的起伏量無規則的電磁場形式電信號中一種不需要的成分干擾實際系統中信號的傳輸和處理影響和限制了系統的性能瞬時電壓Vn(t)的變化形式噪聲的數學表示69光纖通信系統均方根值Vn2 (t)1/2為噪聲電壓的有效值。噪聲的大小噪聲均方值Vn2(t)0電阻(1W)上所耗損的平均功率可用功率測量噪聲電壓Vn(t)的振幅、相位等均隨時間作無規則的變化其瞬時值的平均為零Vn(t)0噪聲的數學表示 vn(t)>R=2kBTRB2(V2) in(t)&

20、gt;R=2kBTB/R2(A2)式中：kB1.38×10-23 JK-1為玻爾茲曼常數T為絕對溫度(K)，B 為頻域內的系統工作帶寬70光纖通信系統電阻及內部自由電子或 電荷載流子的不規則熱引起的噪聲均方電壓和均方電流為:噪聲的數學表示 vn(t)>=l vn,l(t)>2271光纖通信系統 dv 2 (t)>=2k TRdfnB用 帶寬的均方噪聲均方噪聲譜密度來表示，比較噪聲的大小l個互不相關噪聲源的總噪聲是各個噪聲源的均方和1散彈噪聲(量子噪聲）電流是由帶電粒子(如電子)的運動形成帶電粒子的產生和運動是隨機的電流就會有隨機波動給信號疊加上了起伏噪聲因帶電粒子產生和運動的隨機性而引起的噪聲就叫散彈噪聲特征一種具有均勻頻譜的白噪聲譜密度與平均電流強度I成正比與光功率的恒定性無關72光纖通信系統散彈噪聲特性散彈噪聲總是存在的，極限靈敏度的限制73光纖通信系統本征噪聲APD中與倍增增益成正比倍增過程的統計特征產生附加的散彈噪聲散彈噪聲與信號電平有關來自時間內到達