目錄
3.1 光接收機 2
3.1.1 光接收機的分類與性能指標 2
3.1.2 直接檢測光接收機的構成及功能 2
3.2 光電檢測器 3
3.2.1 PN結的光電效應 4
3.2.2 PIN光電二極管 4
3.2.3 雪崩光電二極管（APD） 6
3.3 放大電路及其噪聲 7
3.3.1 噪聲的數學處理 8
3.3.2 放大器輸入端的噪聲源 8
3.3.3 場效應管和雙極晶體管的噪聲源 10
3.3.4 前置放大器的設計 10
3.4光接收機的靈敏度 11
3.4.1 靈敏度計算的一般方法 11
3.4.2 影響光接收機靈敏度的主要因素 11
3.5光接收機的組成模塊 12
3.5.1 碼間干擾問題與濾波均衡電路 12
3.5.2 接收機的動態范圍和自動增益控制電路 14
3.5.3 再生電路 14
3.6 相干檢測光接收機簡介 16
3.6.1 相干檢測原理簡介 16
3.6.2 DPSK信號的準相干檢測 17

第三章 光接收機
3.1 光接收機
光接收機的作用：將承載信息的光信號變成電信號。
檢測微弱光信號，并將光信號成比例地轉換為電信號，還要能對接收到的電信號進行整形、放大以及再生。
3.1.1 光接收機的分類與性能指標
光接收機按照是否有本振激光器可分為直接檢測接收機和相干檢測接收機。
直接檢測不需要本振激光器，實現簡單，但只能檢測光信號的強度信息；相干檢測需要本振激光器，且要保持本振激光器與信號光之間的相干性，可以檢測光信號的相位信息，但實現復雜
現實中多使用直接檢測方式。
3.1.2 直接檢測光接收機的構成及功能
直接檢測光接收機分為模擬光接收機和數字光接收機兩種，主要使用數字光接收機。主要組成如圖所示。

7個器件：
光電檢測器：負責光電轉換，實現光信號轉換為電信號，即對光進行解調。
前置放大器：對光電檢測器產生的微弱電流信號進行放大。
主放大器：提供足夠的增益
自動增益控制（AGC）電路：可以控制主放大器的增益使得輸出信號的幅度在一定的范圍內不受輸入信號幅度的影響。。
濾波均衡器：對主放大輸出的失真數字進行整形，保證判決時不存在碼間干擾，以得到最小的誤碼率。
判決器和時鐘恢復電路：對信號進行再生。

3.2 光電檢測器
常用光電檢測器有光電二極管（PD）和雪崩二極管（APD）兩種類型，
光纖通信中對光電檢測器的要求：
在所用光源的波長范圍內有較高的響應度；
較小的噪聲；
響應速度快；
對溫度變化不敏感；
與光纖尺寸匹配；
工作壽命長

3.2.1 PN結的光電效應
光電檢測器本質上是一種光電轉換效應，利用PN結的光電效應，光電二極管能把光信號高效且快速地轉換為電信號。當入射光變化時，光生電流隨之發生線性變化，從而把光信號轉化為電信號。
3.2.2 PIN光電二極管
1.原理與結構
在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體以擴大耗盡區寬度，這種結構便是常用的PIN光電二極管。I層是一個接近本征，摻雜很低的N區，I區很厚，耗盡層幾乎占據了整個PN結，從而使光子在零點場區被吸收的可能性很小，而在耗盡層里被充分吸收。
2.光電二極管的波長響應范圍（光譜特性）
（1）響應波長的上限
入射光必須小于某個臨界值，才會發生光電效應，這個臨界值就叫做上截止波長，定義為：

（2）響應波長的下限和波長響應范圍
Si光電二極管的波長響應范圍為0.5-1.0μm,Ge和InGaAs光電二極管的波長響應范圍為1.1-1.6μm,
3.光電二極管的光電轉換效率
光電轉換效率可用光生電流Ip和入射光功率的比值p_0的比值來表示，表示了輸出和輸入的響應，因此稱其為響應度，即

光電二極管的量子效率表示入射光子能夠轉換成光電流的概率。是光生電子-空穴對和入射的光子數的比值。

提高量子效率可以采取以下措施：
盡量減少光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數；
盡量減少中性區的厚度，增加耗盡區的寬度，使光子盡可能多的在耗盡層被吸收。
4. 光電二極管的響應速度
響應速度常用響應時間來表示。光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，后沿由90%下降到10%的時間定義為脈沖上升時間和下降時間。影響響應速度的主要因素包括（1）負載電阻的RC時間常數（2）載流子在耗盡區里的渡越時間。（3）耗盡層外產生的載流子由于擴散而產生的時間延遲。
5.光電二極管的暗電流
暗電流指無光照時光電二極管的反向電流，暗電流的隨機起伏會形成暗電流噪聲。

3.2.3 雪崩光電二極管（APD）
1.工作原理
雪崩光電二極管能承受高反向偏壓，從而在PN結內部能形成一個高電場區。載流子雪崩式發展從而使光電流獲得倍增。

2．APD的平均雪崩增益
由于雪崩倍增過程是一個復雜的隨機過程，因此往往用平均雪崩增益G來表示APD的倍增的大小。光電二極管平均雪崩倍增G定義為：

3.APD的結構
光纖通信在0.85μm波段常用的雪崩光電二極管由拉通型（RAPD）和保護環型（GAPD）兩種。結構 如圖

其中，GPADA具有高靈敏度，但他的雪崩增益隨偏壓變化的非線性十分突出。要獲得足夠的增益，必須在接近擊穿電壓下使用，而擊穿電壓對溫度很敏感，當溫度變化時，雪崩增益也隨之變化。
RPAD在一定程度上克服了這一缺點，，雪崩增益隨偏壓變化相對緩慢。同時由于耗盡層占據了整個π區，RAPD也具有高效、快速、低噪聲的優點。
4.APD的過剩噪聲
F(G)表示由于雪崩效應的隨機性引起的過剩噪聲系數。在工程上，為了簡化運算，用過剩噪聲指數x來表示過剩噪聲系數。
F(G)≈G^x
過剩噪聲指數x與器件所用材料和制造工藝有關。Si-APD在0.3-0.5之間，Ge-APD在0.8-1.0之間，InGaAs-APD在0.5-0.7之間。

3.3 放大電路及其噪聲
放大器的輸出噪聲主要來源于放大器內部的電阻和有源器件。有源器件有雙極晶體管（BJT）和場效應管（FET）兩類。
放大器的輸出噪聲主要由前置級所決定。本節先介紹噪聲的數學處理，然后介紹放大器輸入端的噪聲以及所使用的FET和BJT的噪聲，在此基礎上介紹前置放大器的設計方法。
3.3.1 噪聲的數學處理
1.噪聲的統計性質
噪聲是一種隨機過程。
統計特性用概率密度函數和概率分布函數來表示

2.隨機過程的數字特征
均值，標準差（方差）
3.隨機過程的功率譜密度

3.3.2 放大器輸入端的噪聲源
放大器的噪聲包括電阻的熱噪聲及有源器件（雙極晶體管和場效應管）的噪聲，這些噪聲均服從正態分布。這允許我們計算放大器的噪聲時，先分別分析各個噪聲源的方差，再通過疊加法求出放大器輸出的總噪聲。
輸入端的等效電路及噪聲源

光接收機的原理圖和等效電路圖如圖所示，偏置電阻具有熱噪聲，具有熱噪聲的電阻可以有兩種等效方式，一種是等效為一個無噪聲的電阻和一個噪聲電流源并聯（如圖中間部分）；另一種等效方式是吧帶有噪聲的電阻等效為一個理想的電阻和一個噪聲電壓源串聯。

放大器的輸出噪聲電壓的計算

3.3.3 場效應管和雙極晶體管的噪聲源
1.場效應管的噪聲源
場效應管的噪聲源主要有兩個：柵漏電流的散粒噪聲（由于柵極電流的隨機起伏形成）和溝道的熱噪聲。
2.雙極晶體管的噪聲源
雙極晶體管的噪聲源有以下幾種：散粒噪聲（由于注入到基區里的載流子的隨機漲落引起）、基區電阻的熱噪聲、分配噪聲（由于基區中載流子的復合速率的起伏所引起）

3.3.4 前置放大器的設計
前置放大器主要有以下三種類型：
低阻型前置放大器
低阻型前置放大器從頻帶的要求出發選擇偏執電阻。特點是線路簡單，接收機不需要或只需要很少的均衡，前置級的動態范圍也較大。但是這種電路的噪聲也較大。
高阻型前置放大器
設計方法是盡量加大偏置電阻，把噪聲減小到盡可能小的值。
高阻型前置放大器一般只在碼速較低的系統中使用。
跨（互）阻型前置放大器
跨阻型（也稱為互阻型）前置放大器實際上是電壓并聯負反饋放大器。是一個性能優良的電流-電壓轉換器。具有噪聲低，靈敏度高和頻帶較寬的優點。

3.4光接收機的靈敏度
3.4.1 靈敏度計算的一般方法
靈敏度的計算方法分為精確計算方法和高斯近似計算方法。
靈敏度的精確計算方法，用比較精確的方法分析光電檢測過程中的統計性質，通過放大器概率密度函數和光電檢測過程的概率密度函數的卷積計算，求出放大器輸出端總噪聲的概率密度函數，進而來計算接收機的靈敏度。
工程中比較常用的是高斯近似計算方法。假設雪崩光電檢測過程中的概率密度函數也是高斯函數，從而使靈敏度和誤碼率的計算大為簡化。且計算結果與精確計算結果接近，因而在工程上得到廣泛應用。（P119-P121詳細計算方法）
3.4.2 影響光接收機靈敏度的主要因素
光電檢測器的散粒噪聲和放大器熱噪聲的影響
散粒噪聲一般可以忽略，放大器噪聲時影響接受靈敏度的主要因素。
比特速率對接收機靈敏度的影響
當用PIN光電二極管作檢測器時，比特率增加一倍，靈敏度大約下降4.5dB。
當用APD作檢測器（設x≈0.5），且工作在最佳雪崩增益時，比特率增加一倍，靈敏度大約下降3.5dB。
輸入波形對靈敏度的影響
輸入脈沖波形越窄，他的頻譜越寬，接收機的頻帶就可以寬一些。這樣有利于限制高頻噪聲，提高接收機靈敏度。
消光對靈敏度的影響
消光比時發射機的性能指標，當消光比不為零時，這部分殘余光不僅對光電檢測沒有任何作用，還會增加光電檢測器的散粒噪聲，降低接收機的靈敏度。

3.5光接收機的組成模塊
前面分析了前置放大器輸入端的噪聲和放大電路，本節將討論IM-DD系統中接收機的其他幾個組成模塊。
3.5.1 碼間干擾問題與濾波均衡電路
碼間干擾問題

頻域均衡電路

兩種均衡電路：低速光纖通信系統的中的可變均衡電路，光纖傳輸系統中采用的射級可變均衡節。

時域均衡器——自適應均衡器

在時域用數字邏輯電路來進行自適應均衡。
眼圖分析法
通過眼圖直觀、簡單得判斷碼間干擾是否存在。
3.5.2 接收機的動態范圍和自動增益控制電路
接收機的的動態范圍
接收機的動態范圍是指在保證接收機正常工作的前提下，所允許的接收光功率的變化范圍。
當采用雪崩光電二極管作為光電檢測器時，可以采用兩種方法擴大接收機的動態范圍：一是對主放大器進行自動增益控制（AGC）,另一種是對APD的雪崩增益進行控制。
放大器電壓增益的控制方式：一種是改變放大器本身的參數，使增益發生變化。另一種是采用限幅放大器，限制放大器的輸出幅度。
幾種常用的放大器電壓增益自動控制電路
改變差分放大器工作電流的AGC電路
這種方法僅在晶體管工作在小電流的狀態下控制效果才比較明顯，而且每一級的控制范圍也不太大。高頻特性不好。
分流式控制電路
優點：控制范圍較大（一級的控制范圍可達30dB-40dB），高頻特性較好。
控制雙柵極場效應管的增益
具有良好的高頻特性，且方便可行，在高速率光纖通信系統中得到廣泛的應用。
3.5.3 再生電路
再生電路的任務是吧放大器輸出的升余弦波形恢復成數字信號，它由判決電路和時鐘提取電路組成。
信號預處理
接收信號在送入鎖相環路或濾波器之前，一般還要進行預處理。非線性預處理的基本方法是利用微分、整流電路來實現。當系統的速率較低時，可采用阻容微分、二極管全波整流的電路；當系統的速率較高時，可采用邏輯微分整流方式或采用延遲原理來窄化脈沖。
鎖相環路

鎖相環路包括鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分。鎖相環路的工作分為捕捉和跟蹤兩種狀態。
鑒相器對相位誤差敏感，對預處理后的信號和壓控振蕩器輸出的振蕩信號進行鑒相。
環路濾波器是一個比例積分器，使用環路濾波器是為了得到所需要的的環路傳遞函數，濾除快變的相位噪聲。可以通過環路濾波器得到預定的帶寬、阻尼等。
壓控振蕩器的振蕩頻率與來自環路濾波器的誤差電壓成正比，故輸出相位與控制電壓的積分成正比。
聲表面波濾波器
作用：提取時鐘信號，經過聲表面波濾波器濾出的信號，還需經過限幅放大和適當相位延遲，使波形前后沿陡峭，并獲得最佳的判決時間。
主要性質：（1）振鈴效應和等效帶寬（2）通帶波紋（抑制通帶波紋是濾波器設計的重要問題之一）

3.6 相干檢測光接收機簡介

相干光接收方式適合于所有調制方式的通信。
3.6.1 相干檢測原理簡介
相干檢測可以采用單臂或者雙臂的形式，雙臂檢測的性能高于單臂檢測。

單臂檢測器中包含了直流成分，這個直流成分太高了電平，不便于信號的檢測，因此，當前的相干檢測都采用雙臂方式。
3.6.2 DPSK信號的準相干檢測
由于對光通信速率，容量要求的不斷提高，具有較好的抗非線性、色散以及較高的碼元傳輸性能的差分相依（DPSK）調制方式取代強度調制成為了研究的重點，在目前40Gbit/s及以上的高速光纖通信系統中得到廣泛應用。

摘錄自：
[1] 顧畹儀. 光纖通信.第2版[M]. 人民郵電出版社, 2011.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2020-08-14 光纤通信第三章知识点整理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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