光纤通信系统 第4版 第4章 光检测和光接收机.ppt

3.其他电路除了光接收电路和输出电路等主要电路外，考虑到运行、管理和维护（OAM）等需要，保证设备稳定、可靠地工作，还必须有指示故障的告警电路、维护人员联络用的公务电路、使通信信道尽可能不中断的倒换电路以及适应机房供电系统的直流电源变换电路等。4.2.2光接收机性能指标影响光接收机性能的主要因素有码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、入射光波长、信号调制速率以及各种噪声等。（1）码间干扰对于强度调制-直接检测光纤通信系统而言，色散和非线性引起的码间干扰是影响光接收机灵敏度的重要因素。（2）消光比采用强度调制的光发送机，为了减小激光器的弛张振荡现象提高光发送机的调制响应性能而加入了直流偏置电流，这也使得（3）暗电流光电检测器中的暗电流对光接收机灵敏度的影响与消光比的影响相似，暗电流与光源无信号时的残留光一样，会在接收机中产生噪声和降低接收机的灵敏度。4.2.3直接检测光接收机噪声分析1.直接检测光接收机中的噪声源光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。光接收机中的主要噪声源及其引入部位如下图所示。其中散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声，放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。2.光电检测器的噪声分析光电检测器的噪声分析（续）3.光接收机误码性能分析光接收机中产生误码的原因很复杂，一般而言主要与包括散粒噪声、倍增噪声和热噪声等在内的噪声有关。误码的多少及分布不仅和总噪声的大小有关，还与总噪声的分布有关。入射光子在光电检测器内产生的光生载流子通常可以认为服从泊松分布，但经过雪崩倍增、放大、均衡等环节后，噪声分布变得很复杂，所以要精确计算误码率及灵敏度就比较困难。由于噪声的存在，接收机放大器的输出是一个随机过程，判决时的取样值也是随机变量。所以在判决时可能会发生误码。把接收的“1”码误判为“0”码，或把接收的“0”码误判为“1”码。判决点上的噪声电压误码性能分析误码率和Q值接收机误码率-灵敏度实际中，由于Q不易直接测量，一般使用的是误码率-灵敏度曲线，如下图所示。不难看出，对于图中所示的两个光接收机A和B而言，同样的误码率条件下，接收机B可以检测更小功率的输入光信号；另一方面，如果输入的光信号功率相同，接收机B具有更好的误码率性能（误码率更低），因此，接收机B较接收机A具有更好的灵敏度性能。4.3相干检测与相干接收机4.3.1相干检测基本原理传统的光接收机采用直接检测方式，即接收侧的光检测器只响应接收到的光功率大小（接收光信号的能量强度）而对光载波的频率或相位不敏感。强度检测方法相对较为简单且光接收机易于实现，但是其灵敏度受限于光检测器与接收机前端放大器的噪声。根据相关理论研究表明，这种噪声会以平方率形式对系统的接收灵敏度造成影响，其值比量子噪声极限灵敏度大约低10~20dB。20世纪70-80年代，半导体激光器的频率稳定度等指标得到了很大改善，使得光信号的零差和外差检测成为可能。由于其实现过程与光载波的相位相干性有关，因此也称为相干光通信系统（coherentsystem）。在相干系统中，不仅光载波的幅度可以携带信息，也可以通过对光载波的频率、相位乃至多个特征联合进行调制，得到了学术界的广泛重视，并被广泛视为是一种高速率长距离光通信系统中重要的候选解决方案。但是研究表明，需要有高精度的本地光源作为中频信号才能实现相干检测。相干光通信系统结构相干检测基本原理4.3.2零差检测和外差检测4.3.3相干接收机信噪比相干接收机信噪比（续）4.4光中继机光中继机光发送机输出的光脉冲信号，经过光纤传输后，因光纤的吸收和散射而产生衰减，又因光纤材料和结构上引起的色散影响，导致信号脉冲的失真。这些失真会使传输系统噪声个误码率增加且随距离增加而加剧。因此，为了补偿光信号的衰减，对波形失真的脉冲进行整形，延长光纤通信距离，可以在光纤传输线路中每隔一定距离设置光中继机对受传输损伤的光脉冲进行整形和恢复。传统的光纤通信系统中，由于无法实现全光通信和有效地光放大，因此光中继机采用了所谓的背靠背的光-电-光转换方式，即包括了光接收、再生判决和光发送部分。光-电-光方式的光中继机可以视为光接收机+光发送机的组合，除此之外，还有其他一些用以处理辅助业务信号的电路，完成公务、监控和区间通信等功能。由于光-电-光方式的光中继机（也称3R中继机）需要双向的收发部分，因此结构比较复杂，成本较高。20世纪90年代以来，全光处理技术和光放大技术获得了很大地发展，特别是光放大器的出现，使得在光纤线路系统中间可以不需要设置