PAGE/通信系統(tǒng)綜合設(shè)計與實踐光接收機的特性研究院〔系名稱信息工程學(xué)院電子與通信工程系專業(yè)名稱學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2016年6月16日課程設(shè)計任務(wù)書2015—2016學(xué)年第二學(xué)期專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程學(xué)號：1301021037姓名：鄭智虹課程設(shè)計名稱：光纖通信系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計題目：光接收機的特性研究完成期限：自2016年6月6日至2016年6月19日共2周一、設(shè)計依據(jù)光接收機是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分.它的作用是將由光纖傳來的微弱光信號轉(zhuǎn)化為電信號.經(jīng)放大.處理后恢復(fù)原信號。光接收機性能對整個光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有著很大的影響.通過對光接收機的誤碼率.靈敏度.動態(tài)范圍等性能參數(shù)的研究.為光接收機的性能檢測和維護等方面的工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。并用Optimist仿真軟件進行仿真.搭建光接收機的傳輸系統(tǒng)平臺.通過參數(shù)的設(shè)置.分析最小誤碼率下的入纖光功率。二、要求及主要內(nèi)容1．查閱相關(guān)文獻.掌握影響光接收機靈敏度的因素。2．學(xué)會Optimist仿真軟件的使用方法.并搭建光接收機的傳輸平臺；3．結(jié)合仿真平臺.分析最佳眼圖效果下的靈敏度、Q值、增益、功率等參數(shù)。分析光接收機的傳輸性能。三、途徑和方法1．查閱相關(guān)文獻.掌握光接收機的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理；2．利用Optimist仿真軟件搭建光接收機傳輸系統(tǒng)；3．APD和PIN兩種光電檢測器的對比分析.驗證光接收機的性能及影響接收機靈敏度的主要因素；4．設(shè)置參數(shù).定向分析兩種光電檢測器在傳輸系統(tǒng)中的優(yōu)越性。四、時間安排1．課題講解：2小時。2．閱讀資料：10小時。3．撰寫設(shè)計說明書：12小時。4．修訂設(shè)計說明書：6小時。五、主要參考資料[1]李履信．光纖通信系統(tǒng)[M]．機械工業(yè)出版社.2003.7[2]劉增基.周洋溢．光纖通信[M]．XX電子科技大學(xué)出版社[3]王磊.裴麗．光纖通信的發(fā)展和未來[J]．中國科技信息2006.4[4]楊浚明．光纖通信設(shè)計[M]．天津科學(xué)技術(shù)出版社.1995[5]趙梓林．光纖通信工程[M]．人民郵電出版社.1987[6]汪杰軍．光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的設(shè)計[M]．現(xiàn)代電子技術(shù).2008指導(dǎo)教師〔簽字：教研室主任〔簽字：批準(zhǔn)日期：年月日摘要光纖通信技術(shù)〔opticalfibercommunications從光通信中脫穎而出.已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一.在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù).其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的.也是世界新技術(shù)革命重要標(biāo)志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。本文章首先介紹了光接收機的發(fā)展歷史及理論知識；其次使用optisystem模擬仿真軟件.利用仿真.修改光接收機性能參數(shù).分析系統(tǒng)的性能和影響性能的參數(shù)因子；最后對光路結(jié)構(gòu)改進以提高光接收機的性能。關(guān)鍵字：光纖通信技術(shù).光接收機目錄1.緒論11.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義11.2光接收機簡介11.3光接收機的類型21.4論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容22.光接收機的基本理論32.1光接收機的結(jié)構(gòu)3光接收電路3輸出電路4其他電路42.2光接收機性能指標(biāo)4靈敏度42.2.2動態(tài)范圍5影響接收機性能的主要因素52.3靈敏度及噪聲分析6理想接收機靈敏度6光接收機噪聲分析7光接收機誤碼率83.光接收機的仿真模擬93.1OptiSystem軟件簡介93.2光接收機OptiSystem仿真93.2.1APD接收機散粒噪聲增強93.2.2誤比特率對接收機靈敏度的影響153.2.3最小光功率對接收機靈敏度的影響173.3本章小結(jié)20總結(jié)21參考文獻221.緒論1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、目的及意義光纖通信是以光波為信息載體.通過光纖來傳遞的一種通信設(shè)施。因為它具有容量大.傳輸距離遠.傳輸速度快.經(jīng)濟等特點.所以在當(dāng)今被廣泛應(yīng)用。光纖通信的發(fā)展史雖然只有二三十年.但由于它無比的優(yōu)越性.使它成為了現(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)中最為重要的傳輸媒介。在光纖通信系統(tǒng)中.光接收機〔Opticalreceiver的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真.恢復(fù)出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息.因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統(tǒng)的性能。光發(fā)射機發(fā)射的光信號經(jīng)傳輸后.不僅幅度衰減了.而且脈沖波形也展寬了.光接收機的作用就是檢測經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?并放大、整形、再生成原傳輸信號。1.2光接收機簡介光接收機是光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分.其性能是整個光纖通信系統(tǒng)性能的綜合反映。由光發(fā)送機發(fā)出的光信號在光纖線路中傳輸時.不僅會受到損耗的影響而造成幅度衰減.同時光纖色散和非線性效應(yīng)等可能會引起脈沖波形展寬.由此造成的信號質(zhì)量下降會增加接收機接收信號的難度.這些都對接收機的性能提出了較高的要求。光接收機的主要功能是將經(jīng)光纖線路傳輸后的微弱光信號進行光電變換.然后經(jīng)過必要的處理后恢復(fù)成原始的信號。一個典型的直接檢測光接收機主要由光接收電路和輸出接口電路組成。光接收機的性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離、誤碼率和通信質(zhì)量。1.3光接收機的類型光接收機分為模擬光接收機和數(shù)字光接收機兩種。模擬光接收機用于接收模擬信號.比如說光纖CATV信號。當(dāng)前的通信系統(tǒng)由于大多采用數(shù)字信號.因而主要用的是數(shù)字光接收機。檢測方式分為相干檢測方式和非相干檢測方式。相干檢測方式首先接收將接收到的光信號與一個光本地振蕩器在光混頻器混頻之后.再被光電檢測器變換成一定要求的電信號.類似于無線電收音機。常用的非相干檢測方式就是直接功率檢測方式.通過光電二極管直接將接收的光信號恢復(fù)成基本調(diào)制信號的過程。1.4論文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容通過閱讀大量的資料及現(xiàn)在人們對光纖通信系統(tǒng)的研究.本文主要對光纖傳輸系統(tǒng)中光接收機的特性的研究。第一章敘述了光纖通信技術(shù)的發(fā)展.其次講解了光接收機的簡述及分類；第二章介紹了光接收機的結(jié)構(gòu)組成及工作原理.還說明了光接收機的性能指標(biāo)；第三章簡單介紹了optisystem這個軟件.最后是光接收機的仿真分析。2.光接收機的基本理論2.1光接收機的結(jié)構(gòu)圖2.1光接收機結(jié)構(gòu)光電檢測器的輸出信號電流很小.必須由低噪聲、寬頻帶的前置放大器進行放大。信號進行高增益的放大并對經(jīng)傳輸和放大后的失真信號進行補償與整形將信號的基線〔低電平固定在某一電平上.解決信號的基線漂移.以便于判決從收到的帶有噪聲和畸變的波形中識別信碼"1"和"0"。然后由再生電路重新產(chǎn)生和發(fā)端一樣的數(shù)字脈沖序列。2.1.1光接收電路光接收電路由檢測器、前置放大器、主放大器、自動增益控制和均衡電路組成。它將光信號變換成一定幅度的、波形好的電信號.供后續(xù)電路進行再生判決?！?光檢測與前置放大器光電檢測器完成光電轉(zhuǎn)換。由發(fā)送端發(fā)出的光信號經(jīng)過光纖線路傳輸后.到達接收端已經(jīng)很微弱。檢測器輸出的電流僅在nA數(shù)量級。所以必須采用多級放大將微弱的電信號放大至判決電路能正確識別。由于信號微弱又帶有噪聲.如果采用一般的放大器進行放大.放大器本身就會將前一級放大器所引入的噪聲也進行放大.信噪比并沒有得到改善。因此多級放大器的前級必須滿足低噪聲、高增益的要求.才能得到較大的信噪比?！?主放和均放信號經(jīng)前置放大器輸出仍然比較微弱.不能滿足幅度判決的要求.因此還必須加以放大。由于光接收機的入射光功率有一個可變化的動態(tài)范圍.因此放大器增益也應(yīng)隨入射光功率的變化得到相應(yīng)的調(diào)整.以適應(yīng)在不同輸入信號情況下仍能保持輸出電平穩(wěn)定。即實現(xiàn)自動增益控制。在光接收機中.把實現(xiàn)自動增益控制的放大級稱為主放大器。均放電路的主要作用是對接收到的信號進行均衡以利于定時判決?！?基線處理與定時再生由于傳輸線路上所傳送的碼流中"0"、"1"分布并不均勻.并不可避免地有連續(xù)的"0"或連續(xù)的"1"出現(xiàn).使得信號中的直流成分有起伏變化.這種信號在接收機中處理時.因各級間的耦合均為交流耦合.即RC耦合.這會使信號的基線隨直流成分的變化而漂移。這種漂移嚴重時.會使判決產(chǎn)生誤碼。在發(fā)送端雖已進行了線路碼型變換.以使碼流中的"0"、"1"分布盡可能均勻使信號中的直流分量盡可能恒定.但是由于種種原因.難以達到理想程度。因此在定時再生電路中.首先要對基線漂移進行處理.即將信號的基線〔低電平固定在某一電平上。經(jīng)過基線處理的信號.首先要進行幅度判決.然后再經(jīng)過時鐘提取.還原出幅度和時鐘準(zhǔn)確的再生信號是定時再生。2.1.2輸出電路輸出電路是光端機接收部分在定時再生之后的信號處理部分。通常包括線路碼型反變換、輸出接口兩大部分。低中速率的光端機.則將這兩部分安裝在一塊機盤中.稱為輸出盤。在"光電合架"設(shè)備中.取消了輸出接口電路.則碼型反變換部分和光接收電路裝在同一塊機盤中。2.1.3其他電路告警電路、倒換電路、公務(wù)電路、電源電路2.2光接收機性能指標(biāo)光接收機的主要性能指標(biāo)包括接收機靈敏度、動態(tài)范圍、過載功率、誤碼率、信噪比、Q值等.其中靈敏度和動態(tài)范圍是光接收機的關(guān)鍵指標(biāo)。靈敏度表示在給定的誤碼率〔或信噪比條件下.光接收機接收微弱信號的能力。動態(tài)范圍表示光接收機適應(yīng)輸入信號變化的能力。靈敏度光接收機靈敏度是表征光接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時.接收微弱光信號的能力。它可用下列三種物理量表示。在保證達到所要求的誤碼率〔或信噪比條件下.接收機所需的：〔1輸入的最小平均光功率PR；〔2每個光脈沖的最低平均光子數(shù)n0；〔3每個光脈沖的最低平均能量Ed。三種表示方法之間的關(guān)系：〔式2-1式中：T為脈沖碼元時隙.T=1/fbhf是一個光子能量PR的單位為W.常用mW。若用dBm來表示靈敏度Sr.則可寫為：〔式2-2動態(tài)范圍動態(tài)范圍表征的是光接收機適應(yīng)輸入信號變化的能力.也即光接收機靈敏度和過載功率之間的差值。即〔式2-3影響接收機性能的主要因素由上述計算接收機最小接收光功率的公式中看出.在一定誤碼率條件下.影響接收機靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長、信號速率、各種噪聲等。下面只對碼間干擾、消光比、暗電流的影響進行分析。<1>碼間干擾在光纖通信系統(tǒng)中.光接收機的輸入光脈沖信號寬度與光發(fā)送脈沖及光纖的帶寬有關(guān)。在光纖色散較大的情況下.光脈沖通過光纖時將被展寬.產(chǎn)生碼間干擾.降低光接收機的靈敏度。<2>消光比光源在直接強度調(diào)制下.由于要考慮一定的偏置電流.使得無信號脈沖時仍會有一定的輸出功率。這種殘留的光將在接收機中產(chǎn)生噪聲.影響接收機靈敏度。定義參數(shù)消光比〔EXT為：〔式2-4一般要求EXT≤10%。當(dāng)EXT≠0時.光源的殘留光使檢測器產(chǎn)生噪聲。EXT越大時對靈敏度的影響也越大.其值與使用的光檢測器有關(guān)。<3>暗電流光電檢測器中的暗電流對光接收機靈敏度的影響與消光比的影響相似。暗電流與光源無信號時的殘留光一樣.在接收機中產(chǎn)生噪聲.降低接收機的靈敏度。在APD光電檢測器中.有兩種暗電流.一種是無倍增的.一種是有倍增的.后者對靈敏度的影響要比前者更大一些。2.3靈敏度及噪聲分析光接收機的作用是將接收到的微弱的數(shù)字光信號通過光電二極管轉(zhuǎn)換為光電流.并經(jīng)放大、整形、判決等信號處理.完成信號的準(zhǔn)確檢測。一個性能優(yōu)良的光接收機應(yīng)具有盡可能高的接收靈敏度。但靈敏度的提高受到了接收機中存在的噪聲的影響。噪聲的存在將會降低接收機的靈敏度。理想接收機靈敏度考慮一個理想光纖通信系統(tǒng).即是假設(shè)系統(tǒng)的頻帶無限寬.系統(tǒng)無噪聲。對這樣的系統(tǒng).我們可認為.發(fā)送端調(diào)制信號是矩形脈沖.光脈沖信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)浇邮斩?經(jīng)過光電檢測器檢測得到的電信號還是矩形脈沖。那在這種系統(tǒng)中.接收機的靈敏度將受到什么限制呢？最大可能的值是多少呢？〔1理想接收機靈敏度的計算根據(jù)〔式2-5在誤碼率要求為Pe=10-9時.即可求出Ed.即為理想光纖通信系統(tǒng)接收靈敏度。〔式2-6由上式可見.理想光纖通信系統(tǒng)的靈敏度〔Pe=10-9時為21個光子的能量?；蛘哂孟率奖硎尽彩?-7由此可知.理想接收機的靈敏度與光信號速率、光波頻率〔或波長、檢測器的量子效率η有關(guān)?！?工程中靈敏度的計算在實際工程應(yīng)用中.接收機所需的最小接收光功率可按如下近似公式計算。當(dāng)光電檢測器為PIN時：〔式2-8當(dāng)光電檢測器為APD時：〔式2-9式中fb為系統(tǒng)碼速Mbit/s.fb0為基準(zhǔn)計算碼速.fb0=25Mbit/s。光接收機噪聲分析光接收機中存在各種噪聲源.根據(jù)噪聲產(chǎn)生的不同機理.噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪聲。接收機中的噪聲源及其引入部位如圖4-12所示。其中散粒噪聲包括光檢測器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；熱噪聲主要指負載電阻產(chǎn)生的熱噪聲.放大器噪聲〔主要是前置放大器噪聲中.既有熱噪聲.又有散粒噪聲。圖2.2光接收機噪聲對于光檢測器的噪聲.采用的主要方法是從建立噪聲的數(shù)學(xué)模型著手進行分析?！泊颂幫茖?dǎo)過程不作要求如果規(guī)定誤碼率指標(biāo)為不超過Pe＝10-9.則最小必須接收的光脈沖能量應(yīng)為<式2-10>如果量子效率η＝1.則最小檢測的光脈沖能量必須等于21hf.也就是說最小必須接收21個光子.才能保證誤碼率不大于10-9。如發(fā)送端發(fā)出的"1"碼和"0"碼等概率出現(xiàn)〔數(shù)目相等每位碼持續(xù)時間為T.那么平均檢測光功率必須至少為〔式2-11這就是接收機靈敏度對規(guī)定誤碼率Pe＝10-9的基本極限.即所謂量子極限。光接收機誤碼率光接收機的誤碼主要由散粒噪聲、倍增噪聲、熱噪聲等綜合的總噪聲引起。誤碼的多少及分布不僅和總噪聲的大小有關(guān).還與總噪聲的分布有關(guān)。入射光子在PIN內(nèi)產(chǎn)生的電子或在APD內(nèi)產(chǎn)生的一次電子通常服從泊松分布。但經(jīng)過電子倍增.再經(jīng)放大、均衡后.噪聲分布變得很復(fù)雜。所以要精確計算誤碼率及靈敏度就比較困難?！?誤碼率的定義是〔式2-12造成誤碼的原因很多.如光纖的色散、光電二極管的噪聲、前置放大器的噪聲等.在這里討論的是光接收機噪聲對誤碼率的影響。為了計算光接收機的誤碼率.必須知道濾波器輸出信號的概率分布?！?最小誤碼率分析在判決點上電壓V0超過D的概率.即為把"0"碼誤判為"1"碼的概率可以表示為〔式2-12把"1"碼誤判為"0"碼的概率為〔式2-13Pe,01＝Pe,10時可獲得最小的誤碼率〔式2-14〔式2-153.光接收機的仿真模擬3.1OptiSystem軟件簡介隨著光纖通信系統(tǒng)日新月異的發(fā)展.光通信系統(tǒng)越來越復(fù)雜。現(xiàn)行的光纖通信系統(tǒng)通常包括眾多非線性器件和非高斯噪聲源.對這樣的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計與分析是非常復(fù)雜的.需要耗費極其多的時間。因此.人工或者單純依靠經(jīng)驗計算設(shè)計光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)越來越顯得力不從心。在這背景下.這些設(shè)計和分析任務(wù)被高效、有效、先進的計算機輔助軟件執(zhí)行已成為必然的趨勢。OptiSystem就此營運而生。OptiSystem是一款創(chuàng)新的光纖通信系統(tǒng)設(shè)計與仿真軟件.它集成了設(shè)計、測試和優(yōu)化各種光網(wǎng)絡(luò)物理層等諸多功能.從模擬視頻廣播系統(tǒng)到洲際骨干光纖鏈路的設(shè)計均可以使用OptiSystem進行設(shè)計、測試、優(yōu)化。OptiSystem作為一款獨立的產(chǎn)品.不依賴于其他模擬框架。它是一款基于現(xiàn)實光纖通信系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級仿真軟件。它擁有強大的新的模擬環(huán)境、真正的分層結(jié)構(gòu)定義組件。它允許添加用戶自定義組件.具備良好的系統(tǒng)擴展性.可以實現(xiàn)與其他仿真軟件比如Matlab的無縫銜接。OptiSystem具備全面的用戶圖形界面〔GUI,GraphicalUserInterface,可以靈活控制光學(xué)元件的布局、網(wǎng)表、組件模型、演示圖形等。擁有豐富的元件庫.其中包含大量的有源和無源器件.可以滿足一般情況下系統(tǒng)仿真的需求。并且相關(guān)器件均包括實際的、波長相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。3.2光接收機OptiSystem仿真APD接收機散粒噪聲增強本仿真用于實現(xiàn)光接收機使用PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管是接受信號的噪聲性能。圖3.1接收機使用PIN和APD性能比較原理圖APD光接收機在相同入射光功率的情況下具有更高的信噪比SNR.而其信噪比帶的改善來源于使光電流以倍增因子M增加的內(nèi)增益?！?確定光衰減器的最佳值圖3.2光衰減器衰減變化量圖3.3衰減量為5db時.APD眼圖圖3.4衰減量為10db時.APD眼圖圖3.5光衰減量為16.67時.APD眼圖由圖3.3,3.4,3.5對比得知.光衰減量為10時.眼圖效果最佳。下面就以光衰減量為10?！?圖3.6APD光接收機Gain的參數(shù)變化圖3.7Gain=5.56時.APD眼圖圖3.8PIN眼圖由圖3.7和圖3.8對比可以看出.這時.APD系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)高于PIN系統(tǒng)。圖3.9Gain=11.11時.APD眼圖由圖37圖3.9比發(fā)現(xiàn).如果倍增因子M增大.則會存在一個點.在這個點上散粒噪聲會降低系統(tǒng)性能.因此找到最優(yōu)的APD增益是很重要的。圖3.10APD不同增益下的Q值分布雪崩光電二極管APD在不同的增益下Q值分布曲線如圖3.6.由圖可知.增益越大.APD的Q值越高。圖3.11APD的增益值與誤碼率的變化曲線由圖3.11.APD的增益值變化曲線知.增益值在0~22之間時.誤碼率對APD的增益沒影響;增益值在22以后.誤碼率對APD的增益影響巨大。誤比特率對接收機靈敏度的影響仿真在利用誤比特率度量接收機靈敏度時.分析在不同的光功率輸入情況下.數(shù)據(jù)恢復(fù)階段誤比特率BER與Q的關(guān)系。圖3.12誤比特率仿真原理圖圖3.10不同衰減量下的Q值曲線光電二極管PIN在不同衰減量鞋的Q值分布曲線如圖3.10所示.由圖可知.衰減量越大.PIN的Q值越高。圖3.11不同衰減量下的BER曲線光電二