光接收机
光接收机的应用与原理
光接收机的应用与原理一、光接收机的概述光接收机是光通信系统中至关重要的组成部分，用于接收光信号并将其转换为电信号。
它在光纤通信、光无线通信等领域广泛应用，成为现代通信技术的重要支撑。
二、光接收机的原理光接收机的基本原理是利用光电二极管将光信号转换为电信号。
光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，它的结构类似于半导体二极管。
当光子入射到光电二极管的PN结上时，会激发电子从价带跃迁到导带，产生电流。
这个电流的大小与入射光子的能量有关，所以可以借此将光信号转换为电信号。
三、光接收机的工作原理光接收机主要通过以下几个步骤将光信号转换为电信号：1.光接收：接收器接收到入射光信号，光子入射到光电二极管上；2.光电转换：光电二极管将光子能量转换为电子能量，激发电子从价带跃迁到导带；3.电荷放大：电荷放大器将产生的微弱电流放大为可以被检测的电信号；4.信号处理：经过信号处理电路，将电信号进行滤波、放大、整形等处理；5.输出：最终将处理后的电信号输出给其他设备进行处理或存储。
四、光接收机的应用光接收机在光通信、光无线通信等领域有着广泛的应用，具体包括以下几个方面：•光纤通信：光接收机作为光纤通信系统中的关键组件，用于将光信号转换为电信号，并完成信号处理和转发。
•光无线通信：光接收机在光无线通信系统中起到类似的作用，将光信号转换为电信号，并进行后续处理和传输。
•光传感器：光接收机可以用于制造各种光传感器，用于环境监测、光学测量等应用。
•光学测量：在科学研究和工程领域，光接收机可以用于精密光学测量，如激光测距、光谱分析等。
•光电子设备：光接收机也可以用于制造各种光电子设备，如光电开关、光电触发器等。
五、光接收机的发展趋势随着通信技术的不断发展，光接收机也在不断演进和创新，未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1.高速化：随着通信速度的不断提升，光接收机需要具备更高的接收速度和处理能力。
2.多功能化：光接收机将不仅能够接收光信号，还能够进行信号处理、光谱分析等多种功能。
光接收机的主要指标
光接收机的主要指标
光接收机的主要指标包括以下几项：
1. 接收灵敏度(Sensitivity)：指光接收机在特定条件下能够正确接收和解读光信号的最小输入功率。
一般以dBm为单位表示，数值越小表示灵敏度越高。
2. 动态范围(Dynamic Range)：指光接收机可接受的最大和最
小输入功率之间的差距。
该指标直接影响光接收机对于不同输入功率的信号的处理能力。
3. 带宽(Bandwidth)：指光接收机能够正确接收和处理的频率
范围。
一般以Hz为单位表示，该指标决定了光接收机可以处
理的信号带宽。
4. 抗多径衰落性能(Multipath Fading Performance)：指光接收机在多径传播环境中对于信号衰落和失真的抵抗能力。
5. 误码率(Bit Error Rate, BER)：指光接收机在特定条件下接收
到的比特信号中错误的比特数量与总接收比特数量之比，常用于评估光接收机的性能。
6. 电流噪声(Noise Current)：指光接收机中电流噪声对于恢复
信号的影响。
光接收机的电流噪声越小，其信号恢复性能越好。
7. 电平线性度(Level Linearity)：指光接收机在不同输入光功率
下的输出信号电平是否保持线性。
良好的电平线性度有助于光
接收机准确地还原原始信号。
8. 脉宽失真(Pulse Distortion)：指光接收机对于短脉冲信号在传输过程中所引起的失真和延迟。
以上指标对于评估和比较不同光接收机的性能具有重要意义，不同应用场景下的光接收机可能会侧重不同的指标。
第十五讲 光接收机(一) 一、系统对光接收机的要求 二、光接收机的作用及组成框图
光纤数字接收机组成框图Fra bibliotek光接收机的组成
•
• • • •
前置放大器——应是低噪声放大器。其噪声取决于放大器类型， 目前一般采用跨阻型前放。 主放大器——一般为多级放大器，用于提供足够的增益，并通过 它实现AGC，以使是如光信号在一定范围内变化是，输出电信号保 持恒定。 均衡——目的是对经光纤传输、光电转换和放大后产生失真的电 信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰。 再生——包括判决电路和时钟提取电路，用于从放大器输出的信 号和噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个对波形进行取样判 决，以得到原发送的码流。 光电集成接收机——用“光电集成电路（OEIC）”技术在同一芯 片上集成包括光检测器在内的全部元件实现单片的光接收机，以 适应高传输速率要求。
第十五讲
光接收机（一）
主要内容
• 一、系统对光接收机的要求。 • 二、光接收机的作用及组成框图。
系统对光检测器的要求
• • • • • 波长响应和光纤低损耗窗口兼容。 响应度高。 噪声尽可能小。 性能稳定、可靠性高，寿命长。 功耗和体积小。
光接收机主要性能指标
• 接收灵敏度Pr ——在一定误码率条件（BER=10 －9）下，接收机能检测到的最小平均信号光功率。 • 接受动态范围DR——在一定误码率条件 （BER=10 －9 ）下，接收机能检测到的最小平均 接收光功率P<min>与最大平均接收光功率P<max>之 间的比值。
光接收机的作用
• 光接收机的作用是把经光纤传输后幅 度被衰减，波形被展宽的微弱光信号 转换为电信号，并处理放大，恢复为 原发射的数字序列。
光纤
光电 检测器
前置 放大器
主放大器
光接收机的工作原理及应用
光接收机的工作原理及应用1. 工作原理光接收机是一种用于接收光信号并将其转化为电信号的设备。
其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光电效应是指当光线照射到某些物质上时，会引发物质内部电子的运动。
光接收机中的光电二极管就是利用光电效应实现光信号转换的关键组件。
当光信号通过光纤或其他光传输介质传输到光接收机中时，光线会照射到光电二极管上。
这时，光子的能量会导致光电二极管内部的电子从价带跃迁到导带，产生电流。
接收到的光信号经过放大和处理后就可得到电信号。
除了光电二极管，光接收机还包括前置放大器、滤波器、放大器、数字处理器等组件。
前置放大器用于增加接收到的微弱光信号的强度，滤波器用于滤除杂散信号和不需要的频段。
放大器可以进一步增强信号强度，并提高信号质量。
数字处理器则用于对电信号进行采样、解调和误码校正等操作。
2. 应用领域光接收机具有高速、低噪声、大动态范围等优点，因此在许多领域具有广泛的应用。
2.1 光通信光接收机在光通信领域中扮演着重要的角色。
光纤通信系统中的光接收机能够将光信号转换为电信号，并经过解调处理，从而实现数据的传输和通信。
光接收机的高速度和低噪声特性使其在长距离光纤通信和高速数据传输中具有独特的优势。
2.2 光信号检测光接收机也广泛用于光信号的检测。
例如，在光电子学实验中，光接收机可用于检测光的强度、频率和偏振等信息。
此外，在光谱分析和光学传感器中，光接收机也可以用于检测光信号的特征和变化。
2.3 光电子设备光接收机还可以被应用于光电子设备中。
例如，在光纤传感器中，光接收机可用于接收传感器部件发出的光信号，并转化为电信号进行处理和分析。
在光存储器和光计算机中，光接收机也是必不可少的组成部分。
2.4 其他领域除了以上几个主要领域，光接收机还可以用于激光雷达、光学成像、光电测量等应用中。
在这些领域中，光接收机能够帮助我们获取到光信号中的有用信息，并实现相关的应用和功能。
3. 总结光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光纤通信原理第四章光接收机
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
f x 21expx2m22
1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
光接收机的原理
光接收机的原理光接收机是一种用于接收光信号并将其转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起到非常重要的作用，用于接收来自光纤传输的信号，并将其转化为可供处理和解码的电信号。
光接收机的原理主要包括光检测和信号放大两个方面。
光检测是光接收机的核心部分。
当光信号到达光接收机时，首先经过光探测器的光敏区域。
光探测器通常使用光电二极管或光电二极管阵列。
在光敏区域中，光信号被吸收并产生光生电流。
光生电流的大小与入射光的光强成正比。
接下来，光生电流被传输到放大电路中进行信号放大。
放大电路通常由多个级联的放大器组成，以增加信号的幅度和质量。
放大器可以采用不同的技术，如电子管、晶体管或光电二极管。
放大电路的设计需要考虑到信号的频率范围、噪声性能和功耗等因素。
除了光检测和信号放大，光接收机还需要进行信号解调和数据恢复。
在数字光通信系统中，光信号通常采用调制技术传输数字信息。
因此，光接收机需要解调光信号，恢复出原始的数字信号。
解调技术通常包括光电探测器的电路设计和数字信号处理算法。
在光接收机的设计中，还需要考虑到其他一些关键因素。
例如，光接收机需要具备高灵敏度和低噪声的特性，以便能够接收到弱光信号并保持良好的信号质量。
此外，光接收机还需要具备较快的响应速度，以适应高速光通信系统的要求。
同时，光接收机的设计还要考虑到功耗和成本的问题，以确保在实际应用中具备可行性和可靠性。
光接收机是光通信系统中不可或缺的组成部分，它能够将光信号转换为电信号，并在此过程中起到信号放大、解调和数据恢复的作用。
光接收机的原理主要包括光检测和信号放大两个方面，其中光检测通过光电二极管或光电二极管阵列实现，信号放大通过放大电路实现。
光接收机的设计需要考虑到灵敏度、噪声、响应速度、功耗和成本等因素。
通过不断的研究和创新，光接收机的性能将得到进一步的提高，为光通信技术的发展做出更大的贡献。
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号并转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍光接收机的结构和原理，以匡助读者更好地理解该设备的工作原理和性能。
一、光接收机的结构光接收机通常由以下几个主要组成部份构成：1. 光探测器：光探测器是光接收机的核心部件，用于将光信号转换为电信号。
常见的光探测器包括光电二极管（Photodiode）和光电导（Phototransistor）等。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结时，会产生电流。
光电导是一种具有放大功能的光电二极管，它可以将光信号转换为电流信号，并通过放大电路放大电流信号。
2. 光电转换电路：光电转换电路用于将光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大。
光电转换电路通常包括前置放大电路、滤波电路和放大器等。
前置放大电路用于提高光电二极管或者光电导的灵敏度，滤波电路用于滤除噪声和杂散信号，放大器用于放大电流信号，以便进一步处理和解析。
3. 接收电路：接收电路用于对光电转换电路输出的电压信号进行解码和处理。
它通常包括解调电路、解码电路和信号处理电路等。
解调电路用于将调制的光信号解调为基带信号，解码电路用于将基带信号解码为原始数据信号，信号处理电路用于对原始数据信号进行滤波、放大和整形等处理，以便进一步应用和分析。
4. 光纤连接器：光纤连接器用于将光接收机与光纤连接起来，以实现光信号的传输。
常见的光纤连接器有FC、SC、LC等不同类型，它们具有低插损、高耐用性和良好的光学性能，能够确保光信号的高质量传输。
二、光接收机的工作原理光接收机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 光信号接收：光接收机首先接收来自光纤的光信号。
光信号通过光纤传输到光接收机的光探测器。
2. 光电转换：光探测器将接收到的光信号转换为电信号。
光电二极管或者光电导在光照射下产生电流，电流的大小与光信号的强度成正比。
3. 电信号放大：光电转换电路对光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号进行放大。
CATV光接收机原理及应用
CATV光接收机原理及应用一、光接收机的原理光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，主要用于光纤通信系统中。
CATV光接收机是一种专门用于有线电视（CATV）系统中的光接收机，其原理与一般光接收机相似。
1. 光接收原理光接收机的核心部件是光电二极管（Photodiode），它能够将入射光信号转换为相应的电流信号。
当光信号照射到光电二极管上时，光子能量被转化为电子能量，产生电流。
光电二极管的结构使得电流与入射光的强度成正比。
2. 光电二极管的特点光电二极管具有高速响应、宽频带、低噪声等特点。
它能够接收到不同频率范围内的光信号，并将其转换为相应的电信号。
在CATV系统中，光接收机通常使用高速响应的光电二极管，以满足高频率的信号传输需求。
二、CATV光接收机的应用CATV光接收机主要应用于有线电视系统中，用于接收光纤传输的电视信号，并将其转换为电信号，以供后续的信号处理和分配。
1. 光纤传输CATV系统中使用光纤作为信号传输介质，光接收机负责接收光纤传输的信号。
光纤具有高带宽、低损耗、抗干扰等优点，能够有效地传输大量的电视信号。
2. 光接收与信号处理光接收机接收到光纤传输的信号后，将其转换为电信号，并进行一些信号处理，如放大、滤波等。
这些处理能够提高信号的质量和稳定性，以保证电视信号的正常播放。
3. 信号分配经过信号处理后的电信号将被分配给不同的终端用户。
CATV系统中通常有多个用户需要接收电视信号，光接收机通过信号分配器将信号分发给各个用户，以满足用户的需求。
4. 光接收机的特点CATV光接收机具有高灵敏度、低噪声、稳定性好等特点。
它能够接收到较弱的光信号，并将其转换为可靠的电信号输出。
这些特点使得CATV光接收机在有线电视系统中得到广泛应用。
三、CATV光接收机的性能指标CATV光接收机的性能指标对于系统的稳定运行和信号质量的保障至关重要。
以下是一些常见的CATV光接收机性能指标：1. 接收灵敏度接收灵敏度是指光接收机能够接收到的最小光功率。
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N hv B / 21
物理意义：灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接 收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的 光信号。
实际接收机灵敏度
在不考虑码间干扰、均衡器频率特性影响的情况下，限定误 码率的最小平均接收光功率由下式给出：
Q nA P min
其中nA是折合到输入端的放大器噪声功率。将上式结果代入 定义式中即可算出实际接收机的灵敏度。
本章讨论的主要问题
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
7.2 数字接收机性能
光接收机对码元误判的概率称为误码率 ( 在二元制的情况下， 等于误比特率，BER)：误判的码元数Ne和接收的总码元数Nt 的比值：
BER Ne Ne Nt Bt
光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号
对某时隙的码元进行判 决，恢复原始信息
再生码流 判决器
时钟 提取
为精确确定“判决时刻”，需 要从信号码流中提取准确的时 钟信息作为标定，以保证与发 送端一致
接收的信号
入射到光检测器的二进制数字脉冲序列表示为：
Pt
n
b g t nT
P0 (vth ) p y | 0dy
vth vth
1 f 0 ( y)dy 2 off
v boff 2 dv 2 vth exp 2 off
类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：
P1 (vth ) p y | 1dy
1 V V 1 Pe 1 erf 2 2 2
信噪比
x
0
dy
例
信噪比为8.5时Pe = 10-5。对 于一个速率为1.544Mb/s 的 电话接收信号，Pe = 10-5意 味着每0.065秒有一位误码， 这是非常不理想的。 如果将V/ 从8.5 增加至12， BER就会降到10-9。此时， 每11分钟才有一位误码， 通常这是可以容忍的。
Pr 0 / 2 e N / 2 109
解出 N 9 ln10 ln 2 20.03。因此，对于这个BER指标，要求每 个脉冲平均有21个光子产生。可以得到E，即：
E 21 hv
例 (续 )
(b) 对一个10 Mb/s的二进制信号系统，为了得到10-9的BER指 标，试求光检测器上的最小入射功率P0 如果检测器的量子效率为1，则有：
物理意义：动态范围表示光接收机接收强光的能力，数字光 接收机的动态范围一般应大于15 dB
由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化， 为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。
本章讨论的主要问题
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
7.3 模拟接收机
模拟接收机用信噪比来度量，信噪比定义为均方信号电流与均 方噪声电流之比 时变电信号s(t)用来直接调制 偏置电流为IB的光源，发送光 功率P(t)有如下形式：
Pt P 1 ms(t ) t
其中Pt是平均发射功率，m为调 制指数： DI m IB DI一般不能太大，以确保光源工作在线性区
APD光信噪比
在接收端，模拟光信号产生的光电流为：
is t M0 Pr 1 ms(t ) I p M 1 ms(t )
Q n A 6 1018 P min 0 0.4
可以计算得到<P>min = 1.5×10-8W，S = -48.2 dBm。
光接收机灵敏度与传输速率的关系
由图可见，决定光接收机灵 敏度的主要因素是传输速率 和光检测器的特性等： 码率越高检测器灵敏度变差 APD灵敏度显著高于pin
理想接收机灵敏度
定义：在保证通信质量 (限定误码率，如10-9)的条件下，光接 收机所需的最小平均接收光功率<P>min，并以dBm为单位。
P min S 10log (dBm) 3 10
量子极限下： P min E / t
N Bhc 2
光接收机的动态范围(DR)
定义：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平 均接收光功率<P>max和所需最小平均接收光功率<P>min的比值， 用dB表示。根据定义：
p max DR 10lg (dB) p min
在动态范围之内，需要光接收机能保持稳定输出。
DR的物理含义
若s(t)为正弦信号，检测器输出的均方电流为(忽略直流项)：
is2 1 0 MmPr 2 1 MmI p 2 2 2
接收机的均方噪声电流为均方量子噪声电流、等效电阻热噪声 电流、暗噪声电流和表面漏电流之和：
i
2 N
2qI
p
ID
M
2
4k BTB F ( M ) B 2qIL B Ft Req
误码源：噪声的干扰
系统的各个环节都会带来噪声，噪声对光信号会产生干扰。如 ：
本章讨论的主要问题
接收机的任务 1. 检测出因为长途传输而变得很微弱的信号 2. 从受到各种干扰的信号中恢复出原始数据
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
7.1 接收机工作的基本原理
N
t
hv
0
P(t )dt
E
hv
而t内实际产生的电子个数n服从泊松分布：
e N Pr n N n!
n
量子极限 (续)
因此在时间t内实际产生0个电子的概率为：
Pr 0 e N
在这种情况下，信号就会被接收机判断为0脉冲。 对于理想光接收机，当光检测器没有光输入时，放大器完全没 有电流输出，因此0码误判为1码的概率Pe01 = 0。产生误码的唯 一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流， 放大器没有电流输出。因此0和1等概发送时，误码率Pe为：
两种发生误码的情况
给定一个电压v 发送一个"1"脉冲而均衡器输出电压小于v的概率：
P1 v p( y | 1)dy
v
发送一个“0”脉冲而均衡器输出电压大于v的概率：
P0 v p( y | 0)dy
v
误码发生的概率
如果设阈值电压为vth则误码概率定义为：
Pe Pvout vth | 1P1 Pvout vth | 0P0 aP 1 vth bP 0 vth
偏压控制
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电信号， 然后进行预放大，以便后级作进一步处理 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
器件的选择
光检测器的选择： A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工 作电压，响应速度快 B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，探测灵敏度高， 但需要较高的偏置电压和温度补偿电路 常用搭配：EDFA光放大器 + pin
BER与信噪比的关系曲线
例 (续 )
对于一个速率为622Mb/s的 链路，要得到相同的通话效 果 (11分钟才有一个误码)， 则要求BER为10-11或10-12， 这就表示至少要求 V/ = 13
系统速率越高对信噪比的要求越高
BER与信噪比的关系曲线
光检测器的量子极限
定义：没有暗电流的情况下，对于达到特定误码率时所需的最 小接收机功率称为量子极限 在这种极限条件下，检测器性能仅受限于光检测过程的统计特 性 (量子噪声) 。假设在时间t内有一个能量为 E 的光脉冲落在 光检测器上，在时间t内产生的电子空穴对的均值为：
主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增 益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器。
光信号 光检测器 前置放大器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
前端
线性通道
时钟提取 数据再生
基于强度调制的数字接收机模型
光接收机的核心部分：前端
光信号
前置放大器 光检测器
N P /2 e 0.5P e10 0.5P e01 0.5P e10 0.5P r (0) e
通过这个式子，可以得到满足一定误码率要求时所需要的最小 输入能量。
例
一个数字光纤链路工作在850 nm时要求BER为10-9： (a) 求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极限 由前可知，误码概率是：
n p b
bn 0 or 1
其中P(t)是接收光功率 Tb是比特周期 bn是第n位二进制数 gp(t)是接收脉冲的波形 脉冲序列导致光电二极管在时间t内的平均输出电流为：
it MPt M bn g p t nTb
n
Ip P
q
hv
此电流经过放大可产生一个电压信号
E P0t 21hv 21 hc
得：
P0 21 hc 1
t
21
hc B 2
其中1/t是数据速率B的一半(这里假设0和1等概出现)，解出P0 可得：
hcB 21 6.6261034 J s 3.0 108 m / s 10106 b / s P0 21 24.6 pW 6 2 2(0.8510 m)
忽略表面漏电流，信噪比为：
i S 2 N iN
2 s
1 2 I p Mm 2 2q( I p I D ) M 2 F ( M ) B 4k BTB / Req
pin光信噪比
对于pin，M = 1，当入射光功率很小时，噪声电流主要是电 路噪声项：