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光纤课设
目录
一、PIN光电二极管工作原理及工作特性1
1.1PIN光电二极管工作原理 1
1.1.1PIN光电二极管概念1
1.1.2PIN光电二极管的工作原理1
1.2PIN光电二极管工作特性2
二、光接收机的基本组成2
2.1光检测器3
2.2放大器3
2.3均衡和再生4
2.4mBnB码及编译码电路4
2.4.1mBnB码4
2.4.2mBnB码编码原理4
2.4.3编译码器5
2.5噪声5
2.6光接收机主要技术指标的测量6
2.6.1光接收机灵敏度的测量6
2.6.2光接收机动态范围的测量6
三、总结6
四、参考文献7
课程设计
光纤通信课程设计
报告
班级:
通信10-2
姓名:
杨冬丽
学号:
1006030224
指导教师:
冀常鹏
成绩:
电子与信息工程学院
信息与通信工程系
光接收机的设计
摘要:
光接收机被广泛应用于通信行业,是一种接收光信号(通常包括光检测器、光放大器、均衡器和信号处理过程的设备)在光纤通信系统中,光接收机的功能是把经远距离传输后的微弱信号检测出来,然后再放大生成原来的电信号。
光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真,恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息,因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。
关键字:
光接收机PIN光电二极管光检测器放大器
一、PIN光电二极管工作原理及工作特性
1.1PIN光电二极管工作原理
1.1.1PIN光电二极管概念
PIN光电二极管是光纤通信中应用最广泛的器件之一。
用作光检测器的P-N结的常用工作方法是通过外电路对P-N结加反向偏压,这种状态下工作的P-N结器件称为光电二极管。
在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体,就可以增大耗尽区的宽度,达到减小扩散运动的影响,提高响应速度的目的。
由于这一掺入层的掺杂浓度低,近浓度很低的本证半导体,I层很厚,吸收系数很小,入射光很容易进入材料内部被充分吸收的P型和乎本征(Intrinsic)半导体,故称I层,因此这种结构称为PIN光电二极管。
1.1.2PIN光电二极管的工作原理
PIN光电二极管的工作原理如下图,中间的I层和N层型掺杂浓度很低的本证半导体,用II(N)表示;两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体,用P离子和N离表示。
I层很厚,吸收系数很小,入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对,因而大幅度提高了光电转换效率。
两侧P离子层和N离子层很薄,吸收入射光的比例很小,I层几乎占据整个耗尽层,因而光电流中漂移分量占支配地位,从而大大提高了响应速度。
另外,可通过控制耗尽层的宽度w,来改变器件的响应速度。
1.2PIN光电二极管工作特性
(1)量子效率和光谱特性。
(2)响应时间和频率特性
(3)噪声
二、光接收机的基本组成
光接收机的组成方框图如下,主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决以及自动增益控制(AGC)电路。
2.1光检测器
光检测器是光接收机实现光电转换的关键器件,其性能是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度,对光检测器的要求如下:
(1)灵敏度高:
灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。
在实际的光接收机中,光纤传来的信号及其微弱,有时只有1nw左右。
为了得到较大的信号电流,人们希望灵敏度尽可能的高。
(2)响应速度快:
指射入光信号后,马上就有电信号输出;光信号一停,电信号也停止输出,不要延迟。
这样才能重现入射信号。
实际上电信号完全不延迟是不可能的,但是应该限制在一个范围之内。
随着光纤通信系统的传输速率的不断提高,超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高,对其制造技术提出了更高的要求。
(3)噪声小:
为了提高光纤传输系统的性能,要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。
但是对于光电检测器要求特别严格,因为它是在极其微弱的信号条件下工作,又处于光接收机的最前端,如果在光电变换过程中引入的噪声过大,则会使信号噪声比降低,影响重现原来的信号。
(4)稳定可靠:
要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响,以提高系统的稳定性和可靠性。
目前,适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。
2.2放大器
前置放大器应是低噪声放大器,它的噪声对光接收机灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型,目前有三种类型的前放,低阻型前置放大器,特点是线路简单,输入阻抗低,但是噪声较大;高阻抗前置放大器,特点是噪声小;互阻型前置放大器,特点是频带宽,噪声低,因而在光纤通信中应用广泛。
主放大器一般是多级放大器,它的作用是提供足够的增益,并通过实现自动增益控制(AGC),以使输入光信号在一定范围内变化时,输出信号保持恒定。
主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
AGC一般采用直流运算放大器构成的反馈电路来实现。
2.3均衡和再生
均衡电路的主要任务是提升高频,均衡的目的是对经光纤传输、光电转换和放大后已产生失真的信号进行补偿,使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形),以消除码间干扰,减小误码率。
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号,它由判决电路和时钟提取电路组成,它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟并逐个地对码元波形进行取样判决已得达原发送的码流。
2.4mBnB码及编译码电路
2.4.1mBnB码
mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组,每组有m个二进制码,标记为mB,称为一个码字,然后把一个码字变换为n个二进制码,记为nB,并在同一时隙内输出。
这种码型是把mB变换为nB,所以称为mBnB码,其中m和n都是整数,n大于m,一般取n=m+1。
2.4.2mBnB码编码原理
以3B4B码为例,输入的原始码流3B码,共有8个码字,变换为4B码时,共有16个码字,为保证信息的完整传输,必须从4B码的16个码字中挑选8个码字来代替3B码。
我们应根据最佳线路码特性的原则来选择码表。
例如,在3B码中有2个“0”,变为4B码时补1个“1”;在3B码中有2个“1’,变为4B码时补1个”0”。
而0001用1110交替使用;111用0111和1000交替使用。
同时,禁用一些码字,如0000和1111.
编码原则,“码字数字和”(WDS来描述码字的均匀性,并以WDS的最佳选择来保证线路码的传输特性。
码字数字和,是在nB码中,用“-1”代表“0”,用“+1代表“1”码,整个码字的代数和即为WDS。
nB码的选择原则是:
尽可能选择WDS绝对值最小的码字,禁止使用WDS绝对值最大的码字。
2.4.3编译码器
我国一般使用的是把设计好的码表全部存储到一块只读存储器PROM内而构成。
码表存储编码器的工作原理如下,首先把设计好的码表存入PROM内,待变换的信号码流通过串并联电路变为3比特一组的码b1、b2、b3,并进行输出作为PROM的地址码,在地址码作用下,PROM根据存储的码表,输出与地址对应的并行4B码,再经过并-串变换电路,读出已变换的4B码流。
图中A、B、C三条线为组别控制线,当WDS=±2时,从A、B分别送出控制信号,通过C线决定组别。
2.5噪声
光接收机的噪声性能对光纤通信系统有很重要的影响,尤其是对接收机灵敏度有决定意义。
接收机的噪声是整个传输过程中噪声的综合反映。
其噪声有两部分,一部分是通过外部电磁干扰产生的,这部分噪声的危害可是通过屏蔽或滤波加以消除;另一部分是内部产生的,这部分噪声是信号检测和放大过程中引入的随机噪声。
接收机本身的噪声主要由光检测器和放大器产生的噪声。
光检测器中的噪声有量子噪声、暗电流噪声以及雪崩光电二极管中的雪崩倍增过程中附加的噪声。
放大器中的噪声主要是热噪声和放大过程的噪声。
通常从下面三个方面减少噪声,一是选择合适的材料,二是对器件进行优化设计,包括量子阱结构;三是严格的制造工艺。
2.6光接收机主要技术指标的测量
2.6.1光接收机灵敏度的测量
数字光接收机的接收灵敏度是指在保证一定误码率的前提下需要的最低接收光功率。
通常,以
表示光接受机的灵敏度。
它用相对值dBm表示,即相对1mW光功率的分贝数:
=
值或
值越小,光接收机的灵敏度越高。
光接收机的灵敏度高,不仅说明质量好,而且也说明中继通信距离长。
为了保证通信质量,系统的误码率一般规定为
。
2.6.2光接收机动态范围的测量
在保证系统误码率的前提下,光接收机能够接收最小光功率和最大光功率的能力,便是光接收机的动态范围,光接收机的动态范围也是用相对指值表示的,单位为dB.数学表达式为:
光接收机的动态范围和接收灵敏度一样,是衡量光接收机好坏的重要指标。
在实际的光纤数字通信系统中,由于种种原因,例如,光纤损耗随温度的变化和光源输出的光功率随使用时间的增长而下降等,都要导致光接收机输入功率的变化。
因此,一部质量好的光接收机,不仅要有高的灵敏度,而且也应该有较大的动态范围。
这样才能保证系统正常工作。
三、总结
通过本次光接收机设计,我更加深刻的理解了光纤的结构和传输原理,同时也掌握了光接收机的构成和原理,了解了光接收机的每一部分的组成及作用,不仅让我巩固了课堂所学知识,我通过各种方式广泛查阅相关资料,独立、自主的进行设计及文档的撰写,还使我丰富了自己,做到理论与实际相结合,继承与创新相结合,使自己懂的了许多相关知识,这样不仅提高了自己,还扩展了自己的知识面,为以后学习和工作都奠定了良好的基础。
四、参考文献
[1]刘增基,周洋溢,胡辽林,周绮丽.光纤通信.西安电子科技大学出版社,2001.8:
58~92
[2]王秉钧,王少勇.光纤通信系统.电子工业出版社.2004,11:
91~105
[3]解金山,陈宝珍.光纤数字通信技术.电子工业出版社.2002,10:
24~35
[4]李国瑞.光纤通信系统.北京邮电大学出版社.1991,1:
195~203
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- 关 键 词:
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