一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)包括電接口、光發(fā)射機(jī)、光纖通道、中繼器，以及光接收器等，如1所示。光接收器把 來自光纖的光信號(hào)還原成電信號(hào)，經(jīng)放大、整形、再生后輸出。對(duì)于長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)，需要有中繼器，其 作用是把經(jīng)過長(zhǎng)距離光纖衰減和畸變后的微弱光信號(hào)經(jīng)放大和整形，再生成高強(qiáng)度低失真的光信號(hào)，繼續(xù)傳送， 以保證良好的通信質(zhì)量。

圖1 光纖通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　光接收器是光纖傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，它的技術(shù)性能指標(biāo)是整個(gè)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)的綜合體 現(xiàn)。在光纖通信系統(tǒng)中，光接收器的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，將經(jīng)光纖傳輸后衰減和畸變的微弱光脈沖 信號(hào)通過光/電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，加以放大、均衡與定時(shí)再生后還原為與發(fā)送端一致的數(shù)字脈沖信號(hào)。因此， 一個(gè)高性能的數(shù)字光接收器應(yīng)該具有盡可能高的靈敏度，以適應(yīng)長(zhǎng)距離中繼傳輸?shù)囊?。圖2給出了一個(gè)光接收器 的簡(jiǎn)單系統(tǒng)框圖。

圖2 光接收器系統(tǒng)框圖

　　一個(gè)完整的光接收器包括：光電二極管（PD）或光探測(cè)器、前置放大器、具有均衡和濾波特性的主放大器、時(shí) 鐘恢復(fù)電路、數(shù)據(jù)判決電路，以及進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理電路等。

　　光探測(cè)器是光/電轉(zhuǎn)換器件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，對(duì)光探測(cè)器的基本要求是高光電轉(zhuǎn)換效率 ，低附加噪聲和快速響應(yīng)。在經(jīng)歷了光纖衰減后，信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)已經(jīng)很微弱，光探測(cè)器產(chǎn)生的光電流也非常 微弱（pA），如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，由于放大器本身會(huì)引入噪聲，后放大器必然會(huì)將前放大 器引入的噪聲進(jìn)行放大，因此，信噪比不會(huì)得到明顯改善。為了解決上述問題，需要一個(gè)低噪聲、高增益的前置 放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。因此前置放大器是數(shù)字光接收器的關(guān)鍵部分，它應(yīng)該與光探測(cè)器有的匹配，以得到 盡可能大的輸出信噪比，同時(shí)具有將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓的能力。

　　為了與光探測(cè)器達(dá)到良好的匹配，并獲得較低的噪聲和較寬的帶寬，前置放大器的增益不能太高。其輸出電壓 范圍大約為幾至幾十亳伏。由于后續(xù)時(shí)鐘恢復(fù)及數(shù)據(jù)判決電路的理想輸入電壓的范圍大約為幾百毫伏至一點(diǎn)幾伏 ，中間就需要有進(jìn)一步獲得40～50 dB增益的主放大器，其任務(wù)是把前端輸出的毫伏級(jí)信號(hào)放大到后面信號(hào)處理電 路所需的電平。經(jīng)主放大器放大后的數(shù)據(jù)信號(hào)需要被重新定時(shí)，并進(jìn)行幅度判決，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的再生。再生的 數(shù)據(jù)經(jīng)分接器降低數(shù)據(jù)比特速率，供后續(xù)的信號(hào)處理電路使用。

　　前置放大器作為光接收器中的關(guān)鍵部分，前置放大電路的性能在很大程度上決定了整個(gè)光接收器的性能。其作 用可總結(jié)為陰：

　?。?）將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；

　?。?）提供較大的放大倍數(shù)；

　?。?）引入較小的噪聲；

　?。?）提供合適的傳輸函數(shù)。

　　設(shè)計(jì)光接收前置放大器需要注意以下幾點(diǎn)：①較小的等效輸入噪聲電流，提高靈敏度；②足夠的帶寬使其與信號(hào) 速率相適應(yīng)；③足夠大的增益，以克服后續(xù)電路噪聲的影響。這三個(gè)要求是相互矛盾和相互影響的，例如帶寬的 增加將導(dǎo)致噪聲的增加和增益的下降。因此應(yīng)該合理設(shè)計(jì)前置放大器以滿足實(shí)際需要。

　　就前置放大器組態(tài)來說，可分為低阻、高阻及跨阻三種。低阻抗前置放大器是一種最基本的放大器電路，具有如 圖3所示相對(duì)簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 低阻前置放大器

　　這種結(jié)構(gòu)中，探測(cè)器產(chǎn)生的光生電流流過偏置電阻Rb后產(chǎn)生信號(hào)電壓，然后對(duì)該電壓進(jìn)行放大。如果放大器噪聲 相對(duì)較低，偏置電阻fib將是產(chǎn)生前置放大器噪聲的主要因素。隨著電阻凡值的增大，噪聲電流減小，但是頻率響 應(yīng)變差。該前置放大器帶寬受級(jí)放大器的等效輸入電阻Ri和等效輸入電容G的限制，即

　　從式（5－1）可見，放大器帶寬與時(shí)間常數(shù)RiCi成反比。如果Ci不變，而通過減小風(fēng)來提高帶寬，根據(jù)分析可知 會(huì)增大噪聲，從而使信噪比SNR下降。為獲得大的帶寬，Rb通常取值較?。?0Ω或15Ω）。一般選用50Ω的低電阻 接在前置放大器的輸入端，這種類型較適合于探測(cè)器和前置放大器混合集成的光接收器。在這種情況下，傳輸線 被用于連接兩個(gè)器件，50Ω的電阻能夠與傳輸線較好的匹配，從而可以減少放大器輸入端的反射。但是，的 增益只從傳輸線至放大器之間獲得，而不從探測(cè)器至傳輸線之間獲得，系統(tǒng)增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高阻放大器，噪聲性能 也不理想。

　　這種低阻前置放大器的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，不需要或只需要很少的均衡，動(dòng)態(tài)范圍較大。缺點(diǎn)是噪聲大，靈敏度低。

　　與低阻前置放大器相反，高阻前置放大器具有高的靈敏度，它的輸入阻抗非常高（1～10 MΩ），熱噪聲非常小 。這類前置放大器較早用于低比特率的光接收系統(tǒng)。它是建立在獲得增益的理論基礎(chǔ)上的，作為一個(gè)高電阻 的受控電流源，需要和一個(gè)高負(fù)載電阻相匹配以獲得的增益，其電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 高阻前置放大器

　　高阻抗前置放大器由于其輸入阻抗較大，一般不考慮它的輸入阻抗對(duì)其噪聲特性的影響，所以可提供較低的噪 聲，有著的探測(cè)靈敏度。但是，由于高阻放大器輸入阻抗高，輸入電路的時(shí)間常數(shù)較大，其頻率響應(yīng)也就受 到了限制，因此帶寬較窄。由于時(shí)間常數(shù)較大，高阻放大器將對(duì)探測(cè)信號(hào)積分，高阻放大器可以看做是一個(gè)積分 型前端電路。當(dāng)信號(hào)速率提高時(shí)，信號(hào)脈沖會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。為使輸出的波形有利于定時(shí)判決，我們需要采取 頻率補(bǔ)償技術(shù)。人們通常采用均衡網(wǎng)絡(luò)，將放大器的極點(diǎn)與均衡網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)相匹配，對(duì)頻響特性進(jìn)行補(bǔ)償，使接 收器的帶寬擴(kuò)展至所需的值，這就增加了接收器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。而且放大器的極點(diǎn)可能隨著系統(tǒng)工作時(shí)間而改變 ，如果不采取零極點(diǎn)的補(bǔ)償方案，任何零極點(diǎn)的不匹配都會(huì)引起接收器靈敏度的下降。高阻放大器的另一個(gè)主要 缺點(diǎn)是由于其高的輸入阻抗使其動(dòng)態(tài)范圍受到了限制。由于它對(duì)較長(zhǎng)的連0、連1的積分效應(yīng)、基線偏離效應(yīng)十分 明顯，只有采用較好的線性編碼才可以解決這一問題。

　　通過以上分析可知，雖然高阻抗前置放大器設(shè)計(jì)成能夠得到噪聲最小的放大器，但是它存在著兩個(gè)局限性：① 高的輸入阻抗減小了放大器帶寬。在寬帶應(yīng)用時(shí)，必須進(jìn)行均衡；②動(dòng)態(tài)范圍有限。為了解決這一矛盾，可以采 用并聯(lián)高阻抗負(fù)反饋放大器，即跨阻放大器，其電路拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 跨阻抗前置放大器

　　這種放大器實(shí)際上就是一種通過反饋電阻Rf給放大器輸入端提供負(fù)反饋的高增益、高阻抗放大器。這種設(shè)計(jì)方法既有低噪聲又有大帶寬、寬動(dòng)態(tài)范圍、放大倍數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

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