背靠背系統(tǒng)中造成光接收機(jī)靈敏度劣化的主要因素分析

陳卓

摘 要 建立基于OOK的單波長(zhǎng)背靠背傳輸系統(tǒng)（不包含光纖），討論如光發(fā)射機(jī)消光比、相對(duì)強(qiáng)度噪聲、光接收機(jī)熱噪聲、散粒噪聲等劣化因素對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響。通過(guò)眼圖描述不同因素的作用效果；通過(guò)掃描確定Q=6或BER=10-9對(duì)應(yīng)的接收機(jī)靈敏度；在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化選擇線性通道中低通濾波器的線型與帶寬。

關(guān)鍵詞 背靠背系統(tǒng) 光接收機(jī) 靈敏度 消光比

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體框圖：在VPI中搭建的仿真系統(tǒng)圖（如圖1）。

衰減器：用于衰減發(fā)射機(jī)模塊輸出的光信號(hào)，模擬光纖的衰減作用。

功率計(jì)：用于測(cè)量輸入到接收機(jī)電信號(hào)的功率，用于測(cè)量接收機(jī)的靈敏度。

2參數(shù)設(shè)置

2.1直接影響接收機(jī)靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)

RIN和IncludeRIN為L(zhǎng)aserCW_DSM模塊的參數(shù)，RIN參數(shù)決定激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲的大小，IncludeRIN決定是否考慮激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。RJ_Amplitude_RMS為CoderDriver_OOK模塊的參數(shù)，決定調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值，即表示驅(qū)動(dòng)電壓碼元持續(xù)時(shí)間的變化量的大小。ExtinctionRatio為調(diào)制器的消光比，是模塊ModulatorDiffMZ_DSM的參數(shù)，它將決定OOK發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的消光比。ElectricalLPFilterTyp，Bandwidth，IncludeShotNoise，ThermalNoise均為Rx_OOK_BER的參數(shù)。ElectricalLPFilterType決定線性通道中低通濾波器的線型，Bandwidth決定線性通道中低通濾波器的帶寬，IncludeShotNoise決定接收機(jī)是否受到散粒噪聲的影響，ThermalNoise決定接收機(jī)熱噪聲的大小。圖中所示的各參數(shù)大小為其理想狀態(tài)下的值，在仿真時(shí)我們將改變部分參數(shù)的大小，詳細(xì)的參數(shù)更改信息將在仿真結(jié)果中說(shuō)明。

2.2其余模塊的參數(shù)

發(fā)射機(jī)中激光器的參數(shù)設(shè)置：Linewidth=0 即仿真中不考慮激光器線寬和邊模的影響。

接收機(jī)中光探測(cè)器的參數(shù)設(shè)置：ThermalNoise與IncludeShotNoise設(shè)置為Player Parameter，仿真中只考慮熱噪聲和散粒噪聲的影響。

3運(yùn)行結(jié)果分析與討論

3.1接收機(jī)靈敏度的測(cè)量方法

為了了解各參數(shù)對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，我們首先要確定一種接收機(jī)靈敏度的測(cè)量方法。本仿真中的接收機(jī)靈敏度用誤碼率等于1.0e-9時(shí)的接收機(jī)輸入功率來(lái)衡量。

在仿真中，發(fā)射機(jī)的輸出功率是恒定的，發(fā)射機(jī)中激光器的平均輸出功率設(shè)置為0dBm。發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)衰減器后功率降低，由于接收機(jī)受到散粒噪聲和熱噪聲的影響，輸入功率越低，則接收信號(hào)的誤碼率越大，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器的衰減系數(shù)使誤碼率等于1.0e-9。VPI軟件中的optimization功能能夠?qū)崿F(xiàn)這一操作。Optimization 和sweep一樣，屬于interactive simulation的一種，其原理是將1.0e-9設(shè)置為誤碼率的目標(biāo)值，VPI對(duì)衰減器的衰減系數(shù)進(jìn)行掃描，并對(duì)誤碼率的大小進(jìn)行監(jiān)控，然后通過(guò)計(jì)算自動(dòng)改變衰減系數(shù)的大小，使得誤碼率的值逐漸接近1.0e-9，最后得到使誤碼率等于1.0e-9時(shí)的衰減系數(shù)，此時(shí)我們可從功率計(jì)上讀出接收機(jī)的輸入功率，從而得到接收機(jī)的最小可探測(cè)功率。

Optimization運(yùn)行方式設(shè)置為T(mén)arget，目標(biāo)值為1.0e-9，Precision表示當(dāng)所得誤碼率與目標(biāo)值之差在10e-12之內(nèi)則視為達(dá)到目標(biāo)值。誤碼率的大小通過(guò)Postvalue模塊來(lái)監(jiān)控并將其值傳送到Monitor Panel中。

3.2光發(fā)射機(jī)消光比對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

（1）參數(shù)設(shè)置

關(guān)鍵模塊參數(shù)設(shè)置如下：

不考慮發(fā)射機(jī)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲和驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)鐘抖動(dòng)，接收機(jī)受散粒噪聲和熱噪聲的影響，接收機(jī)線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。另外Attenuator模塊的損耗設(shè)置為20dB，通過(guò)降低接收機(jī)輸入功率使接收信號(hào)誤碼率的大小位于合適的范圍內(nèi)（1e-9附近）。此時(shí)輸入到接收機(jī)的信號(hào)功率為：-23.01dBm

（2）消光比對(duì)接收信號(hào)誤碼率的影響

對(duì)ExtinctionRatio進(jìn)行掃描，掃描范圍為20dB到40dB，掃描精度1dB，即每間隔1dB運(yùn)行一次仿真。得到誤碼率隨消光比變化的曲線圖（如圖2）：

橫坐標(biāo)為消光比（單位dB），縱坐標(biāo)為誤碼率。有曲線可得，誤碼率隨著消光比增加而逐漸減小。

（3）消光比對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

更改消光比的大小，在不同的消光比下，可得到相應(yīng)的可探測(cè)最小功率的大小。消光比和可探測(cè)最小功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示：

由數(shù)據(jù)變化規(guī)律可得，消光比越高，特定誤碼率（1.0e-9）下接收機(jī)所要求的輸入功率越低，因此接收機(jī)靈敏度越高。

3.3相對(duì)強(qiáng)度噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

（1）參數(shù)設(shè)置

設(shè)置消光比恒定為40dB，接收機(jī)受散粒噪聲和熱噪聲的影響，接收機(jī)線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。

Attenuator的損耗設(shè)置為19.2dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(nèi)（1e-9附近）。此時(shí)輸入到接收機(jī)的信號(hào)功率為：-21.2dBm。

（2）RIN對(duì)接收信號(hào)誤碼率的影響

對(duì)RIN進(jìn)行掃描，掃描范圍：-140dB/Hz到-120dB/Hz，掃描精度為-0.1dB/Hz。

得到誤碼率隨RIN變化的曲線：（如圖3）

橫坐標(biāo)為RIN（單位dB/Hz），縱坐標(biāo)為誤碼率。在-135dB/Hz到-125dB/Hz范圍內(nèi)，誤碼率隨著相對(duì)強(qiáng)度噪聲的增大而增加。

（3）RIN對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

更改RIN的大小，在不同的RIN值下，通過(guò)Optimization得到相應(yīng)的靈敏度的大小，RIN和可探測(cè)最小功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示：

由數(shù)據(jù)變化規(guī)律可得，相對(duì)強(qiáng)度噪聲越大，特定誤碼率（1.0e-9）下接收機(jī)所要求的輸入功率越高，因此接收機(jī)靈敏度越低。

3.4熱噪聲和散粒噪聲對(duì)靈敏度的影響

（1）參數(shù)設(shè)置

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：

即不考慮發(fā)射機(jī)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲和驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)鐘抖動(dòng)，消光比恒定為40dB，接收機(jī)受熱噪聲的影響，接收機(jī)線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。接收機(jī)是否受散粒噪聲的影響不再設(shè)置為Player Parameter。

Attenuator的損耗設(shè)置為19.7dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(nèi)（1e-9附近）。此時(shí)輸入到接收機(jī)的信號(hào)功率為：-23.0dBm

將仿真系統(tǒng)稍作更改，更改后的系統(tǒng)圖如圖4。

其中接收機(jī)Rx_OOK_BER_A受散粒噪聲的影響，Rx_OOK_BER_B不受散粒噪聲的影響。兩個(gè)接收機(jī)得到的誤碼率值都將在NumericalAnalyzer2D中顯示。

（2）熱噪聲和散粒噪聲對(duì)誤碼率的影響

對(duì)ThermalNoise進(jìn)行掃描，掃描范圍10.0e-12A/Hz^（1/2）到11.0e-12A/Hz^（1/2），掃描精度0.02e-12 A/Hz^（1/2）。得到誤碼率隨ThermalNoise變化的曲線為：（如圖5）

圖6

橫坐標(biāo)為熱噪聲的值（單位A/Hz^（1/2）），縱坐標(biāo)為誤碼率。紅色曲線代表有散粒噪聲時(shí)，誤碼率隨熱噪聲變化的曲線，綠色曲線代表有散粒噪聲時(shí)，誤碼率隨熱噪聲變化的曲線。兩條曲線都表明，隨著熱噪聲的增加，誤碼率將逐漸增大。

（3）熱噪聲和散粒噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

散粒噪聲：散粒效應(yīng)噪聲是Schottky于1918年研究此類噪聲時(shí)，用子彈射入靶子時(shí)所產(chǎn)生的噪聲命名的。因此，它又稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。在電化學(xué)研究中，當(dāng)電流流過(guò)被測(cè)體系時(shí)，如果被測(cè)體系的局部平衡仍沒(méi)有被破壞，此時(shí)被測(cè)體系的散粒效應(yīng)噪聲可以忽略不計(jì)。

散粒噪聲是由形成電流的載流子的分散性造成的，在大多數(shù)半導(dǎo)體器件中，它是主要的噪聲來(lái)源。在低頻和中頻下，散粒噪聲與頻率無(wú)關(guān)（白噪聲），高頻時(shí)，散粒噪聲譜變得與頻率有關(guān)。

散粒噪聲有白噪聲的特性，其電流均方值與電子電荷量q、總的直流電流Idc和帶寬delt（f）成正比關(guān)系：I^2=2*q*Idc*delt（f）。

在有散粒噪聲和沒(méi)有散粒噪聲兩種條件下，更改熱噪聲的大小，在不同的熱噪聲值下，通過(guò)Optimization得到相應(yīng)的可探測(cè)最小功率的大小，熱噪聲和可探測(cè)最小功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示：

在excel繪制出在有散粒噪聲和沒(méi)有散粒噪聲兩種條件下，熱噪聲大小和可探測(cè)最小功率變化規(guī)律可得，熱噪聲越大，特定誤碼率（1.0e-9）下接收機(jī)所要求的輸入功率越高，因此接收機(jī)靈敏度越低。

3.5驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)靈敏度的影響

（1）參數(shù)設(shè)置

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：

即不考慮發(fā)射機(jī)激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，消光比恒定為40dB，接收機(jī)受散粒噪聲和熱噪聲的影響，接收機(jī)線性通道低通濾波器的為貝塞爾濾波器，帶寬為0.75*BitRateDefault。

Attenuator的損耗設(shè)置為19.7dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(nèi)（1e-9附近）。此時(shí)輸入到接收機(jī)的信號(hào)功率為：-23.0dBm

（2）時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)誤碼率的影響

對(duì)RJ_Amplitude_RMS掃描，掃描范圍：0到0.06/BitRatedefault，掃描精度0.001/BitRateDefault。誤碼率隨RJ_Amplitude_RMS變化的曲線圖：（如圖6）

橫坐標(biāo)為時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值（單位s），縱坐標(biāo)為誤碼率。誤碼率大小隨著時(shí)鐘抖動(dòng)程度的增加而增大。

3.6優(yōu)化選擇線性通道中低通濾波器的線型與帶寬

（1）參數(shù)設(shè)置

對(duì)仿真系統(tǒng)圖稍作更改，修改后的系統(tǒng)圖如下所示：（如圖7）

接收端的四個(gè)接收機(jī)分別具有不同線型的低通濾波器，自上而下，四個(gè)接收機(jī)濾波器的類型分別為貝塞爾濾波器，高斯濾波器，切比雪夫Ⅱ型濾波器，巴特沃斯濾波器。濾波器還有其他幾種類型，如切比雪夫Ⅰ型濾波器，橢圓濾波器，積分濾波器等，在本仿真中并不對(duì)其進(jìn)行討論，但使用本仿真的方法容易對(duì)不同類型的濾波器性能進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置如下：

即不考慮發(fā)射機(jī)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲和驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)鐘抖動(dòng)，消光比恒定為40dB，接收機(jī)受散粒噪聲和熱噪聲的影響。

Attenuator的損耗設(shè)置為20dB，使誤碼率的大小位于合適的范圍內(nèi)（1e-9附近）。此時(shí)輸入到接收機(jī)的信號(hào)功率為：-23.29dBm。

（2）濾波器帶寬對(duì)誤碼率的影響

對(duì)bandwidth進(jìn)行掃描，掃描范圍為0.49*BitRateDefault到0.66*BitRateDefault，掃描精度為0.01*BitRateDefault。

將四條曲線繪制可如下所示：（如圖8）

圖示曲線的橫坐標(biāo)均為濾波器帶寬（單位Hz），縱坐標(biāo)均為誤碼率，不同顏色的曲線代表不同類型的濾波器的仿真結(jié)果，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系由圖中示例說(shuō)明。

從誤碼率隨濾波器帶寬變化曲線中可以看出貝塞爾濾波器在帶寬掃描范圍內(nèi)均具有較小的誤碼率，其誤碼率最小值與巴特沃斯濾波器誤碼率最小值大小接近。因此選用貝塞爾濾波器作為接收機(jī)線性通道的低通濾波器。當(dāng)濾波器帶寬為0.54*BitRateDefault時(shí)，接收到信號(hào)的誤碼率最小，因此最佳低通濾波帶寬應(yīng)為0.54*BitRateDefault。

參考文獻(xiàn)：

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