Разработка структурной схемы приемника

Задачей оптического приемника является преобразование входного оптического сигнала в электрический (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Обобщенная структурная схема приемника

Структурная схема приемника для обеспечения низкого коэффициента шума должна содержать два каскада усиления, фильтр а также систему АРУ. В схеме должен быть предусмотрена возможность восстановления тактовой частоты из информационного сигнала, при использовании кода с синхронизацией.

Рис 3.9. Структурная схема оптического приемника

Предусилитель – ключевой элемент, который определяет характеристики приемника в целом. Выход сигнала, принятого фотодиодом, - это точка, где сигнал самый слабый и наиболее подвержен искажениям от действия шума. Этот сигнал является входным для предусилителя. Роль предусилителя – усилить сигнал для дальнейшей его обработки.

При выборе предусилителя приходится идти на компромисс между высокой скоростью и чувствительностью. Входное напряжение предусилителя может быть увеличено путем использования большого нагрузочного сопротивления R_L. В этом случае часто используется схема с высоким импедансом (рис 3.10)

Рис. 3.10. Упрощенная электрическая модель с высоким входным импедансом

Большое значение R_L уменьшает тепловой шум и улучшает чувствительность приемника. Однако такое решение имеет свой недостаток – низкую полосу пропускания. Полоса частот приемника определяется его самым низкочастотным компонентом. Если полоса частот приемника с высоким сопротивлением значительно меньше, чем требуется для данной скорости передачи, то он не может быть использован. Для преодоления этого недостатка, иногда используется схема выравнивания частотной характеристики (в сторону высоких частот). В этой схеме фильтр ослабляет низкочастотные составляющие больше, чем высокочастотные, что позволяет эффективно скорректировать (увеличить) полосу пропускания. Там, где чувствительность не столь важна, можно уменьшить R_L, чтобы увеличить полосу пропускания. Такое решение носит название схемы с низким импедансом. Это решение позволяет получить большую полосу пропускания и высокую чувствительность. Здесь R_L расположен в цепи ОС инвертирующего усилителя. В этом случае R_L может быть достаточно большим, так как ООС уменьшает эффективный входной импеданс пропорционально усилению G такого усилителя. Полоса пропускания такой схемы увеличивается также в G раз, по сравнению со схемой с высоким импедансом. Многие типы оптических приемников используют схему с трансимпедансом, благодаря ее большой ширине полосы и высокой чувствительности. Однако и здесь есть определенные вопросы, связанные со стабильностью петли обратной связи.

Следующими компонентами такого приемника являются усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и низкочастотный фильтр. Коэффициент усиления усилителя управляется автоматически, с помощью схемы АРУ, для ограничения изменения среднего значения относительно фиксированного уровня, вне зависимости от средней оптической мощности, падающей на приемник. Фильтр нижних частот формирует импульс напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения межсимвольных искажений. Этот фильтр также определяет ширину полосы пропускания приемника. Его полоса пропускания меньше, чем эквивалентная скорость передачи, тогда как полоса пропускания других компонентов приемника проектируется так, чтобы быть больше эквивалентной скорости передачи.

Последним компонентом является схема принятия решений. Восстановленные сигналы таймера обеспечивают синхронизацию и побитное таймирование. Схема принятия решения сравнивает выходное напряжение усилителя напряжения на выходе фильтра с пороговым уровнем и определяет, для каждого битового интервала, является ли принятый сигнал двоичной 1 или 0. Длительность битового интервала для формата NRZ равна 1/B, где В – скорость передачи. Например, сигнал формата NRZ 1 Мбит/с имеет длительность битового интервала 1 мкс. Сигнал при скорости передачи в 1 Гбит/с имеет длительность 1 нс, а при скорости передачи в 10 Гбит/с – 0,1 нс или 100пс.

Еще одна важная характеристика фотодиодного приемника - динамический диапазон. Допустим, приемник работает на 10 ГГц, при BER 10^-10, порог порядка -34,0 дБм, динамический диапазон – 26 дБ. Любой принятый сигнал больше, чем - 8 дБм, будет перегружать приемник. Во избежание этого – установка аттенюатора, и принятый сигнал всегда будет укладываться в динамический диапазон приемника.