Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 4 bộ thu quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀ I GIẢ NG BÀ I GIẢ NG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em – Th.S Phạm Quốc Hợp B ộ môn: Thôn g Tin Q uan g –Khoa Vi ễ n thôn g 2 ộ gQg g Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 4 BỘ THU QUANG BỘ THU QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 4 • Các khái niệmcơ bản Các khái niệm cơ bản • Các phần tử chuyển đổi quang- điện bán dẫn dẫn • Các bộ tiền khuyếch đại Nhiễ tbộ th • Nhiễ u t ron g bộ th u quan g • Các tham số của bộ thu quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Các Khái Niệm Cơ Bản • Linh kiện tách sóng quang: - Biến đổi tín hie ä u ánh sán g thành tín hie ä u đie ä n äg ää có cường độ dòng điện tỷ lệ với công suất ánh sáng chiếu vào nó. • Nguyên lý hoạt động: − Mối tiếp giáp pn phân cực ngược − Hie ä n tượn g hấ p thụ ( absor p tion ) ägp(p) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 4 Các Khái Niệm Cơ Bản • Hai loại linh kiện tách sóng quang: − PIN: diode thu quang có 3 lớp bán dẫn P, I, N − APD (Avelanche Photodiode) : diode thác lũ • Vùng bước bước sóng hoạt động của linh kiện thu quang phụ thuộc vào vật liệu chế tạo www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 5 Các Thơng Số Cơ Bản • Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency) n e : số lượng điện tử tách ra η eI n ph e / = = n ph : số lượng photon chiếu vào Hiệu sua á tbie á nđ ổ i quang điện ν η hPn optph / = = − Hiệu suat bien đ ổ i quang - điện − η của mỗi vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 6 Các Thơng Số Cơ Bản • Đáp ứng (Responsivity): I ph : dòng quang điện η e I R ph = = P opt : công suất quang − Phu thuộc: ν hP R opt = = Phu ï thuộc: + hiệu suất lượng tử + bước sóng hoạt động R (A/W) 0,88 Photodiode lý tưởng Photodiode điển hình 0,44 ( mm ) 0 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 7 ( mm ) 0 0,5 1 c Các Thơng Số Cơ Bản • Độ nhạy (Sensitivity): − Là mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện thu ù h å h đ ùi ä û á l ãi (BER) h á quang co ù t h e å t h u đ ược vơ ùi mo ä t ty û so á l o ãi (BER) n h a á t đònh − Phu thuộc va ø o loai linh kiện ta ù ch so ù ng quang va ø mu ù c Phu ï thuộc vao loa ï i linh kiện tach song quang va muc nhiễu của bộ khuếch đại điện − Tốc độ bit ruyền dẫn càng cao thì độ nhạy của thiết bò thu càng kém www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 8 Các Thơng Số Cơ Bản • Dải động (Dynamic Range): − Là khoảng chênh lệch giữa mức công suất quang há ø ù â á há há ølih cao n h a á t va ø mư ù c co â ng sua á t quang t h a á p n h a á t ma ø li n h kiện có thể thu được trong một giới hạn tỷ số lỗi ( BER ) nhất đ ò nh () ò − Phụ thuộc vào loại linh kiện tách sóng quang, độ tuyến tính và giới hạn bảo hoà của bộ khuếch đại thu I ph ph P opt www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 9 Dải độn g Vùng bão hòa Các Thơng Số Cơ Bản • Nhiễu (Noise): − Nhiễu nhiệt: + Do điện trở tải của diode thu quang cũng như trở kháng vào của bộ tiền khuếch đại + Phu thuộc va ø o nhiệt độ be à rộng ba ê ng tap a â m + Phu ï thuộc vao nhiệt độ , be rộng bang ta ï p am , điện trở tải: B KT I t . 4 2 > = < – K = 1,38.10 -23 J/ o K: hằng số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối o K B R I t . > < – T: nhiệt độ tuyệt đối , o K – B: bề rộng băng, Hz – R: điện trở tải, Ω www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 10 [...]... diode thu quang + Dòng nhieu lượng tư: Dong nhiễu lương tử: < I q2 >= 2 e R P0 B = 2 e I p B − Nhiễu dòng tối: + Dòng điện nhiễu do các diode thu quang phát ra khi không có ánh sáng chiếu vào + Dòng tối: 2 < I d >= 2 e I d B www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 11 Các Khái Niệm Cơ Bản • Sơ Đồ Khối Bộ Thu Quang: − Bộ thu quang: ... 2e( I p + I d ) BM 2 F ( M ) + 4 KTFnB / R L • Nếu bộ thu sử dụng PIN, M và F(M) bằng 1 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 25 Nhiễu Trong Bộ Thu Quang • Trong một số trường hợp thực tế, nhiễu nổ rất bé so với nhiễu nhiệt nhiễu nhiệt ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng bộ thu • Khi đó: RL ( RP0 ) 2 SNR = 4 KTFnB • SNR thay đổi theo... các bộ thu sử dụng bộ tiền khuếch đại có trở kháng õ à khá ngõ vào cao www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 26 Nhiễu Trong Bộ Thu Quang • Cơng suất nhiễu tương đương NEP (Noise Equivalent Power): Mức cơng suất tối thiểu trên một đơn vị băng thơng cần thiết để tạo ra SNR =1 NEP = P0 B = 4 KTF 4KTFn RL R 2 Xác định cơng suất quang. .. pW/(Hz)1/2 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 27 Các Tham Số Của Bộ Thu Quang Tín hiệu h T Tín hiệu • Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio): (a) Tín hiệu tái tạo được ở bộ thu (b) Mật độ phân bố xác suất Gaussian của bit 1 và 0 0 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2... GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 34 Các Tham Số Của Bộ Thu Quang • Hàm xác suất lỗi Q(x): có thể xác định dưới dạng bảng hoặc đồ thị • Nếu SNR càng cao thì BER càng nhỏ, tức hệ thống có chất lượng à lượ càng cao www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 35 Các Tham Số Của Bộ. .. ln⎜ ⎟ 2 2 ⎜ ⎟ 2σ 0 2σ 1 ⎝σ0 ⎠ Nếu σ0=σ1=σ; I0 = 0 và ID = I1/2: www.ptit.edu.vn BER = 1 ⎛ I ⎞ erfc⎜ 1 ⎟ 2 ⎝ 2σ 2 ⎠ GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 33 Các Tham Số Của Bộ Thu Quang • Mối quan hệ giữa BER và SNR: SNR điện ở bộ thu quang: I 12 SNR = 2 σ Biểu diễn Biể diễ tỷ số lỗi bit BER theo tỷ số SNR ố th ố SNR: ⎛ SNR ⎞ 1 ⎟ BER = erfc⎜ ⎜ 2 2... - 0,5 đối với APD silicon và 0,7 -1 đối với APD germanium) 4 KTFnB < I >= RL 2 t www.ptit.edu.vn : nhiễu nhiệt GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 24 Nhiễu Trong Bộ Thu Quang • Dòng tín hiệu bình phương trung bình: ( I p ) 2 = ( RP0 ) 2 M 2 trong đó, R: đáp ứng của PD; P0: cơng suất quang ngõ vào • Tỷ số SNR được đánh giá thơng qua biểu thức... THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 19 Các Bộ Tiền Khuyếch Đại • Bộ tiền khuếch đại trở kháng thấp: Điện trở điển hình là 50Ω Nhược điểm: • điện áp nhỏ • dò nhiễu sẽ ả h hưởng đá kể t ê điệ t ở R dòng hiễ ẽ ảnh hưở đáng trên điện trở nhỏ, vì nhiễu nhiệt tỉ lệ nghịch với điện trở www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 20 Các Bộ. .. ảnh hưở điệ dung ký sinh của dây dẫn và i h ủ dâ dẫ à của diode www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 22 Nhiễu Trong Bộ Thu Quang • Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal-to-noise ratio): 2 2 S PSignal < iS > R / 4 < iS > = = 2 = 2 N PNoise < i N > R / 4 < i N > • SNR độc lập với g trị điện trở ộ ập giá ị ệ chỉ cần tính giá trị dòng... bằng p(0) nhau: BER = ½ [P(0/1) + P(1/0)] [ ( ) ( )] www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MƠN: THƠNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THƠNG 2 Trang 30 Các Tham Số Của Bộ Thu Quang • Tỷ số bit lỗi BER (Bit Error Ratio): P(0/1) và P(1/0) phụ thu c vào hàm mật độ xác suất p(I) của giá trị mẫu I (I) ủ iá ị ẫ I Dạng hàm p(I) phụ thu c vào thống kê nguồn nhiễu tác động lên dòng tín hiệu hiệu Nhiễu . môn: Thôn g Tin Q uan g –Khoa Vi ễ n thôn g 2 ộ gQg g Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THU T THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 4 BỘ THU QUANG BỘ THU QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN:. VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀ I GIẢ NG BÀ I GIẢ NG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG KỸ THU Ậ T THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt. • Các bộ tiền khuyếch đại Nhiễ tbộ th • Nhiễ u t ron g bộ th u quan g • Các tham số của bộ thu quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG –