光通信系统包含信源的光发射机、传递光波的信道、信宿的光接收机。对于光纤通信，信道是光纤光缆，对于自由空间光通信，信道是自由空间，或大气中或太空中，对于水下光通信，信道则是水......，无论信道怎么变化，信源产生的信号在信宿进行接收时，都要用到光接收机，下面对光接收机进行简要介绍。

光接收机作用

对经过信道传输的光信号进行检测，并且对其进行放大、整形和再生，恢复为信源产生的光信号。

光接收机主要器件

光电检测器：利用的是光电效应，将光信号转变为电信号，对光信号进行解调。要求光电检测器具有灵敏度高、噪声小、成本低、高可靠性的特点。(PIN光电二极管、APD光电二极管)

前置放大器：负责对光电检测产生的微弱电流信号进行放大。前端的噪声对整个放大器的输出噪声影响很大，因此要求前置放大器必须是低噪声和高带宽的，其输出一般是mV量级。

主放大器：负责提供足够的增益，将输入信号放大到判决电路所需要的电平(峰－峰值一般为1～3V)。

自动增益控制(AGC)：负责控制主放大器的增益，使得输出信号幅度在一定范围内不受输入信号幅度的影响。

均衡滤波电路：负责对主放大器输出的失真数字脉冲整形为具有升余弦频谱的波形，保证判决时不存在码间干扰，以得到最小的误码率。

再生电路：判决器和时钟恢复电路负责对信号进行再生(3R：再放大、再整形、再定时)。其中时钟电路负责从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端同步，从而精确地确定判决时刻。

译码电路：如果发射端进行了线路编码(扰码)，译码(解扰)电路负责相应的译码(解扰)功能。

光接收机分类

直接检测光接收机和相干检测光接收机

直接检测光接收机：

不需要本振激光器，原理简单，成本低

频带利用率不高，适合较低速率(小于40Gb/s)

适合接收强度调制信号，如OOK/PAM4信号

相干检测光接收机：

需要本振激光器产生与信号光同频的相干光，具有固定相位差，较为复杂

频带利用率高、接收机灵敏度高、中继距离长

适合接收高阶调制信号，如QPSK/16QAM信号

以数字光接收机为例：

光纤通信系统对光检测器的要求

响应波长合适、响应度高、响应速度快、噪声小、光电转换线性好、可靠性高、寿命长、体积小。

光接收机动态范围(DR)

在保证系统误码率前提下，接收机的最低输入光功率和最大允许输入光功率的差值。

表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。我国动态范围的要求是大于等于18dB。计算公式如下：

Lp：光源可能超过设计要求的光功率，一般在1-2dB。

Mc：光纤链路在每公里的富余度，考虑在线路的设计寿命内，因为维修增加的接头损耗、因为环境变化而增加的损耗、因为连接器增加的损耗，常取值在0.02-0.4dB/km内。

lmax：光纤链路最大的中继距离。

ME：设备的富余度，一般取值在3-6dB以内。

相干检测的分类：

零差检测

选择ωL=ωs,即ωIF=0。零差检测接收光功率可以放大几个数量级，虽然噪声也增大，但仍能使灵敏度大幅提高，但技术复杂，必须严格控制相位变化，使φs－φL保持不变，同时要求ωL=ωs 。

外差检测

选择ωL≠ωs,即ωIF= ωs － ωL ＞0。外差检测也能提高灵敏度，信噪比改善比零差检测低3dB，但因无需实现相位锁定，接收机设计相对简单。

同步检测与异步检测

在相干光通信中，带有相位跟踪的接收机为同步接收机。没有相位跟踪的接收机叫做异步接收机。异步接收机的性能要差于同步接收机，但是异步接收机结构简单，使用成本低。

以相干接收机为例：

相干检测的优势

1. 相干传输可以保留光的振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息，是传统的IM-DD光通信技术不具备的。因此在相干光通信中，除了可以对光进行幅度调制外，还可以使用M-PSK、M-QAM等多种多阶调制格式，大大提高频谱效率。

2. 与IM/DD和差分PSK系统相比，相干接收的电信号与光信号的电场矢量成正比，即相干接收系统为线性的，在理论上，相干传输系统的所有线性失真(色度色散和偏振模色散)都能够被完全无损补偿，甚至非线性影响也能被有效平衡。而色散和偏振模色散正是IM-DD系统进行长距离传输的最大限制因素。

3. 在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其它噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能。此外，由于相干探测优良的波长选择性，可用于信道间隔小到GHz量级的光频分复用技术，实现多信道复用，有效使用光纤带宽。

以VPI仿真软件为例，搭建一个直接检测和相干检测的接收机：

(内容简略，难免出错，欢迎提出宝贵建议！)

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