光纤通信第三章3-接收机灵敏度讲解学习
浅谈接收设备灵敏度
浅谈接收设备灵敏度灵敏度介绍及计算接收灵敏度是检验基站接收机接收微弱信号的能力，我们经常谈及的某产品或者某设备的灵敏度，其实是最大可用灵敏度，即指保证接收设备正常工作所需输出信号电平或信噪比。
信噪比（S/N）是电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。
信噪比的计量单位是dB，计算公式如下：S/N=10lg(PS/PN)= 20Lg(VS/VN)Ps: 信号的有效功率Pn:噪声的有效功率Vs:信号电压的“有效值”Vn:噪声电压的“有效值”设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少。
一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高。
信噪比是接收设备的关键指标，也是计算灵敏度的直接参数。
灵敏度的计算公式如下，单位是dBm。
Si = -173.93 dBm + 10lgBW + NFSYS + (S/N) BW:信号带宽（Hz）NFSYS:收信机噪声系数S/N:信噪比从以上公式可以看出为提高接收机灵敏度也即使Si小，可以从以下方面着手，a)降低系统噪声系数，b)提高信噪比c)减小信号的带宽SX1278灵敏度的分析我们为了计算其灵敏度，只需要测量信噪比和噪声系数即可。
在SX1278的数据手册中我们查询到了以下的数据。
不同扩频因子SF下，信道的信噪比：不同链路增益下的噪声系数由此我们可以计算出不同带宽的灵敏度：BW=125K参考值：计算值:RFS_L125_HFRFsensitivity, Long-RangeMode, highest LNA gain,Band1, 125kHz bandwidthSF=6-123dBmSF=7-125dBmSF=8-128dBmSF=9-130dBmSF=10-133dBmSF=11-135dBmSF=12-138dBm BW=250K参考值：计算值:RFS_L250_HF RFsensitivity, Long-Range Mode, highestLNA gain, Band1,250 kHz bandwidthSF=6-120dBmSF=7-122dBmSF=8-125dBmSF=9-127dBmSF=10-130dBmSF=11-132dBmSF=12-135dBm LORA接收模式下的灵敏度同样适用于灵敏度Si的计算公式。
光纤通信_实验3实验报告接收机灵敏度和动态范围测量实验
光纤通信_实验3实验报告接收机灵敏度和动态范围测量实验课程名称：光纤通信实验名称：实验3 接收机灵敏度和动态范围测量实验姓名：班级：学号：实验时间：指导教师：得分：一、实验目的1、了解和掌握光收端机灵敏度的指标要求和测试方法。
2、掌握误码仪的使用方法。
二、实验器材主控&信号源模块25 号光收发模块23 号光功率计&误码仪模块三、实验原理光接收机的性能指标主要包括灵敏度和动态范围。
（1）灵敏度灵敏度是光端机的重要特性指标之一，它表示了光接收机接收微弱信号的能力，是系统设计的重要依据。
光接收机灵敏度的定义是：在给定误码率或信噪比条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。
在测灵敏度时应注意 3 点：1、在测量光接收机灵敏度时，首先要确定系统所要求的误码率指标。
对不同长度和不同应用的光纤数字通信系统，其误码率指标是不一样的。
例如，在短距离光纤数字通信系统中，要求误码率一般为，而在420km 数字段中，则要求每个中继器的误码率为。
对同一个光接收机来说，当要求的误码率指标不同时，其接收机的灵敏度也就不同。
要求误码率越小，则灵敏度就越低，即要求接收的光功率就越大。
因此，必须明确，对某一接收机来说，灵敏度不是一个固定不变的值，它与误码率的要求有关。
测量时，首先要确定系统设计要求的误码率，然后再测该误码率条件下的光接收机灵敏度的数值。
2、要注意光接收机灵敏度定义中的光功率是指最小平均光功率，而不是指任何一个在达到系统要求的误码率时所对应的光功率。
因此，要特别注意“最小”的概念。
所谓“最小”，就是指当接收的光功率只要小于此值，误码率立即增加而达不到要求。
应该指出，对某一接收机来说，光功率只要在它的动态范围内变化，都能保证系统要求的误码率。
但灵敏度只有一个，即接收机所能接收的最小光功率。
3、灵敏度指的是平均光功率，而不是光脉冲的峰值功率。
这样，光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关。
码型不同，占空比不同，平均光功率也不同，即灵敏度不同。
光纤通信原理第三章3 光接收机灵敏度
v0 :"0" 码时输出电压的均值; v1 :"1" 码时输出电压的均值; D : 判决电平; f 0 ( x) :"0" 码时输出电压的概率密度 f1 ( x) :"1" 码时输出电压的概率密度
“0”码误判为“1”码的概率：
E01 =
“1”码误判为“0”码的概率：
E10 =
总误码率 BER
BER = P(0)E01 + P(1)E10
BER = P(0)E01 + P(1)E10
一般线路编码：P(0)=P(1) 则：
1 BER = ( E01 + E10 )
2
3.判决电平与灵敏度的计算
为使误码率最小
E01 = E10
D - V0 = V1 - D = Q
0
1
BER =
误码率和Q的对应关系
灵敏度的计算：
1. 从要求达到的误码率→Q值；
2. 计算出 0 和 1 → V0和V1;
3. 由光电检测器的响应度和放大器的传递 函数求出输入端“1”和“0”码时接收光功 率；
4. 求出平均光功率。
P(0)和P(1)分别表示码流中“０”码和“１”码出现的概
放大器的噪声是高斯分布的白噪声； 光电变换是泊松分布的随机过程； 雪崩倍增过程则是一个非常复杂的 随机过程。
1.高斯近似假设
放大器的噪声是概率密度函数为高斯函 数的白噪声
f ( x) =
v : 均值;
2: 放大器输出端的总噪声功率
2 =
2
Vna
简化计算： PIN 和APD近似为高斯分布
的随机过程
放大器噪声与检测器噪声之和的概率 密度函数仍为高斯函数
光纤通信ppt概要
2 1 Rt2
2Ct2
d 2
Rt Rb // Ra ； Ct Cd Cs Ca ；ZT 是放大器、均衡滤
波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传
递关系，实为转移阻抗
可以看出：①偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；② 输入电阻Rt越大、输入电容Ct越小，串联电压噪声源对 总噪声的影响越小
4．APD的过剩噪声
APD的过剩噪声系数为
g2
g2
F G
g2
G2
在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指
数来表示过剩噪声系数，即
F G≈Gx
3.3 放大电路及其噪声
3.3.1 噪声的数学处理
1．噪声的统计性质
对噪声的分析应采用随机过程的分析方法 电阻内部微观粒子的热骚动是一个随机过 程
对于随机噪声XN来说，落在x1和x1+dx1之 间的概率是
2kK gm
gSmi 是FE场T，效应管0.7的；跨对导G；aA是s F器ET件，的 ≈数值1.系1 数，对
（3）输出瑞的总噪声功率
当得vn2aR到b足2RkbK够 e大0Igate时 2，kgKm上vRn1b式a2 中 C的gZtmT2第 一2 d2项 2可kgKm以 C2忽t2 略 ，Z T 因 此2 2d
3.3.3 场效应管和双极晶体管
的噪声源
1．输入端的等效电路及噪声源
场效应管的主要噪声源有两个 : 栅漏电流的散粒噪声 沟道热噪声
（1）散粒噪声
散粒噪声其功率谱密度为 SI e0Igate e漏0为电电流子电荷，e0 1.61019C，Igate是场效应管的栅
（2）沟道热噪声 功率谱密度为
d iout df
3.2.1
PN 结 的 光
光纤通信第三章3-接收机灵敏度
系统升级与维护
兼容性
当考虑升级光纤通信系统时，必须确保新接 收机与现有系统的其他部分兼容。这包括与 发送器、中继器和网络的兼容性。不兼容的 设备可能导致信号质量下降、通信中断或其 他不可预测的行为。
维护和修理
在光纤通信系统的运营期间，接收机可能需 要定期维护和修理。这可能涉及清洁光学元 件、检查连接器和电缆、以及更换损坏的组 件等任务。为了确保系统的可靠性和稳定性 ，必须采取适当的维护措施并快速修理任何
光纤通信第三章接收机灵敏度
目
CONTENCT
录
• 接收机灵敏度的定义 • 接收机灵敏度与系统性能的关系 • 提高接收机灵敏度的方法 • 接收机灵敏度与其他参数的关系 • 实际应用中的考虑因素
01
接收机灵敏度的定义
定义
接收机灵敏度是指接收机在特定噪声背景下，能够检测到的最小 信号功率。它反映了接收机对微弱信号的检测能力。
影响因素
01
02
03
04
噪声水平
接收机的内部噪声和外部噪声 都会影响其灵敏度。内部噪声 主要由电子器件的热噪声和散 粒噪声引起，外部噪声则包括 环境噪声和邻近信道的干扰噪 声。
动态范围
动态范围是指接收机在保证一 定性能指标下，能够接收的最 大信号功率与最小信号功率之 比。动态范围越大，表示接收 机能够在较大的信号变化范围 内保持稳定的性能。
100%
噪声来源
主要包括散弹噪声、热噪声和激 光器自发辐射噪声等。
80%
信噪比改善
通过降低噪声、提高信号功率或 降低系统带宽等方法可以提高信 噪比，从而提高接收机灵敏度。
动态范围
动态范围
系统正常工作所需的输入信号功率范围，即最大可承受的信号功率与 阈值信号之间的差值。
光接收机的指标——灵敏度和动态范围
光接收机的指标——灵敏度和动态范围光接收机的灵敏度和光接收机的动态范围是光接收机的两个重要指标．1．光接收机灵敏度光接收机灵敏度这个指标，是描述接收机被调整到最佳状态时，在满足给定的误码率指标条件下，接收机接收微弱信号的能力．上述这种能力的描述，可以用以下三种物理量来体现．(1)最低接收平均光功率．(2)每个光脉冲中最低接收光子能量．．(3)每个光脉冲中最低接收平均光子数．本书将采用工程常用的物理量：最低平均光功率．这就是说，光接收机的灵敏度，是在满足给定的误码率指标条件下，最低接收平均光功率Pmin．工程上光接收机灵敏度中的光功率常用相对值来描述，即用dBm来表示式中，Pmin——在满足给定的误码率指标条件下以瓦表示的最低接收光功率；——指lmW光功率．从物理概念上来看，上述这种灵敏度定义也是容易理解的：如果一部光接收机在满足给定的误码率指标下所要求的最低平均光功率低，说明这部接收机在微弱的输入光条件下就能正常工作，显然，这部接收机的性能是好的，是灵敏的．同样，从物理概念上也容易理解，限制接收机的灵敏度的主要因素是噪声，由于接收机存在噪声（这将在后面讨论），因而，为了保证正常接收，就需要有足够大的输入功率．2．接收机的动态范围光接收机的动态范围D，是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差(dB)，即式中，就是上面所讲的接收机灵敏度．之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为当环境温度变化时，光纤的损耗将产生变化；随着时间的增长，光源输出光功率亦将变化；也可能因一个按标准化设计的光接收机工作在不同的系统中'从而引起接收光功率不同，因此要求接收机有一个动态范围．低于这个动态范围的下限（即灵敏度），如前所述将产生过大的误码；高于这个动态范围的上限在判决时亦将造成过大的误码．显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围．3.6.3 光接收机的噪声1.研究光接收机噪声的目的在一个完整的光纤通信系统中，光接收机是它的重要组成部分．可以想像，在满足误码率（或信噪比）指标要求下，如果需要输入接收机的光功率低，则表明这个光接收机的灵敏度高，性能好．那么为什么光接收机的输入功率不能无限制地降低呢？显然，是受到了系统中噪声的限制．为了研究光接收机的性能，就需研究光纤通信系统的噪声，首先是从接收机这端引入的噪声．2．光接收机噪声的主要来源(1)光电检测器引入的噪声光电检测器在工作时，一方面将接收到的光信息量转变为电的信息量；另一方面，在上述这种转变过程中，又将一系列与信息无关的随机变化的量带人信息量中，这种随机变化量主要有以下三种。
接收灵敏度
接收机灵敏度是指给定接收机解调器前要求信噪比的条件下，接收机所能检测的最小信号电平。
与输出信噪比、接收天线等效噪声温度及接收机本身噪声都有关系，而不能用高斯白噪声等效所有可能的噪声。
GSM的接收灵敏度为-102dbm，一般系统接收到的信号电平低于-100dbm就不能正常通话。
接收机灵敏度是指给定接收机解调器前要求信噪比的条件下，接收机所能检测的最小信号电平。
SNR是指输出信号与同时输出的噪声的功率比值。
Rx 是接收（Receive ）的简称。
无线电波的传输是“有去无回”的，当接收端的信号能量小于标称的接收灵敏度时，接收端将不会接收任何数据，也就是说接收灵敏度是接收端能够接收信号最小门限。
接收灵敏度仍然用dBm 表示，通常WiFi 无线网络设备所标识的接收灵敏度（如-83dBm) ，是指在11Mbps 的速率下，误码率（Bit Error Rate ）为10 -5 (99.999%) 的灵敏度水平。
无线网络的接收灵敏度非常重要，例如，发射端的发射能量为100mW 或20dBm 时，如果11Mb 速率下接收灵敏度为－83dBm ，理论上传输的无遮挡视距为15km ，而接收灵敏度为－77dBm 时，理论上传输的无遮挡视距仅为15Km 的一半（7.5km ），或者相当于发射端能量减少了1/4 ，既相当于
25mW ，或14dBm。
接收灵敏度的解析与调试
记住：不存在所谓的经典匹配。实际应用中因器件之间有传输 线，所以不一定会按理想情况变化，所以要做到得心应手，就 必须学习传输线理论
三、传导灵敏度调试一
例：
公共通路上一般会有耦合器，有些案子会有SAW，此时耦合器与射频测试座之间的匹配网络 影响通路阻抗的收敛性，耦合器与ASM ANT口之间的匹配网络影响通路阻抗的位置。
1、不同通信系统或速率，带宽会不同； 2、NF其中包括噪声系数和插损； 3、SNR一般TR厂家会给出
二、接收灵敏度的理论计算二
三、传导灵敏Байду номын сангаас调试一
射频通路（包括公共通路， 双工器及SAW等）
S11
S22
S21 S12 ZI和ZL的特性阻抗理想情况下为50ohm S参数，即散射参数，是微波传输中的一个重要参数。 S12为反向传输系数，也就是隔离。 S21为正向传输系数，也就是增益。 S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗。 S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
由于通路的阻抗并 实例， TRX直通时： 不一定能够很好地 控制在50OHM，因 此S22一般在
50OHM附近时收敛。
可以通过直通和参 考Datasheet并一电 感来确定S22的走位，
然后可以按照S22走
位的方法来调收敛
三、传导灵敏度调试一
从供应商处要了B5 双工器的 Datasheet S参数
1. 收敛性调试：
A.由于涉及频段较宽，因此所用器件需谨慎（无源和有源双重验证），个人认为一般串 1NH~2.4NH左右的电感，影响收敛比较明显，如图C1106。并联器件一般起微调作用，不宜 选择小电感，一般大于27NH。并联电容影响明显，一般会导致发散。
B.器件的拓扑结构对收敛性有明显地影响。以射频测试座为2端口，ASM ANT口为1端口，此
光纤通信原理第三章4 影响接收机灵敏度的主要因素
S () Hof () Ham ()Heq () = A()
均衡网络的传递函数为：
（1）可变均衡器 原理图
等效图
4.眼图分析法
眼图：
均衡电路输出的随机脉冲序列输 入到示波器的Y轴；
时钟信号作为外触发信号.
一个实际输出的眼图
眼图
Formation of eye diagram
Transmitter “eye” mask determination
Eye diagram degradations
Computer Simulation of a distorted eye diagram
模型化的眼图
§5.2 动态范围和自动增益控制（AGC） 电路
1.接收机的动态范围 接收机的动态范围：
§4 影响接收机灵敏度的主要因素
放大器噪声 比特率 占空比 消光比
1.放大器噪声对接收机灵敏度的影响 性能好的PIN散粒噪声和暗电流噪
声可以忽略，APD则不能忽略。
降低放大器的噪声是提高接收机 灵敏度的关键之一。
对于ＡＰＤ：
•信号功率在倍增的过程中被放大G2 倍，
但散粒噪声被放大了G2+x倍。
•放大器的噪声是与Ｇ无关的。
2.放大器电压自动增益控制电路
自动增益控制方法：
改变放大器本身的参数，使增益发生变 化
在放大器级间插入可变衰减器，使增益 发生变化
常用的AGC电路有：
采用双栅极场效应管的AGC控制电路 改变差分放大器工作电流的AGC电路 分流式控制电路 输入端插入电控衰减器的控制方式
§5.3再生电路
作用： 把放大器输出的升余弦波形恢复成数
在滤波前需要对信号进行非线性处理
33-34接收机灵敏度-精选文档
N
p ( t ) [ ] dt 0 t h
t L 0
0
n个Pprob()的卷积
结论：光电检测过程是非常复杂的随机过程。
8
三、接收机灵敏度的精确计算 1、方法
设Ns和Nd分别为每秒钟光生和暗电流生成的电子-空穴 对数；qn是放大器的高斯噪声归一化为二次电子-空穴对数。 假设接收机为线性系统，且判决时无码间干扰，
在取样判决时刻ts输出电压：
V ( t ) Z e [ g q ] Z e X s 00 l n 00
l 1
N N s d
定义X为归一化输出信号：
X
Ns Nd l 1
g
l
qn
9
第一项概率密度函数：
[N N ] N N s d e [ N N ] s d P ( ) P g ) t n g( l N ! N 0 l 1
2）高斯近似计算 假设雪崩倍增过程的概率密度函数为高斯函数，从 而使总噪声的计算变得简单。 计算精度可保持在1dB范围内，满足工程设计的需 要。
4
二、光电检测随机过程的统计特性
1、光子计数过程
1）泊松分布 在时间间隔L内产生m个电子-空穴对的概率是均值为Λ 的泊松分布。 （光生电子-空穴对的概率密度函数）
第二项为放大器高斯噪声，概率密度为：
fqn(x )
总噪声：
1 2 an
e
2 2 an
x2
P ( x ) P ) f ( x ) t( q n
d
B E R P ( 0 ) ()x P ( 1 ) ()x 0 1 Pxd Pxd
d
所以，总噪声的概率密度函数和灵敏度的精确计算是很复 杂的。可以采用一些近似的处理方法,如切诺夫界限法、重要 性取样法等。 10
光接收机特性指标——灵敏度(精)
2.理想光接收机灵敏度
理想的光接收机是指假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子—空穴对所产生的光电流的接收机。灵敏度极限由量子噪声决定，因此叫量子极限。通过表格我们得到光接收机的灵敏度与波长和传输速率也有关系这一结论。
3.灵敏度影响因素
在限定误码率的条件下，决定灵敏度的主要因素有传输速率、光检测器、前置放大器的特性，特别是噪声特性。简单介绍接收机噪声的来源，并分析在不同的应用场合对接收机灵敏度的要求和接收机设计考虑的原则。
小结：
课堂总结
教学章节
光接收机特性指标——灵敏度
教学环境
多媒体机房
教学
内容
Байду номын сангаас1.灵敏度定义
2.理想光接收机灵敏度
3.灵敏度影响因素
教学
目标
1．掌握光接收机灵敏度定义
2．了解理想光接收机灵敏度
3．了解灵敏度影响因素和接收机灵敏度设计要求
重点
难点
1、光接收机灵敏度定义
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.灵敏度定义
光纤通信实验3
∆U
2 ∆U U
∆T
2U
U − 2 ∆U 眼开启度 U
交叉点发散度
∆T T
眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时 刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。在无码间串扰和噪声的 理想情况下，波形无失真，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形 失真，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变 得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程 度。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个 基带传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加 以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。 （1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的 时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。 （2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜 边越陡，系统对定时抖动越敏感。 （3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围， 称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来 提取的，对于这种设备零点失真量很重要。 （4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。 （5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬 时值超过它就有可能发生错误判决； （6）横轴对应判决门限电平。
三、实验原理
光收端机的灵敏度是指在保证一定的误码率前提下，光接收机所 允许接收的最小光功率。灵敏度的单位为分贝毫瓦（dBm）。 光接收机灵敏度主要决定于光接收机内部噪声（光检测噪声和前 置放大器噪声）。光接收机内部噪声是伴随光信号的接收检测与 放大过程产生的，它使接收机最小可接收平均光功率受到限制， 即它决定了光接收机的灵敏度。
6.打开系统电源，液晶菜单选择“光纤测量实验—接收灵敏度”，确认。 调节W201即改变送入光发端机信号（TX1310）幅度最大（不超过5V）。 慢慢调节可调衰减器（减少衰减量），直至在一定调节范围内，误码状 态一直显示为“正常”。保持此时可调衰减器状态。 7. 按“返回”键，选择“光纤测量实验—接收灵敏度”，确认。刷新误 码仪，此时误码状态应该一直显示为“正常”。慢慢调节可调衰减器， 增加衰减量，即使进入光收端机的光功率逐渐减小，出现误码率或者误 码率逐渐增大。当误码率达到时，误码状态显示即由“正常”切换为 “误码”。此时可以反调衰减器减少其衰减量，在误码状态切换点停止 调节，保持此时可调衰减器状态。 8. 断开光接收端机，测量可调衰减器的输出光功率Pmin（dBm），即为 此光收端机的灵敏度。注意操作过程中，不可改变可调衰减器状态。 9．重测量结构连接，重复步骤6、7，刷新误码仪。慢慢调节可调衰减器， 减小衰减量，使进入光收端机的光功率逐渐增大，出现误码率或者误码 率逐渐增大。当误码率达到时，误码状态显示即由“正常”切换为“误 码”。此时可以反调衰减器增大其衰减量，在误码状态切换点停止调节， 保持此时可调衰减器状态。 断开光接收端机，测量可调衰减器的输出光功率Pmax（mW）。 10. 算出此光收端机的动态范围D； 11. 关闭系统电源。
【实用】光接收机的灵敏度和动态范围PPT文档
通信技术专业教学资源库 广州民航职业技术学院
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测量次数
接收最小 光功率 （mw)
误码率
1 1.0
3X10-9
2
3
1.3 1.2
1X10-9 4X10-10
4 1.4
3X10-10
5 1.1
2X10-9
6
7
1.2 1.3
1X10-9 1X10-9
8 1.2
1X10-9
9 1.3
1X10-9
解：
PR
10lg (1.3
+
1.2
+
1.4
+
1.2 + 1mW
• 因为光接收机的输入光信号不是固定不变的，为了保证系统正常 工作，光接收机必须有一个动态范围，也就是说光接收机必须具 备适应输入信号在一定范围内的能力。低于或高于这个动态范围， 都会产生较大的误码。
下面请同学们完成两个计算。
1、对某光接收机进行了多次测量，测量结果如下表，该传输系统要求误码率小 于10-9，求该接收机的灵敏度。
(dBm)
光接收机的动态范围
• 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收 机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之 差（dB）。该值越大越好。即
D＝10
l
g
Pmax 103
10
l
g
Pmin 103
10 lg Pmax (dB) Pmin
光接收机灵敏度
Q
vth b
BER Pe Q
1
Q/ 2
e
x2
dx
2
其中
1 1 e Q / 2 Q 1 erf 2 2 Q 2
Q vth boff bon vth
描述接收机性能
off
2
on
e
y2
erf x
光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工 作电压，响应速度快。 B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，一般来说其探 测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用pin光电 二极管作光探测器。EDFA + pin同样可以带来高灵敏度。 前置放大器
眼图
7.3.2 光检测器的量子极限
定义：量子效率为1，没有暗电流(即没有光的时候没有电子空 穴对产生)，对于达到特定误码率时的最小接收机功率称为量 子极限。
在这种极限条件下，所有的参数都是理想的，检测器性能仅受 限于光检测过程的统计特性 (量子噪声) 。假设在时间 t内有一 个能量为 E 的光脉冲落在光检测器上，在时间 t内产生的电子 空穴对的均值为：
图 7.1 数字光接收机方框图
光接收机的前端
光信号 光检测器 前置放大器
偏压控制
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电流， 然后进行预放大(电流信号到电压信号的转换)，以便 后级作进一步处理。前端是光接收机的核心 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
器件的选择
(b)
(a)
BER与信噪比的关系曲线
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对数，qn是放大器的高斯噪声归一化为二次电子-空穴对数
Ns Nd
V(ts ) Z0e0[ gl qn ] Z0e0 X
l1
Ns Nd
X gl qn
X的概率密度函数为：
l1
Pt()N0e[NsNd][NN!sNd]N
N
Png(
l1
gl
)
9
放大器的噪声： 总噪声：
x2
fq n(x)
1
对PD：
dind2 df
e0(Is
Id)
对APD：
dind2 df
e0(Is
Id)G2F(G)
在输入端是并联电流噪声源。 光电检测器的噪声与接收光功率有关。
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特点：简单，但没有反映出邻码对判决码元的散粒噪声
V ou (t)tiin (t) ZT(t)iin ()ZT(t)d
即在判决某码元时，光电探测器的散粒噪声包括所有邻 近码元的影响。
il (t) e0 gl (t tl )
N
i(t) e0 gl (t tl ) l 1
N
V l out
(t)
e0 gl (t tl ) ZT (t)
lN1
e0glZT(t tl)
l1
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ZT (t) RThT (t)
N
Voutl (t) e0glhT (t tl ) l1
gl = n 的概率是一个复杂的函数：
Pprob(gl
(1k)n1( n )[1k(G1)]1k1(nk1)
n)
1k G [1k(n1)](n1)![1k(n1)]
(G1)n1 G
(1k)
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P t( )N 0e N !NP ng (lN 1gl )
随机性：I. gl是随机的, 其概率密度函数是复杂的函数；
hT
(t
tl )
1
[
p(tl )
h
0 ]dtl }
e N N!
eN
e0 g
N 0
N!
N
hT (t
L
tl
}[
p(tl
h
)
0 ]dtl
e N 1 e N 1 e e 1
(N 1)!
( N 1)!
Vout l
(t)
e0
g
L
[
p(tl
h
)
0
]hT
(t
tl
)dtl
光纤通信第三章3-接收机灵敏度
一、灵敏度计算的一般方法
1. 灵敏度的概念: 保证 误码率为确定值的 情况下所需要的最 低接收平均光功率 (dBm).
2. 一般方法 1）求总噪声的概率 密度函数f0(x),f1(x) ; 2) 从概率密度函数 出发计算误码率。
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2
计算BER
“0”码误判为“1”码的概率E：01
P[N,(t0,t0L)]
P(tl ) 是在tl时
刻产生一个初 始电子-空穴 对的概率
P(tl)( tl) 1[p h(tl)0]
P[N,(t0,t0 L)]是时隙L内产生N个初始电子-空穴对
P[N,(t0,t0
L)]
eN N!
的概率
19
Voutl (t)
e0 g {
N 0 L
N l 1
g [ e0 L h
p(tl )
I d ]hT (t
tl )dtl
20
3）求 [Voutl (t)]2
N
N
[Voutl (t)]2 e0 gl hT (t tl ) e0 gshT (t ts )
II. N是随机的，即在时隙L内产生的初始电子-
空穴是泊松分布
N
Png( gl ) Pprob( ) Pprob( )......
l1
n个Pprob()的卷积
[ t0L
t0
p(t) h 0]dt
结论：光电检测过程是非常复杂的随机过程。
8
三、接收机灵敏度的精确计算
1、方法
设Ns和Nd分别为每秒钟光生和暗电流生成的电子-空穴
D f0(x)dx
“1”码误判为“0”码的概率E：10
误码率
D
f1(x)dx
BER E01P(0) E10P(1)
3
2、光接收机灵敏度计算方法
1）精确计算：从雪崩倍增实际的概率密度函
数出发计算总噪声的概率密度函数，进而计算接
收机的灵敏度。
X X1 X2
2）高斯近似计算
fX (x) fX1 fX 2
假设雪崩倍增过程的概率密度函数为高斯函数，
从而使总噪声的计算变得简单。
计算精度可保持在1dB范围内，满足工程设计 的需要。
4
二、光电检测随机过程的统计特性
1、光子计数过程
1）泊松分布
P[m, (t0 , t0
L)]
e m m!
[p(t h
)
0
]dt
2）光电检测过程的量子极限
条件：放大器不存在热噪声
光电二极管的量子效率为1，暗电流为零
光源的消光比为零
5
因为光源的消光比为零，所以“0”码时接收光功率 为零，没有光生的电子-空穴对；Id = 0, 没有暗电流生成 的电子-空穴对；放大器无噪声，没有热激励的电子-空穴 对。
“0”码不会发生误判决，E01=0。
E 10e 0 0!来自e E /hBER
2）求 Voutl (t)
N
Voul(tt)e0g hT(ttl)
N
l1
hT (t tl ) 含有两重随机性：
l 1
I. 时隙L内产生N个初始电子空穴对的概率是泊松分布；
II. 在tL时刻产生一个电子空穴对是随机的。
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N
Voul(tt)e0g [ hT(ttl)P(tl)dl]t N0 Ll1
1 2
E 10
1 10 9
E 1 21 h
“1”误判为“0” 码的概率等于接 收“1”码时一个 电子-空穴对也没 有产生的概率。
6
2、雪崩光电检测随机过程的统计特性
雪崩光电检测随机过程的统计特性是非常复杂的。
时隙L内， t1, t2, t3,...... tl,...... tN g1,g2,g3,......gl,......gN
2）Personick的计算方法 由卷积的关系来确定输出电压，进而确定光电探测器的
散粒噪声。
V ol( u t)t V ol( u t) t [ V ol( u t)t2 ] 2
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2、光电探测器的散粒噪声
1）求
Vl out
(t)
在时隙L
t1, t2, t3,...... tl,...... tN g1,g2,g3,......gl,......gN
e 2an2
2an
P(x)Pt()fqn(x)
d
BERP(0) d
P0(x)dxP(1)P1(x)dx
所以，总噪声的概率密度函数和灵敏度的精确计算 是很复杂的。可以采用一些近似的处理方法,如切诺夫 界限法、重要性取样法等。
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四、接收机灵敏度的高斯近似计算
1、概况：两种方法
1）从噪声功率谱密度进行计算