光纤通信第三章3-接收机灵敏度
光接收机特性指标——灵敏度PPT资料优秀版
✈海底通信系统：尽可能减少中继站数目以提高可靠性并容易维护。 ✈海底通信系统：尽可能减少中继站数目以提高可靠性并容易维护。
灵敏度，dBm
——灵敏度
理想光接收机灵敏度
灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。
02.理想光接收机灵敏度
理想光接收机：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。灵敏度只
理想光接收机：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。
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。
✈海底通信系统：尽可能减少中继站数目以提高可靠性并容易维护。
✈海底通信系统：尽可能减少中继站数目以提高可靠性并容易维护。
受光检测器的量子噪声限制。
理想光接收机的灵敏度
波长μm
ห้องสมุดไป่ตู้
1.31
1.55
速率Mb/s
34
140
140
622
灵敏度dBm
-71.1
-63.8
-65.7
-59.2
03.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。 光接收机的噪声：
✈光电检测器噪声 ✈电子放大器噪声 ✈光源谱线的随机性与单模光纤色散相互作用形成的模分配噪声。
通信技术专业教学资源库 深圳职业技术学院
《光纤通信技术》课程
光接收机特性指标 ——灵敏度
主讲：赵晓吉
课程团队：马晓明 赵晓吉 吴粤湘 林琪
目录
01 灵敏度定义 02 理想光接收机灵敏度 03 灵敏度影响因素
接收机的灵敏度
接收机的灵敏度
接收机灵敏度
接收机灵敏度是指接收机能够输出规定信噪比(S/N)的信号时，该接收机输入端的最小输入信号Smin；一般定义为最小信噪比与平均噪声功率的乘积，如式1所示。
若从天线端的输入信号考虑，天线(系统级)灵敏度称为最小工作灵敏度或系统灵敏度，如式2所示。
因为MOS考虑了天线增益的影响，单位可以用dBi表示。
在描述截获、处理脉冲信号的接收机灵敏度时，还必须说明灵敏度对应的最小脉冲宽度。
所有的接收机设计都是基于给定的灵敏度电平指标的，原因在于接收机灵敏度将限制接收机带宽大小，从而导致接收机处理的信号与感兴趣信号不匹配。
通常在处理接收信号的时候，灵敏度设定的功率电平越高，将被处理的虚假警报数量也会越少，但信号的检测概率也会下降。
灵敏度可以用两种相反的方式来定义，即输出响应与输入之比或输入与输出响应之比，因此在讨论中经常会令人困惑。
采用前一种方法（与大多数的讨论相同，本文也沿用了输出响应与输入之比的描述方式）的灵敏度数值为负（单位：dBm），此时的灵敏度越小，接收机性能越好，即-60dBm比-50dBm更好。
而后一种方法的灵敏度数值为正，数值越大，接收机性能越好。
信噪比（S/N）
接收机的信噪比(S/N或SNR)为信号功率与平均噪声功率的比值，通常所有的接收机都要求被检测的信号功率大于噪声功率，当信号功率小于或等于噪声功率时是不能够被检测的。
通常我们说一个信号能够被检测时，信号与噪声功率之比必须大于某个设定的检测门限。
一般来说，检测门限会设定为一个足够大的值，以保证随机噪声峰值超过门限的虚警概率达到可接受的较低水平。
作者：Mark A. Richards。
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。
【实用】光接收机的灵敏度和动态范围PPT文档
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谢谢
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
7.1 光 接 收 机
7.1.1光接收机作用
光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生 畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、 整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收 端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。
光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中 的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的 主要因素。
类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：
P 1 (v t) h v th p y |1 d y v th f1 (y )d y 2 1on v th e x v 2 p b o o 22 n n dv
误码率 bit-error-rate
设0和1等概率发送，且选取判决电压为 vth = (bonoff + boffon)/(off + on)：
2. 热噪声
热噪声包括检测器负载电阻及放大器发 热引起的噪声。
3. 放大器的噪声
7.2.2 光接收机的信噪比
光接收机输出端的信噪比为：
光电流信号功率 S/N光检测器噪声 放功 大率 器噪声功率
提高光接收机信噪比的措施：
（1）光检测器必须要有很高的量子效率，以 产生较大的信号功率； （2）使光检测器和放大器噪声保持尽可能低 的值。
Fig. 7.7: BER 和 Q 因子的关系曲线
例
下面分析两种传输速率 的情况：
ba) 对信于噪高比速为S8.O5N时E误T链码路率，为 OPeC=-1120速-5。率对是于62一2M个b速/s，率要为 得1.5到4相4M同b/的s 通的话电效话果的接(1收1分信 钟号才电有平一值个，误Pe码= )1，0则-5意要味求着 B每E0R.0为651秒0-1有1或一1位0-1误2，码这，就这
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
接收灵敏度计算
接收灵敏度计算
接收灵敏度是指接收器对输入信号变化的敏感程度。
一般来说，接收灵敏度越高，接收器对更小幅度的信号变化都能正确地检测和解调。
接收灵敏度的计算方法通常涉及以下几个因素：
1. 接收器的噪声系数（Noise Figure）：噪声系数是衡量接收
器噪声性能的指标，它表示接收器引入的噪声相对于理想噪声源的增益倍数。
噪声系数越小，接收器的噪声性能越好，接收灵敏度也就越高。
2. 接收器的增益：接收器的增益决定了输入信号转化为输出信号的增益，增益越高，输入信号在接收器内部被放大的程度越大，对输入信号的灵敏度也就越高。
3. 接收器的带宽：带宽是指接收器能够传输和处理的信号频率范围，带宽越宽，接收器对不同频率的输入信号的灵敏度也就越高。
4. 接收器的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）：信噪比是
指信号和噪声的功率比值，它描述了接收器输出中有用信号的功率与噪声功率之间的关系。
信噪比越高，接收器对输入信号的灵敏度也就越高。
综上所述，接收灵敏度的计算需要综合考虑接收器的噪声系数、增益、带宽和信噪比等因素。
具体的计算方法可根据接收器的具体参数进行推导和计算。
接收机灵敏度计算公式
接收灵敏度的定义公式摘要：本应用笔记论述了扩频系统灵敏度的定义以及计算数字通信接收机灵敏度的方法。
本文提供了接收机灵敏度方程的逐步推导过程，还包括具体数字的实例,以便验证其数学定义。
在扩频数字通信接收机中，链路的度量参数Eb/No （每比特能量与噪声功率谱密度的比值）与达到某预期接收机灵敏度所需的射频信号功率值的关系是从标准噪声系数F的定义中推导出来的。
CDMA、WCDMA蜂窝系统接收机及其它扩频系统的射频工程师可以利用推导出的接收机灵敏度方程进行设计，对于任意给定的输入信号电平，设计人员通过权衡扩频链路的预算即可确定接收机参数。
从噪声系数F推导Eb/No关系根据定义，F是设备（单级设备,多级设备，或者是整个接收机）输入端的信噪比与这个设备输出端的信噪比的比值(图1)。
因为噪声在不同的时间点以不可预见的方式变化，所以用均方信号与均方噪声之比表示信噪比(SNR)。
图1。
下面是在图1中用到的参数的定义，在灵敏度方程中也会用到它们：Sin = 可获得的输入信号功率（W)Nin = 可获得的输入热噪声功率(W） = KTBRF其中：K = 波尔兹曼常数 = 1。
381 × 10—23 W/Hz/K,T = 290K，室温BRF = 射频载波带宽（Hz) = 扩频系统的码片速率Sout = 可获得的输出信号功率(W)Nout = 可获得的输出噪声功率（W)G = 设备增益（数值）F = 设备噪声系数(数值）的定义如下：F = （Sin / Nin） / （Sout / Nout） = (Sin / Nin）×（Nout / Sout）用输入噪声Nin表示Nout：Nout = （F × Nin × Sout） / Sin其中Sout = G × Sin得到：Nout = F × Nin × G调制信号的平均功率定义为S = Eb / T,其中Eb为比特持续时间内的能量,单位为W-s，T是以秒为单位的比特持续时间.调制信号平均功率与用户数据速率的关系按下面的式子计算：1 / T = 用户数据比特率，Rbit单位Hz，得出Sin = Eb × Rbit根据上述方程，以Eb/No表示的设备输出端信噪比为：Sout / Nout = （Sin × G) / （Nin × G × F） =Sin / (Nin × F) =(Eb × Rbit）/ (KTBRF × F） =(Eb/ KTF) ×（Rbit / BRF），其中KTF表示1比特持续时间内的噪声功率(No）.因此，Sout / Nout = Eb/No × Rbit / BRF在射频频带内，BRF等于扩频系统的码片速率W，处理增益（PG = W/Rbit)可以定义为：PG = BRF / Rbit所以， Rbit / BRF = 1/PG,由此得输出信噪比：Sout / Nout = Eb/No × 1 / PG。
光接收机灵敏度公式推导
光接收机灵敏度公式推导光接收机灵敏度是指在给定的误码率（BER）条件下，接收机可以有效接收到的最弱光信号功率。
光接收机灵敏度的公式推导主要涉及到光电探测器的工作原理、光电探测器的无噪声等效输入光功率以及光信号与噪声的信噪比关系等方面。
首先，我们需要了解光电探测器的工作原理。
光电探测器通常使用光敏材料来吸收光，并将光转化成电信号。
典型的光电探测器包括光电二极管（Photodiode）、APD（Avalanche Photodiode）和PIN光电探测器（Positive-Intrinsic-Negative Photodiode）等。
在光电探测器中，最常用的是光电二极管。
光电二极管的输出电流与输入光功率之间存在着线性关系，可以用以下公式表示：I=RP其中，I是光电二极管的输出电流，R是光电二极管的响应度（Responsivity），P是输入光功率。
接下来，我们需要了解光电探测器的无噪声等效输入光功率。
光电探测器的无噪声等效输入光功率是指在没有任何噪声影响的情况下，接收器需要的最低光功率。
可以用以下公式表示：P_min = 2^(ENOB) * (SNR)^2 * sigma^2其中，P_min是光电探测器的无噪声等效输入光功率，ENOB是ADC （模拟-数字转换器）的等效比特数，SNR是信噪比，sigma^2是ADC的输入功率噪声。
最后，我们需要推导光信号与噪声的信噪比关系。
光信号与噪声的信噪比可以用以下公式表示：SNR_s=(R*P_s)^2/(R*P_n)^2其中，SNR_s是光信号的信噪比，R是光电二极管的响应度，P_s是光信号功率，P_n是噪声功率。
综上所述，我们可以将光接收机灵敏度的公式推导为：P_min = 2^(ENOB) * ((R * P_s)^2 / (R * P_n)^2) * sigma^2为了简化计算，通常将公式中的一些参数进行归一化处理。
比如，将输入信号功率和噪声功率都除以光电二极管的响应度，将光电二极管的响应度归一化为1、这样，我们可以得到一个较简化的公式：P_min = 2^(ENOB) * (P_s / P_n)^2 * sigma^2其中，P_min是归一化后的光接收机灵敏度，ENOB是ADC的等效比特数，sigma^2是ADC输入功率噪声。
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。
光纤通信(第四版)光通信常用仪表及测试
9.2 光纤特性参数及测量
色散系数测量
单模光纤色散测试的主要方法有：相移法和脉冲时延法。
信号发生器输出为模拟信号，为相移法，输出为脉冲信号，为脉 冲时延法。二者的实质是相移法的本质是通过比较基带调制信号 在不同波长下的相位来确定色散特性，而脉冲时延法是比较脉冲 调制后不同波长的光信号，经光纤传输后产生的时延差来确定色 散特性。
光通信常用仪表及测试
本章内容
9.1 引言
光纤测量的标准有三类 基础标准：测量和表征基本的物理参数，如损耗、带宽 、单模光纤的模场直径和光功率等。 器件测试标准：定义了光纤器件性能的相关测试项目。 系统标准：指链路和网络的测量方法。
9.2 光纤特性参数及测量
光纤测量参数
1、几何特性参数：纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、 包层不圆度、芯包同心误差。 2、光学特性参数：单模光纤模场直径、截止波长，多模 光纤的折射率分布、数值孔径等。 3、传输特性参数：衰减系数、单模光纤的色散系数等。 4、机械特性参数：光纤的抗拉强度、疲劳因子等。 5、温度特性参数：衰减的温度附加损耗、时延温度等。
i
ti L
(
i )( 2fL
ps /
k m)
9.2 光纤特性参数及测量
色散系数测量
ITU-T对G.652、G.653、G.654等光纤色散系数和参数有相关规定， 对于G.654光纤的规定如下
i
ti L
(
i 2fL
)(
ps
/
k m)
1550
S1550 2
1550 2 D1550 •
9.5 误码测试仪与SDH传输分析仪
误码仪
误码测试仪由三大部分组成：码发生器、误码检测器和指示器。码 发生器可以产生测试所需的各种不同序列长度的伪随机码（从27-1到 223-1）和，接口电路可以实现输出CMI码，HDB3码，NRZ码，RZ码等码 型。误码检测器包括本地码发生器，同步电路和误码检测部分。本地 码发生器的构成和码发生器相同，可以产生和发码完全相同的码序列 ，并通过同步设备与接收到的码序列同步。误码检测电路将本地码和 接收码进行比较，检测出误码信息送入计数器显示。
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。
《光纤通信》第3章课后习题答案
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。
解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。
处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。
当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。
（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。
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
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。
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g1 , g 2 , g3 ,......gl ,......g N
gl = n 的概率是一个复杂的函数：
n 1 k (G 1) 1 k n 1 (1 k ) ( )[ ] G 1 n 1 1 k G Pprob ( gl n) ( ) 1 k (n 1) G [1 k (n 1)](n 1)![ ] (1 k )
k
p
(tl kT )
bk bmax
当光脉冲为“1”码 当光脉冲为“0”码
bmin
1 T B
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22
hp是归一化的光脉冲，
e 2 2 2 0 V nd (t ) e0 g [( ) bk h p (tl kT ) I d ]hT (t tl )dt l h k L e 2 V 2 nd (t ) e0 g 2 [( 0 ) bk h p (tl kT ) I d ]hT (t tl )dt l h k
10
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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 对PD：
d in d e0 ( I s I d ) df
d in d e0 ( I s I d )G 2 F (G) df
2
2
对APD：
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。
时隙L内产生N个初始电子空穴对的概率是泊松分布； 在tL时刻产生一个电子空穴对是随机的。
II.
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Vout (t ) e0 g [ hT (t tl ) P(tl )dtl ]
l N 0 L l 1
N
P[ N , (t0 , t0 L)]
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2
计算BER
“0”码误判为“1”码的概率： E01
“1”码误判为“0”码的概率：
D D
f 0 ( x )dx
误码率
E10 f1 ( x )dx
BER E01P(0) E10 P(1)
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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。
h
p
(tl )dtl 1
5）求暗电流的噪声功率谱密度
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23
V
2
dd
(t ) = e0 g I d hT (t tl )dtl
2 2 L
I d ( ) I d 2 ( ) 1 F [hT (t )] H T ( ) H T ( ) 2
2
邻码的 噪声
判决码元 的噪声
暗电流 噪声
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26
2）假设判决时无码间干扰 输出波形具有升余弦频谱
sin(
t
T
hout (t )
) cos(
t
T
)
t
2 t 2 [1 ( ) ] T T
hout (0) 1 hout ( kT ) 0
P(t l ) 是在tl时
刻产生一个初 始电子-空穴 对的概率
1 p(t l ) P(t l ) [ 0 ] h
(t l )
P[ N , (t 0 , t 0 L)] 是时隙L内产生N个初始电子-空穴对 e P[ N , (t 0 , t 0 L)] N!
N 1 e N 1 e e e 1 ( N 1)! ( N 1)! p(tl ) l Vout (t ) e0 g [ 0 ]hT (t tl )dtl h L
e0 g [ p(tl ) I d ]hT (t tl )dtl h L
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2
3、高斯近似公式的推导
1）假设判决时有最坏的码元组合 bk = bmax k 0 bk = b0 k=0
e0 V nd (t ) e0 g [( ) bk hp (tl kT ) I d ]hT 2 (t tl )dtl h k
第3.3讲
光接收机的灵敏度计算
一、灵敏度计算的一般方法
二、光电检测随机过程的统计特性
三、接收机灵敏度的精确计算
四、接收机灵敏度的高斯近似计算
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1
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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1 k ( n 1)
Pt ( )
N 0
e
N Png ( g l ) N! l 1 N
随机性：I. gl是随机的, 其概率密度函数是复杂的函数； 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
Png ( g l ) Pprob ( ) Pprob ( )......
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放大器的噪声：
总噪声：
f qn ( x)
1 2 an
x2 2 an 2
e
P( x) Pt ( ) f qn ( x) BER P(0) P0 ( x)dx P(1) P 1 ( x)dx
d 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。
e 0 E10 e E / h 0! 1 BER E10 1 109 2 E1 21h
“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。
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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， t , t , t ,...... t ,...... t
1 k
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
p
(tl kT )hT ( tl )dtl
2
2
I1
h
p
(tl )hT ( tl )dtl
1 2 I 2 hT ( tl )dtl T
得到
Vnd
2
e0 (t ) e0 g { [bmax (1 I1 ) b0 I1 )] I d TI 2 } h
Ns Nd l 1
V (t s ) Z 0 e0 [
g
l
l
q n ] Z 0 e0 X
X的概率密度函数为：
X
Ns Nd l 1
g
qn
N e[ Ns Nd ][ N s N d ]N Pt ( ) Png ( gl ) N! N 0 l 1
Vout (t ) Vout (t ) [Vout (t )]
l l l 2
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2
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2、光电探测器的散粒噪声 1）求 Vout l (t )
在时隙L
t1 , t2 , t3 ,...... tl ,...... t N g1 , g 2 , g3 ,......gl ,......g N
il (t ) e0 g l (t t l ) i (t ) e0 g l (t t l )
l 1 N
Vout (t ) e0 g l (t t l ) Z T (t )
l
N
e0 g l ZT (t tl )
l 1
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l 1 N
Z T (t ) RT hT (t ) Vout (t ) e0 g l hT (t t l )
l l 1 N
2）求 Vout (t )
Vout (t ) e0 g hT (t t l )
l N
N
l
h
I.
l 1
l 1
T
(t t l ) 含有两重随机性：
X X1 X 2
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。
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f X ( x) f X 1 f X 2
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
e m P[m, (t 0 , t 0 L)] m! p(t ) [ 0 ]dt h 2）光电检测过程的量子极限
4）求输出电压的方差 2
V
2
nd
(t ) = [Vout (t )] Vout (t ) 2
2 2
L
L
e0 2 e0 g [ p (tl ) I d ]hT (t tl ) dtl 2 h L 对数字通信系统
p(tl )
k
b h
N
的概率
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N p ( t ) 1 e l l Vout (t ) e0 g { hT (t tl ) [ 0 ]dtl } h N! N 0 L l 1 N
p(tl ) e N N e0 g hT (t tl }[ 0 ]dtl N! L h N 0