光接收机的指标——灵敏度和动态范围

2015-3-24 08:47| 编辑:电工学习网| 查看: 76131| 评论: 0

    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。
    ①量子噪声．出现这种噪声的原因可以这样来解释：由于光波的传播是由大量光量子（光子）传播来进行的．例如：1mw频率为f=1015Hz的光功率，所对应的每秒钟接收到的光子数n应为

    式中，h f = 一个光子具有的能量；
    h=普朗确常数．
    这样大量的光量子其相位和幅度都是随机的，因此，光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声．从噪声产生的过程看出，这种噪声是顽固地依附在信号上的，用增加发射光功率，或采用低噪声放大器都不能减少它的影响．因而，它限制了光接收机的灵敏度指标．
    ②光电检测器的暗电流噪声．当没有光照射时，在理想条件下，光电检测器应没有光电流输出．但是'实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流．
    又因上述各种激励条件是随机的，因此，暗电流亦是随机浮动的，从而形成了暗电流噪声．
    ③雪崩管倍增噪声．由于雪崩管的光电倍增作用是随机的，是一个十分复杂的过程．这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声．
    (2)光接收机的电路噪声
    在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之后，还要经过一系列电的放大等电路系统，在这些电路中，电阻将引入热噪声；晶体管亦将引入噪声，尤其是前置放大器晶体管引入的噪声影响更为严重．在一个多级放大器中，每一级放大器都可能引入附加的噪声，而且在每一级放大器里，噪声和信号都将同样地被放大．在这种情况下多级放大器的第一级就显得至关重要，只要第一级放大器的增益足够高，后面各级放大器对噪声的影响就比较小．所以我们更关心的是前置放大器的噪声．
    3．计算光接收机噪声的说明
    如前所述，限制光接收机灵敏度的因素是噪声．如果要对光接收机灵敏度进行定量计算，那么，首先应对光接收机的上述噪声进行定量计算，但是这种计算过程将是十分繁杂的，这个计算过程和结果都已超出了本书的要求，这里不再详述。
    4．计算光接收机灵敏度的说明
    光接收机的灵敏度是可以根据公式进行定量计算的，这个计算公式是根据光接收机灵敏度的定义推导出来的光接收机噪声的计算公式，并认为上述噪声在近似里高斯分布的条件下，参照美国学者S．D．Personick提出的计算办法，经过十分复杂的推导，最后得到：PIN光接收机灵敏度的计算公式以及在最佳倍增时雪崩光电二级管光接收机灵敏度计算公式，推导过程和最后结果这里不再列出。

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