光接收机性能分析
有线电视光接收机的低光功率接收分析
有线电视光接收机的低光功率接收分析采用适合于低光功率或超低光功率接收的光接收机，可以降低前端光发射功率，减少光发射机和光放大器的用量，降低网络的建设成本，其经济效益和促进事业发展的意义都相当大。
1第一，要注意模拟电视讯号和数字电视讯号对C/N指标要求的差异。
根据GY/T106-1999《有线电视广播系统技术规范》规定，模拟讯号有线电视系统对C/N指标的要求是≥43dB，系统的设计值通常定为44dB。
当有线电视系统内完全取消模拟讯号、全部传送数字电视讯号以后，对系统C/N指标的要求就可以按“数据讯号传输”的要求执行（GB/T6510-1999标准50）。
数字通讯信号可以采用不同的调制方式，各种调制方式的传输效率不同，对系统信噪比和信道质量指标的要求也不同。
常用的是QPSK和16QAM调制要求的信噪比分别为15dB和22dB，要比模拟讯号低很多很多，所以用于数据通讯信号接收的光接收机，目前常规情况下的接收光功率都在-10dBm以下。
第二，要注意光接收机的使用条件和对系统质量指标的要求。
当系统内仅仅只有一级光链路（如县市的城区），而且光接收机直接进楼幢担负用户分配任务时，如果前端只占用0.10的C/N指标，那么这一级光链路就可占用0.90的C/N指标，C/N指标值为44.5dB （44-10lg0.90）。
如果选用的光发射机、光接收机标定的光链路C/N 指标是-1dBm接收时为51dB的普通光接收机，那么此时光接收机的接收光功率可以选定为-6dBm以下；如果当地有线电视系统内只有20套节目，又实行失真指标恒定调制方式，即将光发射机的输入电平按10lg（59-1/20-1）提高5dB，那么光链路的C/N指标就可以提高5dB，此时可以将光接收机的输入光功率继续下降至-10dBm以下;如果我们又把电视图像质量要求从4级（C/N=43dB）降至3.5级（C/N=39.4dB），对系统C/N指标的要求可下降3.6dB，此时又可以将光接收机的输入光功率继续下降至-12dBm以下。
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
§4光检测器与光接收机总结
第四章 光检测器与光接收机1. 光接收机：分为模拟接收机和数字接收机。
1) 光检测器：把接收到的光信号转换成光电流。
2) 低噪声前置放大器：低噪声放大。
3) 主放大器：把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需电平。
4) 均衡滤波器：消除放大器及其它部件引起的信号滤波失真，使噪声和码间干扰减小到最小。
其中，光检测器和低噪声前置放大器组成接收机的前端。
2. 性能指标1) 接收灵敏度：指达到指定误码率（信噪比）时的最小接收信号光功率。
mWmW P dBm P 1)(lg 10)(= 2) 动态范围：最大允许的接收光功率与最小可接收光功率之差。
3) 带宽：相邻两脉冲虽重叠但也仍能区分时的最高脉冲速率称为该光纤线路的最大可用带宽。
4) 响应时间：接收机开始具有稳定的工作状态的时间周期。
5) 误码率：接收机错误确定一个比特的概率（误码数与发送总码数比）。
6) 信噪比：噪声功率平均信号功率==22N S i i N S3. 光检测器1） PIN 二极管① 响应速度inP P I R =2） APD 二极管① 量子效率λη24.1R hf P e I in P == 或 24.1λη=R ② 0GR R =3） PIN 和APD 管的结构和工作原理→→≥产生电子－空穴对时当入射光子g E hf 在耗尽区电路作用下产生漂移运动，在外电路中产生光电流p I 。
电场在以上图中++n p ,表示高掺杂低阻区，电压降很小；π表示接近本征的低摻杂区um 100~30，大部分入射光子在此区吸收并建立初始电子－空穴对。
倍增的高电场区集中在+pn 结附近窄区域内。
当入射光子hf 在π区吸收后建立一次电子－空穴对，电子在电场作用下向+pn 结区漂移，并在+pn 区产生雪崩倍增，一次空穴则直接被+p 吸收。
4）响应时间：表征光检测器对光信号变化响应速度快慢，通常用光检测器受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿10％点到90％点间的时间间隔来衡量。
光接收参数
Rn 接收光波长范围：
— 最大接收波长 — 最小接收波长
nm
> 1565
nm
< 1310
光信噪比 OSNR
dB
>22（20）**
反射系数
dB
-27
注 1*： 待研究
注 2*： 8×22 dB 的光信噪比：22 dB；5×30 dB 与 3×33 dB 的光信噪比：
20 dB。
表 3.5.7 列出了以 10Gb/s 为基群、复用通道为 32 的 WDM 系统中 Sn 与 Rn 接
学表达式来表述，但知道了接收端的光信噪比 OSNR，通过一系列的繁琐计算就可以求 出 WDM 系统每个光通道的平均误码率 BER（详见本书附录 3）。
因此 OSNR 是 WDM 系统的一个非常重要技术指标。 对 OSNR 的具体要求与 WDM 系统的具体配置有关，如每个复用通道的基群速 率、收发之间的光再生段数目等。一般来讲，对于以 2.5Gb/s 为基群的 WDM 系统，每 个复用通道接收端 Rn 点的光信噪比 OSNR 应该优于 20（或 22） dB。对于以 10Gb/s 为基群的 WDM 系统，每个复用通道接收端 Rn 点的光信噪比 OSNR 应该优于 26（或 25） dB。具体可见表 3.5.6 与表 3.5.7。 此外，理论计算与实验表明，对于以 2.5Gb/s 为基群的 WDM 系统， [url=/]魔兽 sf[/url]只要光接收机的接收端 Rn 点的光信噪比达 到 OSNR > 15dB；对于以 10Gb/s 为基群的 WDM 系统，只要光信噪比达到 OSNR > 20dB，就能保证系统的误码率 BER 优于 1×10-15。之所以对以 2.5Gb/s 为基群的 WDM 系统提出 OSNR > 20（22）dB，对以 10Gb/s 为基群的 WDM 系统提出 OSNR > 25（26） dB 的指标，是考虑了 5 ~7 dB 的富余度。 表 3.5.6 列出了以 2.5Gb/s 为基群、复用通道为 32 的 WDM 系统中 Sn 与 Rn 接口参数规范以供参考，除光信噪比 OSNR 为初始值之外，其他皆为寿命终了值。
光的接收方式和性能
量。
*探测器内部的光生电流在运动过程中可能通过载流
子复合而减弱，也可能由于探测器的放大作用而增
强，所以，进入外电路的电流不一定等于光生电流。
*
我们把由光生载流子进入探测器外电路引起的电流
称为“光电流”。
*光电流是接收系统真正显示的电流，由它表达入射
光的强弱。对不同的探测器，光电流和光生电流的 关系不同。 二、接收系统的接收方式
在与模有关的随时间变化的微区弯曲损耗。
*或者两光纤连接处出现轴向的偏转，以及两光纤相互
倾斜或端面离开一段距离等情况时，通过光纤输出的 光强就会有起伏，这种效应称为模噪声。
*噪声是不可避免的。
*
*
*
*
*
*
*
*
*由此可见输入信噪比严重影响了接收器输出信噪比，
所以在直接探测器中必须设法排除输入光中的噪声，
尽量提高输入信噪比。
*直接探测时探测器光谱响应很宽，它不能鉴别出信号
光子和非信号光子。
*因此，为了提高输入信噪比，在探测器之前必须加一
个滤波器，以滤除背景光。为了实现空间滤波，应减 小探测器的接收面积。 （三）接收器本身产生的噪声
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
它由两个性能很接近的 探测器组成。一部分
*入射光照射到半导体光电探测器上后，在探测器内
部激发出载流子。
*通常，光电探测器跟不上光频电磁场的瞬时变化，
因为它们的响应速度受到探测器内载流子输运和弛豫
这些缓慢得多的过程的限制，同时也受到输出电路的
频率特性的限制。
*光电探测器只能对所吸收的光强或对几个光波周期
内的平均光子数产生响应，所以探测器内光生载流子 的产生率正比于入射光强。
FTTB楼栋型光接收机应用与分析
（ ２ ） 根 据测 试 数 据 对 不 同 品牌 、 型号 的光 接 收 机
进行 横 向 比较 ， 总结共 性 、 发现 问题 并提 出修 改要 求 。
接 收机 招标 技术 重点 。
３ ． ２ 测 试环 境
分 中心机房 主 干网 ｊ 分 配网
② 单 口输 出 在允 许 光 接 收 范 围内倾 斜 输 出高 端 ③ 数字 指标 要求 ＭＥ Ｒｅ ＞３ ８ ｄ Ｂ， Ｂ Ｅ Ｒ≤ １ × １ ０ 一 。
２ 优 势分 析
楼栋 型光 接 收机 具有 结构 紧凑 体 积小 、功 耗低 、 输 出指标优 良 、 性价 比高等优 势 。 （ １ ） 体积 小 。 随着 网络双 向改 造 的进 行 ， 改用 小型 光 接 收机 ，可 有 效解 决 光 接 收机 箱 体 空 间 紧 张 的 问
（ ３ ） 输 出指标 高 ， 能够 满足 现有设 计 要求 。
（ ４ ） 节 约采 购成 本 。楼 栋 型光接 收 机价 格 约为 现 有光 接收 机 的 ７ ０ ％， 且 增 加 了网管模 块 。
中心机 房 一级环 网
（ ３ ） 对 光 接 收 机技 术 要 求 进 行 修 改 ， 明确 后 续 光
低 １ ０ ｄ Ｂ， 光接 收机 输 入光 功率 为 一 ４ ｄ Ｂ ｍ时 ， 输入 光 发
口 ＭＥＲ ／ ＢＥＲ。
射机 信 号 Ｍ Ｅ Ｒ￣ ＞４ ０ ｄ Ｂ， Ｂ Ｅ Ｒ≤１ ０ ，测 量光 接 收 机 出
（ ２ ） 功耗 低 。楼 栋 型光 接收 机 因采用 贴 片式 放大
器件 ， 因此 功 耗 较 低 ， 基本在 １ ０ Ｗ 以内， 而 现有 光 接
１ 网络 现 状
光接收机
滤波器
滤波器
作用：对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进 行均衡，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于 定时判决。
我们最不能消除码间干扰，但我们能做到不管输入波 形如何变化，只要经过均衡滤波器后，采用时间点上干扰 为零，就可以消除码间干扰。
H out(
f
)
1 [1 2
cos (f
B)]
H p ( f ) Bsin(f B) f
滤波器传输函数为：
HT ( f ) H out( f ) H p ( f ) (f
2B)(1 cosf )
B
sin f
B
时钟恢复和判决电路
任务：把线性通道输出的余弦波形恢复成数字信号
确定是“1”或是“0”， 需要对某时刻的码元
作出判决。若判决结 果为“1”，则由再生 电路产生一个矩形“1” 脉冲；若判决结果为 “0”，则由再生电路 重新输入一个“0”。
erfc
I1
1
ID 2
erfc
ID
0
I0 2
2、Q参数
BER主要取决于判决阀值ID，
为使BER最小，应对ID进行优化，
在实际中，当ID满足下式关系时，
BER最小。
Q I1 ID ID I0 I1 I0
1
0
1 0
判 输出 决 器
时钟恢复
为了精确地确定“判决 时刻”，需要从信号码 流中提取准确的时钟信 息作为标定，以保证与 发送端一致。
判决再生
若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码； 低于判决门限电平，则被判为“0”码。
光接收机噪声分析
1.散粒噪声 散粒噪声是电子数目的随机涨落引起电流的随机
光接收机分析
光接收机分析
光接收机主要分为主放大器、前置放大器、光电检测器、AGC放大器、均衡器和判决器。
其原理图如下：
图1. 光接收机的原理图
前置放大器U220：光检测器和前置放大器合U220起来称为接收机前端，它是决定接收灵敏度的主要因素。
由于光检测器产生的光电流非常微弱(nA～μA)，必须先经前置放大器进行低噪声放大。
主放大器U114：一般是多级放大器，它的作用是将前置放大器U220输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。
前置放大器U220的输出信号电乎一般为mV量级，而主放大器U114的输出信号一般为1V～3V。
放大电路U83和主放大电路U114组成自动增益控制电路，主要调节AGC放大器U99，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。
AGC放大器U99：主要完成对接收到的视频信号放大并恒定输出，保证使接收端得到良好的视频信号。
均衡器U110：作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进
行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的升余弦波形。
均衡器的输出信号通常分为两路，一路经峰值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判决再生电路，将均衡器输出的升余弦信号恢复为"0"或"1"的数字信号。
判决器U112：判决器和时钟恢复电路合起来构成判决再生电路，判决再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号，其中，时钟恢复电路用来恢复采样所需的时钟。
电子图如下：
图2. 电子图手绘图如下：
图3. 手绘图1
图4. 手绘图2
图5. 手绘图3。
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负 载 电 阻
热噪声
放
S
大
器
N
放大器噪声
6
判决点上的噪声电压
由于噪声的存在，接收 机放大器的输出是一个随机 过程，判决时的取样值也是 随机变量。所以在判决时可 能会发生误码。把接收的“1” 码误判为“0”码，或把接收 的“0”码误判为“1”码
7
误码率和Q值的关系
Q值表示判决点 门限值与噪声 电压 （电流）有效值的 比值，称为超扰比 ， 含有信噪比的概 念。 不同的Q值对应 不 同的误码率值。
小光功率为15.8nW，而正常工作时最大接收功率为1μW，则
其动态范围
D 10lg 1106 10lg 15.8109 18 (dB)
1103
1 103
3. 影响接收机性能的主要因素
影响接收机灵敏度的因素： 码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、 光波波长、信号速率、各种噪声。
码间干扰
码间干扰：由于系统传输特性的不理想，使得脉冲在传输过 程中展宽，延伸到邻近码元中去，造成对邻近码元的干扰。 码间干扰影响：降低光接收机的灵敏度，增加误码率。
4.4 光接收机性能分析
光接收机性能指标
灵敏度 动态范围 过载功率 误码率 信噪比 Q值
1. 灵敏度
光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状 态时，接收微弱光ຫໍສະໝຸດ 号的能力。它可用下列三种物 理量表示。
在保证达到所要求的误码率（或信噪比）条件 下，接收机所需的： 输入的最小平均光功率PR； 每个光脉冲的最低平均光子数n0； 每个光脉冲的最低平均能量Ed。
三种表示方法之间的关系
PR
Ed 2T
n0hf 2T
（1）
式中：T 为脉冲码元时隙，T=1/fb hf 是一个光子能量 PR 的单位为W，常用mW。若用dBm来表示灵敏度Sr，则 可写为：
Sr
10 lg PR 1mW
(dBm)
（2）
理想接收机的灵敏度
理想接收机：频带无限宽，系统无噪声，误码率为Pe=10-9
8
误码 率
误码率-灵敏度曲线示例
接收光功率（dBm）
9
误码 率
2. 动态范围
动态范围表征的是光接收机适应输入信号变化的能力， 也即光接收机灵敏度和过载功率之间的差值。即
D 10lg Pmax(mW) 10lg Pmin(mW) 10lg Pmax (dB)
1 (mW)
1 (mW)
Pmin
如对于某接收机在保证Pe=10-9的条件下，所需接受的最
理想光纤通信系统接收灵敏度
Ed 21hf /
（3）
即理想光纤通信系统的灵敏度为21个光子的能量。
灵敏度用平均光功率可以表示为
PR 10.5hcfb /
（4）
由此可知，理想接收机的灵敏度与光信号速率、光波
频 率（或波长）、检测器的量子效率η有关。
5
接收机噪声及其分布
信号 输入噪声
光 电 变
量子换噪声 暗电流噪声 倍增噪声
暗电流
暗电流：在无光情况下，光电检测器输出的电流 。 暗电流影响：在接收机中产生噪声，降低接收 机 的灵敏度。 APD的暗电流： •无倍增的暗电流
•有倍增的暗电流
消光比
光源在直接强度调制下，由于加入直流偏置电流， 使得无信号时仍会有一定的输出功率，在接收机中产生 噪声，影响接收机灵敏度。
参数消光比（EXT）定义为：
EXT 全“0”码时平均输出光功率 全“1”码时平均输出光功率
一般要求EXT≤10%。 当EXT≠0时，光源的残留光使检测器产生噪声。EXT 越大时对灵敏度的影响也越大，其值与使用的光检测器 有关。