光接收机灵敏度问题研究和提高方案
光收发模块眼图_消光比及灵敏度关系的实验研究
点位置、眼图对称性、迹线粗细度、眼图的上升沿 下
值得研究的问题是, 究竟采用何种形状的眼图 ( 如图 1) 可使接收机灵敏度最佳? 标准眼图应该是 什么形状? 另外消 光比( EX) 与 灵敏度关 系如 何? 本文实验上研究了海特光电有限责任公司的调制速 率为 155MHz、光波波长为 1310nm 光收发模块的眼 图、消光比与接收灵敏度的关系; 指出了获得最佳灵 敏度的眼图形状及消光比( EX) 范围。
提要: 光接收灵敏度与光发射信号的消光比大小和眼图的上升沿 下降沿陡度具有紧密相关性, 试验研究表明, 155Mbps 光收发 模块消光比 在 16~ 20dB 之间时光接收灵敏度最佳; 眼图的上升沿 下降沿陡度越陡越 好, 一般情况下随 上升沿 下降沿陡度 的变化光 接收灵敏 度具有 2~ 3dB 的差异。
ty keeps best . And the more sharp is t he ascending descending gradient of eye- diagram, the more is receiver sensitivity. In general, there are 2 to 3dB errors in op
Electron. Lett. , 2000, 36( 21) : 1804- 1806 5 Kang, Saekyoung et al. 155- Mb s CMOS post amplifier for optical-
line- terminal receiver in ATM - PON system. SPIE, 2002, 4906( 8) : 224- 230
1 引言 光收发模块的灵敏度是光接收机性能的综合指
标。其定义是: 在保证通信质量( 限定误码率或信噪 比) 的前提下, 光接收机所需的最小平均接收光功率 < p> min , 通常表示为 1
光接收灵敏度的测试方法
光接收灵敏度的测试方法
1. 直接测量法，就好像给光接收灵敏度来个“面对面”的检测！比如，把光信号直接输入到接收设备中，然后看看它能接收得多灵敏呀！
2. 比较测量法，这就像比赛一样！找个已知灵敏度的参考设备，和要测试的一起比一比，不就知道谁更厉害啦！比如说，让它们同时接收相同的光信号，谁的表现更好，一目了然呀！
3. 替代测量法，哎呦，就好比找个替身来感受一下！用一个已知特性的替代物去模拟光信号，看接收设备怎么反应，是不是很有趣呢？
4. 积分测量法，这不就是把所有的光信号都“攒”起来嘛！通过长时间积分光信号来确定灵敏度，就好像一点点积累能量一样呢。
比如在一个时间段里持续测量，最终得出结果哦！
5. 动态测量法，哇塞，就像追逐光的脚步一样动态变化！实时观察光接收灵敏度在不同条件下的变化，这多刺激呀！就像看一场精彩的演出一样。
6. 光谱测量法，嘿，这可是对光的“全身检查”呀！分析不同波长的光下的接收灵敏度，就像是对光进行细致的“解剖”呢。
例如研究在各种颜色的光照射下，接收设备会有什么样不同的表现呀！
我觉得呀，这些测试方法都各有各的奇妙之处，利用它们可以很好地了解光接收灵敏度呢！。
光接收机灵敏度问题的研究和提高方案
• 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。 灵敏度Pr的定义是 在保证通信质量(限定 的定义是， 灵敏度 的定义是， 在保证通信质量 限定 误码率或信噪比)的条件下 的条件下， 误码率或信噪比 的条件下， 光接收机所需 的最小平均接收光功率〈 〉 的最小平均接收光功率〈P〉min，并以 ， dBm为单位。 为单位。 为单位 • 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时， 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时， 能够接收微弱光信号的能力。 能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度 意味着能够接收更微弱的光信号。 意味着能够接收更微弱的光信号。
光检测器件的量子效率η 光检测器件的量子效率 对灵敏度的影响
• 光接收机灵敏度和光检测器的量子效率几 成正比关系，即几值越大越好。 成正比关系，即几值越大越好。量子效率 几值增加一倍， 几值增加一倍，灵敏度可提高 3dB ，可见 选择优质的光检测器对提高灵敏度起着极 其重要的作用
输入光脉冲形状 hp ( t )对灵敏度的 对灵敏度的 影响
• 灵敏度反映了接收机接收微弱信号的能力，是衡量 接收机性能的重要综合指标之一。灵敏度一般表示 在接收机调整到最佳状态时所能接收到的最小信号 幅度。对于光接收机来说，灵敏度通常用Pr表示， 单位为dBm。它表示在保征通信质量(限定误码率或 是信噪比)的条件下，光接收机所需要的最小平均接 收光功率<P>mim，用数学表达式可表示为 （4-10） • 由于灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时能够 接收微弱光信号的能力，因此提高灵敏度意味着能 够接收更微弱的光信号。测试时应注意以下几点。
（二）理想光接收机灵敏度和实际 理想光接收机灵敏度和实际 中的一些特征区别
• 1. 理想光接收机的灵敏度 理想光接收机的灵敏度 • 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， 这种接 收机称为理想光接收机。
光接收灵敏度
(1). APD 光接收机灵敏度的一般表达式 由（1.5.13）与（1.5.19）式知，当判决点为“0”码时，判决点总的噪声功率（包 括雪崩噪声与热噪声）为：
(1.5.23）
N0=
hυ G x Em
η
Σ1
− 2
I1
+
⎜⎜⎝⎛
hυ η
⎟⎟⎠⎞ 2
Z G2
上式中的第二项即热噪声的表达式，已经折算到光接收机的输入端。
0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Σ1
1.0727 1.1330 1.2281 1.3761 1.6079 1.9803 2.6062 1.0412 1.0961 1.2030 1.4087 1.8228 2.7455 5.1563
Pe =
1× 2
1
2π
d − v0
∫ N0 −∞
Z2
−
e
2 dz +
1×
2
1
2π
∫+∞
v1−d
N1
Z2
−
e 2 dz
Z2
∫ = 1
+∞ −
e 2 dz
2π Q
Q = v1 − v0 N1 + N0
假定在光脉冲为“0”码时，光脉冲的光功率为 0（实际情况是光功率很小，此 处忽略；若考虑其影响则对灵敏度稍有劣化，近 1dB），则光接收机的输出瞬时电压也 为 0。此外与热噪声的表达类似，应该把输出瞬时信号电压 v1 折算到光接收机的输入 端进行表示；于是 v1 的含义发生变化，成为“1”码光脉冲的光能量 Em，上式变为：
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。
射频光发收机的探究及优化设计
射频光发收机的探究及优化设计作者：段振英邹琴来源：《中国新通信》2022年第12期摘要：伴隨着射频通信技术的升级换代，老射频光发收机已不能适应新业务拓展需求，针对其上下行业务走向特点，以及客户对传输距离和容量需求的提升，我们不仅对关键电路做了新增防浪涌和防静电保护电路设计，还在各功能模块间新增匹配电路增强增益变化的自适应性。
并通过样机实验验证，使新一代射频光发收机获得更好的结构性和增益平坦度、更强的发光功率和更高的接收灵敏度，从而提高光纤传输距离，使射频系统获得更大布局空间和更强的隐蔽性，有利于射频通信成为通信系统中的重要一员。
鉴于此本文就射频光发收机遇到的相关问题进行深刻的研究与设计。
关键词：射频光发收机;前端处理模块;耦合电路;增益平坦度;光电调制一、引言近年来随着无线射频技术与光纤通信的融合，老一代射频光发收机的弊端暴露无遗，比如射频发射机与接收机分离设计、结构偏大、发光功率不强、接收灵敏度不够等因素已经严重影响射频光传输系统的推广与应用。
特别是在无线通信和卫星通信系统应用场合，为了扩大空间布局和增强业务隐蔽性，需要把天线的射频电信号信转换成光信号，再进行一段距离的光纤传输，至终端机房再把光信号转换成射频电信号。
相对于传统的射频电缆传输方式，射频光传输具有距离远、隐蔽性强、不受电磁干扰等优点，因此射频光传输系统在很多重要领域的应用越来越受到重视。
相对于数字光端机，射频光发收机内部主要采用模拟光传输方式的复杂电路组成，各功能模块输出增益变化较大，系统设备联调繁琐，为了解决这些问题我们将对系统最关键的射频光发收机进行深入分析，不仅对发收机的前后端信号处理电路进行优化设计，还新增防浪涌和防静电保护电路设计，外加在各个电路模块间新增自适应匹配电路，并且通过样机实验验证，使新一代射频光发收机获得更好的结构性和增益平坦度、更强的发光功率和更高的接收灵敏度。
二、射频光发收机的探究及优化设计为了解决老一代射频光发收机的诸多缺点，经过对核心元器件严谨选型，精心设计整体结构和核心电路，根据上下行射频业务走向特点，把射频光发收机一体化整合设计，使其结构小型轻便化、电磁兼容性更强，通过特殊电路设计增大激光器的发光功率和接收灵敏度，提高光纤传输的距离，拓展射频系统空间布局组网能力。
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_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。
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敏度的测量光接收机灵敏度的测量示意图 如图 所示。
图中的伪随机码发生器按不同
的码率输出不同序列的伪随机 码（如 14OMb/S时为((2^23)-1) 去驱动光发送机，光发送机发 出的光脉冲信号经光纤与可变 光衰减器传输后到达接收端， 调节 APD 的增益（改变其反向 偏压）与判决门限，使误码率 达到规定要求为 BER = 1*10^10 （通过误码仪的读数）；然后 增大光衰减器的衰减值，则误 码率增大，再次调整 APD 的增 益与判决门限使误码率达到规 定值。如此反复调节，一直到 可变光衰减器的衰减值不能再 增加为止，等待一段时间（如 一分钟），最后用光功率计测 量出光接收机输入端的光功率 值，即为灵敏度
• 影响光接收机灵敏度的主要因素之一是噪 声，而噪声包括倍增噪声、暗电流噪声与
热噪声。因此精心设计光接收机放大器
（主要是前置放大器）的噪声性能是提高 灵敏度的重要手段。放大器的热噪声因子 Z 越大，则光接收机灵敏度越低（近似和 Z 的六分之一次幂成比例）。
• APD 的噪声系数 F ( G ）、 Gx 。因此 x 值越 大， APD 产生的倍增噪声越大，灵敏度自
• 1. • 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， 这种接 收机称为理想光接收机。
2. 实际光接收机的灵敏度
• • 影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也
十分复杂， 这里只作简要介绍。 • 对于PIN光电二极管，NDNA，g=1，灵敏度可
• 激光器的量子噪声 • 模式分配噪声 • 模式噪声 • 反射噪声
光检测器件的量子效率η 对灵敏度的影响
• 光接收机灵敏度和光检测器的量子效率几 成正比关系，即几值越大越好。量子效率 几值增加一倍，灵敏度可提高 3dB ，可见 选择优质的光检测器对提高灵敏度起着极 其重要的作用
消光比对灵敏度的影响
• 消光比是发射机的性能指标，是由于光源 的不完善调制所引起。消光比不为灵的情 况经常是由于“0”码时，光源并没有完全熄 灭，所以调制脉冲相当于加在残余光上， 消光比的恶化引起灵敏度的恶化。
激光器和光纤系统的噪声对灵敏度 的影响
• 激光器本身和光纤系统（包括激光器和光 纤）也会产生噪声，有时也会影响灵敏度。 激光器和光纤系统的噪声主要有以下几种：
•
放大器噪声 对灵敏度的影响
• 不论采用APD或是光电二极管作为检测器， 放大器热噪声都是影响接收机灵敏度的重 要因素。当采用光电二极管作为检测器时， 散粒噪声一般可以忽略，放大器噪声是影 响接收机灵敏度的主要因素。而当采用APD 作为检测器时，APD的过剩噪声也是影响接 收机灵敏度的重要因素，放大器噪声对灵 敏度的影响相对减小
光接收机灵敏度问题的研究和 提高方案
小组成员：朱康泰 李杰
（一）有关接收机灵敏度的一些简 介
• 灵敏度的概念 • 灵敏度是光接收机最重要的性能指标。它的
概念是和误码率联系在一起的。在数字光纤通 信系统中，接收端的光信号经检测、放大、均 衡后，进行判决、再生。由于噪声的存在，接 收信号就有被误判的可能性。接收码元被错误 判决的概率，称为误码率。灵敏度是指保证达 到给定的误码率的条件下，光接收机需要输入 的最低光功率。灵敏度可以用每一光脉冲所需 要的最低平均能量来表示，但更经常的是用最 低平均光功率(W或dBm)来表示。
比特速率对接收机灵敏度的影响
• 随着比特速率的提高，放大器和均衡滤波 器的带宽增加，噪声等效带宽也增加，放 大器和光电检测器的噪声影响加剧，灵敏 度会下降。
输入波形对灵敏度的影响
• 在一定的比特速率下，接收机（包括放大 器和均衡滤波器）所需要的带宽是由输入 波形所决定的。输入脉冲波形越窄，它的 频谱越宽，接收机的频带就可以窄一些， 这样有利于限制高频噪声，提高接收灵敏 度。
因素
• 影响接收机灵敏度的主要因素是噪声，表现为 信噪比。信噪比越大，表明接收电路的噪声越 小，对灵敏度影响越小。光接收机灵敏度是系 统性能的综合反映，除了上述接收机本身的特 性以外，接收信号的波形也对灵敏度产生影响， 而接收信号的波形主要由光发送机的消光比和 光纤的色散来决定。光接收机灵敏度还与传输 信号的码速有关，码速越高，接收灵敏度就越 差。这就影响了高速传输系统的中继距离。速 率越高，接收机灵敏度越差，中继距离就越短。
距离也不同。这样，传给光接收机的光功 率就不可能一样。
• 为了使光接收机正常工作，接收信号不能太弱， 否则会造成过大的误码。但接收信号也不能太 强，否则会使接收机放大器过载，而造成失真。 因此光接收机正常工作时，接收光信号的强度 应该有一个范围。把光接收机在保证一定的误 比特率条件下，所能接收的最大光功率与最小 光功率之差，称作光接收机的动态范围。一般 希望光接收机的动态范围越大越好，实际中一 般为16～20dB。
• 光接收机前置放大器输出的信号一般较弱， 不能满足幅度判决的要求，因此还必须加
的输入信号将随具体的使用条件而变化。
造成这种变化的原因，可能是由于温度变
化引起了光纤损耗的变化，也可能是由于 一个标准化设计的光接收机，使用在不同
的系统中，光源的强弱不同，光纤的传输
• 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。 灵敏度Pr的定义是， 在保证通信质量(限定 误码率或信噪比)的条件下， 光接收机所需 的最小平均接收光功率〈P〉min，并以 dBm为单位。
• 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时， 能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度 意味着能够接收更微弱的光信号。
（二）理想光接收机灵敏度和实际 中的一些特征区别
以简化为 • 式中nA=NA/A2是折合到输入端的放大器噪声
功率。 • 这样计算光接收机的灵敏度是一种粗略的方法，
其中没有考虑下列因素：波形引起的码间干扰 的影响；均衡器频率特性的影响；光检测器暗 电流和信号含直流光的影响。
下图示出典型短波长光接收机灵敏 度与传输速率的关系曲线。
（三） 影响光接收机灵敏度的主要