光接收机特性指标——动态范围(精)
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。
光接收机的主要指标
光接收机的主要指标
光接收机的主要指标包括以下几项：
1. 接收灵敏度(Sensitivity)：指光接收机在特定条件下能够正确接收和解读光信号的最小输入功率。
一般以dBm为单位表示，数值越小表示灵敏度越高。
2. 动态范围(Dynamic Range)：指光接收机可接受的最大和最
小输入功率之间的差距。
该指标直接影响光接收机对于不同输入功率的信号的处理能力。
3. 带宽(Bandwidth)：指光接收机能够正确接收和处理的频率
范围。
一般以Hz为单位表示，该指标决定了光接收机可以处
理的信号带宽。
4. 抗多径衰落性能(Multipath Fading Performance)：指光接收机在多径传播环境中对于信号衰落和失真的抵抗能力。
5. 误码率(Bit Error Rate, BER)：指光接收机在特定条件下接收
到的比特信号中错误的比特数量与总接收比特数量之比，常用于评估光接收机的性能。
6. 电流噪声(Noise Current)：指光接收机中电流噪声对于恢复
信号的影响。
光接收机的电流噪声越小，其信号恢复性能越好。
7. 电平线性度(Level Linearity)：指光接收机在不同输入光功率
下的输出信号电平是否保持线性。
良好的电平线性度有助于光
接收机准确地还原原始信号。
8. 脉宽失真(Pulse Distortion)：指光接收机对于短脉冲信号在传输过程中所引起的失真和延迟。
以上指标对于评估和比较不同光接收机的性能具有重要意义，不同应用场景下的光接收机可能会侧重不同的指标。
光接收机的动态范围及眼图观测
光接收机的动态范围及眼图观测一、实验目的1.了解光收端机动态范围的指标要求。
2.掌握光收端机眼图的观测方法。
二、实验内容1.了解光收端机眼图的观测方法。
2.用示波器观察眼图。
三、实验仪器1.光纤通信实验系统1台。
2.示波器1台。
3.万用表1部。
4.光纤跳线1根。
四、实验原理（一） 动态范围在实际的光纤通信线路中，光接收机的输入光信号功率是固定不变的，当系统的中继距离较短时，光接收机的输入光功率就会增加。
一个新建的线路，由于新器件和系统设计时考虑的富余度也会使光接收机的输入光功率增加。
为了保证系统的正常工作，对输入信号光功率的增加必须限制在一定的范围内，因为信号功率增加到某一数值时将对接收机性能产生不良影响。
在模拟通信系统中，输入信号过大将使放大器超载，输出信号失真，降低信噪比。
在数字通信系统中，当输入信号功率增加到某一数值时，将使系统出现误码。
应该指出，在数字通信系统中，放大器输出信号的失真在测试时应与模拟系统区别开来。
为了保证数字通信系统的误码特性，光接收机的输入光信号只能在某一定范围内变化，光接收机这种能适应输入信号在一定范围内变化的能力称为光接收机的动态范围，它可以表示为：max min10lg ()P D dB P （式 18-1） 式中，Pmax 是光接收机在不误码条件下能接收的最大信号平均光功率；Pmin 是光接收机的灵敏度，即最小可接收光功率。
一般来说，要求光接收机的动态范围大一点较好，但如果要求过大则会给设备的生产带来一些困难。
如何才能保证光接收机的动态范围呢？从光接收机内部来说，就是通过它的自动增益控制（AGC ）来实现的。
光接收机的AGC 与电接收机的AGC 有相同之处，也有不同之处。
相同之处都是要控制放大器的放大倍数。
不同之处是在APD 光接收机中，还可以通过对APD 倍增因子的控制来扩大接收机的动态范围。
（二） 眼图原理眼图方法虽然简单，却是评估数字传输系统数据处理能力的一种极为有效的测量方法。
§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。
光接收机性能分析
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：
光接口指标含义
光接口是光纤通信系统的特有接口，它的指标测试依据由实际设计要求来确定。
图5-13中的S，R点为光接口，在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比，在R点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。
1．平均发送光功率(1)平均发送光功率的含义平均发送光功率是指在光端机正常工作条件下输出的平均光功率，即光源尾纤输出的平均光功率．平均发送光功率的功率值用PT（μW）表示，电平值用LT( dBm)表示，光功率值与电平值之间的关系是：一般把dBm作为平均发送光功率的单位，平均发送光功率与光源类型、标称波长、传输容量、光纤类型有关．例如一个速率为139 264 kbit/s的单模光纤通信系统，标称波长为1 3 10nm，采用LD光源时，平均发送光功率应大于或等于一9dBm．还要指出的是，对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是越大越好．虽然，从理论上讲，发送光功率越大，通信距离就越长，但光功率太大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性效应会对光纤产生不良影响，所以PT应有合适的数值．(2)测试方法平均发送光功率的测试方框图如图5-14所示．各种指标的测试都要送人测试信号，不同码速的光端机要求送入不同的PCM测试信号．速率为2 048 kbit/s和8 448 kbit/s的光端机送215-l序列的伪随机码，其速率为34 368 kbit/s和139 264 kbit/s的光端机送223一l序列的伪随机码，且2 048 kbit/s，8 448k bit/s和34 368 kbit/s三种速率的码型应为HDB3码，139 264 kbit/s速率的码型应为CMI码．误码仪的作用就是应能产生这些不同速率、码型和长度的伪随机测试信号．具体测试步骤如下：①如图5-14所示，将误码仪、光功率计与光端机连接．其中光纤测试线将光端机输出活动连接器与光功率计输入活动连接器相连．②误码仪发送符合要求的伪随机测试信号．③读取光功率计上的数值即是平均发送光功率，说明：①平均发送光功率与注入光源的电流大小有关，测试时的注入电流应是系统正常工作时的注入电流。
光纤通信 期末考试试卷(含答案)
2、光在光纤中传输是利用光的( 折射）原理。
5、光纤通信系统中最常用的光检测器有：（ PIN光电二极管）、（雪崩光电二极管）。
6、要使物质能对光进行放大，必须使物质中的（受激辐射）强于（受激吸收），即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。
物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。
7、在多模光纤中，纤芯的半径越（大），可传输的导波模数量就越多.9、( 波导色散）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散.11、PDH的缺陷之一:在复用信号的帧结构中，由于（开销比特）的数量很少，不能提供足够的运行、管理和维护功能，因而不能满足现代通信网对监控和网管的要求。
12、光接收机的主要指标有光接收机的动态范围和（灵敏度 )。
13、激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的( 阈值条件）.14、光纤的（色散）是引起光纤带宽变窄的主要原因,而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容量。
15、误码性能是光纤数字通信系统质量的重要指标之一,产生误码的主要原因是传输系统的脉冲抖动和（噪声）。
二、选择题:（每小题2分，共20分.1—7:单选题，8—10：多选题）4、CCITT于(）年接受了SONET概念，并重新命名为SDH。
A、1985B、1970C、1988D、19906、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为（)nm波段。
A、1310B、1550C、1510D、8507、发光二极管发出的光是非相干光，它的基本原理是（）.A、受激吸收B、自发辐射C、受激辐射D、自发吸收9、要精确控制激光器的输出功率,应从两方面着手：一是控制（ B ）；二是控制（ D )。
A、微型半导体制冷器B、调制脉冲电流的幅度C、热敏电阻D、激光器的偏置电流10、光纤传输特性主要有（AB ）A、色散B、损耗C、模场直径 D 、截止波长三、简答题（1、2题各6分,3题8分，共20分。
)1、什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响?由于光纤中传输的信号包含不同的频率成分或各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真、脉冲展宽的物理现象称为色散。
浅析光接收机性能参数指标
ｓ Ｎ Ｂ ； ｎＩ 毪 。Ｄ ｎｍｃＲ ｎｅ ／ ｝瓯 ｓ｝ ｙ ｙａｉ ａｇ ｔ ｖ
＝
ｊ
；
，多 大
样 判 决 ，以 得 到原 发送 的码 流 。
ＡＧＣ 电路 ：即 自动 增 益控 制 电路 。 包 括 向 ＡＧｃ、反 向 ＡＧＣ、键 控 ＡＧＣ、峰 值 ＡＧｃ、延迟 ＡＧｃ 等 。
数丰干光接收机的噪声由本振光功率Ｐ 引入 Ｉ ｉ
的 散粒噪 声所 支 配 ，与信 号光功 率的 大小 无 ‘
戈 ，因此 ，上 式 中 ｌ 和 （ ２ Ｉ ）项 町以 略
１引言
从 光 纤传 来 的光 信 号进 入 光接 收 电路 ， 将光信 号变 成 电信 号并放 大 后 ，进 行定 时
生， 又恢复成数字信号。 由于发送端有码型变
换， 因此 ， 在接收 端要进 行码 型反变换 ， 然后
将信 号送入 输 出接 口电路 ， 变成适 合 Ｐ Ｍ 传 Ｃ
输 的 ＨＤ ３ 或 ｃ 码 ， Ｂ码 ＭＩ 送给 Ｐ Ｍ。 着 系 Ｃ 随 统 的改造升级 ， 大部 分县 市建立 了ＨＦ 网 （ Ｃ 光 纤 同轴 电缆混 合 网） 而且有 许 多地方 已实现 ， 县 乡村光纤联 网， 因而 光接收 机得到 了大 量使 用。 合理地对 各性能 参数进行 实验测试及科 学
＋ ，
ｏｔ ａ 蜘 ｒｉ ｏ ｅ ｃｒ ａ ｓ ｎ１Ａ ａｒｅｌｒｅ ｎ ｉ ｐｌ ｆｆ ｎ ｌ ｔｉ Ｉ ｉ ａ． ｆ ｎａｇｍｅｔ ｔ ｃ ｔ ｅ ｃ ｇ
ｃｒ障ｃ Ｈｔ ｏｇ ａ ｓ ｎ１ ｈ ｃ ａ ｌ ｆ ｔ ａ ｌ ｕ Ｏ 雅 ｉ１ ｉ ａ Ｔ ａ ｂ ｔ ｏ ｈ ｒ ｎ ｇ ． ｅ ｐ ｉｙ 。 ｉ ｅ
换 和放 大后 产生 失 真的 电信 号进 行补偿 ，使
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2.动态范围作用
光接收机的输入信号不是固定不变的，为了系统能正常工作，光接收机必须具备有适应输入信号在一定范围内变化的能力。中继距离的长短不一，经过的耦合器、分路器数量的不同，都会影响到光接收机的接收光功率。各个通信系统也对光接收机的动态范围要求不一样。
3.动态范围示图
光接收机能检测到的最小光功率为灵敏度，低于这个值，接收机的误码率会提高。
这个值与光接收机能接收的最大光功率，这个范围为动态范围，超过最大光功率则是放大器饱和区。我们应该根据应用场合的需要，选择合适参数的光接收机。
小结：
课堂总结
教学章节
光接收机特性指标——动态范围
教ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ环境
多媒体机房
教学
内容
1.动态范围定义
2.动态范围作用
3.动态范围示图
教学
目标
1．掌握光接收机动态范围的定义
2．了解接收机动态范围的作用
3．了解灵敏度、动态范围和误码率的关系
重点
难点
1、光接收机动态范围定义
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.动态范围定义