光纤通信第三章2-放大器的噪声
光纤通信网络中的信号传输与噪音干扰分析
光纤通信网络中的信号传输与噪音干扰分析引言：随着科技的不断发展，光纤通信网络成为了现代通信中的重要组成部分。
其高速、大容量、低延迟等优势使得光纤通信成为了传输信息的首选方式之一。
然而，在光纤通信中，信号传输与噪音干扰一直是亟待解决的关键问题。
本文将着重探讨光纤通信网络中信号传输的原理以及噪音干扰的来源和对通信质量的影响，并提出相应的解决方案。
一、光纤通信网络中信号传输的原理光纤通信网络是通过携带光信号进行信息传输的。
光信号通过光纤内的光纤芯传播，而光纤芯是由高折射率的材料构成，被低折射率的护套包覆。
在光信号传输过程中，主要涉及两个基本原理。
首先，光的全反射原理使得光信号可以在光纤内部沿着芯线无损耗地传播。
当光信号由高折射率的光纤芯射入到低折射率的护套时，由于折射率的不同，光信号会完全被反射回光纤内部，实现信号的传输。
其次，光的多路复用原理使得光纤网络能够同时传输多个信号。
光的多路复用是指将多个不同的信息信号通过光的特性，在不同的频率上进行传输，然后在接收端进行解复用，以达到同时传输多个信号的目的。
二、噪音干扰的来源与对通信质量的影响在光纤通信网络中，噪音干扰是指信号传输过程中由于各种外界因素导致的信号受损或失真的现象。
常见的噪音干扰来源有以下几种：1. 环境噪音干扰：环境中存在的光源，如太阳光、灯光等，会产生背景光噪声，影响光信号的强度和清晰度。
2. 多径传播引起的间接干扰：由于传输距离长或传输路径中存在弯曲、扭曲等情况，光信号会经历多次反射、折射等，并引起失真现象。
3. 光纤质量问题：光纤材料的纯度、折射率等因素会影响信号传输的品质，不良的光纤质量会导致信号衰减、跳变等问题。
4. 设备噪音干扰：光纤通信系统中的光发射器、接收器等设备本身会产生热噪声、散弹噪声等干扰信号。
噪音干扰对光纤通信网络的质量和性能产生重大影响。
它会导致信号衰减、失真、延迟增加等问题，从而降低网络的传输速率和可靠性。
因此，准确分析噪音干扰的原因和影响是解决通信质量问题的关键。
光纤放大器增益及噪声指数测试分析方法
光纤放大器增益及噪声指数测试分析方法摘要：光纤通信技术具有成本低、损耗低、高安全及不受电磁干扰等特点，光纤放大器有效的解决了光信号传输中的衰减，在光纤密集组网中广泛应用。
光纤放大器是实现光信号放大、延长传输距离的最佳手段，应用极广。
光纤放大器的增益及噪声指数指标直接影响着信号传输质量。
本文阐述了一种基于光谱分析仪的光纤放大器增益及噪声指数测试分析方法，详细介绍了光纤放大器光谱测试方法及核心参数的提取及分析。
关键词:光纤放大器 EDFA 增益特性噪声指数0 引言光纤通信以其良好的通信质量和巨大的带宽资源成为骨干传输的必然选择，是主流的通信媒介。
随着人们对通信业务的需求急剧增长，对信息的传输提出了越来越高的要求，但是由于光纤本身的散射和吸收等因素的影响，使得信号在传输的过程中严重失真，限制了传输的距离。
20世纪80年代末光纤放大器的出现，有效的解决了信号衰减的问题。
光纤放大器可以直接在光域放大光信号，并具有高增益、偏振无关、无串扰、低噪声系数和低插入损耗等优点[1-3]。
光放大器的出现使得全光网的实现成为可能。
光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发展，并且逐步向全光网络演进[4]。
1 光纤放大器光纤放大器的运作机理与光源类似。
光纤放大器按照原理的不同大体上分为两类：传输型光纤放大器和掺杂型光纤放大器。
传输型光纤放大器利用光纤中的受激散射现象，在泵浦光的作用下，使得光纤内的信号放大。
与传输性光纤放大器相比，这两种放大器都是依靠光激励来实现，但它们的光放大工作原理不相同。
在掺杂型光纤放大器中，EDFA是性能优异、技术最成熟、应用最广泛的光纤放大器。
1988年，低损耗的掺铒光纤技术已相当成熟，并达到实用水平。
它的研制成功是光纤通信领域内的一次革命[5]。
1.1.EDFA工作原理掺铒光纤中的铒离子工作原理是以爱因斯坦的光受激辐射理论为理论基础的。
在泵浦光的作用下，铒离子先由基态E1跃迁到激发态E3或E2，跃迁到激发态E3（寿命约为1μs）的粒子迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态跃迁至亚稳态E2。
光纤通信--习题解答(免费)
i M e
P hc
7.14 假定一个硅APD工作在0.82um，其量 子效率为0.8，增益为100，试计算其响应 度。要检测器产生20nA的光电流需要光功 率为多大？
i M e
P
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
hc
7.14 假定一个InGaAs APD工作在1.55um， 其量子效率为0.7，增益为100，试计算其 响应度。要检测器产生20nA的光电流需要 光功率为多大？
6-13、某掺饵光纤放大器的噪声系数是6， 增益为100,如果输入信号的信噪比为30dB， 信号功率为10uW，试计算输出信号功率 （dBm）和输出信噪比（dB）
6.26、掺饵光纤放大器的泵浦波长为980nm， 放大波长为1550nm，如果仅仅考虑一个 980nm光子产生一个1550nm光子的能量损 失，试计算此放大器的效率。
7.6 假设光检测器的量子效率为0.9，工作 波长为1.3um，入射光功率为-37dBm，试 计算其输出电流，同时计算负载电阻为50 欧姆，100欧姆，1兆欧姆时的输出电压
i e
P hc
7.7 假设光电倍增管有四个倍增电极，每个 增益为4，阴极的量子效率为0.9，按7.6的要 求重新进行计算。
6.31、假设半导体激光器向光纤注入0.5mW 的光功率，随后接一个增益为25dB的功率放 大器，紧随其后连接的光纤长度为100km， 损耗是0.25dB/ km，接下来是在线放大器， 能提供足够的增益，可以将信号功率放大到
功率放大器输出端的功率电平，后面的光纤 同第一段光纤完全一样，但长度为150km。 一个前置放大器将信号的功率放大到注入光 纤时的量级（0.5mW）。试问，此前置放大 器的增益是多少？画出此光纤系统中以dBm 为单位的光功率随位置变化图。
光纤放大器测量好坏的原理
光纤放大器测量好坏的原理光纤放大器是一种特殊的光学器件，它能够扩大光信号的强度。
在现代通信系统中，光纤放大器在光纤通信中起到了非常重要的作用。
为了确保光纤放大器的性能达到最佳状态，需要进行好坏检测。
下面我将详细介绍光纤放大器测量好坏的原理。
光纤放大器的好坏主要通过三个指标来评估：增益、噪声和非线性失真。
增益是指信号在通过光纤放大器后的输出功率与输入功率之间的比值，通常以dB为单位。
噪声是指光纤放大器内部杂散信号产生的功率，通常以dBm为单位。
非线性失真是指光纤放大器在信号放大过程中产生的非线性失真。
在进行光纤放大器的好坏检测时，首先需要使用光源产生一束特定频率的光信号作为输入信号。
这个光源可以是激光器或者LED光源。
然后将产生的光信号输入到光纤放大器的输入端口，通过光耦合器将光信号耦合到光纤中进行传输。
在光信号穿过光纤放大器时，通过拉曼散射和受激布里渊散射等机制，原本的输入信号被放大。
同时，光纤放大器内部的受激辐射也会引入一定的噪声。
因此，测量光纤放大器的增益和噪声是评估其好坏的重要指标。
为了测量光纤放大器的增益，可以使用光功率计测量光信号在通过光纤放大器前后的功率差。
通过比较输入光功率和输出光功率的差异，可以计算出光纤放大器的增益值。
一般来说，增益值越大，光纤放大器的性能越好。
除了增益以外，噪声也是评估光纤放大器性能的重要指标之一。
测量光纤放大器的噪声可以使用光谱分析仪或光功率计。
光谱分析仪可以分析光信号在不同频率上的功率分布，并得到噪声功率的大小。
光功率计则可以直接测量光信号功率的噪声值。
一般来说，噪声值越小，光纤放大器的性能越好。
此外，非线性失真也是光纤放大器好坏检测的重要指标之一。
非线性失真通常是由于光纤在传输过程中的非线性效应引起的。
非线性失真的测量可以使用光频域反射仪或者光时域反射仪。
这些仪器可以测量信号在光纤中的传播时间和衰减程度，从而得到光纤放大器的非线性失真情况。
综上所述，测量光纤放大器好坏的原理主要包括测量增益、噪声和非线性失真等指标。
《光纤通信》课后习题答案
第一章1．光纤通信的优缺点各是什么？答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。
缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。
2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。
光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。
光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。
模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。
光源是LED或LD，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。
电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。
光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。
光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。
光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。
光检测器将光信号转化为电流信号。
常用的器件有PIN和APD。
然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。
模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。
光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。
光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。
光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km时，每隔2km将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。
光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。
光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。
3．假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？解：根据题意，求得在5GHz的微波载波下，数字通信系统的比特率为50Mb/s，则能传输781路64kb/s的音频信道。
湖南工业大学07级B数字光纤通信 (答案)
光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号的不同的频率成分和不同模式成分的群速不同而引起的传输信号的 畸变的一种物理现象。它将传输脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。传输距离越长，脉冲展宽越严重，所 以色散限制了光纤的通信容量，也限制了无中继传输距离 2. 简述 SDH 相对于 PDH 的优越性及局限性
《数字光纤通信》课程试题参考答案及评分标准（中文试卷） (B 卷) 适用专业年级：通信工程 07 级 命题人：刘丰年
一、填空题（每空 1 分，共 14 分）
1、光纤通信 2、自动汇聚到光纤轴线上某一点 3、降低 4、隔离度高 5、 暗电流噪声
6、基模 7、V
2 ak 0 n12 n 2 ak 0 n1 2 2 N A n12 n 2 n 0 sin a n1 2
暗电流的影响，会产生一种散粒噪声。 这种噪声称之为暗电流噪声。
2. 3. 影响接收机灵敏度的主要因素包括：码间干扰消光比暗电流 光接入网的界定：接入接入网是由业务节点接口（SNI）和用户网络接（UNI）之间的一系列传送实体（如 线路设施和传设施）组成的、为传送电信业务提供所需要的传送载能力的实施系统，可经由 Q3 接口进行 配置和管理。 光放大器的噪声指数：所有光放大器在放大过程中都会吧自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放 大信号的信噪比（SNR）降低，其降低程度通常用噪声指数 Fn 来表示，其定义为 (SNR) in
120>11.83 ，所以该光波为辐射模。
某光纤通信系统中， 设系统平均发射功率-3 dBm, 接收灵敏度-42 dBm， 设备余量 3dB， 连接器损耗 0.3dB/ 再次引起碰撞电离而产生第三代载流子。碰撞电离的反循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二 ２、 （共算一对连接器） 光纤损耗系数 0.35dB/km, 光纤余量 0.1 dB/km， km 光纤平均接头损耗 0.03dB/km， 。 每 管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现部电流增益的 对 试核算该系统的无中继传输距离能否满足 100 km 的要求。 半导体光电转换器件。
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-重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
2.光纤：由绝缘的石英（2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。
输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。
中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。
目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件，则就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。
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E[ x ] ( E[ x])
标准差: ( x) D( x)
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2
4
4、平稳随机过程的功率谱密度
Fx ( )
-it x ( t ) e dt
1 2 x ( t ) dt 2
T
Fx ( ) d
2
Parseval 等式
第3.2讲 放大器及其电路的噪声
一、噪声分析的一般方法 二、放大 器噪声的计算 1、放大 器输入端的等效电路 2、放大 器输入端的噪声源 3、放大 器输出噪声的计算 三、场效应管前置放大器的噪声 四、双极晶体管前置放大器的噪声 五、前置放大器的类型
北京邮电大学顾畹仪 1
一、噪声分析的一般方法
1、噪声的概念 1）广义噪声：随机噪声 电磁干扰 2）随机噪声总是与信号相对存在 表示方法：SNR，NF 3）前置放大器的噪声是放大器主要的噪声
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2
3）分配噪声
d ic e0 I c df d ea 2 e0 I c k 2K 2 2 df e0 I c gm gm e0 I c kK
2 2
4） 1/ f 噪声
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3、输出噪声功率
2kK 2 d vna ( e0 I b ) ZT ( ) Rb 2 1 2 2 2 d 2kKrbb ZT ( ) [ 2 (Cd Cs ) ] 2 Rb
2
k 2K 2 e0 I c
1 2 d 2 ZT ( ) ( 2 Ct ) 2 Rt
2
Rt = Rb || Ra, ct = cd + cs + ca 存在最佳集电极电流Ic
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五、前置放大器的类型
1、高阻型 2、低阻型
1 fH 2Ri Ct
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2、随机噪声的概率密度函数和概率分布函数
对于平稳随机噪声X, 落在x和x+dx之间的概率为：
x dx
P( x
X
x dx)
x
f ( x)dx
f(x) 称为随机过程的概率密度函数，
F ( x ) P( X x )
F(x) 是概率分布函数。 两随机变量之和：
2kK SE gm
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3 、输出端总噪声
v na
2
2kK 2kK 1 [ e0 I gate 2 ] Z T ( ) Rb g m Rb
2 2 Z ( ) d T 2
2
d 2
2kK Ct g m 2 Ct 2 v na gm
21
前置放大器的发展趋势: 集成化, 模快化
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x
f ( x)dx
Z X Y , f z ( z) f x ( x) f y ( y)
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3、随机过程的数字特征
1）数学期望（均值）
E[ x]
2）标准差 方差： D ( x) E[( x E[ x ]) 2 ]
xf ( x)dx
2
x(t )
2
gm /Ct2 是场效应管前放的优值。
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13
四、双极晶体管前置放大器的噪声
1、输入端等效电路
r (1 )re (1 )
26(m v) Ie
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14
2、输入端噪声源
1）散粒噪声
d ia e0 I b df
2
2）基极电阻的热噪声
d ea1 2kKrb 'b df
对SE，乘以
v(t ) i (t ) ZT (t ) V ( ) I ( ) ZT ( ) Sv ( ) Si ( ) ZT ( )
2
Ct Cd Cs Ca
按高斯分布对噪声功率求和
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2）输出噪声功率
Vna
2 2kK 2 d ( S I ) ZT ( ) Rb 2
3、跨阻型(互阻型)
1 Ri 2BW Ct
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18
跨阻型放大器: 电压并联负反馈放大器
考虑频率特性:
Ri
Rf 1 A
R b Ra
Rf 1 A
考虑噪声性质:
Rt ( R f Rb Ra ) Ri
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19
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20
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SE
1 2 d 2 ZT ( ) ( 2 Ct ) 2 Rt
2
3）小结： 偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；
输入电阻Rt越大，输入电容ct越小，串联电压噪声源 的影响越小。
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三、场效应管前置放大器的噪声
1、输入端等效电路
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11
1 lim T 2T
1 2 x (t )dt 2 T
1 2 lim F ( ) d x T 2T
1 2 d Fx ( ) 2T 2
lim 平均功率 = T
1 2 lim Fx ( ) 双边平均功率谱密度 S x ( ) T 2T
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7
2、放大 器输入端的噪声源
思路：
将所有噪声源等效到输入端 是平稳随机过程 输入端是白噪声 从各个噪声源的功率谱密度 出发分析 1）电阻的热噪声 等效为并联电流噪声源：
d ib 2Biblioteka 2kK df Rb等效为串联电压噪声源： 2）放大器有源器件的噪声：SI ，
d eb 2 2kKRb df k 1.38 1023 J / K
8
SE
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3、放大 器输出噪声的计算
1）思路 放大器是线性系统 对串联电压噪声源，先转换 成电流源. 输入导纳:
1 j Ct Rt
1 ( 2 2Ct 2 ) Rt Rt Rb Ra ,
2、噪声源
1）散粒噪声
SI
d
ia 2 df
e0 I gate ,
2
e0 1.6 1019 C
Igate为FET的栅漏电流。
2）沟道的热噪声
d iout 2kK g m df
gm为FET的跨导， 为数值系数，对Si FET, =0.7; 对GaAs FET, =1.1。 等效到输入端，
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二、放大 器噪声的计算
放大器噪声的特点： 服从高斯分布
1 ( x m)2 f ( x) exp[ ] 2 2 2 对高斯分布，若 Z X Y , f z ( z) 依然是高斯 分布，且 2 2 2
z x y
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6
1、放大 器输入端的等效电路