第五章光檢測器和光接收機(jī)

第五章光檢測器和光接收機(jī)第1頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．2光接收機(jī)

5．2．1數(shù)字光接收機(jī)的基本組成

5．2．2數(shù)字光接收機(jī)的噪聲

5．2．3誤碼率

5．2．4靈敏度

5．2．5動態(tài)范圍第2頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一光檢測器是光接收機(jī)的關(guān)鍵器件。功能:將接受到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，在電路中形成隨著入射光強(qiáng)弱變化而變化的電流。

PIN光電二極管常用的光檢測器：

雪崩二極管

5．1光檢測器第3頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)PN結(jié)上加有反向偏壓時，外加電場的方向和空間電荷區(qū)里電場的方向相同，因此在空間電荷區(qū)里載流子基本耗盡了，這個區(qū)域稱為耗盡區(qū)。一.PN結(jié)的光電效應(yīng)

光電二極管（PD）是一個工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，它的工作原理可用光電效應(yīng)來解釋。5．1．1光檢測的原理第4頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，價帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶，結(jié)果產(chǎn)生一個電子-空穴對。

當(dāng)連接的電路閉合時,N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光功率變化時，光生電流也隨之線形變化，從而把光信號轉(zhuǎn)化成電流信號。

如果光生的電子-空穴對在耗盡區(qū)產(chǎn)生，那么在電場的作用下，電子將向N區(qū)漂移，而空穴將向P區(qū)漂移。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產(chǎn)生產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。第5頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

注意：如果入射光子的能量小于時，不論入射光有多么強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生。即光電效應(yīng)必須滿足條件或式中：是真空中的光速；是入射光的波長；h是普朗克常量；是材料的禁帶寬度。第6頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一二．光電二極管的波長響應(yīng)

由光電效應(yīng)的條件可知，對任何一種材料制作的光電二極管，都有上截止波長，定義為

Si材料制作的PIN光電二極管，≈1.06umGe材料制作的PIN光電二極管，≈1.6um第7頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

原因:當(dāng)入射光波長很短時，材料的吸收系數(shù)變得很大，結(jié)果使大量的入射光子在光電二極管的表面層(如P區(qū))就被吸收。

※入射光波長太短時,光變電的轉(zhuǎn)化效率也會大大下降。第8頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

光電二極管的表面層往往存在一個零電場的區(qū)域,當(dāng)電子-空穴對在表面層（如P區(qū)）里產(chǎn)生時，少數(shù)載流子首先要擴(kuò)散到耗盡層，然后才能被外電路收集。但在表面層區(qū)域，少數(shù)載流子的壽命時間很短，擴(kuò)散速度又慢，電子-空穴對往往在被檢測器電路收集以前就已被復(fù)合掉，從而使檢測器的光電轉(zhuǎn)換效率降低。Si材料PIN光電二極管，波長響應(yīng)范圍：0.5~1.0umGe和InGaAs材料PIN光電二極管,波長響應(yīng)范圍：1.1~1.6um光電二極管的波長響應(yīng)范圍:第9頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．1．2PIN光電二極管

為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，最好使所有的入射光落在作用區(qū)（耗盡區(qū)內(nèi)），必須采取如下措施：

·減小入射表面的反射率；

·盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分吸收。

PIN光電二極管就是基于此種設(shè)計思想的一種器件。第10頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一一.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)

PN結(jié)的中間是一個接近本征，摻雜很低的N區(qū)，稱為I層，I層很厚。兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示，P+層和N+層很薄。則在P+層和I層之間形成了一個耗盡層，通過調(diào)整材料的摻雜濃度和加上適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海涂梢詫⒑谋M層拓寬到整個I層。

由于P+層和N+層都很薄，這樣耗盡區(qū)幾乎占據(jù)了整個PN結(jié)，光在零電場區(qū)被吸收的可能性很小，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。第11頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一二．PIN光電二極管的基本特性

1.光電轉(zhuǎn)換效率

響應(yīng)度：定義為輸出光生電流和入射光功率的比值。

量子效率：定義為一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值

式中為入射光功率，為光生電流，為光子能量，為電子電荷。

第12頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。

假設(shè):器件表面反射率為零；P層和N層對量子效率的貢獻(xiàn)為零；僅僅耗盡區(qū)（I區(qū)）里吸收的光子才能有效的轉(zhuǎn)化成光電流。

則PIN光電二極管的量子效率可近似表示為：

式中和分別為耗盡區(qū)（I區(qū)）的吸收系數(shù)和厚度。

可見，當(dāng)>>1時，所以為提高量子效率，I層的厚度要足夠大。

第13頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一2.暗電流

暗電流Id：是在反向偏壓條件下，沒有入射光時，光電二極管產(chǎn)生的反向電流。包括：晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)例如：Si材料的PIN，Id<1nA；Ge材料的PIN，Id>100nA。第14頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一3.噪聲

噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度光電二極管的噪聲:包括散粒噪聲和熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。

第15頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一(1)散粒噪聲：是由于帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動的隨機(jī)性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。包括:量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲量子噪聲：是由于光電子產(chǎn)生和收集的統(tǒng)計特性造成的。量子噪聲電流的均方值:

其中：IP為平均光電流；e為電子電荷；Δf為噪聲帶寬。第16頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一說明：1）量子噪聲伴隨著入射光信號的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨著信號的增大而增大；當(dāng)入射光信號消失，量子噪聲也消失。2）量子噪聲是一種不可克服的本征噪聲，它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。

第17頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

暗電流噪聲:暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流。它是由于PN結(jié)內(nèi)電子的熱擴(kuò)散形成的。暗電流的均方值：其中：Id為暗電流平均值；第18頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一說明：1.

偏置電流增大，暗電流增大；2.

器件溫度升高，暗電流增大；3.暗電流與光電二極管材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。例:si-PIN，Id<1nA,Ge-PIN，Id>100nA。

第19頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一漏電流噪聲:是由于器件表面物理缺陷引起的。漏電流的均方值：其中：IL為漏電流平均值；說明：漏電流和暗電流只能通過合理設(shè)計、良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝來降低。

第20頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一(2)熱噪聲：任何電阻都具有熱噪聲。只要溫度高于絕對零度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規(guī)則運(yùn)動，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，形成電阻的熱噪聲。包括：負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。均方熱噪聲電流：

式中：k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻的并聯(lián).第21頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一PIN光電二極管的總均方噪聲電流為：

第22頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．1．3雪崩光電二極管（APD）

一．APD的工作原理

隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。

APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計的器件。第23頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果反向電壓增加到是電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠的能量而加速運(yùn)動。高速運(yùn)動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對，這個過程稱為碰撞電離。

新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖。所以這種器件就被稱為雪崩光電二極管（APD）。第24頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一二．APD的倍增因子

由于雪崩倍增效應(yīng)是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，即用倍增因子來定義。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到器件體電阻的影響，可以表示為式中為APD擊穿電壓，為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為APD體電阻?，F(xiàn)有的APD的值已達(dá)幾十到上百，隨反向偏壓，波長和溫度而變化。

第25頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

三.APD的結(jié)構(gòu)類型

在光通信中常用的APD有如下幾中結(jié)構(gòu)類型。

保護(hù)環(huán)型（GAPD）

短波段（0.85um）

拉通型（RAPD）

SAM（SeparatedAbsorption

長波段andmultiplexing）（1.3um~1.55um）SAGM

（帶隙漸變型SAM）

第26頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一1.拉通型（RAPD）

當(dāng)偏置電壓逐漸升高時，峰值電場超過雪崩效應(yīng)所需最低電壓，就會發(fā)生雪崩效應(yīng)。同時，耗盡區(qū)已經(jīng)“拉通”到了整個區(qū)。雖然區(qū)的電場比高場區(qū)低，但也足以保證載流子有較高的漂移速度。入射光子在區(qū)被吸收后，產(chǎn)生一次電子-空穴對，其中的一次電子在電場的作用下向PN結(jié)漂移，并在那里產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，而一次空穴在電場的作用下移向P+區(qū)，被外電路收集。P+和N+為高摻雜低阻區(qū)，壓降很小，偏置電壓基本上都落在高阻的PN結(jié)上。低摻雜的本征區(qū)很寬，電場較低，大部分入射光子在此區(qū)被吸收并建立最初的電子——空穴對。當(dāng)偏置電壓較低時，電場分布如圖中虛線所示，這時本征區(qū)也未耗盡，而且峰值電場較低，不會發(fā)生碰撞電離。第27頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．2光接收機(jī)5．2．1數(shù)字光接收機(jī)的基本組成5．2．2數(shù)字光接收機(jī)的噪聲5．2．3誤碼率5．2．4靈敏度5．2．5動態(tài)范圍第28頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一光接收機(jī)功能:

把從光纖線路輸出，產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號主要組成部分：光檢測器（核心）第29頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．2．1數(shù)字光接收機(jī)的基本組成

第30頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一1．光檢測器：實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。即對光進(jìn)行解調(diào)。2．放大器：包括前置放大器和主放大器：

前置放大器：低噪聲、高增益和足夠的帶寬特性，以獲得較大的信噪比。

它的噪聲對光接收機(jī)的靈敏度影響很大輸出一般為毫伏數(shù)量級。

第31頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一主放大器：

作用：是提供足夠的增益，將前置放大器輸出的信號電平放大到判決電路所需要的信號電平。一般是多級放大器;是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器。

它的增益受AGC電路（自動增益控制電路）的控制，以使輸出的電信號的幅度在一定范圍內(nèi)不受輸入光信號幅度的影響。第32頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一3、均衡器：

（1）沒有均衡器出現(xiàn)的問題

：從接收機(jī)主放大器輸出的脈沖形狀將不會再是矩形了，將可能出現(xiàn)很長的拖尾。這種拖尾現(xiàn)象將會使前、后碼元的波形重疊產(chǎn)生碼間干擾對于一個實(shí)際的傳輸系統(tǒng)（包括信道，放大器，濾波器等），其頻帶總是受限的，結(jié)果使輸出波形有很大的拖尾，使前后碼元在波形上相互重疊，而產(chǎn)生碼間干擾。

第33頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一（2）均衡器作用：使經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形。在本碼判決時刻波形的瞬時值應(yīng)為最大值；這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應(yīng)為0。

一般用具有升余弦頻譜的碼元脈沖波形

第34頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一4、再生電路：包括判決器和時鐘提取電路--作用：將均衡器輸出的升余弦波形信號，恢復(fù)為原發(fā)送“0”或“1”的數(shù)字信號。再生過程：為了能從均衡器的輸出信號判決出是“0”還是“1”碼，首先要確定判決的時刻，這就要從升余弦波形中提取準(zhǔn)確的時鐘信號。時鐘信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)囊葡嗪?，在最佳的取樣時刻對升余弦波形進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進(jìn)行比較，確定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)再生成原傳輸?shù)臄?shù)字信號。

第35頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．2．2數(shù)字光接收機(jī)的噪聲

一．光接收機(jī)噪聲的分類二．噪聲分析的一般方法三．光接收機(jī)的噪聲等效模型四．放大器噪聲的計算五．前置放大器的類型第36頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一一．光接收機(jī)噪聲的分類

光接收機(jī)的噪聲有兩部分：外部噪聲和內(nèi)部噪聲。外部噪聲：由外部電磁干擾產(chǎn)生的?？梢酝ㄟ^屏蔽或?yàn)V波來消除。

內(nèi)部噪聲：是在信號檢測和放大過程中引入的隨機(jī)噪聲。主要包括：光檢測器的噪聲、前置放大器的噪聲和熱噪聲。

第37頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一光檢測器的噪聲：如量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲，APD的倍增噪聲前置放大器的噪聲：放大器的噪聲主要由前置放大器噪聲決定。因?yàn)榍爸眉壿斎氲氖俏⑷跣盘枺湓肼晫敵鲂旁氡扔绊懞艽蟆?/p>

熱噪聲：負(fù)載電阻上的熱噪聲和放大電路中產(chǎn)生的熱噪聲。

第38頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一第39頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一二．噪聲分析的一般方法噪聲是一種隨機(jī)過程，它的值并不能預(yù)先確定，在不同的時刻測量噪聲時所得的結(jié)果也常常是不一樣的，因此，對噪聲的分析應(yīng)采用隨機(jī)過程的分析方法。

第40頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一第42頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一3．平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度

設(shè)有時間函數(shù)x（t），-∞<t<+∞，假設(shè)x（t）滿足荻氏條件，且絕對可積，那么x（t）的傅立葉變換為x（t）和FX（w）之間有以下的巴塞伐（parseval）等式成立等式左邊的積分表示x（t）在（-∞，<+∞）上的總能量。第43頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一把函數(shù)x（t）限制在（-T，T）時間間隔內(nèi)的可得到：上式的左邊表示平均功率：函數(shù)x（t）的雙邊平均功率譜密度（簡稱功率譜密度）為：

第44頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一4.線形系統(tǒng)對隨機(jī)輸入的響應(yīng)

線形系統(tǒng)在這里指時不變線形系統(tǒng)。系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)：當(dāng)系統(tǒng)的輸入是單位脈沖時δ（t）時，相應(yīng)的系統(tǒng)的輸出稱為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)，記作HT（t）。頻率響應(yīng)函數(shù)（或傳遞函數(shù)）：HT（t）的傅氏變換HT（w）稱為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)（或傳遞函數(shù)）。第45頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

若對此線形系統(tǒng)輸入信號x(t)，則輸出信號的波形和頻譜為：線形系統(tǒng)在平穩(wěn)輸入的條件下，其輸出也是平穩(wěn)的。系統(tǒng)的輸出譜密度等于輸入譜密度乘以系統(tǒng)的功率增益因子|HT(w)|2,即第46頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一三．光接收機(jī)的噪聲等效模型

把所有的噪聲源都等效到光接收機(jī)的輸入端，光接收機(jī)的輸入端的噪聲等效模型如圖。

第47頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一說明：光檢測器等效為電流源，<iq2>：光檢測器的量子噪聲的均方噪聲電流，功率譜密度分別為Sq<id2>：光檢測器的暗電流噪聲的均方噪聲電流（等效噪聲功率），功率譜密度為Sd。

R為偏置電阻，C為電容（結(jié)電容和其他電容），ib為偏置電阻的熱噪聲電流。放大器:分解為理想放大器和等效電流源<i02>和電壓源<u02>，其功率譜密度分別為SI和SE。Rin是放大器的輸入電阻。第48頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一光檢測器的噪聲特性參見5．1．2節(jié)PIN光電二極管的基本特性。偏置電阻的熱噪聲：偏置電阻具有熱噪聲，只要溫度大于絕對溫度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作不規(guī)則的運(yùn)動，結(jié)果在電阻上形成不規(guī)則變化的微弱電流，形成電阻的熱噪聲。第49頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一1.帶有熱噪聲的電阻等效方式可以有兩種等效方式：一種是等效為一個無噪聲的電阻和一個噪聲電流源并聯(lián)。（上圖中就是這樣等效的。并聯(lián)電流噪聲源的功率譜密度為：式中：k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；K為絕對溫度。上式表明，電阻的熱噪聲隨溫度的升高而加大。第50頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一另一種是等效為一個無噪聲的電阻和一個噪聲電壓源的串聯(lián)。串聯(lián)噪聲電壓源的功率譜密度為：第51頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一四．放大器噪聲的計算

1．放大器輸入端的噪聲源

（1）放大器的噪聲包括電阻的熱噪聲及有源器件（雙極型晶體管或場效應(yīng)管）的散粒噪聲。將所有噪聲源都等效到輸入端。（2）放大器中各個噪聲源都可以認(rèn)為是高斯分布的平穩(wěn)隨機(jī)過程。

放大器噪聲的概率密度函數(shù)可以表示為高斯函數(shù)：

第52頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一（3）均值為0的高斯噪聲的方差σ2實(shí)際就代表噪聲電壓或（電流）的平方的平均值，即為噪聲平均功率。（4）概率密度為高斯函數(shù)的各個隨機(jī)噪聲，它們之和的概率密度仍是高斯函數(shù)，而且總噪聲的方差等于各個噪聲源的方差之和。（5）計算放大器的輸出噪聲應(yīng)求得各個噪聲源的方差，然后求和得到輸出端總噪聲電壓的方差。第53頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一2．放大器輸出噪聲電壓的計算方法

(1)用輸入端各噪聲源的功率譜密度乘以放大器的功率功率增益因子，可得到輸出端的功率譜密度。其中：|ZT(w)|2

是放大器的功率增益因子ZT(w)是放大器的傳遞函數(shù)，它表示輸入電流和輸出電壓之間的傳遞關(guān)系，實(shí)為轉(zhuǎn)移阻抗。第54頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一（2）輸出端功率譜密度SY（w）對w積分，得到輸出端的各噪聲電壓的方差（或稱為噪聲功率）（3）由于放大器的各噪聲源的概率分布函數(shù)均為高斯函數(shù)，所以輸出端總噪聲電壓的方差等于各噪聲源方差之和。第55頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

說明：計算時，輸入端的串聯(lián)電壓噪聲源首先要乘以輸入導(dǎo)納（1/Rt+iwC）的絕對值的平方，轉(zhuǎn)換成電流源，然后再乘以功率增益因子|ZT(w)|2。式中Rt=R∥Rin。根據(jù)根據(jù)上述的步驟，可以算出放大器的總噪聲電壓的方差為：第56頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一五．前置放大器的類型

放大器的噪聲特性取決于所采用的前置放大器的類型。1.前置放大器的分類：雙極型晶體管前置放大器場效應(yīng)管前置放大器跨阻型前置放大器第57頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一第58頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一2．三種類型前置放大器的比較：

雙極型晶體管前置放大器：輸入阻抗低，線路簡單；接收機(jī)不需要或只需要很少的均衡，碼間干擾小；適用于高速率傳輸系統(tǒng)。場效應(yīng)管前置放大器：輸入阻抗高，噪聲??；高頻特性差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)?？缱栊颓爸梅糯笃鳎菏且粋€性能優(yōu)良的電流-電壓轉(zhuǎn)換器；具有寬頻率低噪聲的優(yōu)點(diǎn)；根據(jù)目前已報導(dǎo)的Gbit/s速率的光接收機(jī)的情況看，前置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。第59頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．2．3誤碼率

一.誤碼的產(chǎn)生:在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，接收端的光信號經(jīng)檢測，放大，均衡后，進(jìn)行判決，再生。判決,再生的過程:見下圖第60頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一判決是通過時鐘信號的上升沿在最佳的時刻對接收的數(shù)字信號進(jìn)行取樣。然后將取樣值與判決閾值進(jìn)行比較，若取樣幅度大于判決閾值，則判為“1”，若取樣幅度小于判決閾值，則判為“0”，從而使信號得到再生。由于噪聲的存在，接收信號就有被誤判的可能性。

第61頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一誤碼率：接收碼元被錯誤判決的概率，稱為誤碼率。（在二元制的情況下，等于誤比特率，BER）

BER＝錯誤碼元數(shù)/傳輸總的碼元數(shù)第62頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一第63頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一光接收機(jī)輸出的噪聲的特性：光接收機(jī)輸出的噪聲的特性概率分布十分復(fù)雜，包括放大器引入的噪聲和光檢測器的噪聲。前面分析過放大起引入的噪聲，是高斯分布的平穩(wěn)隨機(jī)過程，其概率密度函數(shù)為高斯函數(shù)。光電檢測過程，尤其是雪崩光電檢測過程是一個非常復(fù)雜的隨機(jī)過程，它的概率密度函數(shù)是非高斯型的。

第64頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)：一般假設(shè)噪聲電流（或電壓）的瞬時值服從高斯分布，其概率密度函數(shù)為式中：x是代表噪聲這一高斯隨機(jī)變量的取值，均值E（x）=0，方差D（x）=σ2NA為前置放大器的平均噪聲功率；ND為光檢測器的平均噪聲功率；N0為總的平均噪聲功率。第65頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一（1）發(fā)“0”碼時

平均噪聲功率N0=NA，NA為前置發(fā)達(dá)器的平均噪聲功率；這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率ND=0（略去暗電流）。發(fā)“0”碼條件下噪聲的概率密度函數(shù)：注：均值為0的高斯噪聲的方差σ2就是平均噪聲功率N0

把“0”碼誤判為“1”碼的概率：等于I0>D的概率第66頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一（2）發(fā)“1”碼時：平均噪聲功率：N1=NA+ND；ND為光檢測器的平均噪聲功率；噪聲電流幅度：I1-Im；判決條件：I1-Im<D-Im或Im-I1>Im-D(即I1<D)第67頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一把“1”碼誤判為“0”碼的概率：等于I1-Im<D-Im或Im-I1>Im-D(即I1<D)的概率。第68頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一（3）總誤碼率

“0”碼和“1”碼的誤碼率一般是不相同的，但對于“0”碼和“1”碼等概率而言，一般認(rèn)為Pe，01=Pe，10時可使誤碼率達(dá)到最小。第69頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一超擾比Q：

說明：只要知道Q值，就可以根據(jù)總誤碼率的計算公式求出誤碼率，結(jié)果如圖。例：Q=6，BER≈10-9；Q=7，BER≈10-12。第70頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一數(shù)字通信要求，如果誤比特率小于10-6，則基本上可以恢復(fù)原來的數(shù)字信號。如果誤比特率大于10-3，則基本上不能進(jìn)行正常的電話通信。一般要求系統(tǒng)的誤比特率小于10-9，即10億個脈沖中只容許發(fā)生一個誤碼。第71頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一5．2．4靈敏度

一.靈敏度的一般計算方法二．理想光接收機(jī)的靈敏度第72頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

靈敏度是光接收機(jī)的最重要的性能指標(biāo)。靈敏度：是指保證達(dá)到給定的誤碼率(或信噪比）的條件下，光接收機(jī)需要輸入的最小平均接收光功率<P>min?；蛘哒f在一定誤碼率條件下光接收機(jī)所能接收到的最小光功率。可用三種物理量表示：最小平均光功率Pmin每個光脈沖的最低平均能量Ed每個光脈沖的最低平均光子數(shù)n0第73頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一

接收靈敏度一般用dBm（毫瓦分貝）來表示，它是以lmW光功率為基礎(chǔ)的絕對功率。說明：靈敏度表示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，能夠接收微弱光信號的能力，提高靈敏度意味著可以接收更微弱的光信號。影響靈敏度的主要因素是光檢測器和放大器引入的噪聲。第74頁，共84頁，2023年，2月20日，星期一一.靈敏度的一般計算方法

(1)計算靈敏度，必須先求出光接收機(jī)輸出端總噪聲的概率密度函數(shù)(2)再根據(jù)噪聲的概率密度函數(shù)計算出總誤碼率。(3)根據(jù)所要達(dá)到的