演示文稿光纖通信第三章接收機靈敏

北京郵電大學(xué)顧畹儀1（優(yōu)選）光纖通信第三章接收機靈敏度當(dāng)前第1頁\共有50頁\編于星期五\4點一、靈敏度計算的一般方法1.靈敏度的概念:

保證誤碼率為確定值的情況下所需要的最低接收平均光功率(dBm).2.一般方法1）求總噪聲的概率密度函數(shù)f0(x),f1(x);

2)從概率密度函數(shù)出發(fā)計算誤碼率。當(dāng)前第2頁\共有50頁\編于星期五\4點“0”碼誤判為“1”碼的概率：“1”碼誤判為“0”碼的概率：誤碼率計算BER當(dāng)前第3頁\共有50頁\編于星期五\4點2、光接收機靈敏度計算方法1）精確計算：從雪崩倍增實際的概率密度函數(shù)出發(fā)計算總噪聲的概率密度函數(shù)，進(jìn)而計算接收機的靈敏度。2）高斯近似計算假設(shè)雪崩倍增過程的概率密度函數(shù)為高斯函數(shù)，從而使總噪聲的計算變得簡單。計算精度可保持在1dB范圍內(nèi)，滿足工程設(shè)計的需要。當(dāng)前第4頁\共有50頁\編于星期五\4點二、光電檢測隨機過程的統(tǒng)計特性1、光子計數(shù)過程

1）泊松分布2）光電檢測過程的量子極限條件：放大器不存在熱噪聲光電二極管的量子效率為1，暗電流為零光源的消光比為零當(dāng)前第5頁\共有50頁\編于星期五\4點因為光源的消光比為零，所以“0”碼時接收光功率為零，沒有光生的電子-空穴對；Id=0,沒有暗電流生成的電子-空穴對；放大器無噪聲，沒有熱激勵的電子-空穴對?！?”碼不會發(fā)生誤判決，E01=0?！?”誤判為“0”碼的概率等于接收“1”碼時一個電子-空穴對也沒有產(chǎn)生的概率。當(dāng)前第6頁\共有50頁\編于星期五\4點2、雪崩光電檢測隨機過程的統(tǒng)計特性雪崩光電檢測隨機過程的統(tǒng)計特性是非常復(fù)雜的。時隙L內(nèi)，gl=n

的概率是一個復(fù)雜的函數(shù)：當(dāng)前第7頁\共有50頁\編于星期五\4點n個Pprob()的卷積隨機性：I.gl是隨機的,其概率密度函數(shù)是復(fù)雜的函數(shù)；

II.N是隨機的，即在時隙L內(nèi)產(chǎn)生的初始電子-空穴是泊松分布結(jié)論：光電檢測過程是非常復(fù)雜的隨機過程。當(dāng)前第8頁\共有50頁\編于星期五\4點三、接收機靈敏度的精確計算

1、方法設(shè)Ns和Nd分別為每秒鐘光生和暗電流生成的電子-空穴對數(shù)，qn是放大器的高斯噪聲歸一化為二次電子-空穴對數(shù)X的概率密度函數(shù)為：當(dāng)前第9頁\共有50頁\編于星期五\4點放大器的噪聲：總噪聲：所以，總噪聲的概率密度函數(shù)和靈敏度的精確計算是很復(fù)雜的。可以采用一些近似的處理方法,如切諾夫界限法、重要性取樣法等。當(dāng)前第10頁\共有50頁\編于星期五\4點2、切諾夫界限法（ChernoffBounds）1）矩母函數(shù)和半不變矩母函數(shù)連續(xù)隨機變量的矩母函數(shù)半不變矩母函數(shù)離散隨機變量N的矩母函數(shù)

s是實參量當(dāng)前第11頁\共有50頁\編于星期五\4點對于連續(xù)型隨機變量

對于高斯型分布對于泊松分布當(dāng)前第12頁\共有50頁\編于星期五\4點求一實數(shù)s,滿足2)用矩母函數(shù)求誤碼率的上限當(dāng)前第13頁\共有50頁\編于星期五\4點只要求出“0”碼時總噪聲的半不變矩母函數(shù)和它的導(dǎo)數(shù)，就能求出E01的上限。當(dāng)前第14頁\共有50頁\編于星期五\4點四、接收機靈敏度的高斯近似計算1、概況：兩種方法1）從噪聲功率譜密度進(jìn)行計算對PD：

對APD：在輸入端是并聯(lián)電流噪聲源。

光電檢測器的噪聲與接收光功率有關(guān)。當(dāng)前第15頁\共有50頁\編于星期五\4點特點：簡單，但沒有反映出鄰碼對判決碼元的散粒噪聲即在判決某碼元時，光電探測器的散粒噪聲包括所有鄰近碼元的影響。2）Personick的計算方法由卷積的關(guān)系來確定輸出電壓，進(jìn)而確定光電探測器的散粒噪聲。

當(dāng)前第16頁\共有50頁\編于星期五\4點2、光電探測器的散粒噪聲1）求在時隙L當(dāng)前第17頁\共有50頁\編于星期五\4點2）求含有兩重隨機性：時隙L內(nèi)產(chǎn)生N個初始電子空穴對的概率是泊松分布；在tL時刻產(chǎn)生一個電子空穴對是隨機的。當(dāng)前第18頁\共有50頁\編于星期五\4點是時隙L內(nèi)產(chǎn)生N個初始電子-空穴對的概率是在tl時刻產(chǎn)生一個初始電子-空穴對的概率當(dāng)前第19頁\共有50頁\編于星期五\4點當(dāng)前第20頁\共有50頁\編于星期五\4點3）求當(dāng)前第21頁\共有50頁\編于星期五\4點4）求輸出電壓的方差2對數(shù)字通信系統(tǒng)當(dāng)光脈沖為“1”碼當(dāng)光脈沖為“0”碼當(dāng)前第22頁\共有50頁\編于星期五\4點5）求暗電流的噪聲功率譜密度hp是歸一化的光脈沖，

當(dāng)前第23頁\共有50頁\編于星期五\4點當(dāng)前第24頁\共有50頁\編于星期五\4點3、高斯近似公式的推導(dǎo)1）假設(shè)判決時有最壞的碼元組合

bk=bmax

bk=b0

k=0

引入?yún)⒘浚寒?dāng)前第25頁\共有50頁\編于星期五\4點得到判決碼元的噪聲鄰碼的噪聲暗電流噪聲當(dāng)前第26頁\共有50頁\編于星期五\4點2）假設(shè)判決時無碼間干擾輸出波形具有升余弦頻譜當(dāng)前第27頁\共有50頁\編于星期五\4點定義歸一化頻率：當(dāng)前第28頁\共有50頁\編于星期五\4點將的表達(dá)式轉(zhuǎn)換到頻域定義I3當(dāng)前第29頁\共有50頁\編于星期五\4點放大器的輸出噪聲：思路：輸出就是升余弦頻譜的波形，放大器和均衡濾波器的需要的傳遞函數(shù)由輸入波形所決定。Z為放大器的噪聲參量當(dāng)前第30頁\共有50頁\編于星期五\4點輸入波形矩形脈沖高斯脈沖指數(shù)形脈沖2)輸出脈沖:升余弦頻譜脈沖的計算當(dāng)其余當(dāng)前第31頁\共有50頁\編于星期五\4點3）假設(shè)Id為零，將輸出端的計算等效到輸入端將信號和噪聲功率同時除以等效到輸入端

除以除以除以,二次電子-空穴對數(shù)初始電子-空穴對數(shù)二次電子-空穴對數(shù)除以，初始電子-空穴對數(shù)入射光子數(shù)乘以，光子數(shù)光能量，具有能量的量綱當(dāng)前第32頁\共有50頁\編于星期五\4點在輸入端與輸出端的相同當(dāng)前第33頁\共有50頁\編于星期五\4點“0”碼和“1”碼的概率密度函數(shù)為：令當(dāng)前第34頁\共有50頁\編于星期五\4點令當(dāng)前第35頁\共有50頁\編于星期五\4點BER和Q一一對應(yīng)Q含有信噪比的概念對于“0”、“1”等概率碼，當(dāng)前第36頁\共有50頁\編于星期五\4點4）假設(shè)EXT=0，F(xiàn)（G）==存在最佳的，使最小，有與上式聯(lián)立求解，可解得和當(dāng)前第37頁\共有50頁\編于星期五\4點5、計算公式

1)APD作為檢測器當(dāng)前第38頁\共有50頁\編于星期五\4點2）PD作為檢測器，可忽略PD的散粒噪聲當(dāng)前第39頁\共有50頁\編于星期五\4點3）最佳判決電平的計算光接收機的一個特點:判決電平低于“0”和“1”電平的中點當(dāng)前第40頁\共有50頁\編于星期五\4點4）消光比和暗電流不為零時靈敏度的計算當(dāng)前第41頁\共有50頁\編于星期五\4點原來靈敏度的計算公式還能用當(dāng)前第42頁\共有50頁\編于星期五\4點當(dāng)前第43頁\共有50頁\編于星期五\4點5、影響接收機靈敏度的因素1）放大器噪聲參量Z的影響

PD作為光電檢測器

APD作為光電檢測器2）比特速率的影響當(dāng)前第44頁\共有50頁\編于星期五\4點PD作為檢測器，4.5dB/比特率倍程APD作為檢測器，x=0.53.5dB/比特率倍程原因：比特速率增加，噪聲的等效帶寬增加，接收機的靈敏度下降。3）輸入波形的影響可以證明，輸入(t)脈沖時，都達(dá)到最小值，靈敏度最高；半占空比碼型比全占空比碼型靈敏度可以高出2dB左右。當(dāng)前第45頁\共有50頁\編于星期五\4點達(dá)到最大值，I2和I3達(dá)到最小值當(dāng)輸入(t)脈沖,證明:I2和I3達(dá)到最小值當(dāng)前第46頁\共有50頁\編于星期五\4點當(dāng)前第47頁\共有50頁\編于星期五\4點4）EXT的影響當(dāng)前第48頁\共有50頁\編于星期五\4點5