N hv B / 21
物理意义：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。
实际接收机灵敏度
在不考虑码间干扰、均衡器频率特性影响的情况下，限定误 码率的最小平均接收光功率由下式给出：
Q nA P min
其中nA是折合到输入端的放大器噪声功率。将上式结果代入 定义式中即可算出实际接收机的灵敏度。
本章讨论的主要问题
接收机主要部件及其功能 数字接收机的性能 模拟接收机的性能
7.2 数字接收机性能
光接收机对码元误判的概率称为误码率 ( 在二元制的情况下， 等于误比特率，BER)：误判的码元数Ne和接收的总码元数Nt 的比值：
BER Ne Ne Nt Bt
光纤通信系统的典型误码范围是10-9到10-12。
判决再生与时钟提取
任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号
对某时隙的码元进行判 决，恢复原始信息
再生码流 判决器
时钟 提取
为精确确定“判决时刻”，需 要从信号码流中提取准确的时 钟信息作为标定，以保证与发 送端一致
接收的信号
入射到光检测器的二进制数字脉冲序列表示为：
Pt
n
b g t nT
P0 (vth ) p y | 0dy
vth vth
1 f 0 ( y)dy 2 off
v boff 2 dv 2 vth exp 2 off
类似地，也可以得到发送的1码被误判为0的概率：
P1 (vth ) p y | 1dy
1 V V 1 Pe 1 erf 2 2 2
信噪比
x
0
dy
例
信噪比为8.5时Pe = 10-5。对 于一个速率为1.544Mb/s 的 电话接收信号，Pe = 10-5意 味着每0.065秒有一位误码， 这是非常不理想的。 如果将V/ 从8.5 增加至12， BER就会降到10-9。此时， 每11分钟才有一位误码， 通常这是可以容忍的。
Pr 0 / 2 e N / 2 109
解出 N 9 ln10 ln 2 20.03。因此，对于这个BER指标，要求每 个脉冲平均有21个光子产生。可以得到E，即：
E 21 hv
例 (续 )
(b) 对一个10 Mb/s的二进制信号系统，为了得到10-9的BER指 标，试求光检测器上的最小入射功率P0 如果检测器的量子效率为1，则有：
物理意义：动态范围表示光接收机接收强光的能力，数字光 接收机的动态范围一般应大于15 dB
由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化， 为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。
本章讨论的主要问题
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7.3 模拟接收机
模拟接收机用信噪比来度量，信噪比定义为均方信号电流与均 方噪声电流之比 时变电信号s(t)用来直接调制 偏置电流为IB的光源，发送光 功率P(t)有如下形式：
Pt P 1 ms(t ) t
其中Pt是平均发射功率，m为调 制指数： DI m IB DI一般不能太大，以确保光源工作在线性区
APD光信噪比
在接收端，模拟光信号产生的光电流为：
is t M0 Pr 1 ms(t ) I p M 1 ms(t )
Q n A 6 1018 P min 0 0.4
可以计算得到<P>min = 1.5×10-8W，S = -48.2 dBm。
光接收机灵敏度与传输速率的关系
由图可见，决定光接收机灵 敏度的主要因素是传输速率 和光检测器的特性等： 码率越高检测器灵敏度变差 APD灵敏度显著高于pin
理想接收机灵敏度
定义：在保证通信质量 (限定误码率，如10-9)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。
P min S 10log (dBm) 3 10
量子极限下： P min E / t
N Bhc 2
光接收机的动态范围(DR)
定义：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平 均接收光功率<P>max和所需最小平均接收光功率<P>min的比值， 用dB表示。根据定义：
p max DR 10lg (dB) p min
在动态范围之内，需要光接收机能保持稳定输出。
DR的物理含义
若s(t)为正弦信号，检测器输出的均方电流为(忽略直流项)：
is2 1 0 MmPr 2 1 MmI p 2 2 2
接收机的均方噪声电流为均方量子噪声电流、等效电阻热噪声 电流、暗噪声电流和表面漏电流之和：
i
2 N
2qI
p
ID
M
2
4k BTB F ( M ) B 2qIL B Ft Req
误码源：噪声的干扰
系统的各个环节都会带来噪声，噪声对光信号会产生干扰。如 ：
本章讨论的主要问题
接收机的任务 1. 检测出因为长途传输而变得很微弱的信号 2. 从受到各种干扰的信号中恢复出原始数据
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7.1 接收机工作的基本原理
N
t
hv
0
P(t )dt
E
hv
而t内实际产生的电子个数n服从泊松分布：
e N Pr n N n!
n
量子极限 (续)
因此在时间t内实际产生0个电子的概率为：
Pr 0 e N
在这种情况下，信号就会被接收机判断为0脉冲。 对于理想光接收机，当光检测器没有光输入时，放大器完全没 有电流输出，因此0码误判为1码的概率Pe01 = 0。产生误码的唯 一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流， 放大器没有电流输出。因此0和1等概发送时，误码率Pe为：
两种发生误码的情况
给定一个电压v 发送一个"1"脉冲而均衡器输出电压小于v的概率：
P1 v p( y | 1)dy
v
发送一个“0”脉冲而均衡器输出电压大于v的概率：
P0 v p( y | 0)dy
v
误码发生的概率
如果设阈值电压为vth则误码概率定义为：
Pe Pvout vth | 1P1 Pvout vth | 0P0 aP 1 vth bP 0 vth
偏压控制
前端：由光电二极管和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变光生电信号， 然后进行预放大，以便后级作进一步处理 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽
器件的选择
光检测器的选择： A. pin光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工 作电压，响应速度快 B. APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，探测灵敏度高， 但需要较高的偏置电压和温度补偿电路 常用搭配：EDFA光放大器 + pin
BER与信噪比的关系曲线
例 (续 )
对于一个速率为622Mb/s的 链路，要得到相同的通话效 果 (11分钟才有一个误码)， 则要求BER为10-11或10-12， 这就表示至少要求 V/ = 13
系统速率越高对信噪比的要求越高
BER与信噪比的关系曲线
光检测器的量子极限
定义：没有暗电流的情况下，对于达到特定误码率时所需的最 小接收机功率称为量子极限 在这种极限条件下，检测器性能仅受限于光检测过程的统计特 性 (量子噪声) 。假设在时间t内有一个能量为 E 的光脉冲落在 光检测器上，在时间t内产生的电子空穴对的均值为：
主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增 益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器。
光信号 光检测器 前置放大器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
前端
线性通道
时钟提取 数据再生
基于强度调制的数字接收机模型
光接收机的核心部分：前端
光信号
前置放大器 光检测器
N P /2 e 0.5P e10 0.5P e01 0.5P e10 0.5P r (0) e
通过这个式子，可以得到满足一定误码率要求时所需要的最小 输入能量。
例
一个数字光纤链路工作在850 nm时要求BER为10-9： (a) 求出与光检测器量子效率和入射光子能量有关的量子极限 由前可知，误码概率是：
n p b
bn 0 or 1
其中P(t)是接收光功率 Tb是比特周期 bn是第n位二进制数 gp(t)是接收脉冲的波形 脉冲序列导致光电二极管在时间t内的平均输出电流为：
it MPt M bn g p t nTb
n
Ip P
q
hv
此电流经过放大可产生一个电压信号
E P0t 21hv 21 hc
得：
P0 21 hc 1
t
21
hc B 2
其中1/t是数据速率B的一半(这里假设0和1等概出现)，解出P0 可得：
hcB 21 6.6261034 J s 3.0 108 m / s 10106 b / s P0 21 24.6 pW 6 2 2(0.8510 m)
忽略表面漏电流，信噪比为：
i S 2 N iN
2 s
1 2 I p Mm 2 2q( I p I D ) M 2 F ( M ) B 4k BTB / Req
pin光信噪比
对于pin，M = 1，当入射光功率很小时，噪声电流主要是电 路噪声项：
