光纤通信第三章3-接收机灵敏度PPT资料.ppt
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从雪崩倍增实际的概率密度函数出发计算总噪声的概率密度函数,进而计算接收机的灵敏度。
2)高斯近似计算假设雪崩倍增过程的概率密度函数为高斯函数,从而使总噪声的计算变得简单。
计算精度可保持在1dB范围内,满足工程设计的需要。
北京邮电大学顾畹仪,5,二、光电检测随机过程的统计特性,1、光子计数过程1)泊松分布,2)光电检测过程的量子极限条件:
放大器不存在热噪声光电二极管的量子效率为1,暗电流为零光源的消光比为零,北京邮电大学顾畹仪,6,因为光源的消光比为零,所以“0”码时接收光功率为零,没有光生的电子-空穴对;
Id=0,没有暗电流生成的电子-空穴对;
放大器无噪声,没有热激励的电子-空穴对。
“0”码不会发生误判决,E01=0。
“1”误判为“0”码的概率等于接收“1”码时一个电子-空穴对也没有产生的概率。
北京邮电大学顾畹仪,7,2、雪崩光电检测随机过程的统计特性,雪崩光电检测随机过程的统计特性是非常复杂的。
时隙L内,,gl=n的概率是一个复杂的函数:
北京邮电大学顾畹仪,8,n个Pprob()的卷积,随机性:
I.gl是随机的,其概率密度函数是复杂的函数;
II.N是随机的,即在时隙L内产生的初始电子-,空穴是泊松分布,结论:
光电检测过程是非常复杂的随机过程。
北京邮电大学顾畹仪,9,三、接收机灵敏度的精确计算1、方法设Ns和Nd分别为每秒钟光生和暗电流生成的电子-空穴对数,qn是放大器的高斯噪声归一化为二次电子-空穴对数,X的概率密度函数为:
北京邮电大学顾畹仪,10,放大器的噪声:
总噪声:
所以,总噪声的概率密度函数和灵敏度的精确计算是很复杂的。
可以采用一些近似的处理方法,如切诺夫界限法、重要性取样法等。
北京邮电大学顾畹仪,11,2、切诺夫界限法(ChernoffBounds)1)矩母函数和半不变矩母函数,连续随机变量的矩母函数,半不变矩母函数,离散随机变量N的矩母函数,s是实参量,北京邮电大学顾畹仪,12,对于连续型随机变量,对于高斯型分布,对于泊松分布,北京邮电大学顾畹仪,13,求一实数s,满足,2)用矩母函数求误码率的上限,北京邮电大学顾畹仪,14,只要求出“0”码时总噪声的半不变矩母函数和它的导数,就能求出E01的上限。
北京邮电大学顾畹仪,15,四、接收机灵敏度的高斯近似计算,1、概况:
两种方法1)从噪声功率谱密度进行计算对PD:
对APD:
在输入端是并联电流噪声源。
光电检测器的噪声与接收光功率有关。
北京邮电大学顾畹仪,16,特点:
简单,但没有反映出邻码对判决码元的散粒噪声即在判决某码元时,光电探测器的散粒噪声包括所有邻近码元的影响。
2)Personick的计算方法由卷积的关系来确定输出电压,进而确定光电探测器的散粒噪声。
北京邮电大学顾畹仪,17,2、光电探测器的散粒噪声,1)求在时隙L,北京邮电大学顾畹仪,18,2)求,含有两重随机性:
时隙L内产生N个初始电子空穴对的概率是泊松分布;
在tL时刻产生一个电子空穴对是随机的。
北京邮电大学顾畹仪,19,是时隙L内产生N个初始电子-空穴对的概率,是在tl时刻产生一个初始电子-空穴对的概率,北京邮电大学顾畹仪,20,北京邮电大学顾畹仪,21,3)求,北京邮电大学顾畹仪,22,4)求输出电压的方差2,对数字通信系统,当光脉冲为“1”码,当光脉冲为“0”码,北京邮电大学顾畹仪,23,5)求暗电流的噪声功率谱密度,hp是归一化的光脉冲,,北京邮电大学顾畹仪,24,北京邮电大学顾畹仪,25,3、高斯近似公式的推导,1)假设判决时有最坏的码元组合bk=bmaxbk=b0k=0引入参量:
北京邮电大学顾畹仪,26,得到,判决码元的噪声,邻码的噪声,暗电流噪声,北京邮电大学顾畹仪,27,2)假设判决时无码间干扰输出波形具有升余弦频谱,北京邮电大学顾畹仪,28,定义归一化频率:
北京邮电大学顾畹仪,29,将的表达式转换到频域,定义I3,北京邮电大学顾畹仪,30,放大器的输出噪声:
思路:
输出就是升余弦频谱的波形,放大器和均衡滤波器的需要的传递函数由输入波形所决定。
Z为放大器的噪声参量,北京邮电大学顾畹仪,31,输入波形矩形脉冲高斯脉冲指数形脉冲2)输出脉冲:
升余弦频谱脉冲,的计算,当其余,北京邮电大学顾畹仪,32,3)假设Id为零,将输出端的计算等效到输入端,将信号和噪声功率同时除以,等效到输入端除以,除以,除以,二次电子-空穴对数初始电子-空穴对数,二次电子-空穴对数,除以,初始电子-空穴对数入射光子数,乘以,光子数光能量,具有能量的量纲,北京邮电大学顾畹仪,33,在输入端与输出端的相同,北京邮电大学顾畹仪,34,“0”码和“1”码的概率密度函数为:
令,北京邮电大学顾畹仪,35,令,北京邮电大学顾畹仪,36,BER和Q一一对应Q含有信噪比的概念,对于“0”、“1”等概率码,,北京邮电大学顾畹仪,37,4)假设EXT=0,F(G)=,存在最佳的,使最小,有与上式联立求解,可解得和,北京邮电大学顾畹仪,38,5、计算公式1)APD作为检测器,北京邮电大学顾畹仪,39,2)PD作为检测器,,可忽略PD的散粒噪声,北京邮电大学顾畹仪,40,3)最佳判决电平的计算,光接收机的一个特点:
判决电平低于“0”和“1”电平的中点,北京邮电大学顾畹仪,41,4)消光比和暗电流不为零时灵敏度的计算,北京邮电大学顾畹仪,42,原来灵敏度的计算公式还能用,北京邮电大学顾畹仪,43,北京邮电大学顾畹仪,44,5、影响接收机灵敏度的因素,1)放大器噪声参量Z的影响PD作为光电检测器APD作为光电检测器2)比特速率的影响,北京邮电大学顾畹仪,45,PD作为检测器,4.5dB/比特率倍程,APD作为检测器,x=0.53.5dB/比特率倍程,原因:
比特速率增加,噪声的等效带宽增加,接收机的灵敏度下降。
3)输入波形的影响可以证明,输入(t)脉冲时,都达到最小值,灵敏度最高;
半占空比码型比全占空比码型灵敏度可以高出2dB左右。
北京邮电大学顾畹仪,46,达到最大值,I2和I3达到最小值,当输入(t)脉冲,证明:
I2和I3达到最小值,北京邮电大学顾畹仪,47,北京邮电大学顾畹仪,48,4)EXT的影响,北京邮电大学顾畹仪,49,5)其它的影响因素,时钟抖动和码间干扰光源和光纤系统的噪声,激光器的量子噪声模式分配噪声:
多模激光器+光纤的色散模式噪声:
窄谱线的激光器+空间滤除效应或模式滤除效应反射噪声:
费涅尔反射和后向瑞利散射,北京邮电大学顾畹仪,50,6、高斯近似计算的误差分析1)高斯近似带来的误差:
低估了E01,稍高估了E10,灵敏度的计算偏高;
D的计算过低,北京邮电大学顾畹仪,51,2)F(G)=带来的误差:
低估了G较大时APD的过剩噪声,灵敏度的计算偏高;
最佳雪崩增益的计算结果偏高。
3)最坏码元组合的假设在灵敏度的计算上可与前两项抵消。
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