光纤通信第五版-第11-噪声与检测

噪声与检测热噪声•热噪声也称为约翰逊噪声，或者奎斯特噪声。•产生于光检测器的负载电阻RL之内•它是由于热搅动导致导体内部的电荷载体（通常是电子）达到平衡状态时的电子噪声，与所施加电压无关。•图给出了当有固定光功率P照射到光检测器上时的结果。此时，负载电流并不是保持为i＝ηeP/hj这一固定值，而是在这个值的附近随机变化。•当人射功率很小以至于信号电流和噪声电流在幅度上可比较时，信号会被淹没。•等效电流来模拟热噪声散弹噪声•电子运动的离散特性会引起信号电流的扰动，这种扰动称为散弹噪声•在光检测器中，无论是在光致发射管还是在半导体结型器件中，人射的光信号都会产生离散的电荷载流子。每个载流子对总电流贡献出一个单电流脉冲尽管所有脉冲都是相同的，但是所产生的时刻是随机的。电流脉冲相加，不可能得到一个恒定的电流•散弹噪声电流的均方值，电流同时包括由人射光波产生的平均电流和暗电流信噪比（两种情况）•二极管、热噪声源以及散弹噪声源的等效电路结合I.恒定的入射光功率•更明确的定义信噪比。分母为热噪声和散弹噪声。分子为负载功率•入射光功率相对较高的条件下，信噪比可以简化为：•在这种情况下得到的信噪比是散弹噪声极限（也称为量子极限），这是可能获得的最好结果•当人射光功率较低时，热噪声通常超过散弹噪声而占据主导地位•假设有一个系统，其中的LED发射10mW,0.85μm的光波；光缆损耗为20dB;PIN型光检测器的响应度为0.5A/W，检测器的暗电流为2nA，其负载电阻为50Ω；接收机的带宽为10MHz，温度为300K(27℃）。除了光纤损耗外，系统总损耗还包含光源相合引起的14dB的功率降低，以及由多个接头和连接器导致的10dB损耗。计算接收到的光功卒，检测信号电流和功率，散弹噪声和热噪声功率，以及信嗓比。受限于热噪声的系统•如果光功率增加P分贝，则信噪比增加的分贝值将是此值的两倍（即2P分贝）。与p的平方成正比•对于散弹噪声受限系统，光功率增加P分贝，信噪比也只能增加AP分贝具有内部增益的光检测器•光检测器的增益为M，则信号电流将被放大M倍，信号功率放大M2倍。散弹噪声电流同样放大M倍。因此，其均方值和噪声功率都放大M2倍。由于热噪声并不是在光检测器内部产生的，所以热噪声电流没有放大。小结•量子极限工作方式产生的信号优于受限于热噪声的系统产生的信号；通过使用高增益的光检测器可以逼近理想的量子极限工作方式。雪崩光电二极管的过剩噪声•过剩噪声因子•由于锚雪崩光电二极管和InGaAs雪崩光电二极管存在过剩噪声，所以在一些长波长纤接收机中一般采用高质量的（低暗电流）PIN光电二极管后接低噪声前置放大器，很少用雪崩光电二极管。等效噪声功率•等效噪声功率（noise-equivalentpower,NEP）是接收机灵敏度的另一种量度，其定义为：使系统信噪比为1的相对接收光功率值。考虑受限于热噪声的PIN检测器•Pmin即为最小可检测功率•等效噪声功率是最小可检测光功率除以系统带宽的平方根所得的归一化值。在受限于热噪声的情况下，考虑暗电流的情况下计算具有内部增益的检测器的NEP•假设接收功率很小•检测器的响应度为p=Mηehf,分别有暗电流产生的放大的散弹噪声和热噪声•在小负载电阻和低检测增益条件下，热噪声占主导地位。尽管小的负载电阻产生的输出电压较低，但是在高频系统中需要用减小负载电阻的方法来获得所需的大带宽。•在高频工作时热噪声将主导等效噪声功率的值，暗电流相对而言并不重要。2.模拟调制信躁比•正弦调制情况下，人射到光检测器上的光功率可以写成•在内部放大之前，功率P，产生的光电流为•第二项是所需信息信号。经过放大，信号电流增加到•对于100%的调制，m=I，此时信噪比最大。由于信噪比随调制因子的平方变化，因此尽可能增大m可以提高模拟信号的接收质量。然而当m增加时，光源将工作在其功率－电流特性的一段很宽的范围中。光功率－电流特性曲线的非线性（会导致信号失真）会限制可用的工作范围，反过来又会限制允许的调制因子的最大值。误码率•所谓误码率（biterrorrate,BER）就是检测错误所占的比例，也是数字系统质量的一个量度•在模拟系统中，发送的波形是非常重要的。即使是很小量的噪声也会在某种程度上使波形劣化。•对于大多数应用，l0e-9的误码率是能够满足需要的。•主要介绍数字信号检测中的错误受限于热噪声的误码率•如果阔值设定为0.5is，则可以得到系统误码率为•erf是误差函数（errorfunction），这是一个众所周知的函数，其数值已经制成表•图11.11•我们曾求得了两种热噪声受限系统的信噪比，分别为10.8dB和22.8dB。•根据式（11.29）直接计算，或从图11.ll中可以得到相应的误码率分别为4.2×10e-2和2.6×10e-12。散弹噪声极限误码率•在接收0码时，有时在单个比特间隙内暗电流包含足够的电子从而超过阔值，这时将发生误码。在检测器制造商的说明书中，暗电流是指平均值。瞬时暗电流在这个值周围随机变化。对于某一很短的瞬间，有可能达到相对较大的值。•从平均意义上讲，流经检测器电路的电流是恒定的。然而，瞬时电流却在此均值上下随机涨落，这是因为电荷载流子的随机产生和复合效应（即信号的散弹噪声）。在任何一个比特间隙内，产生的电子数小于阔值的情况有一个固定的概率。图中的间隙E是一个例子，由于在这个比特间隙内电流较小而发生误码。•错误概率取决于接收到l码时在比特间隙τ的时间内由信号产生的光电子平均数。用入射光功率表示ns则为•误码率同时还取决于由暗电流产生的平均电子数，即•当l码和0码等概率出现时，使Pe最小的阈值为•将实际阔值设置为一个电子（k0=1）。由于事实上没有暗电流，当系统发送0码时检测电子数始终为零，因此没有误码发生。如果检测到一个或更多的电子，则将认为是1码的到达。在这种情况下．发生误码的唯一原因是，输入光子流在一个特定的比特间隙内可能没有产生任何光电子。当人射光功率恒定时可以计算每比特的平均光子数。•然而，在任何一个比特间隙内实际到达的数目都在这个均值上下随机波动。均值较低时（也就是说，每比特只有几个光子），完全有可能在一些比特间隙内没有光子人射到检测器上。另外，检测器的量子效率也只是一个平均值。例如，如果η＝0.80，则有80%的光子可以产生电子。换句话说，也就是一个光子产生一个自由电子的概率为80%。有时候，可能有几个输入光子在比特间隙内根本不产生任何电子•在接收l码时，如果信号和噪声电流相加的总电流所对应的电子数没有超过阔值，则会发生误码。在噪声电流足够大并且在单个比特间隙的大部分时间里，与信号电流反相相加时有可能发生这种情况。这时，总电流会低于阔值。即使没有暗电流，也可能发生这种类型的误码模式噪声•模式噪声发生在多模光纤中的光功率随机变化•外面环境的变化引起波长的变化从来改变模式分布，理想系统下，模式的总功率是不变的。但实际系统中，损耗与模式相关。•将模式噪声降到最小，在理论上很简单。可以使用单模光纤，或使用低损耗的连接器，或使用低相干性的光源。使用单模光纤和低损耗连接器都会增加系统的成本，而使用低相干性光师、会增加材料色散导致的散脉冲展宽（见3.2节），从而降低光纤的数据传输能力模分配噪声•由于激光腔体中的多谐特性，典型半导体激光器发出的光谱是多模的，总的激光发射功率是不同纵模的功率之和。•由于色散的缘故，在接收端单个模式相互之间会有延迟。沿脉冲每点上的总功率是各模式的功率总和。因为单个模式的功率是随机变化的，所以在每个测试时刻上的总功率是不相同的，正如在其他时刻一样。也就是说，脉冲里有随机变化的成分（噪声）加到其均值上。这种噪声就是模分配噪声（mode-partitionnoise,mpn）。电放大器噪声•在理想条件下，信号功率和噪声功率都将因放大器的功率增益G而被同时放大•实际的放大器不仅放大噪声，而且本身还产生噪声，这就降低了信噪比。等效系统噪声温度。实际的总的热噪声，看起来好像是来自于工作在温度Te下的电阻放大器的噪声系数F•Ts是某个参考温度•放大器的输出信号功率是输入功率的G（增益）倍，而输出的噪声功率是由式（11.39)以输入热噪声功率的形式给出的。由此，也可以获得式（11.40）的结果。重写上面的方程式，可得•从中可以得到这样的概念：对受限于热噪声的系统，噪声系数是放大器输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值。•通过设计低噪声系数的放大器，可以尽量减小放大器噪声的影响。对于散弹噪声受限系统，如果散弹噪声远大于热噪声（对热噪声功率的计算已经包含了放大器的噪声温度），则放大器噪声的影响也可以降低到最小。光放大器噪声•相邻的放大器之间存在信号功率损耗，由传输损耗因子αk给定。它会引起中继器之间的信噪比降低。级联放大器链的总噪声系数为激光器噪声•激光器噪声是附加在激光器输出光束上的随机涨落，即使驱动电流保持恒定，也会发生这种不希望有的涨落•如果激光器受到调制，而且调制频率接近其谐振频率（通常为几GHz),则激光器噪声将达到峰值•相对强度噪声（relative-intensitynoise，RIN）是描述激光器噪声大小的参量。