《光纤通信》课后习题答案

光检测器的噪声功率表示为

22?散粒?4eGmFA(Gm)RPRBe

其中FA(Gm)是APD的散粒噪声系数，下标A表示APD的意思，Gm是APD的倍增因子（系数），R是相应

度，PR是灵敏度，Be是接收机电带宽。

假设放大器的输入阻抗远大于负载电阻RL，所以放大器电路的热噪声远小于RL的热噪声，那么光检测器负载电阻的均方热噪声电流为

2?RE?4kBTFnBe RL其中Fn是放大器的噪声因子（系数），kB是波尔兹曼常数，T是温度。

222Gm放大器输入端的信号功率为ip，其中ip是信号功率，ip是用PIN检测到的信号电流。或把输入放

大器的信号功率表示为(GmRPR)2，其中PR是输入到PIN的功率。

得到放大器输入端的信噪比为

SNR?(GmRPR)24kT24eGmFA(Gm)RPRBe?BFnBeRL

x设APD的FA(Gm)?Gm，代入上式得到

(GmRPR)2 SNR?4kBT2x4eGmGmRPRBe?FnBeRL要使APD接收机的SNR最大，可以求出一个最佳的Gm值。通过信噪比对Gm求导，并使导数为零，解出Gm的最佳值为

Gopt?x?2?2kBTFn????xeRPR?RL?

7．证明：对于OOK直接检测接收机，其误码率公式为

?I?I?BER?Q?10?

??0??1?证明： “0”码被误判为“1”码和“1”码被误判为“0”码的几率一样，不妨就以“1”码被误判为“0”码为例来计算误码率。“1”码被误判为“0”码的概率为

?I?I?BER?P[01]?Q?1th?

??1?当“0”码被误判为“1”码和“1”码被误判为“0”码的几率一样时，阈值电流为

?I??1I0Ith?01

?0??1代入上式得到

?I?I?BER?Q?10?

??0??1?

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10．推导具有光放大器的光接收机的误码率BER?Q??GP?2(G?1)PBne???。 ??证明：当输入为“1”码时，有光输入，光检测器输出的光生电流（均值电流）与入射光功率成正比

I1?RGP 在接收机中，信号与噪声的差动噪声电流方差（“1”码时光生电流方差）为

?12?4R2GPPn?G?1?Be

2“0”码时的光生电流I0?0，“0”码时的光生电流方差为?0?0，代入

??I1?I0?GPBER?Q?? 得到BER?Q??2(G?1)PB??0??1?ne??? ??

习题七

1．商业级宽带接收机的等效电阻Req?75?。保持发送机和接收机的参数和图7.5的例子相同，在接收机光功率范围内0~－16dBm时计算总载噪比，并画出相应的曲线。类似于7.2.2节的推导，推出其载噪比的极限表达式。证明当Req?75?时，任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。

C0.5(mRGP)2?解：因为是PIN，所以G?1，由得到 NRIN(RP)2Beq?2e(IP?ID)G2?xBeq?4kTFtBeq/ReqC0.5(mRP)2? 2NRIN(RP)Beq?2e(IP?ID)Beq?4kTFtBeq/Req再由一次光生电流IP?RP，得到

C0.5(mRP)2? 2NRIN(RP)Beq?2eRPBeq?2eIDBeq?4kTFtBeq/Req其中P是光检测器接收到的平均光功率。

把参数e?1.6?10?19C，R?0.6A/W，RIN??143dB/Hz，Beq?10MHz，ID?10nA，

k?1.38?10?23J/K，T?290K，Req?75?，Ft?3dB代入上式，就得出C/N随P变化的关系曲线

方程。

当接收机的光功率较低时，系统的噪声主要是前置放大器电路的噪声，于是载噪比为

C0.5(mRP)2? N4kTFtBeq/Req把P?0dBm?1mW代入可以求出其值。

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对于设计较好的光电二极管，与中等强度的接收光信号的散弹（量子）噪声相比，体暗电流和表面暗电流产生的噪声很小。因此在中等强度接收光信号条件下，系统噪声主要是光电二极管的量子噪声，此时有：

C0.5(mRP)20.5(mRP)20.5(mRP)2m2RP???? N2e(IP?ID)Beq2eIPBeq2eRPBeq4eBeq把P?0dBm?1mW代入可以求出其值。

如果激光器的RIN值很高，反射噪声将超过其他噪声项，成为起主要作用的噪声因素，于是载噪比为

C0.5(mRP)2? NRIN(RP)2Beq把P?0dBm?1mW代入可以求出其值。

当Req?75?时，热噪声为4kTFtBeq/Req；量子噪声为2eRPBeq。把把P?0dBm?1mW代入，得到

4kTFtBeq/Req?2eRPBeq。即任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因

素。

2．假设我们想要频分复用60路FM信号，如果其中30路信号的每一个信道的调制指数mi?3%，而另外30路信号的每一个信道的调制指数mi?4%，试求出激光器的光调制指数。

?N2?1/2解：由m???mi?得到m??30?0.03?40?0.03?。

?i?1?

3．假设一个SCM系统有120个信道，每个信道的调制指数为2.3%；链路包括一根损耗为1dB/km的12km长的单模光纤，每端有一个损耗为0.5dB的连接器；激光光源耦合进光纤的功率为2mW，光源的RIN=-135dB/Hz；PIN光电二极管接收机的响应度为0.6A/W，B=5GHz，ID=10nA，Req=50Ω,Ft=3dB。试求本系统的载噪比。

1/2?N2?1/2解：由m???mi?得到m??120?0.023?。

?i?1?激光耦合进光纤的功率为P用dBm表示P光检测器接收到的功率为P，根据t?2mW，t?lg2(dBm)，

1/2?L?2?0.5?Pt?P，得到

P?Pt??L?2?0.5

其中损耗系数??1dB/km，长度L?120km，2?0.5为两个连接器的损耗。由于是PIN，所以载噪比为

C0.5(mRP)2? NRIN(RP)2Beq?2e(IP?ID)Beq?4kTFtBeq/Req把参数e?1.6?10

?19C，R?0.6A/W，RIN??143dB/Hz，Beq?5GHz，ID?10nA，

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k?1.38?10?23J/K，T?290K，Req?50?，Ft?3dB代入上式，就得出C/N的值。

4．如果将题3中的PIN光电二极管用一个M?10和F(M)?M0.7的InGaAs雪崩光电二极管替代，那么

系统载噪比又是多少？

解：用InGaAs雪崩光电二极管作为光检测器，那么系统载噪比为

C0.5(mRMP)2? NRIN(RP)2Beq?2e(IP?ID)M2F(M)Beq?4kTFtBeq/Req其中雪崩增益M?10，雪崩光电二极管过剩噪声系数F(M)?M0.7，其他参数不变，代入上式便得到系统

的载噪比。

5．假设一个有32个信道的FDM系统中每个信道的调制指数为4.4%，若RIN??135dB/Hz，PIN光电二极管接收机的响应度为0.6A/W，B?5GHz，ID?10nA，Req?50?，Ft?3dB。

（1）若接收光功率为?10dBm，试求这个链路的载噪比；

（2）若每个信道的调制指数增加到7%，接收光功率减少到?13dBm，试求这个链路的载噪比。

?N2?解：（1）由m???mi??i?1?1/233，参数e?1.6?10?19C，R?0.6A/W，得到m??32?0.0?1/2P=?10dBm，RIN??135dB/Hz，Beq?5GHz，ID?10nA，k?1.38?10?23J/K，T?290K，Req?50?，Ft?3dB代入上式，就得出C/N的值。，

C0.5(mRP)2? NRIN(RP)2Beq?2e(IP?ID)Beq?4kTFtBeq/Req（2）将上式的m??32?0.07?1/2，P=?13dBm，代入上式很容易就求出载噪比。

6．一直有一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：

（1）光纤通信系统的光纤损耗为0.1dB/km，有5个接头，平均每个接头损耗为0.2dB，光源的入纤功

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率为-3dBm，接收机灵敏度为-56dBm（BER=10）。

（2）光纤线路上的线路码型是5B6B，光纤的色散系数为2ps/（km.nm），光源光谱宽度为1.8nm。 求：最大中继距离是多少？

注：设计中选取色散（功率）代价为1dB，光连接器损耗为1dB（发送和接收端各一个），光纤富于度为0.1dB/km，设备富于度为5.5dB。

解：（1）把PS??3dBm，PR??56dBm，?c?1dB，?s?0.2dB，M?5.5dB，?f?0.1dB/km，

?m?0.1dB/km代入

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