光链路载噪比指标原始计算公式的简化计算式

光链路载噪比指标原始计算公式的简化计算式林挺逵 浙江省台州市路桥区乡镇广电站退休职工本文介绍光链路C/N指标原始计算公式的简化算式，随后举例说明采用简化算式和“K法”计算光链路C/N指标的具体方法，仅仅是作为范例供读者参考。读者在工作中如果遇到需要分析某种情况下光链路C/N指标时候，可以参照这些例题介绍的方法进行分析计算。光链路由光发射机、光缆、光接收机和其他附属设备构成。在正常的接收光功率下，光接收机中的光接收组件工作在小信号状态，它对整个光链路失真指标的贡献很少，因此，光链路的失真指标CTB和CSO主要由光发射机决定；而光链路载噪比C/N指标则是由光发射机和光接收机共同决定的。所以，光发射机和光接收机的质量指标是不能够单独测量的，必须将两者组成光链路以后才能测量，测出来的不是两者的单独指标，而是整个光链路的质量指标；在实际使用时,光发射机和光接收机必须连在一起构成光链路，不可能单独使用。所以，生产厂家通常用整个光链路的指标来分别标示光发射机或者光接收机的指标，把光发射机的指标标示成C/N51dB,CTB65dB，把光接收机的指标也标示成C/N51dB,CTB65dB，这两个数值实际上都是整个光链路的指标值，我们在做网络设计时，光链路的指标可以直接取用任何一个数值（即C/N51dB,CTB65dB）。不可再来一次两者相累加，否则就要出错（C/N偏低3dB，CTB偏低6dB）。因此在一般情况下我们很难知道、也没有必要知道单独光发射机的指标或者单独光接收机的指标，只需知道光链路的指标就行了；在设计、分析和评议光链路指标的时候，也要针对整个光链路，通常不能够说（或要求）光发射机的某某指标是多少、光接收机的某某指标又是多少。由于光链路的失真指标CTB和CSO事实上只取决于光发射机，当光发射机选定以后就取决于光调制度，光调制度又取决于光发射机的输入电平和系统内的频道数目。由于当前必须实行系统满载设计，通常不再需要计算系统内不同频道数目时的失真指标，加上降低光接收机接收光功率时基本上不影响光链路的失真指标，因此对光链路失真指标的研究和讨论主要就集中在光发射机的输入电平问题上。而对于光链路的C/N指标，需要研究和讨论的问题很多，因此很有必要了解光链路C/N指标的原始计算方法和计算公式，并设法简化这些算式，以方便实际运用。1. 光链路载噪比指标简化计算式的推导光链路中的噪声主要是由光发射机和光接收机共同形成的，其中最主要的有三方面：光发射机中激光发射二极管产生的相对强度噪声，光接收机中光电接收检测二极管产生的量子噪声，光接收模块内部前置电放大器噪声。因此当前书刊上介绍的计算光链路载噪比原始数据的方法是先分别计算光发射机中激光发射二极管的相对强度噪声载噪比（C/N）光发、光接收机中光电接收检测二极管的量子噪声载噪比（C/N）量子、光接收模块内部前置电放大器的载噪比（C/N）前放,，然后将三者累加得出光链路载噪比（C/N）光链，这是一种最常见的计算方法。本文就试用这种方法试算光链路载噪比指标，并得出简化算式。模拟调幅电视的光发射机采用直接调制1310nm DFB（分布反馈）激光器时，光链路载噪比的三个主要方面可分别用以下三个算式计算:光发射机中激光发射二极管产生的相对强度噪声（RIN）造成的载噪比（C/N）光发，其倍数比（C/N）光发倍数为： （C/N）光发倍数=m2 / （2 B RIN）光接收机中光电接收检测二极管产生的量子噪声造成的载噪比（C/N）量子,其倍数比（C/N）量子倍数为：（C/N）量子倍数=（m2 S Pi）/（4 B e）光接收模块内部前置电放大器噪声造成的载噪比（C/N）前放,其倍数比（C/N）前放倍数为：（C/N）前放倍数=（m2 S2 Pi2 RL）/（8 k T B NF）以上算式中：m 单频道光调制度，通常在0.030.05之间，取0.045；RIN 相对强度噪声，在-150-160 dB/Hz之间，取-155dB/Hz；S 光接收管1310nm光-电流转换响应度，取0.85A/W;RL 光接收管负载电阻，1000左右，现取1000；NF 光接收模块内前置放大器噪声系数，通常为310.5dB，根据实际数值取用；B 图像噪声频带宽度，我国的PAL制式为5.75106Hz；e 电子电荷量，1.610-19 C；k 玻尔兹曼常数，1.3810-23 J/K；T 前置放大器输入端口的绝对温度，0时为273K，现取300K；Pi 光接收机输入光功率，单位取W，算式中写作（mW10-3）W。将相对强度噪声RIN载噪比的倍数比(C/N)光发倍数取对数求分贝比，代入以上数据值以后即可得到（C/N）光发： （C/N）光发=10lg m2 /（ 2 B RIN）=20lgm10lg210lgB-RINdB=57.5 （dB）（G1）（G1）式说明，在光调制度m=0.045时，光发射机相对强度噪声RIN载噪比（C/N）光发是常数57.5dB，不会随着光接收机输入光功率的变化而改变。将光接收检测二极管量子噪声载噪比的倍数比（C/N）量子倍数 取对数求出分贝比，代入以上数据值以后即可得到（C/N）量子： （C/N）量子=10lg （m2 S Pi）/（4 B e）=20lgm+10lg S+10lgPi10lg410lgB10lge=56.8+PidBm （dB）（G2）（G2）式说明，输入光功率Pi提高1dBm，量子噪声载噪比（C/N）量子提高1dB。将光接收模块内前置放大器载噪比的倍数比（C/N）前放倍数取对数求出分贝比，代入以上数据值以后即可得到（C/N）前放：（C/N）前放=10lg （m2 S2 Pi2 RL）/（8 k T B NF） =20lgm+20lgS+20lgPi+10lgRL-10lg810lgk10lgT10lgB-NF dB =68.9+2 PidBmNF dB （dB）（G3）（G3）式说明，输入光功率Pi提高1dBm，光接收模块内之前置放大器载噪比（C/N）前放提高2dB；前置放大器噪声系数NF降低1dB，前置放大器载噪比（C/N）前放提高1dB。需要特别指出的是，前面所说的“前置放大器”，是指紧接在光检测二极管后的放大器，对于普通的光接收模块（即光电一体化模块），“前置放大器”和光检测二极管一起封装在模块的内部，是看不见的。我们通常在光接收机中看到的1至2个放大模块，不是“前置放大器”，也不属于光链路，实际上是电缆网络的第一级放大器，对它的质量指标应当单独进行分析、设计、计算。 算式（G1）、（G2）、（G3），是光发射机单频道光调制度m=0.045时（一般情况下，光发射机的输入电平按厂家标称值设置时，光调制度m值即为此数），光链路载噪比指标原始计算公式的简化计算式，以后就把它们称之为“光链路C/N指标三算式”：（C/N）光发=57.5 （dB） （G1）（C/N）量子=56.8+PidBm （dB）（G2）（C/N）前放=68.9+2 PidBmNF dB （dB）（G3）利用这组算式，可以很方便地计算出光接收机配置某品牌光接收模块、接收光功率为多少dB时光链路的C/N指标值。现试算一例： 从常用光接收模块参数表从中可知，PHILIPS公司的硅材料的BGO847光接收模块之前置放大器噪声系数NF是8.0dB，试求接收光功率Pi从0-10 dBm时光链路的C/N指标，将计算结果填入表1中。由于在光调制度m=0.045时，根据表（G1），光发射机相对强度噪声RIN载噪比（C/N）光发是常数57.5dB，不会随着光接收机输入光功率的变化而改变，因此表1的第1行“（C/N）光发”各单元格中全部填上“57.5”。将Pi=0 dBm代入算式（G2）：（C/N）量子=56.8+PidBm =56.8+0=56.8 （dB）由于接收光功率每下降1dB，“（C/N）量子”也下降1dB，因此“-1dBm” 接收光功率单元格中填入“55.8”；“-2dBm” 接收光功率单元格中填入“54.8”；其余类推。将Pi=0 dBm，NF dB=8 dB代入算式（G3）：（C/N）前放=68.9+2PidBmNF dB=68.9+0-8.0=60.9 （dB）由于接收光功率每下降1dB，“（C/N）前放”下降2dB，因此“-1dBm” 接收光功率单元格中填入“58.9”；“-2dBm” 接收光功率单元格中填入“56.9”；其余类推。现在，将、和累加计算出光链路C/N指标的理论值 (C/N)光链：在“0dBm”接收光功率时，（C/N）光发=57.5dB（KC/N光发=0.047），(C/N)量子=56.8dB（KC/N量子=0.0525），（C/N）前放=60.9dB（KC/N前放=0.0204）。那么，此时光链路C/N指标的占用系数KC/N光链为以上三者的总和：KC/N光链=KC/N光发+ KC/N量子+ KC/N前放=0.0447+0.0525+0.0204=0.1176查KC/N表得，（C/N）光链=53.3（dB），将此数值填入表1第4行“（C/N）光链”之“0 dBm”接收光功率的单元格内。第4行“（C/N）光链”之其他接收光功率单元格的数值，都用同样方法算出、填入。 表1 用BGO847（硅）光接收模块时光链路的载噪比 (单位：dB)接收光功率dBm序号0-1-2-3-4-5-6-7-10(C/N)光发157.557.557.557.557.557.557.557.557.5(C/N)量子256.855.854.853.852.851.850.849.846.8(C/N)前放360.958.956.954.952.950.948.946.940.9(C/N)光链453.352.551.550.449.147.846.444.939.8(C/N)实用552.351.550.549.448.146.845.443.938.8注：BGO847光接收模块1310nm响应度S为0.85A/W（响应度S为800V/W）,内部配用的硅材料前置放大器的噪声系数为8.0dB.GY/T 143-2000附件性能参数的说明3.1.3中说，“当接收光功率为-1dBm时，如果光损耗是由无源器件产生，则链路的载噪比为52dB；如果光损耗是由10km光纤加无源器件产生，则链路的载噪比为51.5dB；如果光损耗是由20km光纤加无源器件产生，则链路的载噪比为50.5dB”。这是由于光信号在光纤中传输时会损伤载噪比指标，由于本文在前面计算时都没有考虑这一因素，因此在两表第4行的数值上再减去1dB，作为实际应用的光链路指标值“（C/N