Шуми у роботі приймачів та детекторів

Шуми у роботі приймачів та детекторів

1 Загальні відомості

В основі роботи детектора лежить генерація електричного струму у відповідь на падаючі фотони. Від нього потрібно уловлювання навіть дуже слабкого оптичного сигналу і відтворення помітного електричного струму. Однак у дійсності електричний сигнал може бути достатньо слабким при рівні оптичної потужності від декількох десятків до декількох сотень нановатт. По цьому в приймачі відбувається посилення електричного сигналу, отриманого від детектора, і можливо спотворення його форми.

Шум є непереборним ефектом, що серйозно обмежує чутливість детектора. Шумом називається будь-яке збурювання електричного чи оптичного характеру, відмінне від корисного сигналу. Сигнал несе корисну інформацію, а шум містить випадковість. Хоча шум може бути присутнім і є присутнім у всіх частинах комунікаційної системи, особливо важливий його рівень на вході в прийомний пристрій. Причина в тім, що прийомний пристрій працює зі слабким сигналом, що втратив свою первісну потужність при передачі. По цьому слабкий у більшості контурів у порівнянні із сигналом шум стає помітним на тлі слабкого сигналу. Того ж рівня шум у передавальному пристрої звичайно несуттєвий, оскільки тут рівень сигналу набагато вище. Отже, шум впливає на поріг чутливості детекторів. Занадто слабкий оптичний сигнал неможливо розрізнити на тлі шуму, для цього необхідно або зменшити рівень шуму, або підсилити сигнал.

У процесі посилення в прийомному пристрої підсилюється не тільки сигнал, але і шум. Деякі види шуму можна отфильтровать за допомогою електронних фільтрів. Зручно мати рівень сигналу більш високий у порівнянні з рівнем шуму, а ще краще мати сильний сигнал і слабкий шум.

Деякі види шуму обумовлені самим фотодетектором. Уже згадувався шум, зв'язаний із процесом мультиплексирования в APD, що порозумівається статистичною природою самого процесу. До інших видів шумів, також важливих для розуміння роботи фотодіодів і волоконної оптики, відносяться дробовий і тепловий шум.

2. Дробовий шум

Дробовий шум виникає внаслідок дискретної природи електронів. Електричний струм не є безупинним однорідним потоком. Це потік окремих дискретних електронів. Нагадаємо, що фотодіод працює завдяки поглинанню фотонів, що ініціюють появу електронно-діркових пара, а ті, у свою чергу, – струму в зовнішньому контурі. Це триступінчастий процес: фотон, електрон-дірка, електрон. Падіння і поглинання кожного фотона і генерація пари носіїв є частинами випадкового процесу. Він протікає як серія дискретних подій, а не однорідний потік. Таким чином, у дійсності струм змінується у залежності від того, наскільки багато чи мало електронно-діркових пар виникло в даний момент часу.

Дробовий шум присутній і тоді, коли світло не падає на детектор. Навіть під час відсутності світла малий дребезг струму генерується за рахунок теплові флуктуацій, причому його рівень збільшується приблизно на 10% при зрості температури на 1 градус. Типове значення шумового струму складає 25 на при 25 градусах.

Дробовий шум визначається виразом

де q – заряд електрона ( кулон), i – середня сила струму (включаючи фоновий струм і струм сигналу) і В-ширина частотної смуги приймача. З рівняння видно, що дробовий шум підсилюється при росту струму і ширини смуги. Дробовий шум мінімальний, коли є присутнім тільки фоновий струм (коли i=фоновому струму), і росте при виникненні струму, порушуваного оптичним сигналом. Детектор з рівнем фонового струму 2 нА, що працює в частотній смузі 10 МГц, має дробовий шум на рівні 80 пА:

3. Тепловий шум

Тепловий шум, чи шум Джонсона-Найквіста, виникає завдяки флуктуаціям опору детектора. Електрони в просторі між електродами поводяться мінливо. Їхня теплова енергія дозволяє їм випадковим образом зміщатися. У кожен момент часу сумарний потік випадкового руху електронів може бути спрямований до одного або до іншого електроду. У такий спосіб з'являється постійно мінливий випадковий струм. Він накладається на корисний струм сигналу і змінює його. Тепловий струм задається виразом

де k – постійна Больцмана ( Дж/К), Т – абсолютна температура по шкалі Кельвіна, В-ширина частотної смуги приймача і – опір навантаження. Розглянемо 510-омне навантаження, що працює при абсолютній температурі 298 К. Припустимо ширину смуги в 10 МГц. Тепловий шум дорівнює

.

Тепловий і дробовий шум у приймачі виникають незалежно від оптичної потужності що надходить. Вони визначаються структурою матерії. Вони можуть бути зменшені при поліпшенні пристрою детектора, але позбутися від них цілком неможливо. Сигнал – оптичний, електричний, чи голосовий – обов'язково існує разом із шумом. Після прийому, на стадії наступній після детектирування, відбувається посилення сигналу разом із шумом. Таким чином, сигнал повинний бути істотно сильніше шуму. Якщо амплітуда сигналу дорівнює амплітуді шуму, то це наслідок неадекватного детектирування. При адекватному детектируванні амплітуда сигналу повинна мінімум у два рази перевершувати амплітуду шуму.

4. Відношення сигнал/шум

Відношення сигнал/шум (SNR) – загальноприйнятий спосіб вираження якості сигналу в системі. Це просте відношення середньої енергії сигналу до середньої енергії шумів різної природи.

У децибелах SNR дорівнює

Якщо сигнал має потужність 50 мкВт, а потужність шуму дорівнює 50 нВт, то

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать