Энергетические процессы в волоконно-оптических системах передачи - Дипломная работа
В этой главе исследуются основные источники шума и приводятся расчеты мощности шума. После этого может быть рассчитано качество сигнала, определяемое отношением сигнал/шум (ОСШ).
4.1 Шум электронного усилителя
Электронный усилитель, обычно следующий за фотоприемником, усиливает сигнал до необходимого уровня. В идеальном случае мощность и сигнала и шума усиливается в коэффициент усиления раз по мощности Kр. При этом отношение сигнал/шум на выходе усилителя равнялось бы таковому на входе. К сожалению, реальные усилители не только усиливают входной шум, но также вносят собственный. Это уменьшает значение ОСШ на выходе усилителя.
Обозначим вносимый усилителем шум через Рвых, Вт. Если необходимо учесть эту мощность при расчете ОСШ, то можно поступить так. Усилитель считать идеальным (без шумов), а источник теплового шума включить на его вход, считая, что он создает шум мощностью Рвх = Рвых/Kр, Вт. Чтобы учесть эту мощность введем понятие температуры шума усилителя Ту Получаем:
. (4.1)
Объединение шума усилителя, пересчитанного на вход, с тепловым шумом резистора нагрузки детектора дает эквивалентную входную мощность теплового шума
(4.2)
где T – температура резистора и
Tэ = T + Tу (4.3)
является эквивалентной температурой шума системы “детектор + усилитель”. Фактический тепловой шум здесь учитывается резистором R, работающим при температуре Tэ.
Теперь можно рассчитывать значение отношения сигнал/шум (используя все предварительно полученные соотношения) просто заменяя фактическую температуру системы T на эквивалентную температуру шума системы Tэ. Другими словами, принимаем, что сам усилитель идеален и считаем, что вносимый им шум увеличивает кажущуюся температуру резистора нагрузки.
Пример 1
Ширина полосы пропускания равна 10 MГц. Детектируемая мощность сигнала была 2×10-12 Вт и мощность теплового шума – 1,66×10-13 Вт при 300°K. Предположим, что на выходе фотоприемника включен усилитель с коэффициентом усиления по мощности 10 дБ и температурой шума 454°K. Рассчитайте значение ОСШ на выходе усилителя.
Решение
Шум, приведенный к входным клеммам усилителя, определяем с помощью соотношения (4.5) при Tэ = T + Tу = 754°K: 
Затем находим С/Ш = 2×10-12/4,2×10-13 = 4,8 (6,8 дБ). Так как шум усилителя был включен в Tэ, то это и есть отношение сигнал/шум на выходе. Коэффициент усиления (10 дБ) увеличивает и мощность сигнала и приведенную ко входу мощность теплового шума усилителя в коэффициент усиления (10 раз). Шум усилителя снижает значение ОСШ с 10,8 дБ до 6,8 дБ.
Часто шум усилителя оценивают не с помощью температуры шума Ту, а посредством коэффициента шума Kш, равного
, (4.4)
где T0 – некоторая относительная (опорная) температура. В большинстве случаев в качестве опорной, используется комнатная температура 290°K. Поскольку значение Ту не зависит от выбора опорной температуры, значение коэффициента шума также от него не зависит. Смысл коэффициента шума может быть легко понят. Эквивалентная температура шума системы
, (4.5)
где исключена температура Ту при подстановке соотношения (4.2). Предположим, что выбрана опорная температура, равная температуре системы (T0 = T). При этом Tэ = KшТ и результирующая выходная мощность шума становятся
. (4.6)
Решая его относительно коэффициента шума, получаем
, (4. 7)
где 
– мощность теплового шума резистора нагрузки. Этот результат позволяет находить значение коэффициента шума как частное от деления мощности теплового шума на выходе на произведение коэффициента усиления по мощности и мощности теплового шума на входе. Чтобы использовать эту формулировку значение Kр должно измеряться (или рассчитываться) при температуре резистора нагрузки. Для идеального усилителя 
и коэффициент шума равен единице. Реально все усилители вносят шум, что делает 
> 
и Kш > 1.
Пример 2
Рассчитайте коэффициент шума усилителя с параметрами предыдущего примера.
Решение
Допустим, что нам необходимо определить значение Kш для реальной температуры системы 300°K. Из соотношения (4.4) находим Kш = l + 454/300 = = 2,51. Коэффициент шума часто выражают в децибелах. В этом примере Kш = 10 lg 2,51 = 4 дБ.
Сравнение двух последних примеров показывает, что усилитель, имеющий коэффициент шума 4 дБ, уменьшает значение ОСШ на такую же величину. Фактически, для системы, ограниченной тепловым шумом, ОСШ (в децибелах) всегда будет уменьшаться на коэффициент шума усилителя (выраженного в децибелах), если коэффициент шума рассчитан для реальной температуры системы. Соответствующая формула имеет вид
. (4.8)
Этот результат может быть получен с учетом того, что мощность сигнала на выходе усилителя в Kр раз больше мощности сигнала на входе и мощность шума на выходе, в терминах мощности теплового шума на входе, определяется из соотношения (4.7). Учет этих фактов дает выражение
. (4.9)
Таким образом, для системы, ограниченной тепловым шумом, коэффициент шума равен частному от деления значений отношения сигнал/шум на входе усилителя.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19