Энергетические процессы в волоконно-оптических системах передачи - Дипломная работа
Для систем не ограниченных тепловым шумом влияние шума усилителя на значение ОСШ должно рассчитываться индивидуально.
Влияние шума может быть минимизировано путем разработки усилителей с малыми значениями коэффициента шума. В системах ограниченных дробовым шумом, шум усилителя оказывает малое влияние, если дробовой шум остается большим, чем тепловой (при условии, что температура шума усилителя учтена при расчете мощности теплового шума).
В волоконных системах, ограниченных дробовым шумом, обычно необходимо использовать лавинные фотодиоды или гетеродинные приемные устройства, которые могут рассматриваться как бесшумные усилители сигнала (если игнорировать избыточный шум лавины). Значение отношения сигнал/шум системы, содержащей несколько последовательно включенных усилителей, определяется, прежде всего шумовыми параметрами первого усилителя. Можно сделать заключение, что приемник излучения, имеющий большое усиление (на основе ЛФД или гетеродинный), обеспечит меньшее ухудшение сигнала вследствие первого электронного усилителя, чем приемник без усиления. Можно заключить, что первый усилитель (называемый предусилителем) в приемном устройстве с p–i–n- диодом наиболее критический блок, при определяющий ОСШ системы передачи.
4.2 Шум лазера
Шум лазера – это нежелательные случайные колебания уровня выходного излучении лазерного диода, которые происходят даже, когда ток накачки постоянен. Это явление сильно выражено у “плохих” лазеров, но присутствует (в разной мере) во всех. Шум лазера достигает максимума при модуляции диода на собственной резонансной частоте лазера (обычно несколько ГГц). По этой причине, шум лазера сильнее проявляется в высокочастотных линиях связи, чем в низкочастотных. Хорошо выполненные лазерные диоды вносят малые шумы в суммарный шум системы, работающей на частотах, значительно меньших резонансной частоты диода.
В некоторых лазерах шум достигает пика при пороге генерации. Когда ток накачки превышает порог, шум лазера остается постоянным, в то время как выходная мощность быстро растет. Таким образом, относительное уменьшение шума приводят к результирующему увеличению качества сигнала. Вклад шума минимизируют, подавая на диод ток значительно выше порогового (скажем, на 40 %).
С помощью параметра относительная интенсивность шума (relative intensity noise – RIN) оценивается количеством шума, создаваемого лазером. Введем этот параметр следующим способом. Лазер излучает среднюю мощность P. Выходная мощность лазерного диода подается на фотоприемник с токовым откликом ri соединенным с электронным усилителем, имеющем ширину полосы пропускания Df. Среднее значение продетектированного тока равно riР, а среднее значение квадрата шумового тока (например, шумовых)
, (4.10)
т. е. в RIN раз больше, чем средняя мощность продетектированного тока (riР)2.
Средняя мощность шума, создаваемая лазером, равна
. (4.11)
Объединение этих последних двух соотношений дает выражение для RIN,
., 1/Гц. (4.12)
т.е. относительная интенсивность шума нормируется к средней мощности шума и ширине полосы пропускания. Часто RIN выражают в логарифмических единицах
(4.13)
Учесть влияние лазерного шума можно путем введения еще одного члена, описывающего в ранее полученных отношениях ток шума лазера, соотношение при этом превращается в
. (4.14)
где вместо члена he/hn в эту формулу подставлен токовый отклик детектора ri.
4.3 Математическая модель электро-электрического преобразователя (ЭЭП)
Сигнальный (см. рис.4.2) процессор (ЭЭП) характеризуется коэффициентом усиления мощности
Кр = Рэ вых(Вт)/Рэ вх(Вт), kр(дБ) = 10lgКр,
 |
Рисунок 4.2. – Функциональная схема ЭЭП.
где Рэ вх и Рэ вых – средние значения мощности электрического сигнала на входе и выходе соответственно. Если эти мощности выражены в единицах дБм, то kр(дБ) = рэ вых(дБм) – рэ вх(дБм). Обычно ЭЭП устанавливают за ОЭП для усиления электрического сигнала, поэтому всегда Кр > 1 (kр > 0 дБ). Если он работает в режиме усиления фототоков, то коэффициент передачи по току
Кi = Iвых(А)/Iвх(А), ki(дБ) = 20lgКi,
где Iвх и Iвых – сила тока сигнала на входе и выходе ЭЭП соответственно. Справедливо соотношение
kр(дБ) = 2ki(дБ) + 10lg(Rн/Rи).
Очевидно, что значение kр(дБ) растет с увеличением Rн/Rи. Используем полученные формулы для анализа типовых оптоэлектронных цепей.
Выводы
Принимаемым оптическим сигналам всегда сопутствуют случайные флуктуации вследствие наличия дробового шума. Тепловой шум, связанный с сопротивлением нагрузки детектора, и шум (дробовый и тепловой), создаваемый усилителями, добавляется к дробовым шумам вследствие сигнала. Проблема шумов может быть преодолена простым методом – увеличением уровня сигнала на приеме. Это может быть выполнено для коротких линий связи “из точки в точку”. Когда сигнал передается на большое расстояние или распределяется между отдельными терминалами, вносимые потери снижают уровень сигналов до значения, при котором шум должен учитываться.
Общепринятыми критериями качества сигнала являются отношение сигнал/шум и вероятность ошибки. С помощью числовых примеров в этой главе показано, что сигнал имеет приемлемое качество даже при малой принимаемой оптической мощности. Обобщим эти результаты, чтобы почувствовать требуемые уровни мощности и допустимые потери в линии.
Большинство систем, ограниченных тепловым шумом, удовлетворительно работают, когда уровень принимаемой оптической мощности составляет примерно 1 мкВт (–30 дБм). Аналогичные системы, ограниченные дробовым шумом, функционируют при мощности порядка 1 нВт (–60 дБм). Если мощность источника равна 10 мВт (10 дБм), то суммарные потери в линейном тракте могут достигать 40 дБ [10 – (–30)] для системы ограниченной тепловым шумом и 70 дБ [10 – (–60)] – в системе ограниченной дробовым шумом. Необходимо подчеркнуть, что режим, соответствующий идеальной ограниченной дробовым шумом системе, затруднительно обеспечить на практике. Например, системы с ЛФД обеспечивают ОСШ примерно на 10 дБ хуже, чем идеальный квантовый приемник. Даже в этом случае, приемное устройство с ЛФД все еще будет на 20 дБ (или более) чувствительнее, чем приемное устройство, ограниченное тепловым шумом.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19