Шуми у роботi приймачiв та детекторiв
Информация - Компьютеры, программирование
Другие материалы по предмету Компьютеры, программирование
Шуми у роботi приймачiв та детекторiв
1 Загальнi вiдомостi
В основi роботи детектора лежить генерацiя електричного струму у вiдповiдь на падаючi фотони. Вiд нього потрiбно уловлювання навiть дуже слабкого оптичного сигналу i вiдтворення помiтного електричного струму. Однак у дiйсностi електричний сигнал може бути достатньо слабким при рiвнi оптичноi потужностi вiд декiлькох десяткiв до декiлькох сотень нановатт. По цьому в приймачi вiдбуваСФться посилення електричного сигналу, отриманого вiд детектора, i можливо спотворення його форми.
Шум СФ непереборним ефектом, що серйозно обмежуСФ чутливiсть детектора. Шумом називаСФться будь-яке збурювання електричного чи оптичного характеру, вiдмiнне вiд корисного сигналу. Сигнал несе корисну iнформацiю, а шум мiстить випадковiсть. Хоча шум може бути присутнiм i СФ присутнiм у всiх частинах комунiкацiйноi системи, особливо важливий його рiвень на входi в прийомний пристрiй. Причина в тiм, що прийомний пристрiй працюСФ зi слабким сигналом, що втратив свою первiсну потужнiсть при передачi. По цьому слабкий у бiльшостi контурiв у порiвняннi iз сигналом шум стаСФ помiтним на тлi слабкого сигналу. Того ж рiвня шум у передавальному пристроi звичайно несуттСФвий, оскiльки тут рiвень сигналу набагато вище. Отже, шум впливаСФ на порiг чутливостi детекторiв. Занадто слабкий оптичний сигнал неможливо розрiзнити на тлi шуму, для цього необхiдно або зменшити рiвень шуму, або пiдсилити сигнал.
У процесi посилення в прийомному пристроi пiдсилюСФться не тiльки сигнал, але i шум. Деякi види шуму можна отфильтровать за допомогою електронних фiльтрiв. Зручно мати рiвень сигналу бiльш високий у порiвняннi з рiвнем шуму, а ще краще мати сильний сигнал i слабкий шум.
Деякi види шуму обумовленi самим фотодетектором. Уже згадувався шум, звязаний iз процесом мультиплексирования в APD, що порозумiваСФться статистичною природою самого процесу. До iнших видiв шумiв, також важливих для розумiння роботи фотодiодiв i волоконноi оптики, вiдносяться дробовий i тепловий шум.
2. Дробовий шум
Дробовий шум виникаСФ внаслiдок дискретноi природи електронiв. Електричний струм не СФ безупинним однорiдним потоком. Це потiк окремих дискретних електронiв. НагадаСФмо, що фотодiод працюСФ завдяки поглинанню фотонiв, що iнiцiюють появу електронно-дiркових пара, а тi, у свою чергу, струму в зовнiшньому контурi. Це триступiнчастий процес: фотон, електрон-дiрка, електрон. Падiння i поглинання кожного фотона i генерацiя пари носiiв СФ частинами випадкового процесу. Вiн протiкаСФ як серiя дискретних подiй, а не однорiдний потiк. Таким чином, у дiйсностi струм змiнуСФться у залежностi вiд того, наскiльки багато чи мало електронно-дiркових пар виникло в даний момент часу.
Дробовий шум присутнiй i тодi, коли свiтло не падаСФ на детектор. Навiть пiд час вiдсутностi свiтла малий дребезг струму генеруСФться за рахунок тепловi флуктуацiй, причому його рiвень збiльшуСФться приблизно на 10% при зростi температури на 1 градус. Типове значення шумового струму складаСФ 25 на при 25 градусах.
Дробовий шум визначаСФться виразом
де q заряд електрона ( кулон), i середня сила струму (включаючи фоновий струм i струм сигналу) i В-ширина частотноi смуги приймача. З рiвняння видно, що дробовий шум пiдсилюСФться при росту струму i ширини смуги. Дробовий шум мiнiмальний, коли СФ присутнiм тiльки фоновий струм (коли i=фоновому струму), i росте при виникненнi струму, порушуваного оптичним сигналом. Детектор з рiвнем фонового струму 2 нА, що працюСФ в частотнiй смузi 10 МГц, маСФ дробовий шум на рiвнi 80 пА:
3. Тепловий шум
Тепловий шум, чи шум Джонсона-Найквiста, виникаСФ завдяки флуктуацiям опору детектора. Електрони в просторi мiж електродами поводяться мiнливо. РЗхня теплова енергiя дозволяСФ iм випадковим образом змiщатися. У кожен момент часу сумарний потiк випадкового руху електронiв може бути спрямований до одного або до iншого електроду. У такий спосiб зявляСФться постiйно мiнливий випадковий струм. Вiн накладаСФться на корисний струм сигналу i змiнюСФ його. Тепловий струм задаСФться виразом
де k постiйна Больцмана ( Дж/К), Т абсолютна температура по шкалi Кельвiна, В-ширина частотноi смуги приймача i опiр навантаження. Розглянемо 510-омне навантаження, що працюСФ при абсолютнiй температурi 298 К.Припустимо ширину смуги в 10 МГц. Тепловий шум дорiвнюСФ
.
Тепловий i дробовий шум у приймачi виникають незалежно вiд оптичноi потужностi що надходить. Вони визначаються структурою матерii. Вони можуть бути зменшенi при полiпшеннi пристрою детектора, але позбутися вiд них цiлком неможливо. Сигнал оптичний, електричний, чи голосовий обовязково iснуСФ разом iз шумом. Пiсля прийому, на стадii наступнiй пiсля детектирування, вiдбуваСФться посилення сигналу разом iз шумом. Таким чином, сигнал повинний бути iстотно сильнiше шуму. Якщо амплiтуда сигналу дорiвнюСФ амплiтудi шуму, то це наслiдок неадекватного детектирування. При адекватному детектируваннi амплiтуда сигналу повинна мiнiмум у два рази перевершувати амплiтуду шуму.
4. Вiдношення сигнал/шум
Вiдношення сигнал/шум (SNR) загальноприйнятий спосiб вираження якостi сигналу в системi. Це просте вiдношення середньоi енергii сигналу до середньоi енергii шум?/p>