Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [ 114 ] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

Y» Нешумящий антийный - элемент

<D-Г>

Рис. 14.2. Обобщенная шумовая эквивалентная схема активного электронного элемента

туации накладываются на любые сигналы, проходящие через цепь, и, таким образом, маскируют их. Следует различать шумы и радиопомехи, под которыми понимают те нежелательные сигналы, которые попадают в схему от внешних источников или от других частей системы и чье воздействие всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и надлежащей экранировкой элементов, подверженных влиянию помех.

Как уже было показано в гл. 12 и 13, электрический сигнал содержит в себе дробовый шум, поскольку он порождается в результате случайного квантового процесса детектирования оптического сигнала в фотодиоде. В случае фотодиода без умножения средний квадрат флуктуации тока относительно своего среднего значения / будет равен 2eIAf, где Af - 1юлоса частот, в пределах которой наблюдаются флуктуации. То обстоятельство, что .здесь, как и в других источниках шума, средний квадрат флуктуации тока растет прямо пропорционально ширине полосы частот Af, делает удобным характери.зовать источники шума значением среднего квадрата амплитуды на единицу полосы частот. Обычно эту величину называют спектральной плотностью шума и обозначают знаком * (звездочка). Таким образом, как это было показано в§ 13.4, спектральная плотность дробового шума p-i-n-фотодиода

(/I,.,f 2el (14.2.1)

а при использовании ЛФД из-за лавинного умножения

(/*.ш)* 2еМР7. (14.2.2)

Если спектральная плотность шума не зависит от частоты, как в рассматриваемом случае, говорят, что шум белый.

Всякий рассеивающий энергию элемент системы вносит шум. Таким образом, любое сопротивление в электронной цепи приводит к появлению теплового шума (шума Джонсона), обусловленного случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение носителей заряда можно наблюдать в виде флуктуации тока в резисторе или соответствующих ему флуктуации напряжения на его выводах. Средний квадрат спектральной плотности флуктуации напряжения и тока на резисторе с сопротивлением R



{V*r.n.f-4kTR (14.2.3)

(/т*.ш1 4fer ?, (14.2.4)

где k - постоянная Больцмана, а Т-температура резистора: Вывод приведенных выражений можно найти во многих учебниках, например 114.1 -14.31. Очевидно, что тепловой шум - это белый шум.

Усилительные электронные приборы, такие как транзистор, имеют много источников шума, более сложных по своей природе. Уровень шумов транзистора зависит от его материала и конструкции, а также от характера смещения р-я-перехода. Несмотря на это, шумовые характеристики любого транзистора независимо от специфических условий смещения могут быть представлены в виде, показанном па рис. 14.2. Здесь транзистор представлен в виде нешумящего эле.мента (он изображен на рисунке в виде нешумящего усилителя), обладающего такой же характеристикой передачи, что и транзистор. Все источники шума представлены в виде генераторов шумового напряжения Vy (/) и генераторов шумового тока /у (/), подключенных ко входу усилителя.

В полевом транзисторе главным является тепловой шум, обусловленный сопротивлением канала. Это приводит к тому, что выражение (4fer/gm) становится основной компонентой величины (Vy), где<7т - крутизна входной характеристики транзистора, а постоянная t, принимает значение 0,7 для кремниевых полевых транзисторов и 1,1 - для транзисторов на арсениде галлия. Основной вклад в шумы биполярных плоскостных транзисторов вносит дробовый шум, связанный с токами смещения базы /q, и коллектора соответственно. Первый из них вносит в величину (/у) слагаемое {2£l), а второй в величину (Vyf - слагаемое {2 (kT)leIk} ~ {2 (kTf/eiJi}. Здесь р ~ коэффициент усиления транзистора по току. Всегда желательно сделать значение Р как можно большим, однако имеется оптимальное значение тока смещения, которое зависит также от требуемой полосы пропускания.

Если каждый из источников шума является независимым от дру гих и некоррелировап с ними, то результирующий шум может быть представлен в виде суммы значений средних квадратов каждого из этих источников. В дальнейшем будем предполагать независимость и некоррелированность шумов отдельных источников.

14.3. СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

В §§ 14.4 и 14.5 найдем отношение сигнал-шум на выходе линейной части усилителя оптического приемника для двух разновидностей схем усилителя. Будем полагать, что в обоих случаях усилитель состоит из нескольких каскадов. Однако если первый каскад обеспечивает достаточно высокое усиление, то шумы, вносимые последующими каскадами, приведут лишь к незначительному увеличению общего уровня шума на выходе. Для каждого из усилителей рассматривается возможность использования трех типов транзисторов, а именно:



а) кремниевого полевого плоскостного;

б) кремниевого биполярного плоскостного;

в) полевого канального на арсениде галлия.

В качестве фотодетектора выбран лавинный фотодиод с коэффициентом усиления М и коэффициентом шума F. Полученные результаты могут быть применены к фотбдетекторам на p-i-n- фотодиоде, если принять М = \ к F = 1. Входной сигнал выбран в виде преобразования Фурье Фfi (/) промодулированного по мощности оптического сигнала

(i), падающего на фотодиод. Он вызывает на выходе детектора ток, который в соответствии с (12.1.2) можно представить в таком виде:

Ml (f) - - м~/гФ {ПМц-~Ф (Г). (14.3.1)

Разумеется нет никаких причин полагать , что принимаемый промо-дулированный по мощности оптический сигнал полностью отображает передаваемый сигнал. В самом деле, если дисперсия в волокне значительна, то будут наблюдаться искажения сигнала. Аналогично этому влияет зависимость квантовой эффективности и коэффициента умножения фотодетектора от частоты. Как было показано выше, квантовая эффективность и коэффициент умножения уменьшаются на высоких частотах. Следовательно, следует допустить, что г\к М являются функциями частоты, т. е. л (/) и Л1 (/). Устранить влияние всех перечисленных факторов, а также уменьшить эффективность модуляции источника излучения с ростом частоты можно путем соответствующего повышения коэффициента усиления усилителя на высоких частотах. Однако будем полагать, что диапазон используемых модулирующих частот лежит в области, где характеристики источника излучения, оптического волокна и фотодетектора не зависят от частоты. Таким образом, будем иметь дело с передаточной функцией усилителя, связывающей напряжение на его выходе Квых if) с током фотодетектора М/(/), и будем полагать, что она равномерна в полосе частот А/.

При прямом методе модуляции ширина полосы А/должна перекрывать ширину спектра модулирующего сигнала. Когда же используется ЧМ-поднесущая, полоса А/должна быть шире спектра ЧМ-сигнала. Как будет показано в гл. 15, в случае ИКМ ширина полосы частот должна простираться, по крайней мере, от нуля до половины скорости передачи информации, т. е.

А/ - В/2. (14.3.2)

Будем также полагать, что требуемая полоса А/ формируется отдельным фильтром, нормированная передаточная функция которого постоянна в полосе пропускания и имеет бесконечно крутые скаты на частоте среза. Такой фильтр идеален и физически нереализуем. В действительности амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра имеет плавные спады на границах полосы пропускания и, чтобы учесть их влияние, достаточно немного скорректировать найденное отношение сигнал-шум. Эти коэффициенты коррекции были вычислены в 114.4] и [14.5].



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [ 114 ] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.001