Таблица 3.2 Типовые параметры полупроводниковых фотодиодов

4 Моделирование электро-электрического преобразователя (ЭЭП).

Ряд физических явлений приводит к ухудшению сигналов при передаче по волоконной линии связи. Выше было рассмотрено, как происходит искажение формы сигнала в волокне и как это явление ограничивает информационную емкость и дальность связи. Показано, что уменьшение сигналов происходит вследствие затухания в волокне, в соединителях и из-за потерь в распределительных устройствах сети. Очевидно, что только определенное затухание может быть внесено трактом передачи прежде, чем мощность на приемной стороне станет слишком малой для точного обнаружения сигнала. С другой стороны, известно, что с помощью электронных усилителей всегда можно увеличить сигнал до требуемого уровня. Последнее предположение было бы верным, если бы не существовало помехи, называемой шумом. Шум ухудшает сигнал и всегда существует в электронных цепях. При усилении полезного сигнала неизбежно происходит усиление входного шума. К тому же сам усилитель вносит дополнительный шум в усиливаемый сигнал. По этой причине усиление не может увеличить отношение мощности сигнала к мощности шума. Как только мощность принимаемого сигнала уменьшается до уровня мощности шума, сигнал становится малым и неразличимым в шумах. Таким образом, ослабление сигнала в линейном тракте, в конечном счете, ограничивает дальность передачи по волоконной линии.

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