Урядов В.Н. Волоконно-оптические системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

2( )

HPBDL

N qGIIIBR=++ (8.6)

где I

— средний темновой ток детектора;

— средний ток детектора, обусловленный присутствием фонового

излучения и связанный с мощностью фонового излучения Р

выражением

. (8.7)

Согласно формуле Джонсона (табл. 8.1) мощность тепловых шумов

равна

NkTB

(8.8)

На рис. 8.2 показаны спектры сигнала и шума в оптическом

приемнике прямого детектирования при произвольном спектре мощности

сигнала.

Рис 8.2. Спектры сигнала и шума в оптическом приёмном

устройстве прямого детектирования

Отношение сигнал/ шум. Общим критерием качества

(эффективности) в теории связи является отношение сигнал/шум

определяемое отношением средней мощности сигнала к средней мощности

Если перед детектором установлен поляризатор, выражения для P

приведенные в табл. 6.2,

уменьшаются в 2 раза. При этом несущая будет соответствующим образом поляризована.

шума в некотором сечении блок-схемы приемника (это отношение будем

обозначать S/N). Для систем оптической связи этот критерий является не

вполне удовлетворительным, так как шумы детектора зависят от мощности

несущей. Ранее рассмотрены случаи, когда высокое отношение

сигнал/шум в системе не гарантирует низкой вероятности ошибки при

приеме. Однако критерий отношения сигнал

/шум может быть весьма

полезным, если наложены ограничения на относительные мощности

излучения несущей и фона, поступающих в приемник.

Отношение сигнал/шум на входе детектора связного приемника

(фотодетектор для оптического приемника) является отношением

мощности несущей к шуму (т. е. это отношение сигнал/шум по несущей,

которое будем обозначать C/N). В системах

СВЧ диапазона шумы на входе

лервого детектора обычно складываются из тепловых шумов антенны и

предварительного усилителя. Оптические приемники имеют существенное

преимущество по сравнению с радиоприемниками, заключающееся в том,

что оптические антенны не вносят тепловых шумов; в этом случае C/N

сводится к отношению мощности оптического излучения Р

к мощности

фонового излучения Р

CN P P

Отношение

S/N может быть определено, как отношение средней

мощности сигнала [ф-ла (8.5)] к мощности дробового и теплового шума

[ф-лы (8.6 и 8.8)]. Таким образом, отношение сигнал/шум на выходе

приемника, выраженное через среднюю мощность несущей и мощность

фонового излучения, поступающего на вход фотодетектора, имеет вид

[]

cB DL

qB G P P I R kTB

⎡⎤

⎢⎥

⎣⎦

⎧⎫

++ +

⎨⎬

⎩⎭

. (8.9)

Если усиление фотодетектора равно единице, то тепловой шум обычно

много больше дробового и отношение сигнал/шум равно

Nhf kTB

⎡⎤

⎢⎥

⎣⎦

(8.10)

С другой стороны при большом G уровень дробовых шумов является

высоким и отношение сигнал/шум сводится к выражению

[]

cB D

PP I

⎡⎤

⎢⎥

⎣⎦

⎧

⎫

⎨

⎬

⎩⎭

/ (8.11)

Для случая, когда темповым током можно пренебречь (например,

используется устройство охлаждения детектора), S/N может быть

выражено через C/N, т. е.

211//

NhfB CN

⎡

⎤

⎢

⎥

⎣

⎦

(8.12)

Приемник прямого детектирования обеспечивает максимальное

отношение сигнал/шум S/N, когда фоновое излучение равно нулю или, что

эквивалентно, когда С/N бесконечно велико (этот режим является режимом

работы приемника при ограничении дробовыми шумами несущей). В этом

случае S/N равно

hf B

= (8.13)

Выражение (8.13) соответствует предельной возможности

оптического приемника с прямым детектированием, когда шумы

определяются лишь неопределенностью числа сигнальных

фотоэлектронов, эмиттируемых детектором

8.1.2. Приемное устройство прямого детектирования на поднесущей

частоте

В оптических системах связи с прямым детектированием на

поднесущей оптическая несущая модулируется по интенсивности

высокочастотным сигналом поднесущей. В свою очередь, сигнал

поднесущей модулируется информационным сигналом.

Часто этот вид шумов называют квантовым (фотонным) шумом сигнала; количественно интенсивность

этого шума характеризуется дисперсией числа фотонов, выпадающих на временном интервале (Примеч.

отв. ред.)

Рис. 8.3. Блок-схема оптического приёмного устройства прямого

детектирования на поднесущей:

а) блок-схема; б) эквивалентная схема

На рис. 8.3 приведена блок-схема оптического приемника прямого

детектирования на поднесущей. Выходным сигналом оптического

детектора является синусоидальное колебание поднесущей частоты в

смеси с дробовыми шумами детектора. Этот сигнал затем фильтруется

полосовым электрическим фильтром.

Электрический детектор выделяет

информационный сигнал из колебаний поднесущей частоты.

Мощность сигнала на поднесущей. Принимаемое

приемником лазерное излучение может быть записано в виде оптического

колебания, модулированного синусоидальным колебанием поднесущей:

()

() 1 cos cos

SC SC SC c c

Ct A t Ф At

=+ +

⎡⎤

⎣⎦

(8.14)

где

Абс — амплитуда поднесущей (| | 1

≤

); / 2

SC SC

— частота

поднесущей; Ф

— фаза поднесущей. Колебание поднесущей частоты

может быть модулировано по амплитуде, частоте и фазе. Мгновенное

значение тока детектора

()

() 1 cos

p c SC SC SC

iDCt A A tФ

== + +

⎡

⎤

⎣

⎦

(8.15)

Среднее значение тока или постоянная составляющая может быть

выражена через среднюю мощность немодулированной несущей Р

, т. е.

/4 /2

pSC c

IDA DP

= (8.16)

Мгновенное значение напряжения сигнала на нагрузочном сопротивлении

приемника R

после прохождения через полосовой фильтр равно

()

cos

cSCL

SC SC SC

GDP A R

vtФ

=+ (8.17)

Эффективное значение мощности сигнала на поднесущей может быть

определено временным усреднением (по периоду поднесущей)

мгновенного значения мощности сигнала поднесущей с ее амплитудой,

равной максимальному значению (

=1). т. е.

[]

222

GDPR

(8.18)

Мощность шума на поднесущей. На выходе фильтра

поднесущей мощность дробовых и тепловых шумов равна:

[]

TBDSCL

NqGDDIIBR

⎧⎫

=++

⎨⎬

⎩⎭

(8.19)

[

]

TSC

NkTB

. (8.20)

На рис. 8.4 показаны спектры сигнала и шума на выходе фильтра

поднесущей.

Отношение сигнал/ шум на поднесущей. Отношение

мощности сигнала по поднесущей к мощности дробовых и тепловых

шумов на поднесущей определяет S/N на выходе фильтра поднесущей

16 32

DSCL SC

GPR

Gq P I B R kTB

⎡⎤

⎢⎥

⎡⎤

⎣⎦

⎢⎥

⎧⎫

⎣⎦

⎡⎤

++ +

⎨⎬

⎢⎥

⎣⎦

⎩⎭

(8.21)

Это отношение достигает своего максимального значения, когда

эффективность оптического приемника ограничена только дробовыми

шумами сигнала, в этом случае

cSC

NhfB

⎡⎤

⎢⎥

⎣⎦

. (8.22)

Рис 8.4. Спектры сигнала и шума на поднесущей в оптическом

приемном устройстве с прямым детектированием на поднесущей

Детектирование на поднесущей частоте

( второй детектор). Второй детектор (электрический детектор)

необходим для выделения информационного сигнала из напряжения

поднесущей частоты. Поскольку напряжение на выходе фильтра

поднесущей частоты линейно связано с колебанием поднесущей {ф-ла

(10.17)], соответствующую демодуляцию информационного сигнала может

осуществить любой линейный АМ, ЧМ или ФМ приемник (если

используется соответственно АМ, ЧМ или ФМ модуляция).

Дробовые шумы, прошедшие полосовой фильтр, могут быть с

большой степенью точности аппроксимированы распределением Гаусса.

Тепловые шумы в нагрузочном сопротивлении оптического приемника на

выходе фильтра поднесущей также являются гауссовскими. Таким

образом, с достаточной для практики точностью, сигнал на выходе

фильтра поднесущей частоты может быть аппроксимирован

синусоидальным колебанием поднесущей частоты в смеси с узкополосным

гауссовским шумом.

При амплитудной модуляции сигнала поднесущей частоты в качестве

второго детектора может быть использован синхронный детектор или

линейный детектор огибающей. Для случая, когда сигналом на входе

детектора является синусоидальное колебание в смееи с узкополосным

гауссовоким шумом, синхронный детектор обеспечивает выходное

отношение сигнал

/шум, вдвое большее отношения сигнал/шум на выходе

фильтра поднесущей. При этих же самых условиях, если отношение

сигнал/шум на выходе фильтра поднесущей частоты достаточно велико,

выходное отношение сигнал/шум детектора огибающей также вдвое

больше отношения сигнал/шум на выходе фильтра поднесущей. Таким

образом, для случая использования синхронного детектора или

детектора

огибающей при большом

[

]

SN отношение сигнал/шум на выходе

приемника равно

[]

= . (8.23)

Допплеровское смещение несущей частоты не приводит к сдвигу

поднесущей частоты на выходе детектора. Это объясняется тем, что

выходная цепь фотодетектора не чувствительна к изменениям оптической

несущей частоты в пределах рабочего диапазона детектора.

Допплеровский сдвиг поднесущей меньше допплеровокого сдвига

несущей в число раз, равное отношению номинального значения частоты

несущей

к значению частоты поднесущей, поэтому во многих случаях

допплеровский сдвиг на поднесущей пренебрежимо мал. Следовательно,

если генератор поднесущей передатчика относительно стабилен, то полоса

фильтра поднесущей В

может быть равной удвоенному значению полосы

выходного фильтра электрического детектора В

. При В

=2В

амплитудной модуляции и ограничении дробовыми шумами сигнала

отношение сигнал/шум на выходе равно

hf B

= . (8.24)

Сравнение этого выражения с (8.13) показывает, что отношение

сигнал/шум для приемного устройства с поднесущей в 4 раза меньше

отношения сигнал/шум, которое получается с помощью приемника

прямого детектирования и прямой модуляции несущей. Если колебание

поднесущей частоты промодулировано по частоте, то в качестве второго

детектора может быть использован радиочастотный приемник с

ограничителем и дискриминатором. Согласно ур-нию (2.20) ширина

полосы фильтра поднесущей при ЧМ равна

[

]

SC d ЧМ

BfM

+ , (8.25)

где f

— девиация частоты; М

ЧM

— индекс частотной модуляции.

При большом отношении сигнал/шум на выходе фильтра поднесущей,

приеме синусоиды в узконолосном гауссовском шуме и применении

приемника с ограничителем и дискриминатором отношение сигнал/шум на

выходе равно

()

[]

ЧМ

MSN

= . (8.26)

Таким образом, при частотной модуляции поднесущей и при учете

лишь дробовых шумов сигнала отношение сигнал/шум на выходе

приемника выражается в виде

()

ЧМ

NhfB

= . (8.27)

8.1.3. Гетеродинное приемное устройство

В оптическом приемнике с гетеродинированием (рис. 8.5) входное

лазерное излучение комбинируется на фоточувствительной поверхности с

опорным излучением местного генератора. При оптическом смешении

входного сигнала и колебания местного генератора выделяется колебание

промежуточной или разностной частоты. Сигнал промежуточной частоты

сохраняет модуляцию входного лазерного сигнала. После прохождения

через полосовой

фильтр электрический сигнал поступает на второй

детектор, где и выделяется полезная информация. Значение разностной

частоты поддерживается постоянным на входе второго детектора путем

управления частотой местного генератора. Контроль частоты местного

генератора необходим для компенсации уходов и нестабильности частоты

входного лазерного сигнала, кроме того, управление частотой необходимо

для компенсации допплеровских сдвигов в

случае космической связи.

Рис. 8.5. Блок-схема оптического гетеродинного приёмного

устройства:

а) блок-схема; б) эквивалентная схема

Главными преимуществами гетеродинного метода приема являются

относительная легкость усиления на промежуточной частоте и тот факт,

что выбором значительной мощности местного генератора можно

подавить как тепловые шумы, так и дробовые шумы, вызываемые любыми

источниками шума, кроме местного

генератора. Последнее обстоятельство

позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум.

Мощность сигнала промежуточной частоты. На

рис 10.6 показана схема пространственного комбинирования плоской

волны местного генератора и сколлимированного оптической антенной

приемника волны лазерного излучения. Для упрощения последующих

выкладок поверхность фотодетектора примем квадратной со стороной

квадрата d. Кроме того, предположим, что лазерный пучок отклонен на

угол

лишь по одной координате. Амплитуда электрической

составляющей лазерного излучения равна

() cos

ccc

Et A t Ф

⎡

⎤

=++

⎢

⎥

⎣

⎦

. (8.28)

Средняя мощность сигнала

PA=

. Амплитуда электрического поля

местного генератора равна

(

)

000

() cosLt A t Ф

+ . (8.29)

Рис 8.6. Пространственное распределение световых пучков в

оптической приемной антенне коллимационного типа:

1 – фронт волны излучения местного гетеродина; 2 – фронт

волны сигнального излучения; 3 – поверхность фотодетектора

Средняя мощность излучения местного гетеродина

PA= . В выражении

(8.28) v

означает скорость перемещения волны входного лазерного

излучения вдоль поверхности фотодетектора. На поверхности

фотодетектора получается комбинация мгновенных амплитуд сигнального

и гетеродинного излучений. Поэтому мгновенное значение интенсивности

результирующего излучения на входе детектора равно

[]

()

000

() () () cos cos

ccc

Ct Et Lt A t Ф AtФ

ωω

⎡⎤

=+ = +++ +

⎢⎥

⎣⎦

. (8.30)

Мгновенное значение тока на выходе фотодетектора может быть

найдено временным усреднением и пространственным интегрированием

интенсивности света по поверхности фотодетектора: