Навигация
2. Квантова межа чутливості
Для приймальних пристроїв оптичного діапазону існує фундаментальна межа, що зветься квантовою межею чутливості. Вона зумовлена статистичним характером оптичного випромінювання: випадковими є не тільки моменти приходу квантів, а й їх кількість протягом одиниці часу. Після детектування статистичні властивості стають надбанням і фотоелектронів, які генеруються приймачем випромінювання.
Квантову межу чутливості можна встановити, користуючись поняттям ідеального квантового детектора, яким є приймач випромінювання, в котрому відсутні власні джерела шуму (немає темнового, теплового, дробового струмів) та який підключено до навантаження, що не має шуму. Цей детектор здатен зареєструвати навіть одноелектронний імпульс струму, що викликаний прийомом одного кванта (ідеальний квантовий лічильник).
В разі передачі цифрових сигналів вважаємо, що бінарний сигнал є послідовністю одиниць та нулів. В разі передачі одиниць на вході приймача випромінювання утворюється імпульс з енергією Е, тривалістю Т (рис.5). Коли передається нуль, передавальний пристрій відключено, оптичне випромінювання відсутнє. Фотоелектрони підлягають статистиці Пуассона. Якщо середня кількість фотоелектронів на імпульс дорівнює 
, то згідно розподілу Пуассона, ймовірність того, що з’явиться точно 
фотоелектронів на імпульс, дорівнює
. (1)
Оптичний імпульс з енергією Е складається з 
фотонів з енергією кожний, тобто
, (2)
де - постійна Планка, n – частота оптичного коливання.
Приймач випромінювання перетворює фотони в електрони з квантовою ефективністю
. (3)
Отже, середня кількість фотоелектронів, що виникли при прийомі оптичного імпульсу з енергією Е, дорівнює
. (4)
Згідно прийнятих припущень, при генерації навіть одного електрона в ідеальному квантовому детекторі його можна зареєструвати та уявити як наявність оптичного імпульсу (поріг вирішувального пристрою настроєно на появу одного електрона). Єдина можливість помилки – відсутність генерації ідеальним квантовим детектором електронів при наявності оптичного імпульсу, який випромінює передавальний пристрій. Ймовірність такої події можна визначити, якщо припустити у (1) Ne=0
(5)
Енергія та середня потужність оптичного сигналу (рис. 5) пов’язані співвідношенням Е=2Р0Т, оскільки тривалість посилань та пауз однакова і вони слідкують з однаковою ймовірністю. Враховуючи, що смуга пропускання тракту прийому F, при тривалості посилання Т дорівнює 1/Т, з (5) маємо
(6)
Вирази (6) визначають квантову межу чутливості цифрового приймального пристрою, що дозволяє розрахувати середнє значення оптичної потужності, необхідної для забезпечення заданої ймовірності помилки РПОМ. Наприклад, для забезпечення РПОМ=10-9 потрібна середня потужність приблизно в 10 квантів на 1 Гц смуги пропускання.
Квантова межа існує і для аналогових приймальних пристроїв. Критерієм якості аналогових систем є відношення сигналу до шуму, а точніше, відношення середньоквадратичного значення струму сигналу 
до середньоквадратичного значення струму шуму 
.(7)
Єдиним джерелом шуму в ідеальному квантовому детекторі є квантовий шум внаслідок флуктуації постійної складової сигналу. Наведено повний виклад для квантової межі чутливості приймальних пристроїв аналогових сигналів
.(8)
Вираз (8) аналогічний виразу (6), відрізняється тільки значеннями числових коефіцієнтів, та параметрами, що визначають якість прийому. Слід зазначити, що вираз (8) є вірним для випадку 100% модуляції. Вираз (8) можна навести у вигляді
. (9)
Цей вираз дозволяє підрахувати кількість фотонів Nф, що припадає на 1 Гц смуги пропускання, необхідних для досягнення потрібного відношення сигналу до шуму. Наприклад, для досягнення y=1 в ідеальному випадку необхідно 4 кванти на 1 Гц смуги пропускання. В реальних приймальних пристроях, крім квантових ефектів присутні також й інші фактори, які обмежують чутливість. Це, перш за все, темновий струм фотодетектора, що протікає через навантаження у відсутності оптичного сигналу внаслідок теплової генерації електронів у фотодетекторі. Темновий струм має досить велике чисельне значення у довгохвильовому діапазоні, що змушує збільшувати рівень оптичного сигналу для забезпечення необхідної якості прийому на декілька порядків відносно квантової межі. Для зниження темнового струму іноді використовують охолодження фотодетектора до температури рідкого азоту. Другим фактором, що обмежує чутливість, є шуми навантаження фотодетектора та підсилювача, який підключено до цього навантаження. В реальних приймальних пристроях вихідний відклик підсилювача на одноелектронний імпульс фотодетектора на декілька порядків (не менш трьох) нижче середньоквадратичного значення теплового шуму самого підсилювача. Внаслідок перелічених факторів реальні приймальні пристрої, що використовують довжину хвилі близько 1 мкм, потребують на 15-20 дБп більшу потужність, що приймається, ніж необхідно для ідеального квантового детектора.
Похожие работы
... іодів. Таким чином, враховуючи (3), маємо .(5) Слід нагадати, що де Si – інтегральна струмова чутливість фотодетектора, і – фотострум. Вирази (3) та (5) виявляють суттєву відзнаку приймальних пристроїв волоконно-оптичних систем передачі від класичних приймачів радіодіапазону. В оптичних приймачах шум залежить від оптичної потужності сигналу, що приймається. В цьому випадку не можна ...
... ється на виході. Ці перетворення здійснюються у ПОМ та ПрОМ відповідно. 3. Передавальні пристрої Оптичний передавальний пристрій – один з головних функціональних вузлів будь-якої волоконно-оптичної системи передачі. Призначення ОперП перетворення вхідного електричного сигналу в ідентичний йому оптичний сигнал з високою точністю. Для всіх ОперП незалежно від галузі їх застосування та типу ...
... з’єднувачах aнз; - загасанням оптичного кабелю aк. На рис. 1 наведена модель волоконно-оптичного каналу, що відображає розподіл втрат на дільниці регенерації. Рисунок 1 – Модель волоконно-оптичного каналу Перш за все визначається енергетичний потенціал системи – різниця між ефективною потужністю оптичного випромінювання Реф ПОМ та порогом чутливості ПРОМ Р0min . Поріг чутливості ПРОМ ...
... і ВтАХ. Цей метод дозволяє усувати лише парні гармоніки. Таким чином, наведені методи компенсації нелінійних викривлень розширюють можливості аналогових ВОСП. 2. Цифрові оптичні передавальні пристрої У волоконно-оптичних системах передачі оптичне випромінювання модулюється дворівневими сигналами ("0" та "1") кодів, які застосовуються у світловодних трактах. У цифрових оптичних передавальних ...
0 комментариев