Рисунок 5.12 – Структурные схемы аналогового (а) и цифрового (б) приёмных оптоэлектронных модулей
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
Функция ПРОМ – преобразование оптического сигнала, п
Основными функциональными элементами ПРОМ являются:
На рисунке 5.12 приведены структурные схемы аналогового (а) и цифрового (б) ПРОМ.
Рисунок 5.12 – Структурные схемы аналогового (а) и цифрового (б) приёмных оптоэлектронных модулей
Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также выдают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приёмникам предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов – в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяжённых линиях с большим количеством приёмо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретрансляционных линий связи.
При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов. Цифровой приёмник должен включать узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов 0 и 1, который распознаёт, какой сигнал пришёл, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.
На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных ПРОМ. Например, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего электронного усилителя становятся не столь заметными по сравнению с уровнем полезного сигнала. В некоторых ПРОМ отсутствует дискриминатор, или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилителей приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед детектором устанавливается оптический усилитель.
Выходящий от фотоприёмника электрический сигнал усиливается каскадом электронных усилителей и испытывает определённую обработку.
Основные функции, которые выполняет ПРОМ на этом этапе:
Электронное усиление и предусиление. Типовое значение оптического сигнала на входе фотоприёмника составляет 1 – 10мкВт, а иногда и меньше. Если такой сигнал обрабатывается p-i-n-фотодиодом с токовой чувствительностью S=0,6 – 0,8А/Вт, то выходной ток составит несколько микроампер, и необходимо последующее его усиление. Используется одна или несколько стадий усиления. Обычно усилитель на первой стадии называется предусилителем. Его особенностью является низкий уровень вносимых шумов. Далее следует усилитель мощности.
Выравнивание. Приём и усиление сигнала может несколько изменять обрабатываемый сигнал. Например, каскад электронных усилителей, принимающий широкополосный аналоговый сигнал, может иметь разный коэффициент усиления для высоких и низких частот. Чтобы восстановить правильное соотношение амплитуд в низкой и высокой областях спектра, необходимо добавить цепь выравнивания сигнала.
Фильтрация. Она позволяет увеличить соотношение сигнал/шум посредством избирательного (в определённых диапазонах частот) подавления шума. Часто, таким образом, можно подавить высокочастотные гармоники шума, заведомо зная, что полезный сигнал не распространяется в этой области спектра.
Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как к обработке аналогового сигнала, так и цифрового, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов. Из-за наличия дисперсии при распространении света по волокну приходящие фронты импульсов могут потерять первоначальную прямоугольную форму и стать размытыми. Необходимо восстановить их прямоугольную форму. Для этой цели предназначена цепь принятия решения или дискриминатор, который имеет порог срабатывания. Если амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала меньше порога, то на выходе сигнала нет (0), если же превосходит порог, то на выходе идёт сигнал определённой амплитуды (1). Главным недостатком такой регенерации цифрового сигнала является допустимость нарушения длительности импульсов. Чем больше амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала, тем длиннее могут быть импульсы, соответствующие единичному сигналу на выходе дискриминатора. Низкое значение порога также нежелательно, поскольку можно ошибочно принять шум за полезный сигнал. Для строгого сохранения длительности импульсов на выходе дискриминатора, необходимо, чтобы дискриминатор получал информацию о частоте, с которой должны следовать импульсы. Эту задачу решает таймер.
Работа таймера. Основная функция таймера – это устранение рассинхронизации сигнала. Традиционный цифровой сигнал генерируется на характерной частоте, например, один раз в микросекунду. По мере передачи и ретрансляции сигнала случайные временные ошибки могут накапливаться и достичь уровня, сравнимого с длительностью самого импульса. В результате приёмник ошибочно может интерпретировать принятый бит или «потерять» бит. Такие случайные временные ошибки получили название джитер (дрожание). Их появление характерно при синхронном режиме передачи. Уменьшить джитер можно, повысив требования к стандарту частоты генератора импульсов. Однако, если приёмник имеет свой собственный таймер, то при длительном приёме будут проскакивать ошибки вследствие наличия джитера. Дальнейшее уменьшение ошибок из-за джитера достигается в более продвинутой технологии магистральных оптических сетей, основанных на так называемой синхронной цифровой иерархии SDH. В SDH при синхронной передаче в битовом потоке наряду с полезной информацией присутствуют специальные синхроимпульсы, по которым настраивается (плавно перестраивается под частоту передатчика) таймер приёмника. В сложной сети SDH существует один независимый ведущий таймер, на который равняются другие устройства сети.
На рисунке 5.13 показана обобщённая эквивалентная схема входной цепи фотоприёмника, включающая элементы усилителя оптического сигнала.
С точки зрения теории цепей ФД может быть представлен эквивалентной схемой, состоящей из генератора фототока Iф(t)=SP(t), который шунтируется сопротивлением перехода RД и ёмкостью перехода СД ФД, входным сопротивлением Ry и входной ёмкостью Сy усилителя. Все эти пассивные элементы учтены в элементах R1 и С1. Выбор значений R1 и С1 производится из соображений оптимизации фотоприёмника по быстродействию и отношению сигнал/шум на его выходе.
Рисунок 5.13 – Обобщенная эквивалентная схема входной цепи фотоприёмника без источников шума
Для оценки быстродействия необходимо учитывать запаздывание электрического сигнала на выходе усилителя Uвых(t) относительно оптического – P(t), которое зависит от двух факторов.
Во-первых, запаздывание определяется процессами преобразования оптической мощности в фототок Iф(t), происходящими в ФД, временем, за которое появившиеся в результате поглощения фотона носители тока достигают внешних контактов. Уменьшить запаздывание можно в результате увеличения напряжения смещения U. При этом увеличивается скорость носителей, и они быстрее достигают внешней цепи ФД. Как показывают более детальные исследования процессов в ФД, существует оптимальная величина U, при котором запаздывание минимально. Увеличение напряжения смещения сверх этого оптимального значения не приводит к улучшению характеристик ФД ни по быстродействию, ни по чувствительности.
Во-вторых, запаздывание электрического сигнала на выходе усилителя относительно оптического связано с элементами R1 и C1.
Постоянная времени τ=R1C1 определяет быстродействие всего фото-приёмника в целом. Ясно, что для уменьшения запаздывания величины R1 и C1 следует уменьшать. Но снижение ёмкости ограничено технологическими трудностями. На сегодняшний день её типичное значение составляет единицы пикофарад.
Величина активного сопротивления R1 определяет не только быстродействие фотоприёмника, но и его шумовые характеристики. Особенности обработки оптического сигнала накладывают свои требования на величину R1.
Кроме шумов фотодиода (дробового, теплового и шума темнового тока) в фотоприёмнике, включённом в ВОЛС, появляются другие составляющие шума.
а) Фоновая засветка.
Свой вклад в общий шум оптического тракта вносит и фоновая засветка – оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку ФД от различных источников, играющих роль помех. Если такой источник создаёт мощность Р3 на чувствительной площадке ФД, то соответствующая ему шумовая составляющая определяется выражением:
б) Модовые шумы.
Кроме рассмотренных выше для ВОЛС характерны также модовые шумы, возникающие за счёт случайных флуктуаций интенсивности в пределах чувствительной площадки ФД. Они проявляются когда когерентный источник излучения (ЛД) используется совместно с многомодовым световодом. В этом случае на выходном торце световода возникает «спекл-картина», являющаяся результатом интерференции различных мод. Эта картина постоянно меняется под воздействием многих факторов: изменения температуры окружающей среды, микродеформации световода при различных механических воздействиях. Любое из приведённых внешних воздействий меняет случайным образом величину геометрического пути, который проходят лучи, соответствующие различным модам световода. Несмотря на то, что это изменение невелико и составляет доли микрометра на километр световода, оно оказывается соизмеримым с длиной волны и существенным образом меняет фазовый набег между различными модами. Этим и определяется изменение распределения интенсивности на выходном торце световода, которое приводит к появлению модового шума. Подобный по проявлению на выходе усилителя ФД шум возникает и при совместном использовании некогерентного источника излучения (СИД) и одномодового волокна. Отличие проявляется лишь в том, что случайный характер имеет не пространственная, а временная структура распределения интенсивности на выходном торце световода.
в) Шум источника излучения.
Дополнительные шумы создаёт и источник излучения. Они проявляются в флуктуации оптической мощности и случайном характере распределения интенсивности на его излучающей площадке.
С учётом вышеизложенного систему связи можно оптимизировать, исключив причину появления ряда шумов, характерных для оптического диапазона. Используя когерентные источники только совместно с одномодовыми световодами, а некогерентные – с многомодовыми, можно исключить модовые шумы. Применение усовершенствованных технологий при изготовлении ЛД и СИД и разработка схемных решений для источников тока накачки, в которых предусматривается контроль и автоматическая регулировка режима его работы, позволяет свести к минимуму шумы источника излучения.
Исключить квантовые и тепловые шумы сигнала и темнового тока нельзя никакими методами. Они всегда сопутствуют оптическому сигналу и наличие этих шумовых факторов необходимо учитывать при разработке схемных решений для усилителя фототока.
г) Эквивалентная шумовая схема.
На рисунке 5.14 показана обобщённая эквивалентная схема фотоприёмника, в которой учтены все главные шумовые источники. Введён генератор тока IшR, учитывающий тепловой шум активного сопротивления нагрузки ФД R1.
Двумя источниками Iшу и Uшу учтены шумы активного элемента усилителя. Если усилитель строится на основе полевых транзисторов, то:
где g - крутизна входной характеристики транзистора, имеющая смысл входной проводимости;
k - постоянная Больцмана;
ζ = 0.7–1.1 – коэффициент, зависящий от типа полевого транзистора.
Рисунок 5.14 – Эквивалентная схема приёмника с источниками шума
Для усилителя, построенного на базе биполярных транзисторов
где Iб и Ik - постоянные токи базы и коллектора транзистора.
д) Отношение сигнал/шум (С/Ш).
Общепринятым способом выражения качества сигнала в системе является отношение сигнал/шум (С/Ш). Это отношение средней энергии сигнала к средней энергии шумов различной природы. Если сигнал имеет мощность 50мВт, а мощность шума равна 50мкВт, то данное отношение равно 1000, или 30дБ. Все рассмотренные выше шумовые источники в первом приближении считаются независимыми. Поэтому результирующая мощность шума на выходе усилительного каскада может быть определена в результате суммирования вкладов, вносимых отдельными источниками. При прохождении сигнала через усилитель к нему добавляются собственные шумы усилителя и отношение мощности сигнала Pc к мощности шумов Pш на выходе станет больше чем на входе.
Отношение С/Ш зависит от мощности принимаемого оптического сигнала Р и может быть увеличено за счет её роста.
Если шумы оптического тракта сравнимы с шумами электронной части фотоприёмника, то рост отношения С/Ш можно обеспечить за счёт увеличения эквивалентного сопротивления нагрузки R1 фотодетектора.
Но при росте R1 уменьшается полоса пропускания фотоприёмника в целом. Поэтому одновременное увеличение С/Ш и сохранение прежней полосы пропускания невозможно без существенного усложнения электронной схемы первого каскада усилителя. Она требует введения высокочастотной коррекции его амплитудно-частотной характеристики.
е)Эквивалентная мощность шума Pш (Вт).
Это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприёмников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприёмника, при которой отношение С/Ш равно единице и вычисляется по формуле:
где Iш – полный шумовой ток;
S – токовая чувствительность.
Как известно, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. Pш можно пронормировать, поделив на √Δf. Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт / Гц½ и не зависит от полосы пропускания.
Эквивалентная мощность шума Pш ≈ 10-14 Вт.
На практике используются две типовые схемы усилителя фотоприёмника. Первая предусматривает использование большого входного сопротивления усилителя (R1) (рисунок 5.15, а).
а – с большим входным сопротивлением; б – с отрицательной обратной связью
Рисунок 5.15 – Типовые схемы подключения ФД к усилителю фотоприёмника
Значение R1 выбирается, исходя из условия получения максимального значения отношения С/Ш на выходе первого усилительного каскада. Требуемая полоса пропускания при этом обеспечивается за счёт введения высокочастотной коррекции амплитудно-частотной характеристики.
Недостатками такого схемного решения является существенное снижене динамического диапазона фотоприёмника в целом и существенная разница в коэффициенте усиления для различных частот его полосы пропускания. Последнее обстоятельство в конечном итоге может привести к существенным искажениям принимаемого сигнала. Кроме того, значительный разброс характеристик элементов схемы фотоприёмника требует индивидуальной настройки каждого отдельного образца.
Более оптимальным решением является использование в схеме первого каскада отрицательной обратной связи по напряжению (рисунок 5.15,б). В этом случае возможно использование необходимого по величине сопротивления нагрузки R1 фотодетектора при сохранении полосы пропускания усилительного каскада без введения ВЧ коррекции. Недостатком такого схемного решения является то, что сопротивление обратной связи R2 является дополнительным источником шума.
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |