2.2 Показники якості аналогових восп

Показником якості аналогових ВОСП є відношення сигнал/шум (ВСШ) на виході системи. Дальність передавання реальної системи обмежено шумами та спотвореннями. Шуми виникають у передавальному та приймальному, основному пристроях. Спотворення вимикаються переважно, через наявність нелінійності ваттамперної характеристики (ВтАХ) джерела випромінювання (лазера, світлодіода). Як наслідок в спектрі сигналу на приймальному боці з’являються нові спектральні складові (вищі гармоніки, комбінаційні частоти), яких не було у спектрі вхідного сигналу. Ці завади спотворюють форму сигналу та погіршують якість передавання. Наприклад, при передаванні кольорового ТВ сигналу гармоніки спотворюють сигнали кольоровості й насиченості, а при передаванні багатоканальних повідомлень ЧРК призводять до міжканальних завад. Для зниження рівня нелінійних спотворень в аналогових ВОСП використовуються світловоди та спеціальні лазери, котрі мають поліпшену лінійність ВтАТ. Також використовуються спеціальні методи компенсування: попередніх спотвореннь, негативний зворотний зв`язок за оптичним сигналом тощо [ 1 ].

За цифрової модуляції (ІКМ) й більшості аналого-імпульсних методів передавання сигналів нелінійності ВтАХ джерела випромінювання не впливає на якість передавання, але для їхньої реалізації потрібна велика смуга частот (близько 80 МГц для одного стандартного ТВ сигналу зі смугою частот 6,5 МГц). В таких системах необхідно використовувати більш широкосмугове оптичне волокно. Водночас ускладнюється схема (й зростає ціна) як передавального, так і приймального пристроїв. Такі системи використовуються для передавання інформації на великі відстані. На практиці за невеликих відстаней та відносно невеликих вимог до якості передавання (системи відеонагляду) доцільно використовувати аналогову модуляцію інтенсивності (АМІ). Тут використовуються надто прості (й дешеві) передавальні та приймальні пристрої, вузько смугове волокно. в роботі досліджується аналогова ВОСП з АМІ.

2.3 Характеристики восп з амі

С труктурну схему ВОСП для передавання ТВ сигналу будь-яким зі

Рис. 2.2 – Формати модуляції

згаданих форматів модуляції наведено на рис. 2.2. На передавальному боці розміщено ТВ камеру 1; модулятор 2 (наприклад ЧІМ чи ШІМ); підсилювач накачування 3; випромінювач 4. Передавальний по ОК сигнал 5 детектується приймачем оптичного випромінювання 6, підсилюється мало- шумовим широкосмуговим підсилювачем 7, надходить на демодулятор 8 (ЧМ, ШІМ), а потім подається на монітор (телевізор). В АМІ системі модулятор 2 й демодулятор 8 в структурній схемі відсутні на рис 2.2.

Основним параметром аналогової ВОСП є довжина дільниці підсилення, за якої забезпечується задана якість передавання. Критерієм якості аналогової ВОСП є потрібне значення відношення сигнал/шум на виході системи. Для цього потужність оптичного сигналу на вході приймального пристрою має забезпечити потрібне (зазвичай 40 дБ за напругою) ВСШ на його виході.

відношення сигнал/шум на виході ВОСП з АМІ - це є відношення квадрата пікового значення відеосигналу (струму чи напруги поміж рівнем імпульсів ослаблення і рівнем білого) до середньоквадратичного значення шуму в смузі частот (при умові, що основні шуми мають місце в приймальному пристрої)

(2.1)

де - спектральна щільність шумового току (А² / Гц) на вході приймального пристрою. Розрахунки як правило виконуються для стандартного ТВ сигналу з шириною смуги F = 6,5 MГц.

Структурна схема приймального пристрою приведена на рис. 2.3. Вона

Рис. 2.3 - Структурна схема приймального пристрою

включає зворотньозміщений фотодіод (ФД) р – і – n структури або лавинний ФД (ЛФД), що увімкнутий на вході трансімпедансного (з негативним зворотнім зв’язком через резистор R_зз) підсилювача П, виконаного на польових або біполярних транзисторах (ПТ або БТ). Така побудова приймального пристрою забезпечує широкий діапазон оптичних сигналів, а чутливість до чутливості високоімпедансного підсилювача [2].

Середнє за часом значення струму сигналу (фотоструму) ЛФД в його навантаженні

(2.2)

де  - квантова ефективність, q – заряд електрона, h – енергія фотона частоти ,

h – стала Планка, _i – струмовий відгук ФД (А/Вт), і середні значення коефіцієнта лавинного множення ЛФД і потужність оптичного сигналу

(М = 1 для p – i – n ФД). Розглянемо шуми, які виникають в процесі приймання оптичного сигналу і підсилення його електричного еквівалента - фотоструму. Еквівалентна шумова схема приймального пристрою приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4 - Еквівалентна шумова схема приймального пристрою

Вона включає генератори струму: сигналу I_c, квантового шуму сигналу I_к, дробового шуму темнового струму ФД I_д, теплового (ПТ) або дробового (БТ) шуму попереднього підсилювача I_п ; С_д , С_п, -емності ФД і входу підсилювача відповідно. основними джерелами шуму в ФД являються: квантовий шум, що обумовлений дискретною (квантовою) природою оптичного сигналу, і дробовий шум темнового струму I_т. Їх спектральні густини (А²/Гц) і середньоквадратичні значення шумових струмів (А²) відповідно дорівнюють

, А²/Гц ; A²

(2.3)

, А²/Гц ; A^{2 ,}

де F_e – еквівалентна шумова смуга частот приймального пристрою, яка перевищує смугу пропускання сигналу; d – показник надлишкового шуму ЛФД: (d = 0.5 для Si; d = 1.0 для Ge приладів.)

Основний вклад в шуми приймального пристрою прямого детектування вносить попередній підсилювач. спектральна густина шумів ПП в одиницях А²/Гц

S_iy(f) = (2.4)

(2.5)

відповідно для ПТ та БТ – вхідних, а_і(і = 1,2,3) – коефіцієнти, які залежать від типа транзистора і режиму його роботи. Із формул (2.4) та (2.5) слідує, що спектри шумів ПП в високочастотній області смуги пропускання пропорційні , а частотно незалежні члени звичайно малі.

Для Si p – i – n ФД типу ФД 252 і транзисторів КП 307В і КТ 36ВБ , які використовуються у лабораторному макеті

, a_{2 =,} .

Результати аналізу показнеків шуму ПП та ПТ й БТ свідчать, що для ширини смуги 15…30 МГц ПТ має менший рівень шумів, а для більш широких смуг – БТ.

Позначимо спектральну густину шуму транзисторного ПП у вигляді :

де

b₁= 4kT ; b₂ = a₁; для ПТ ; (2.6)

b₁= 4kT +; b₂ = a_{3 ;} для БТ.

Середньоквадратичне значення шумового струму із

. (2.7)

Якщо підставити у (2.1) формулу (2.2) для , формулу (2.3) для й , а також формулу (2.7) для , вираз отримаємо формулу для ВСШ ВОСП з АМІ

(2.8)

де - коефіцієнт, який зазначає у скільки разів розмах відеосигналу перевищує його середнє значення (γ = m/0,9, де m – індекс модуляції).

Оптичну потужність, потрібну для досягнення заданого ВСШ, віднайдемо, якщо перетворити вираз (2.8) на квадратне рівняння вигляду:

де (2.9)

його розв’язок відносно потужності:

(2.10)

З двох коренів Р₁, Р₂ слід обрати найбільш позитивний. Для р-і-n ФД М = 1. При використанні ЛФД значення мінімізується за =.

Знайдене з рівняння (2.9) значення називається пороговою (сигнал дорівнює шумові) чутливістю, а в разі = 100 (40 дБ) за напругою потрібну чутливістю. У формулі (2.9) значення треба підставляти за потужністю.

Енергетичний потенціал (ЕП) апаратури аналогової ВОСП (передавального та приймального пристроїв) визначається так :

Q = P_д – Р, дБм (2.11)

де - середнє за часом значення рівня потужності джерела випромінювання, дБм; - чутливість приймального пристрою, дБм. тобто це є потрібний рівень оптичного сигналу на його вході, за якого на виході забезпечується задане значення ВСШ. Якщо величину Q віднайдено, можна обчислити довжину підсилювальної дільниці (дальність зв'язку)

, км,

де - середній коефіцієнт загасання (з урахуванням втрат у з’єднувачах) оптичного волокна в кабелі, дБ/км.