МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА И СВЯЗИ УКРАИНЫ

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова

КАФЕДРА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Исследование характеристик

ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ОТСП

Методическое руководство к лабораторной работе № 402

по дисциплине «Оптические транспортные системы передачи»

Одесса 2011

УДК 681.7.068:621.37/39

Исследование характеристик приемных устройств отсп: Методическое руководство к лабораторной работе № 402. Одесса: Изд. Центр онас им. А.С. Попова, 2011. – 17 с.

Методическое руководство к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Оптические транспортные системы передачи». В предлагаемой работе исследуются: 1) основные характеристики цифрового приемного устройства с помощью программы «Mod FOCS»; 2) их влияние на параметры оптической транспортной системы передачи.

Для студентов, обучающихся по направлению «Телекоммуникации».

Составитель: В.И. Корнейчук

Рецензент –

Утверждено

на заседании кафедры

Телекоммуникационных систем

и рекомендовано к печати

Протокол №

от « » октября 2011 г.

Содержание

1 Цель работы

2 Ключевые положения

2.1 Построение входных каскадов оптических приемных устройств

2.2 Схема и работа ПРОМ

2.3 Параметры синхронных линейных трактов, нормируемые в эталонной точке R (прием)

3 Ключевые вопросы

4.Домашнее задание

5 Лабораторное задание

6 Содержание протокола

Список литературы

1 Цель работы

Исследование основных характеристик цифрового приемного устройства с помощью программы «Mod FOCS» и оценка их влияния на параметры оптической транспортной системы передачи.

2 Ключевые положения

2.1 Построение входных каскадов оптических приемных устройств

Рассмотрим построение входных каскадов оптических приемных устройств (ПрУ). Простейшим вариантом является применение усилителя напряжения на биполярном (БТ) или полевом (ПT) транзисторе, напряжение сигнала на вход которого снимается с резистора нагрузки R_н фотодиода, рис. 2.1. На практике используются низкоимпедансный (НИ), высокоимпедансный (ВИ) и трансимпедансный (ТИ) усилители, имеющие определенные преимущества и недостатки. C

R

U_см

a

+

u_вых

U

R

U_см

б

+

u_вых

U

R_н

R_н

з

и

с

Рисунок 2.1 – Усилительные каскады на биполярном а) и полевом б) транзисторах

б

э

к

Р

Р

хема усилительного входного каскада содержит обратно смещенный фотодиод (ФД) с резистором нагрузки и усилитель на БТ a или на ПТ б, рис. 2.2 (цепи смещения транзисторов постоянным током не показаны). Критерии выбора сопротивления нагрузки R_н ФД приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Критерии выбора резистора нагрузки R_н фотодиода

Соотношение	Вывод
uвых = iPRн	При увеличении Rн возрастает выходное напряжение u
Pмакс = Uсм/iRн	Уменьшение Rн увеличивает динамический диапазон (максимальное значение принимаемой оптической мощности Pмакс)
f–3дБ = (2RнСд)–1	Уменьшение Rн увеличивает ширину полосы пропускания f–3дБ
= 4kTf/Rн	Увеличение Rн уменьшает среднеквадратическое значение тока теплового шума
Примечание. uвых – напряжение выходного сигнала; i – токовый отклик ФД; Р – мощность оптического сигнала; Rн – сопротивление нагрузки ФД; Uсм – напряжение смещения ФДа; Сд – емкость обратно смещенного ФД; – среднеквадратическое значение тока теплового шума; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; f – ширина полосы пропускания ПрУ, U – постоянное напряжение питания.

С одной стороны желательно выбирать большой номинал R_н, чтобы получить большее падение напряжения и снизить тепловой шум. С другой стороны требуется малое значение R_н для обеспечения большой ширины полосы пропускания и широкого динамического диапазона. При расчете ширины полосы пропускания ПрУ по уровню –3 дБ необходимо учитывать суммарные емкость и сопротивление на входе усилителя, т.е.

(2.1)

цепи смещения ФД, C_ – эквивалентный конденсатор, учитывающий емкость трех параллельно соединенных конденсаторов – емкости обратно смещенного фотодиода (несколько пФ), входной емкости транзистора (несколько пФ) и монтажа (доли пФ). Сопротивление цепи смещения должно быть большим, так чтобы при его параллельном включении с R_н, оно не сильно изменяло значение результирующего сопротивления R_.

Входное сопротивление полевого транзистора весьма высоко (обычно 1…100 MОм), так что им можно пренебречь при расчете R_. Для входного каскада на ПТ также можем принять R_ = R_н.

Для биполярного транзистора входное сопротивление мало (несколько кОм) и должно быть учтено при вычислении результирующего сопротивления, поскольку значительно влияет на величину R_ и результирующую ширину полосы пропускания – см. соотношение (2.1).

В усилителях со схемами на рис. 2.1 присутствуют шумы, создаваемые транзистором и цепями смещения. В шумы ПТ вносит вклад тепловой шум, вызванный проводимостью канала (промежуток исток-сток) и резисторами смещения. Дробовой шум в полевом транзисторе возникает в результате протекания малого тока утечки между затвором (з) и истоком (и). Тепловой шум в усилителе на БТ вызван сопротивлением базовой области транзистора и сопротивлениями цепи смещения. Дробовой шум в БТ возникает вследствие постоянных составляющих токов базы и коллектора.

Мощность шума каскада на ПТ растет пропорционально кубу ширины полосы пропускания, а каскада на БТ – квадрату ширины полосы пропускания (если сопротивление базовой области мало, что обычно выполняется на практике). Таким образом, на ВЧ (при высокой скорости передачи данных в цифровой системе) биполярный транзистор создает меньше шумов, чем полевой транзистор. На низких частотах полевой транзистор меньше шумит и поэтому предпочтителен. Кроме того, коэффициент усиления ПТ падает на высоких частотах, что значительно снижает их пригодность для высокоскоростных систем. В общем случае ПТ дают лучшую чувствительность на частотах ниже 25…50 MГц, а БТ обеспечивает меньшие шумы и большее усиление на более высоких частотах.

Низкоимпедансный усилитель. ПрУ с низкоимпедансным усилителем (НИ) содержит обратносмещенный фотодиод, резистор нагрузки и усилитель на ПТ или БТ. Основная идея при построении НИ усилителя – обеспечить заданную ширину полосы пропускания (но не минимум шумов). В такой схеме ширина полосы пропускания по уровню –3 дБ определяется по формуле (2.1). Для требуемой (техническим заданием) ширины полосы пропускания значение R_н выбирается из условия .

Такой метод построения ПрУ является наиболее простым (дешевым), однако он не оптимален с точки зрения чувствительности. В общем случае шум, вызванный резистором нагрузки малого номинала, будет значительно превышать шум усилителя (на ПТ или БТ) и ухудшать чувствительность.

Высокоимпедансный усилитель. Если увеличить сопротивление нагрузки R_н для входного каскада на ПТ или БТ, то входной импеданс (полное сопротивление) усилителя (R_ и C_ включенные параллельно) будет высоким. Отсюда и возникло название – высокоимпедансный усилитель (ВИУ). Известно, что большое активное сопротивление минимизирует тепловой шум. Это основная идея, заложенная в основу построения ВИУ. Однако, при большом R_н уменьшается ширина полосы пропускания ПрУ. Для частот, лежащих выше граничной частоты по уровню –3 дБ, определяемой уравнением (2.1), во входном импедансе усилителя преобладает влияние емкости C_. Это приводит к тому, что входная цепь интегрирует входной сигнал. ВИУ работает на частотах, превышающих ширину полосы по уровню –3 дБ, но при этом усиливает высокие частоты в спектре сигнала хуже, чем низкие. Корректоры (эквалайзеры), размещаемые в ПрУ после нескольких каскадов усиления, подавляют низкочастотные составляющие сильнее, чем высокочастотные, выравнивая частотную характеристику. Корректором обычно является дифференцирующая цепь, выполняющая функцию восстановления формы передаваемого сигнала. Необходимость в корректоре АЧХ является расплатой за улучшенные шумовые характеристики ВИУ.

Необходимо подчеркнуть, что приемному устройству с высокоимпедансным входным каскадом присущ малый динамический диапазон из-за большого сопротивления нагрузки. Эта проблема решена в трансимпедансном усилителе, описанном ниже. В ситуации, когда требуется чувствительное (малошумящее) приемное устройство с узким динамическим диапазоном, то наиболее подходящим является высокоимпедансный входной каскад.

Трансимпедансный усилитель. Широкополосный усилитель с отрицательной резистивной обратной связью в англоязычной технической литературе именуют трансимпедансным усилителем (ТИУ). Его упрощенная структурная схема приведена на рис. 2.2. Приемное устройство с ТИУ обладает широким динамическим диапазоном. Оно с высокой линейностью преобразует оптические сигналы, мощность которых изменяются в пределах нескольких декад, потому что практически все напряжение смещения фотодиода приложено к нему, даже при поступлении достаточно большой мощности, вызывающей большие фототоки.

Резистор обратной связи, создающий тепловой шум, должен иметь большой номинал для минимизации этого шума и максимизации выходного напряжения (iR_ос). Цепь обратной связи содержит небольшую параллельную (конструктивную) емкость С_ос, которая ограничивает ширину полосы пропускания до

f _{-3 дБ} = 1/2R_осС_ос. (2.1)

Эта формула подобна соотношению (2.1) для схемы без обратной связи. Однако, емкость цепи обратной связи можно сделать намного меньшей, чем входную емкость C_ для схемы без обратной связи. Таким образом, номинал R_ос может быть большим, чем номинал R_н для заданной ширины полосы, что уменьшает шум, а значит, улучшает чувствительность ПрУ. Аналогично, если R_ос = R_н, то трансимпедансный входной каскад будет иметь бόльшую ширину полосы пропускания, чем усилитель без обратной связи.

ТИУ обладает шумовыми параметрами, приближающимися к шумовым параметрам малошумящего ВИУ. Он имеет большие и динамический диапазон, и ширину полосы пропускания, чем ВИУ. Если еще учесть, что не требуются корректирующего каскада, то становится ясно, почему ВИУ является основным в ВОСП.

В табл. 2.2 сравниваются варианты возможных схем построения входного каскада ПрУ. Напомним, что когда используется ЛФД, значение ОСШ меньше зависит от уровня теплового шума (нагрузки и усилителя), чем в случае применения p–i–n-фотодиода. Другими словами, сам ЛФД определяет значение ОСШ, а не предусилитель. Если дело обстоит так, то проектировщик системы должен рассмотреть использование самой простого (дешевого) входного каскада в случае применения ЛФД.

Таблица 2.2 Сравнение вариантов схем построения входных каскадов

Параметр	Транзистор		Усилитель
	Биполярный	Полевой	ВИУ	ТИУ
Сложность схемы	Простая	Простая	Высокая	Средняя
Требование корректора	Нет	Нет	Да	Нет
Уровень шума	Средний	Средний	Очень низкий	Низкий
Ширина полосы	Большая	Малая	Средняя	Большая
Динамический диапазон	Средний	Средний	Узкий	Широкий