4. Квантовый шум

Изобретение в 1959….1961 гг. когерентных лазерных источников света положило начало разработкам оптических линий связи, где переносчиком сообщений являются световые волны. Для световых волн диапазона 10¹⁴ – 10¹⁵ Гц (0,5….10,6 мкм) были созданы специальные направляющие системы – световоды. Наиболее перспективными из них оказались диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных сечений. Простейший световод представляет собой тонкое волокно цилиндрической формы, которое состоит из сердечника и оболочки. По сердечнику передаётся электромагнитная энергия в виде световой волны, поэтому его изготавливают из материала с наименьшими оптическими потерями (кварц, многокомпонентные стёкла)

В оптическом диапазоне заметно проявляется шум, связанный с дискретной природой электромагнитного излучения – квантовый шум (КШ).

Каналы связи, в которых КШ ограничивает качество приёма сообщений, называются квантовыми каналами.

Для каналов с открытым пространством основными перспективными направлениями стали космическая связь с использованием искусственных спутников земли (ИСЗ), ближняя наземная связь через атмосферу, подводная связь. Применяют газовые, твёрдотельные и полупроводниковые лазеры как видимого, так и инфракрасного диапазонов. В основном используют модуляцию с изменением интенсивности излучения – двоичную АМ, двоичную БИМ (биимпульсный сигнал), многопозиционную ВИМ. Успешно применяют и поляризационную модуляцию (ПМ). В многоканальных системах кроме временного используют и частотное разделение на поднесущих. Интенсивность модулируется гармоническими поднесущими (обычно СВЧ диапазона), которые модулируются по амплитуде, фазе или частоте.

Демодуляция чаще всего выполняется с прямым детектированием. В инфракрасном диапазоне с успехом применяют и гетеродинный приём. В каналах с закрытым пространством оптический сигнал канализируется либо по трубам – световодам с дискретными фазокорректорами (линзы, зеркала), либо по диэлектрическим волоконным световодам.

В последние годы основным направлением стала разработка волоконно-оптических каналов с передачей сигналов в ближнем инфракрасном (длина волны примерно 1 мкм) диапазоне. В качестве генераторов излучения применяются полупроводниковые лазеры и некогерентные источники – светодиоды.

Основные отличия оптических каналов, связанные с малой длиной волны и квантовой природой излучения, заключаются в следующем:

Тепловой шум может быть пренебрежительно мал;

Вследствие квантовых закономерностей параметры сигнала являются случайными, даже в отсутствие мешающих факторов.

В системе с пассивной паузой в пренебрежении тепловыми шумами символ 0 (отсутствие излучения) принимается безошибочно. Тогда как символ 1 (импульс излучения) с ненулевой вероятностью пропускается.

Вследствие высокой частоты несущих колебаний оказываются практически нереализуемыми согласованная фильтрация по частотному спектру и согласованная пространственная селекция сигнала, не выполняется разделение ортогональных сигналов.

Энергия электромагнитного поля имеет дискретную природу – излучается и поглощается квантами ,

где: h = 6,624·10^-34Вт·с / Гц – постоянная Планка, f – частота.

Квантовый шум – это флуктуации измеряемых параметров сигнала.

Квантовый шум не аддитивен, так как он коррелирован с сигналом.

В области инфракрасного и видимого излучений энергия фотона увеличивается, а спектральная плотность средней мощности тепловых флуктуаций уменьшается.

Выводы

1. Шум лазера – это квантовый шум, так как проявляется во флуктуациях параметров сигнала, детерминированного по классическим представлениям.

2. Квантовый шум не является аддитивным, так как зависит от самого полезного сигнала.

Заключение

1. В каналах связи присутствуют помехи, которые ухудшают верность приёма сообщений.

2. Помехи могут быть аддитивными и мультипликативными.

3. Среди аддитивных помех наиболее распространенными являются флуктуационные, сосредоточенные по спектру и импульсные.

4. Удобной моделью аддитивной помехи является белый шум, с помощью которого можно описывать реальные процессы, происходящие в каналах связи.

5. Квантовый шум не является аддитивным, так как зависит от самого полезного сигнала.