نویز – SNR و BER در فیبر نوری

نویز – SNR و BER در فیبر نوری، هدف آشکارساز فیبر نوری ایجاد جریان الکتریکی در پاسخ به فوتون های فرودی است. آشکارساز بایستی انرژی نوری بسیار ضعیف شده را بپذیرد و جریان را تولید نماید. این جریان معمولاً به دلیل سطوح پایین توان نوری درگیر افت(تضعیف) می باشد که اغلب تنها ده ها یا صدها نانووات است. در مراحل بعدی گیرنده سیگنال آشکارساز را تقویت می نماید و احتمالاً تغییر شکل نیز می دهد.

 

نویز – SNR و BER در فیبر نوری

فهرست مطالب

  1. نویز در فیبر نوری
    1. نویز Noise
      1. نویز ضربه ای Shot Noise
      2. نویز حرارتی Thermal Noise
    2. نسبت سیگنال به نویز SNR
    3. نرخ خطا بیت BER

 

 

 

نویز (اختلال) یک پدیده همیشه حاضر است که به طور جدی عملکرد آشکارساز را در شبکه فیبر نوری محدود می نماید. نویز مقداری از انرژی الکتریکی یا نوری جدا از خود سیگنال است. سیگنال در واقع انرژی مورد نیاز می باشد. نویز هر انرژی دیگری است که همراه سیگنال می باشد، یعنی انرژی ناخواسته. اگرچه نویز می تواند در هر قسمت از یک سیستم ارتباطی رخ دهد و وجود داشته باشد، اما بیشترین نگرانی را در ورودی گیرنده ایجاد می نماید.

دلیل آن این است که گیرنده با سیگنال های بسیار ضعیفی فعالیت می نماید که در حین انتقال ضعیف شده اند. اگرچه نویز سیستم در مقایسه با سطوح سیگنال در بیشتر مدارها بسیار کوچک است، اما سطح نویز در رابطه با سیگنال های ضعیف شناسایی شده قابل توجه است. همان سطح نویز در فرستنده معمولاً ناچیز است چراکه سطوح سیگنال در مقایسه با نویز بسیار قوی هستند. در واقع، حد بسیار حساسیت بالای دیود نوری نویز می باشد. سیگنال نوری بسیار ضعیف را نمی توان از نویز تشخیص داد. جهت تشخیص چنین سیگنالی، یا بایستی سطح نویز را کاهش دهیم یا سطح توان سیگنال را افزایش دهیم.

فرایند تقویت گیرنده در واقع هم سیگنال و هم نویز را تقویت می نماید. اگرچه می‌توان از مدارهای الکترونیکی جهت فیلتر کردن برخی از انواع نویز ها استفاده نمود، اما بهتر است سیگنال بسیار قوی‌تر از نویز باشد،به عبارتی مناسب تر است که سطح سیگنال قوی تری داشته باشیم یا سطح نویز ضعیف تری، یا سیگنال سیار قوی تر از نویز باشد. داشتن هر دو حتی بهتر است.

چندین نوع نویز با آشکارساز های نوری (photodetector) و گیرنده های نوری مرتبط می باشد. دو نوع نویز که جهت درک بهتر ما از فتودیودها و فیبر نوری مهم می باشند. نویز ضربه ای Shot Noise و نویز حرارتی Thermal Noise.

 

فوتون های نوری

نویز ضربه ای Shot Noise

نویز ضربه ای از طبیعت گسسته الکترون ها ناشی می شود. در واقع جریان ها یک جریان پیوسته و یکنواخت نمی باشند. در جریان تک تک الکترون های گسسته، منفرد و یا آزاد هستند. به خاطر داشته باشید که فتودیود فعالیت می نماید چراکه فوتون جذب شده یک زوج الکترون-حفره ایجاد می کند که یک الکترون خارجی را به عنوان جریان تنظیم می نماید. این یک توالی سه مرحله ای است: فوتون، حامل های الکترون-حفره، الکترون. ورود و جذب هر فوتون و ایجاد حامل ها بخشی از یک فرآیند تصادفی است. در واقع این یک جریان همگن یا یکنواخت کامل نیست، بلکه مجموعه ای از رخدادهای گسسته است. بنابراین، جریان واقعی در نوسان می باشد، چراکه در هر لحظه زوج الکترون-حفره کم و بیش ایجاد می شود.
نویز ضربه ای حتی زمانی که هیچ نوری روی آشکارساز فرود نمی آید، وجود دارد. حتی بدون نور، جریان کوچکی از جریان حرارتی تولید می‌شود که به ازای هر افزایش 1 درجه سانتی‌گراد، حدود 10 درصد افزایش می‌یابد. یک جریان تاریک معمولی 25 nA در 25 درجه سانتی گراد است.

نویز shot برابر است با

 

نویز شات shot تزریق
که در آن q بار یک الکترون است ( 1.6 × 10-19coulomb ، کولمب)، i جریان متوسط (شامل جریان تاریک و جریان سیگنال)، و B پهنای باند گیرنده است. معادله نشان می‌دهد که نویز shot با جریان و با پهنای باند افزایش می‌یابد. نویز ضربه ای زمانی که فقط جریان تاریک وجود داشته باشد (زمانی که i = جریان تاریک است) به حداقل می رسد و با جریان حاصل از ورودی نوری افزایش می یابد. آشکارساز دارای جریان تاریک 2 nA که در پهنای باند 10 مگاهرتز فعالیت می نماید دارای نویز shot ای برابر  نویز 80 pA می باشد:

حل احتلال تزریق فیبر نوری

نویز حرارتی Thermal Noise

نویز حرارتی که نویز جانسون ( Johnson noise) یا نویز نایکوئیست (Nyquist noise) نیز نامیده می‌شود، از نوسانات مقاومت بار آشکارساز ناشی می‌ شود. الکترون‌های موجود در مقاومت ساکن نیستند: انرژی حرارتی آنها به آنها اجازه می‌دهد به طور مداوم و تصادفی در اطراف حرکت نمایند. در هر لحظه، حرکت خالص می تواند به سمت یک الکترود یا دیگری باشد، به طوری که به طور تصادفی جریان متغیر وجود داشته باشد. این جریان تصادفی به جریان سیگنال فتودیود اضافه می گردد و آن را مخدوش می نماید.

نویز حرارتی برابر است با
نویز حرارتی Thermal Noise

 

که در آن k ثابت بولتزمن Boltzmann (1.38 × 10-23 J/K) و T دمای مطلق کلوین (مقیاس کلوین)، B پهنای باند گیرنده و RL مقاومت بار است.
فرض نمایید مقاومت بار 510-Ω می باشد که در دمای مطلق 298 کلوین فعالیت می نماید. پهنای باند 10 مگاهرتز را فرض نمایید. نویز حرارتی برابر است با
محاسبات Thermal Noise

 

نویز حرارتی و ضربه ای در گیرنده نیز مستقل از توان نوری ورودی وجود دارد چراکه این نویزها از ساختار ماده ناشی می شوند. اگرچه میتوان این نویز ها را با طراحی دقیق دستگاه ها و مدارها به حداقل رساند، اما نمی توان آنها را حذف کرد. هر سیگنالی – نوری، الکتریکی یا صوت انسان – بایستی در مجاورت نویز وجود داشته باشد. در مراحل گیرنده پس از آشکارساز، سیگنال و نویز تقویت می شود. بنابراین، سیگنال باید به طور قابل ملاحظه ای بزرگتر از نویز باشد. اگر توان سیگنال برابر با توان نویز باشد، حتی سیگنال به اندازه کافی تشخیص و شناسایی داده نخواهد شد. به عنوان یک قاعده کلی، سیگنال نوری باید دو برابر جریان نویز باشد تا به اندازه مورد نیاز شناسایی شود.

 

نسبت سیگنال به نویز

نسبت سیگنال به نویز به اختصار SNR مخفف Signal to Noise Ratio یک روش رایج جهت بیان کیفیت سیگنال ها در هر سیستم ارتباطی می باشد. SNR صرفاً نسبت میانگین توان سیگنال به میانگین توان نویز از تمامی منابع نویز است.

نسبت سیگنال به نویز SNR

بر حسب دسی بل SNR برابر است
نسبت سیگنال به نویز بر حسب دسی بل dB

چنانچه جریان سیگنال 50 میکرووات و توان نویز 50 نانووات باشد، نسبت سیگنال به نویز 1000 یا 30 دسی بل است.
یک SNR بزرگ به این معنی است که سیگنال بسیار بزرگتر از نویز است. در فیبر نوری توان سیگنال به توان نوری ورودی بستگی دارد. برنامه های کاربردی مختلف به SNR های متفاوتی نیاز دارند – یعنی سطوح مختلف «مطابقت یا سرسپردگی fidelity» یا رهایی از اعوجاج.

SNR مورد نیاز برای یک کانال صدای تلفن کمتر از مقدار مورد نیاز برای یک سیگنال تلویزیونی است، چراکه مقدار مناسبی از نویز در یک خط تلفن مورد توجه قرار نمی گیرد. ما همچنین اعوجاج بیشتری را در صداها نسبت به کیفیت تصویر تلویزیونی می پذیریم. علاوه بر این، یک سیگنال تلویزیونی با کیفیت پخش، که سیگنال تولید شده توسط شبکه های تلویزیونی است، دارای SNR بالاتری نسبت به سیگنال تلویزیونی دریافتی در خانه های ما است. چرا؟ خود سیگنال پخش در حین ارسال با نویز مواجه می شود. بنابراین بایستی SNR بالاتری داشته باشد تا سیگنال پس از دریافت نویز در حین ارسال و دریافت، همچنان دارای SNR به اندازه کافی بالا باشد تا تصویری واضح و واضح تر ایجاد نماید.

نرخ خطا بیت

در سیستم های دیجیتال، نرخ خطای بیت (BER مخفف BIT ERROR RATE) معمولاً جایگزین SNR به عنوان معیار کیفیت سیستم می شود. BER نسبت بیت های نادرست به بیت های ارسال شده است. نسبت 10-9 به این معنی است که به ازای هر 1 میلیارد بیت ارسالی یک بیت اشتباه دریافت می شود. همانند SNR یا نسبت سیگنال به نویز ، BER مورد نیاز در هر برنامه کاربردی متفاوت است. صداهای تلفن رمزگذاری شده دیجیتال نیاز به BER کمتری نسبت به داده های رایانه دیجیتال دارند، مثلاً 10-6 در مقابل 10-9. چند بیت معیوب باعث ایجاد اعوجاج قابل توجهی در صدا نمی شود. چند بیت معیوب در داده های رایانه می تواند باعث تغییرات قابل توجهی در داده های مالی یا مثلا داده های مربوط به نمرات دانش آموزان شود. بیت های معیوب می توانند به معنای تفاوت بین اجرای موفقیت آمیز یا خراب شدن یک برنامه باشند.

BER و SNR مرتبط هستند. SNR بهتر BER بهتری را به همراه دارد. با این حال، BER به فرمت‌های رمزگذاری داده و طراحی گیرنده نیز بستگی دارد. تکنیک‌هایی جهت تشخیص و تصحیح خطاهای بیت وجود دارد. طرح های تصحیح خطا برای مثال، در یک سیستم معین، ممکن است یک SNR 22 dB دسی بل جهت حفظ BER 10-9 مورد نیاز باشد، در حالی که SNR 17 dB دسی بل، BER 10-9 را به ارمغان می آورد. با این حال، در طراحی دیگری، BER 10-9 ممکن است با SNR 18 dB دسی بل به دست آید.

نویز - SNR و BER در فیبر نوری

 

کابل های فیبر نوری

link

کابل های شبکه مسی

link

تجهیزات فیبر نوری

link

 


linkedin

دیدگاه‌ها (0)

*
*