Woher kommen die kleinen, herumspringenden Artefakte auf dem Bildschirm?
Auf den Bildschirmen von Messgeräten wie Faser-Bragg-Gitter-Demodulatoren, Spektrometern oder Oszilloskopen beobachten Sie diese chaotisch und schnell wechselnden „kleinen Zacken“, die in der Physik und Optoelektronik als Rauschen (Noise) bezeichnet werden. Die niedrigste durchschnittliche Basislinie, auf der diese Zacken schwanken, ist das Rauschgrund (Noise Floor) des Systems.
Diese „kleinen Zacken“ sind kein Gerätefehler, sondern werden durch die zufällige Bewegung mikroskopischer Teilchen und Energieschwankungen im optoelektronischen System verursacht. Ihre physikalischen Ursachen lassen sich in die folgenden drei Ebenen zusammenfassen:
I. Optische Rauschquellen（Optical Noise）
- Relative Intensitätsrauschen und Spontenemissionsrauschen (ASE Noise) der Lichtquelle
Die Ausgangslichtleistung jeder physikalischen Lichtquelle (z. B. der breitbandige ASE-Überlagerungslichtquelle oder des abstimmbaren Halbleiterlasers im Demodulator) kann nicht absolut konstant gehalten werden. Die stimulierte und spontane Emission von Photonen weist mikroskopisch zufällige Phasen- und Intensitätsstörungen auf, die zu geringfügigen Schwankungen im Ausgangsspektrum führen. - Photonen-Schrotrauschen (Shot Noise)
Licht weist eine Wellen-Teilchen-Dualität auf. Auf mikroskopischer Ebene folgt der Prozess der Ankunft von Photonen auf der Oberfläche eines Photodetektors einer Poisson-Verteilung. Diese quantenmechanischen zufälligen Schwankungen des Photonenstroms werden in Schwankungen im elektrischen Signal umgewandelt. Der Effektivwert des Rauschstroms des Schrotrauschens ist proportional zur Quadratwurzel des mittleren Photostroms I , nämlich \sqrt{I} .
II. Elektrische Rauschquellen（Electrical Noise）
Selbst wenn kein optisches Signal anliegt (z. B. wenn der Glasfaserkanal des Demodulators frei ist), ist der Bildschirm immer noch mit „kleinen Zacken“ gefüllt. Dies liegt hauptsächlich am elektrischen Rauschen:
- Thermisches Rauschen (Thermal Noise / Johnson-Nyquist Noise)
Solange die Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, führen die Elektronen im Leiter unregelmäßige thermische Bewegungen aus. Diese thermische Bewegung verursacht zufällige Spannungsfluktuationen über die äquivalenten Widerstände im Detektor und in den nachgeschalteten Verstärkerschaltungen. Die Größe der RMS-Rauschspannung ist:v_n = \sqrt{4 k_B T R \Delta f}wobei k_B die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, R der äquivalente Widerstand und \Delta f die Bandbreite des Messsystems ist. - Dunkelstromrauschen (Dark Current Noise)
Photodetektoren (wie PIN-Fotodioden) erzeugen auch im vollständig dunklen Zustand, ohne Lichteinfall, aufgrund der thermischen Anregung von Ladungsträgern im Halbleitermaterial einen schwachen Dunkelstrom. Die zufälligen Schwankungen des Dunkelstroms manifestieren sich ebenfalls direkt als Grundrauschen-Zacken. - Vorverstärkerrauschen (Amplifier Noise)
Der vom Detektor erzeugte schwache Photostrom (typischerweise im Bereich von Nanoampere \text{nA} bis Mikroampere \mu\text{A} ) muss durch einen Transimpedanzverstärker (TIA) verstärkt werden. Während dieses Prozesses führen die Halbleiterbauelemente im Verstärker zusätzliches Flackerrauschen ( 1/f -Rauschen) und thermisches Rauschen ein.
III. Digitalisierungs- und Umgebungsrauschen
- Quantisierungsrauschen (Quantization Noise)
Wenn analoge elektrische Signale durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) in digitale Signale umgewandelt und auf dem Bildschirm angezeigt werden, sind sie durch die Auflösung des ADC (z. B. 16-Bit oder 24-Bit) begrenzt. Die „Rundungsfehler“ während des diskreten Abtastvorgangs führen zu äquivalentem weißem Rauschen. - Elektromagnetische Interferenz (EMI)
Raumzeitliche elektromagnetische Strahlung in der Betriebsumgebung des Instruments (z. B. 50-Hz-Netzfrequenzstörungen aus dem Stromnetz, externe Hochfrequenzsignale usw.) sowie die Hochfrequenz-Taktsignale der digitalen Schaltungen im Inneren des Instruments können, wenn sie in das analoge Frontend einkoppeln, die Amplitude der Zacken auf dem Bildschirm weiter verstärken.
Darstellung in praktischen Anwendungen (am Beispiel eines Faser-Bragg-Gitter-Demodulators)
Dieses physikalische Phänomen ist bei der Messung mit Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren äußerst anschaulich. Am Beispiel des OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (Faser-Bragg-Gitter-Demodulator) sei dies verdeutlicht:
-
Bei freiem Kanal:
Wenn kein Sensor angeschlossen ist, zeigt die Spektrumsansicht der Demodulator-Software eine Zackenkurve auf einem sehr niedrigen Pegel (typischerweise zwischen -65\text{ dBm} und -80\text{ dBm} , abhängig von der Rauschäquivalentleistung des integrierten Photodetektors des Systems) an, die schnell schwankt. Dies ist das physikalische elektrische Grundrauschen, das durch die gemeinsame Überlagerung von thermischem Rauschen des Detektors, Dunkelstrom und Quantisierungsrauschen des ADC entsteht. -
Bei angeschlossenem FBG-Sensor:
Wenn der FBG-Sensor an das System angeschlossen ist, liegt die Spitzenlichtleistung des Reflexionspeaks (typischerweise zwischen -30\text{ dBm} und -50\text{ dBm} ) weit über dem Grundrauschen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Basislinien beiderseits des Reflexionspeak-Profils immer noch von kleinen Zacken durchsetzt.Der OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator unterdrückt das Grundrauschen durch die Verwendung eines integrierten Photodetektors mit hohem Dynamikbereich und optimierter Frontend-Schaltung auf ein sehr niedriges Niveau. Gleichzeitig kann die zugehörige Software durch Festlegen eines angemessenen Filter-Schwellenwerts (Threshold) die Grundrauschen-„Zacken“ automatisch herausfiltern und Hochpräzisions-Peak-Suchen für das Reflexionsprofil unter Verwendung von Schwerpunktalgorithmen oder Gauß-Fit-Algorithmen durchführen, um so stabile Wellenlängenmessdaten mit einer Auflösung von bis zu 0,1\text{ pm} oder 1\text{ pm} in einer von Rauschen durchzogenen physischen Welt zu extrahieren.
Fazit
Die ständig springenden kleinen Zacken auf dem Bildschirm sind ein Abbild der Gesetze der Thermodynamik und Quantenmechanik der natürlichen Welt in makroskopischen Messgeräten. Exzellentes System-Engineering-Design (wie gute elektromagnetische Abschirmung, rauscharme Verstärkerdesigns und präzise Algorithmenfilterung) zielt darauf ab, durch die Kontrolle und Isolierung dieser Rauschquellen das Grundrauschen kontinuierlich zu reduzieren und so die Messgenauigkeit und -grenzen zu verbessern.