Откуда на экране берутся эти мелкие помехи?
На экранах измерительных приборов, таких как демодуляторы волоконно-оптических решеток, спектрометры или оптоэлектронные осциллографы, вы можете наблюдать беспорядочные, быстро меняющиеся «зубцы». В физике и оптоэлектронике они называются шумом (Noise). Самая низкая средняя базовая линия, на которой колеблются эти зубцы, — это уровень шума (Noise Floor) системы.
Эти «зубцы» не являются неисправностью прибора, а вызваны случайными движениями микрочастиц и флуктуациями энергии в оптоэлектронной системе. Их физические источники можно свести к следующим трем уровням:
I. Оптические источники шума (Optical Noise)
- Шум относительной интенсивности источника света и шум спонтанного излучения (ASE Noise)
Оптическая мощность любого физического источника света (например, широкополосного источника со сверхлюминесцентным диодом с когерентным излучением или перестраиваемого полупроводникового лазера внутри демодулятора) не может быть абсолютно постоянной. Вынужденное и спонтанное излучение фотонов на микроскопическом уровне имеет случайные фазовые и интенсивные возмущения, вызывая незначительные флуктуации в выходном спектре. - Фотонный дробовой шум (Shot Noise)
Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом. В микроскопическом масштабе процесс достижения фотонами поверхности фотодетектора следует распределению Пуассона. Эти квантовые случайные флуктуации фотонного потока преобразуются в флуктуации электрического сигнала. Среднеквадратичный ток шума дробового шума пропорционален квадратному корню из среднего тока I , а именно \sqrt{I} .
II. Электрические источники шума (Electrical Noise)
Даже при отсутствии входного светового сигнала (например, если оптический канал демодулятора не подключен) экран будет заполнен «зубцами». В основном это происходит из-за электрического шума:
- Тепловой шум (Thermal Noise / Johnson-Nyquist Noise)
Пока температура выше абсолютного нуля, электроны внутри проводника совершают хаотичные тепловые движения. Эти тепловые движения вызывают случайные флуктуации напряжения на эквивалентных сопротивлениях детектора и последующих усилителей. Среднеквадратичное напряжение шума составляет:v_n = \sqrt{4 k_B T R \Delta f}где k_B — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, R — эквивалентное сопротивление, \Delta f — полоса пропускания измерительной системы. - Шум темнового тока (Dark Current Noise)
Фотодетекторы (например, PIN-фотодиоды) в темноте, без какого-либо освещения, из-за термической активации носителей заряда внутри полупроводникового материала все равно генерируют слабый темновой ток. Случайные флуктуации темнового тока также напрямую проявляются как зубцы уровня шума. - Шум предусилителя (Amplifier Noise)
Слабый фототок, генерируемый детектором (обычно в диапазоне от наноампер \text{nA} до микроампер \mu\text{A} ), должен быть усилен трансимпедансным усилителем (TIA). В процессе этого усиления полупроводниковые компоненты внутри усилителя вносят дополнительный фликкер-шум ( 1/f шум) и тепловой шум.
III. Шум оцифровки и окружающей среды
- Шум квантования (Quantization Noise)
При преобразовании аналогового электрического сигнала в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и отображении его на экране, возникает ограничение разрешения АЦП (например, 16-бит или 24-бит). «Ошибка округления» в процессе дискретного дискретизации вносит эквивалентный белый шум. - Электромагнитные помехи (EMI)
Пространственное электромагнитное излучение в рабочей среде прибора (например, помехи от сетевой частоты 50 Гц, внешние радиочастотные сигналы и т. д.), а также высокочастотные тактовые сигналы внутренних цифровых схем прибора, если они проникают в аналоговый фронт-энд, могут еще больше увеличить амплитуду зубцов на экране.
Проявление в реальных приложениях (на примере демодулятора волоконно-оптических решеток)
Это физическое явление особенно наглядно проявляется при измерении с помощью датчиков на основе волоконно-оптических решеток (FBG). Возьмем в качестве примера демодулятор волоконно-оптических решеток OFSCN® (Fiber Bragg Grating Interrogator):
-
При неподключенном канале:
Если к демодулятору не подключен ни один датчик, на экране спектра программного обеспечения демодулятора отображается кривая с зубцами на очень низком уровне (обычно от -65\text{ dBm} до -80\text{ dBm} , в зависимости от шумовой эквивалентной мощности встроенного фотодетектора системы), которая быстро дрожит. Это физический электрический уровень шума, образованный совокупностью теплового шума детектора, темнового тока и шума квантования АЦП. -
При подключенном датчике FBG:
Когда датчик FBG подключен к системе, пиковая оптическая мощность отраженного пика (обычно от -30\text{ dBm} до -50\text{ dBm} ) значительно превышает уровень шума. В этом случае базовая линия по обе стороны от формы отраженного пика по-прежнему будет заполнена мелкими зубцами.Демодулятор волоконно-оптических решеток OFSCN® (Fiber Bragg Grating Interrogator) с помощью встроенного фотодетектора с широким динамическим диапазоном и оптимизированной схемы фронт-энда способен подавлять уровень шума до чрезвычайно низкого значения. В то же время, его сопутствующее программное обеспечение, путем установки соответствующего порога фильтрации (Threshold), может автоматически отфильтровывать «зубцы» уровня шума и использовать алгоритмы центроиды или гауссовой аппроксимации для высокоточного определения пика отражения, тем самым извлекая стабильные данные измерений длины волны с разрешением до 0.1\text{ pm} или 1\text{ pm} в физически зашумленном мире.
Заключение
Постоянно скачущие мелкие зубцы на экране являются проекцией законов термодинамики и квантовой механики природы на макроскопические измерительные приборы. Превосходный инжиниринг системы (такой как хорошее электромагнитное экранирование, проектирование малошумящих усилителей и точная фильтрация алгоритмами) как раз и осуществляется путем контроля и изоляции этих источников шума, чтобы постоянно снижать уровень шума и тем самым повышать точность и пределы измерений.