Код документа: RU2755601C1
Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных областях.
Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].
Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению пороговой чувствительности [4].
Задачей изобретения является обеспечение оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний..
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f0 пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f0, где Т - время измерения частоты f, фиксируют этот порог, определяют квадрат отношения порог/шум по формуле
Частоту fpaб можно устанавливать путем автоматической шумовой стабилизации порога после установления коэффициента лавинного умножения.
Допуск на установку частот fM может быть до 2 раз от выставляемого параметра в большую и меньшую сторону.
На фиг. 1 представлена структурная схема приемника, реализующего способ. На фиг. 2 показан пример зависимости отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения. На фиг. 3 - пример зависимости fМ от f;
Приемник фиг. 1 по предлагаемому способу содержит лавинный фотодиод 1, выход которого через согласующий усилитель 2 подключен ко входу порогового формирователя импульсов 3. Выход последнего связан со входами датчиков частоты 4 и 5. Датчик 4 подключен к источнику смещения фотодиода 6, а датчик 5 - к управляющему входу порогового формирователя 3. Источник смещения 6 и пороговый формирователь 3 подключены к блоку управления 7.
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают частоту f0, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1, 2 до входа порогового формирователя 3.
Перед приемом сигналов включают подготовительный режим, в течение которого устанавливают оптимальные параметры приемного тракта - коэффициент лавинного умножения фотодиода и порог срабатывания порогового устройства. С этой целью в первой фазе подготовительного режима с помощью блока управления устанавливают на источнике смещения 6 низкий уровень напряжения смещения, соответствующий коэффициенту лавинного умножения М=1. Одновременно устанавливают порог срабатывания U формирователя 3 так, чтобы частота f шумовых превышений порога была значительно ниже предельной частоты f0. Это необходимо для обеспечения широкого диапазона регулировки параметров приемника. Вместе с тем, частота шумовых срабатываний должна быть достаточно высокой, чтобы оценка частоты за период усреднения Т была достоверной. Этому требованию отвечает условие
Известно [5-7], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума а на выходе фотодиода
где σ0 и σ1- соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ0) и умножаемой (σ1) составляющих шума.
Частота f пересечений порога U шумовыми выбросами в безлавинном режиме [7]
где
В лавинном режиме [4]
где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, определяемый материалом и структурой фотодиода [4-6].
Квадрат отношения сигнал/шум
Обратная η2 величина (квадрат отношения шум/сигнал)
Производная этой величины
Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.
Условие (8) выполняется при
Частота шумовых превышений порога в лавинном режиме
Подстановка (9) в (10 дает выражение частоты шумовых превышений порога при М=Мопт. С учетом всегда имеющего место условия σ02 >> σ12 (в противном случае режим лавинного умножения невозможен)
Из (2) и (11) следует отношение частот f(M=Mопт) и f(M=1).
Как следует из (12) при постоянных параметрах α, определяемом конструкцией фотодиода, и U/σ, задаваемом частотой f, отношение f(Mопт)/f полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа. В свою очередь, частота f(Mопт). соответствует оптимальной величине коэффициента лавинного умножения, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/шум. Это методическое постоянство упрощает процедуру настройки как в процессе отладки приемника, так и в его рабочем режиме.
Из этого следует также, что частота f может быть любой в самом широком диапазоне при выполнении условий
и
Допуск на частоту f(Mопт) также достаточно широк.
Пример 1.
Зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения.
(σ0/σ1)2=900; (U/σ)2=20; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f0=107 Гц.
В соответствии с (2) f=454 Гц.
При этих данных с помощью (6) вычислена зависимость η(М), график которой приведен на фиг 2.
Мопт=26,46. Максимум квадрата отношения сигнал/шум в относительных единицах равен 140.
Однопроцентное ухудшение отношения сигнал шум соответствует относительному уровню 137. На фиг. 2 пунктиром показаны границы допустимого диапазона М=22-33, отвечающие этому уровню.
Влияние неточности фиксации частоты fM на коэффициент лавинного умножения может быть установлено из (10).
Пример 2
В условиях примера 1 σ12=0,0011 σ02. Тогда
Допустимый разброс частот f(M) согласно (15) составляет
f(Mопт)=1332 кГц (номинальная частота).
f(M=22)=573 кГц.
f(M=33)=2812 кГц.
Столь широкий допуск с большим запасом обеспечивает 99 процентов от теоретически предельного отношения сигнал/шум.
Пример 3 Влияние разброса частоты f на номинальную величину fM.
(σ0/σ1)2=100; (U/σ)2=18,4; α=0,5; f0=107 Гц; f=850…1250 Гц.
Зависимость fM(f) носит линейный характер (фиг. 3), что обеспечивает простоту реализации способа. Для данного примера М=Мопт ~ 20 во всем диапазоне частот.
Таким образом, описанный способ решает поставленную задачу обеспечения оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний.
Источники информации
1. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир., 1969. - 520 с.
2. Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.
3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.
4. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - С. 59.
5. Анисимова И.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.
6. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М: Физматкнига, 2011. - 448 с.
7. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, С. 39-41.
8. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. Главн. ред. физ.-матем. лит., 1970, - С. 392.
Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении максимального отношения сигнал/шум во всех условиях эксплуатации. Изобретение представляет способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f0пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f0, где Т - время измерения частоты f, фиксируют этот порог, определяют квадрат отношения порог/шум по формуле, после чего, управляя напряжением смещения лавинного фотодиода, фиксируют напряжение смещения на этом уровне и устанавливают порог срабатывания, при котором частота fpaбшумовых срабатываний соответствует требованиям в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.