Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №10

Многофункциональный оптоэлектронный процессор

Васильев Юрий


Оптоэлектронные методы обработки сигналов наиболее перспективны для многофункциональной аппаратуры XXI века. Среди них следует выделить акустооптические (АО) методы, которые находят широкое применение для обработки [1, 2], коммутации сигналов и доступа в тракт передачи волоконно-оптических систем передачи информации [3–5].

Внедрение акустооптических методов обработки (АОМО) в аппаратуру осуществляется в виде оптоэлектронных/АО процессоров, которые имеют по сравнению с радиоэлектронными аналогами существенные преимущества: малые габариты при многофункциональности алгоритмов обработки; возможность обработки сигналов в реальном масштабе времени в широкой полосе частот (от сотен МГц до единиц ГГц); работа непосредственно на несущих частотах излучаемых сигналов до десятков ГГц; простота реализации математических алгоритмов обработки.

Информационные характеристики радиосигналов — это их временные и спектральные параметры. Поэтому решение комбинированных задач — одновременное определение в реальном масштабе времени временных и спектральных параметров сигналов — является актуальной проблемой.

В статье представлены результаты исследования АО–процессора в виде многофункционального комбинированного АО–устройства — АО демодулятора–спектроанализатора (АОДС), осуществляющего одновременно алгоритмы амплитудно–частотной демодуляции и спектрального (Фурье) анализа радиосигналов при одноканальном вводе в АО–процессор анализируемых АМ– и ЧМ–сигналов:

  s1(t) = A(t)×sin[2πf1t+ψ(t)], (1)
где A(t) — изменение амплитуды, f1 — несущая частота, ψ(t) — изменение фазы, f(t) = f1+ψ'(t) — изменение частоты сигнала, ψ'(t) = dψ(t)/dt.

АОДС определяет в реальном масштабе времени временные и спектральные параметры сигналов, поступающих на вход такого АО–процессора.

Элементом ввода электрических сигналов в устройство является двухкоординатная АО–ячейка (ДАОЯ), в которой анализируемый сигнал s1(t) возбуждает акустическую волну, представляющую собой пространственновременной аналог сигнала s1(t) в виде движущейся дифракционной решетки, на которой дифрагирует коллимированный лазерный пучок, засвечивающий АО–ячейку.

Работа АОДС основана на теории двухкоординатного АО–взаимодействия [6]. Для демодуляции и спектрального анализа используется ДАОЯ, в которой акустические каналы i = 1,2 возбуждаются соответственно сигналом (1) и опорным сигналом s2(t) = A0×sin(2πf2t+φ0). Акустические волны распространяются соответственно вдоль координат x и y. Из [6] следует, что при выборе длины l0 АО–взаимодействия из условия l0 = λ/2Δn, где λ — длина волны света, Δn — изменение амплитуды показателя преломления в опорном канале i = 2, засвечивающий ДАОЯ падающий световой пучок интенсивностью I0 расщепляется на два пучка. При выполнении условия Брэгга φi = arcsin(λfi/2vi) амплитуда интенсивности I+1И(ξ, ζ, t1) информационного пучка в +1–ом дифракционном порядке пропорциональна A2(t), а центры информационного I+1И(ξ, ζ, t1) и опорного I+1О(ξ, ζ, t1) световых пучков в фокальной плоскости (ξ, ζ) линзы Фурье с фокусным расстоянием F смещены относительно друг друга в фокальной плоскости и имеют соответствующие координаты:

  ξ(t1) = ξ0+(λF/2v1)ψ'(t1), ζ = ζ0, ξ = 0, (2)
где ξ0 = (λf1F)/2v1; ζ0 = (λf2F)/2v2; λ — длина волны света; vi — скорость ультразвука в i–ом акустическом канале ДАОЯ; ξ и ζ — координаты, параллельные x и y соответственно; T1 = t1−(T1/2), апертура max информационного канала i = 1 —
,
которая выбирается из условия распространения в пределах L1 квазигармонической акустической волны [7], ψ'max(t1) — максимальная скорость изменения частоты сигнала s(t).

Из (2) следует, что информационный световой пучок (световое пятно) перемещается вдоль координаты ξ по закону, идентичному закону изменения частоты ψ'(t) сигнала (1). Этот эффект используется для демодуляции с помощью специального демодуляторного блока (ДБ), включающего в себя в качестве основного элемента двухсекционный координатно–чувствительный фотоприемник (ДКЧФ), по светочувствительным площадкам которого перемещается световое пятно I+1И(ξ, ζ, t1). В этом случае с 1–й и 2–й фотоплощадок ДКЧФ поступают соответствующие электрические сигналы.

Для осуществления одновременно с демодуляцией алгоритма спектрального анализа апертуру L ДАОЯ выбирают из условия L = L1+L2. В этом случае при длительности сигнала (1) τ = L/2v12 часть апертуры L2 = L−L1 отвечает за формирование вдоль свободной координатной оси 0ξ (ζ = 0) линзы Фурье пространственно–временного спектра (ПВС) сигнала (1), который имеет вид:

  I+1(ξ, ζ, t) = (hΔn/λF)2|H˜  (ωξ − ωξ0, t)2× sin c2(hζ/λF), (3)
где
H˜  (ωξ − ωξ0, t) = L1 − 0,5L0,5LA+1(x, l0, t)s˜  1(x, t)exp(jωξx)dx,
sin cZ=sinπZ/πZ
h — длина АО–взаимодействия вдоль координаты y распространения опорной акустической волны, Δn — изменение амплитуды n0 показателя преломления в информационном канале i = 1 ДАОЯ, A+1(x, l0, t) — амплитуда дифрагированной световой волны [8], описывающая амплитудные искажения, вызванные рассогласованием угла Брэгга φ1 с частотами f ≠ f1; s˜  1(x, t) = B˜  (x, t)exp(−jωξ0x) — аналитический пространственно–временной сигнал; B˜  (x, t1) = B(x, t)exp[j2πψ(x, t)] — комплексная огибающая; ωξ = k0ξ/F — текущая пространственная частота; ωξ0 = k0ξ0/F — центральная пространственная частота, k0 = 2π/λ.

Параметры ДАОЯ выбираются таким образом [8], чтобы в пределах полосы частот A+1(x, l0, t) ≈ const. В этом случае соотношение (3) представляет собой энергетический Фурье–спектр радиосигнала (1).

Комбинированный акустооптический метод (КАОМ) нашел практическое воплощение в АОДС, изображенном на рисунке, где 1 — лазерный световой пучок; 2 — ДАОЯ, состоящая из двух акустических каналов 3 и 4; 5 — генератор опорного сигнала (ГОС), подключенный к пьезопреобразователю 3; 6 — линза Фурье; 7 — оптоэлектронный демодуляторный блок (ДБ); 8 — оптоэлектронный спектральный блок (СБ).

Рисунок. Схема комбинированного акустооптического метода
Рисунок. Схема комбинированного акустооптического метода

ДБ 7 состоит из ДКЧФ 9, АМ– и ЧМ–каналов, которые включают в себя сумматор 10 и вычитающее устройство 11 с делителем 12, они могут быть выполнены в виде микросхем соответствующих операционных усилителей.

Выходной СБ 8 содержит линейку ПЗС 13 и электронный блок управления (БУ) 14. Каждая светочувствительная секция ДКЧФ имеет размеры Δ и Δ1 вдоль координат ξ и ζ. Секции ДКЧФ разделены микрощелью размером μ, наклоненной под углом γ к направлению перемещения 0ξ информационного светового пучка I+1И(ξ, ζ, t1). Центр ДКЧФ располагается в области перемещения информационного пучка и имеет координаты ξ = ξ0 и ζ = ζ0, соответствующие центральным частотам f1 и f2 анализируемого и опорного сигналов. Теоретический анализ показывает, что с выходов ЧМ– и АМ–каналов ДБ в полосе частот демодуляции:

  (2Δf )ЧМ = (1,6/T1)[1+(L1/htgγ)] (4)
поступают электрические сигналы:
  UЧМ(t1) = Γ(γ)ψ'(t1)/M(b1),
U(t1) = 2M(b1)A2(t1),
(5)
где Γ(γ) — крутизна дискриминационной характеристики (АЧХ) ЧМ–канала, M(b1) = (2/πb1){Si(πb1)−[sin2(0,5πb1)/0,5πb1]}; b1 = Δ1/d1, d1 = λF/h — диаметр светового пятна, перемещающегося по ДКЧФ; Si(ε) — интегральный синус.

Из (4) и (5) следует, что электрические сигналы ДБ изменяются во времени по закону изменения частоты ψ'(t) и квадрата амплитуды A2(t) анализируемого сигнала (1).

Для регистрации спектров сигналов центр ПЗС–фотолинейки размещается в точке с координатами ζ = 0 и ξ = ξ0. Она накапливает световой поток в течение времени накопления Tn , которое устанавливается с помощью БУ 14. На элементах ПЗС–линейки формируется соответствующий энергетическому спектру (3) электрический зарядовый рельеф qn = q(ωξn), где ωξn = k0ξn/F — пространственная частота, отвечающая координате ξn центра n–й ячейки ПЗС–линейки; n = −(N−1/2), …, 0, …, (N−1/2).

Вывод зарядов qn с фотолинейки осуществляется в последовательном режиме с помощью электрических импульсов считывания, которые подаются на регистр сдвига ПЗС–линейки с БУ 14. Напряжение сигнала Un(t), поступающего с n–й ячейки, описывается выражением:

  Un(t) = (DRn/STn) Tn∫× [−0,5δ10,5δ1−∞p(ξ)I+1(ξ, ζ, t)dξdζ]dt (6)
где p(ξ) = 1 при |ξ − ξn| ≤ δ/2 и p(ξ) = 0 при остальных ξ; S = δ×δ1 — площадь ячейки ПЗС–линейки; δ и δ1 — размеры ячейки вдоль ξ и ζ; D — постоянная, зависящая от материала ПЗС; Rn — сопротивление нагрузки n–й ячейки.

Фокусное расстояние F линзы 6 выбирается из соотношения F = vΔξ/2Δfλ, где Δξ — размер линейки ПЗС в направлении 0ξ. В этом случае пространственные размеры ПЗС–линейки соответствуют полосе частот 2Δf анализа, и при воздействии на вход устройства радиосигнала с полосой частот 2Δf пространственно–временной спектр (3) засвечивает все элементы ПЗС–линейки.

Размер δ элементарной ячейки много меньше размера ПЗС–линейки, поэтому (6) можно представить в виде:

Un(t1) =
= [KM(b˜  11/Tn] Tn∫|H1ξ − ωξ0, t)|2dt,
где K = I0(πl0h/λ2F)DRnΔn1 — постоянный множитель; M(b˜  1) — множитель в формуле (5), который рассчитывается при b1 = b˜  1, b˜  1 = δ1/d1;
H1ξ − ωξ0, t) =
= L1 − 0,5L0,5LB˜  (x, t)exp[j(ωξ − ωξ0)x]dx

Электрические сигналы с линейки ПЗС выводятся с помощью электрических импульсов считывания, поступающих с БУ 14. Напряжение Uвых(t) выходного электрического сигнала, поступающего с линейки ПЗС, имеет вид последовательности:

N − 1/2
Uвых(t) = Un(t − nq)
n=(N − 1/2)
где q — время задержки между электрическими импульсами, которое равно периоду следования импульсов считывания.

Выходной сигнал Uвых(t1), поступающий со спектрального блока 8, имеет вид последовательности электрических импульсов, амплитуды которых пропорциональны отсчетам проcтранственно–временного энергетического спектра |H1ξ − ωξ0, t )|2 в точках ξ = ξn, что соответствует значениям спектра в частотных точках f = fn.

Экспериментальная проверка подтвердила работоспособность АО–процессора с использованием гетеролазера на длине волны λ = 1,0 мкм.

Параметры спектрального блока СБ 8 АО–процессора: полоса рабочих частот — 2Δf = 0,95 ГГц; разрешающая способность по частоте — δf = 1 МГц; динамический диапазон — 35 дБ; длительность τ обрабатываемых сигналов при работе спектрального канала в режиме приема импульсных сигналов составила не менее 2,5 мкс.

Канал демодуляции и ДБ 7 проверялись при подаче на вход АО–процессора непрерывных и импульсных сигналов с различными видами частотной модулирующей функции ψ'(t) (ЛЧМ–сигналы, АМ/ЧМ–сигналы, АМ–сигналы): центральная частота — f0 = 1,5 ГГц; разрешающая способность по частоте — δfЧМ = 20 кГц.

Литература

  1. Васильев Ю. Г. Акустооптический метод демодуляции радиосигналов // Электромагнитные волны и электронные системы. 1998. Т. 3, № 2.
  2. Васильев Ю. Г. Отношение сигнал–помеха в выходных каналах акустооптического демодулятора радиосигналов // Радиотехника. 2001. № 10.
  3. Васильев Ю. Г. Двухкоординатные акустооптические переключатели // Радиотехника. 1997. № 10.
  4. Васильев Ю. Г. Microoptical commutation Devices for Microsystem Technique // Тезисы докладов междунар. научно–техн. конференции «СЕНСОР–2000». Санкт–Петербург, 2000.
  5. Васильев Ю. Г. Спектральное оптическое устройство доступа в канал передачи ВОСПИ на основе градиентных микролинз // Компоненты и технологии. 2007. № 7.
  6. Васильев Ю. Г. Особенности дифpакции света на двух акустических волнах, одна из котоpых имеет сложный частотный состав // Радиотехника и электpоника. 1984. Т. 29, № 5.
  7. Васильев Ю. Г. Акустооптическая демодуляция pадиосигналов. Оптические методы обpаботки изобpажений и сигналов. Л.: ЛФТИ АH СССР, 1981.
  8. Васильев Ю. Г. Особенности дифpакции света на сложном ультpазвуковом сигнале. Оптические методы обpаботки изобpажений и сигналов. Л.: ЛФТИ АH СССР, 1981.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке