CC BY
46Юрий ВАСИЛЬЕВ, д. т. н., профессор
Многофункциональный
оптоэлектронный процессор
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-устройст-ва — АО демодулятора-спектроанализатора (АОДС), осуществляющего одновременно алгоритмы амплитудно-частотной демодуляции и спектрального (Фурье) анализа радиосигналов при одноканальном вводе в АО-про-цессор анализируемых АМ- и ЧМ-сигналов:
в^ ) = А(г ^трл/^+у^)], (1)
где А^) — изменение амплитуды, / — несущая частота, у(£) — изменение фазы, /(^=/1+у'(^ — изменение частоты сигнала, у'(£) = йу(£)/& 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 ) возбуждает акустическую волну, представляющую собой пространственновременной аналог сигнала в^) 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 г = 1,2 возбуждаются соответственно сигналом (1) и опорным сигналом з2^) = А0х8т(2ге/,£+ф0). Акустические волны распространяются соответственно вдоль координат ж и у. Из [6] следует, что при выборе длины 10 АО-взаимодействия из условия 10 = Х/2Ап, где X — длина волны света, Ап — изменение амплитуды показателя преломления в опорном канале г = 2, засвечивающий ДАОЯ падающий световой пучок интенсивностью 10 расщепляется на два пучка. При выполнении условия Брэгга ф; = агс8т (Х//2 у-) амплитуда интенсивности 1+1И (Е, ^, ^) информационного пучка в +1-ом дифракционном порядке пропорциональна А2(£), а центры информационного 1+1И (Е, ^, ^) и опорного 1+1 О (Е, ^, ^) световых пучков в фокальной плоскости (Е, С,) линзы Фурье с фокусным расстоянием Р смещены относительно друг друга в фокальной плоскости и имеют соответствующие координаты:
Е(%) = ^0+(ХР/2у1)¥'(^1), С = 0), Е = 0, (2)
где Ео = (Х/1Р)/2у1; С0 = (Х/2Р)/2у2; X — длина волны света; у— скорость ультразвука в г-ом акустическом канале ДАОЯ; Е и ^ — координаты, параллельные ж и у соответственно; Т1 = тЧ—(Т1/2),
Т1 = 11 < У^2/(|^тах(^1)|) — апертура
информационного канала г = 1, которая выбирается из условия распространения в пределах Ь1 квазигармонической акустической волны [7], Утах(^1) — максимальная скорость изменения частоты сигнала в(£).
Из (2) следует, что информационный световой пучок (световое пятно) перемещается вдоль координаты Е по закону, идентичному закону изменения частоты у'(£) 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 площад-
кам которого перемещается световое пятно
1+1И(Е, Z, 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) т = L/2 v12 часть апертуры L2 = L-L1 отвечает за формирование вдоль свободной координатной оси 0Е (Z = 0) линзы Фурье пространственно-временного спектра (ПВС) сигнала (1), который имеет вид:
I+1(E, Z, t) = (hAn/KF)21 Щю^-ю^, t)2Х xsin c2(hz/KF), (3)
где 0 5l
= [ A+l (x, /„, t)^ (x, t) exp(j(i>px)dx,
i,-0,5L
sin cZ = sinnZ/nZ,
h — длина АО-взаимодействия вдоль координаты у распространения опорной акустической волны, An — 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 ф1 с частотами /фf1; ?1(x, t) = B(x, t) exp(-jfflE0x) — аналитический пространственно-временной сигнал; B(x, t1) =B(x, t) exp[j2rey(x, t)] — комплексная огибающая; юЕ = k0E/F — текущая пространственная частота; ю^0 = k0£0/F — центральная пространственная частота, к0 = 2ге/Х.
Параметры ДАОЯ выбираются таким образом [8], чтобы в пределах полосы частот A+1(x, l0, t) я 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 —
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2008
І 13
Рисунок. Схема комбинированного акустооптического метода
линза Фурье; 7 — оптоэлектронный демоду-ляторный блок (ДБ); 8 — оптоэлектронный спектральный блок (СБ).
ДБ 7 состоит из ДКЧФ 9, АМ- и ЧМ-кана-лов, 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 Д и Д1 вдоль координат Е и ^. Секции ДКЧФ разделены микрощелью размером ц, наклоненной под углом у к направлению перемещения 0Е информационного светового пучка І+1Я(Е, ^, ^)- Центр ДКЧФ располагается в области перемещения информационного пучка и имеет координаты Е = Е0 и ^ = ^о, соответствующие центральным частотам Л и _/2 анализируемого и опорного сигналов. Теоретический анализ показывает, что с выходов ЧМ- и АМ-каналов ДБ в полосе частот демодуляции:
(2ДЛ) чм =(1,61Т1)[Щ111Ы®)] (4)
поступают электрические сигналы:
UqM (t1) =Г(у)у' (t1)/M(b1),
Uam (t1) = 2M(b1)A2(t1),
динате Еп центра п-й ячейки ПЗС-линейки; п = -(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 ип(т), поступающего с п-й ячейки, описывается выражением:
£/,(*) = (ЛЛ.ОД/х
0,58!
-0,5бі
dt, (6)
(5)
где Г(у) — крутизна дискриминационной характеристики (АЧХ) ЧМ-канала, М(Ь1) = (2/геЬ1){5г(геЬ1)-[8Іп2(0,5геЬ1)/0,5геЬ1]}; Ь1 = Д1/й1, й1 = ХР/Ь — диаметр светового пятна, перемещающегося по ДКЧФ; Б1(е) — интегральный синус.
Из (4) и (5) следует, что электрические сигналы ДБ изменяются во времени по закону изменения частоты у'(£) и квадрата амплитуды А2(£) анализируемого сигнала (1).
Для регистрации спектров сигналов центр ПЗС-фотолинейки размещается в точке с координатами ^ = 0 и Е = Е0. Она накапливает световой поток в течение времени накопления Тп, которое устанавливается с помощью БУ 14. На элементах ПЗС-линейки формируется соответствующий энергетическому спектру (3) электрический зарядовый рельеф qn = д(®Еп), где т^п = к)Еп/Р — пространственная частота, отвечающая коор-
где р(Е) = 1 при 1Е-Еп1 <5/2 и р(Е) = 0 при остальных Е; 5 = 5х51 — площадь ячейки ПЗС-линейки; 5 и 51 — размеры ячейки вдоль Е и ^ В—постоянная, зависящая от материала ПЗС; Яп — сопротивление нагрузки п-й ячейки.
Фокусное расстояние Р линзы 6 выбирается из соотношения Р = уАЕ/2А/Х, где АЕ — размер линейки ПЗС в направлении 0Е. В этом случае пространственные размеры ПЗС-линейки соответствуют полосе частот
2А/ анализа, и при воздействии на вход устройства радиосигнала с полосой частот 2А/ пространственно-временной спектр (3) засвечивает все элементы ПЗС-линейки.
Размер 5 элементарной ячейки много меньше размера ПЗС-линейки, поэтому (6) можно представить в виде:
Ш) =
где K = I0(nl0h/X2P)DRn Дп1 — постоянный множитель; M(b1) — множитель в формуле (5), который рассчитывается при b1 = b1, b1 = 81/d1;
0,5L
= | В(х, ^)ехр[7(ю^-со^)х]й£с.
1^-0,5Ь
Электрические сигналы с линейки ПЗС выводятся с помощью электрических импульсов считывания, поступающих с БУ 14. Напряжение ивых(т) выходного электрического сигнала, поступающего с линейки ПЗС, имеет вид последовательности:
N-1/2 n=(N-1/2)
где q — время задержки между электрическими импульсами, которое равно периоду следования импульсов считывания.
Выходной сигнал USblx (tj, поступающий со спектрального блока 8, имеет вид последовательности электрических импульсов, амплитуды которых пропорциональны отсчетам пространственно-временного энергетического спектра 1Н1(ю%-ю^, t)l2 в точках % = , что соответствует значениям спектра
в частотных точках f = fn.
Экспериментальная проверка подтвердила работоспособность АО-процессора с использованием гетеролазера на длине волны X =1,0 мкм.
Параметры спектрального блока СБ 8 АО-процессора: полоса рабочих частот —
2Дf = 0,95 ГГц; разрешающая способность по частоте — 5f = 1 МГц; динамический диапазон — З5 дБ; длительность т 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 у ' (t) (ЛЧМ-сигналы, АМ/ЧМ-сиг-налы, АМ-сигналы): центральная частота — /о = 1,5 ГГц; разрешающая способность по частоте — 5/Чм =20 кГц.
Литература
1. Васильев Ю. Г. Акустооптический метод демодуляции радиосигналов // Электромагнитные волны и электронные системы. 1998. Т. З, № 2.
2. Васильев Ю. Г. Отношение сигнал-помеха в выходных каналах акустооптического демодулятора радиосигналов // Радиотехника. 2001. № 10.
3. Васильев Ю. Г. Двухкоординатные акустоопти-ческие 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 дифракции света на двух акустических волнах, одна из которых имеет сложный частотный состав // Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29, № 5.
7. Васильев Ю. Г. Акустооптическая демодуляция радиосигналов. Оптические методы обработки изображений и сигналов. Л.: ЛФТИ АН СССР, 1981.
8. Васильев Ю. Г. Особенности дифракции света на сложном ультразвуковом сигнале. Оптические методы обработки изображений и сигналов. Л.: ЛФТИ АН СССР, 1981.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2008
www.kit-e.ru
