CC BY
49
а)
б)
Рис. 4. Схема ДУ (см. рис. 2): а - в среде компьютерного моделирования Cadence и ее амплитудно-частотная характеристика; б - без обратной связи при разных С4
в среде Cadence, а на рис. 4, б - зависимость ее верхней граничной частоты (по уровню -3дБ) от емкости дополнительного конденсатора С3. Введение данного конденсатора расширяет полосу пропускания ОУ в 4-5 раз, что не наблюдается в классических схемах.
Рассмотренный метод повышения коэффициента усиления и расширения диапазона рабочих частот имеет существенные преимущества по сравнению с известным по коэффициенту усиления по напряжению К , частотному диапазону и, как показывает эксперимент, напряжению смещения нуля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент Франции № 2409640
2. Патент США № 5.886.577
3. Voinigescu, S.P. Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up
to 37-GHz Unity Gain Bandwidth [Текст]/З.Р. Voinigescu [et al.]//IEEE CSICS, Techn. Digest.-Nov. 2005.-Фиг. 2. P. 283-286
УДК 535.241.19
С.А. Рогов, С.В. Розов, В.В. Скороход
УВЕЛИЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА АКУСТООПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗАТОРА СПЕКТРА С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ
Акустооптические устройства находят применение для спектрального и корреляционного анализа сигналов и решения других задач обработки информации, где требуется высокая скорость выполнения математических преобразований. Достоинства акустооптических (АО) устройств по сравнению с чисто электронными аналогами -простота, меньшие габариты, энергопотребление
и стоимость. Их недостатком считается сравнительно низкий динамический диапазон, связанный с нелинейностью АО взаимодействия. Практически он не превосходит 30-40 дБ.
С целью увеличения динамического диапазона АО устройств могут использоваться различные приемы, например, двухканальные системы [1] или устройства интерференционного типа [2, 3],
однако использование этих методов в практических системах оказывается достаточно сложным. Во многих задачах высокие требования к динамическому диапазону обрабатываемых сигналов определяются неизвестным уровнем сигнала на входе системы. При этом достаточно согласовать уровень входных сигналов с динамическим диапазоном АО устройства с помощью автоматической регулировки усиления (АРУ).
Устройство АРУ состоит, как правило, из чувствительного элемента, определяющего уровень сигнала в некоторой точке системы, петли обратной связи и регулирующего элемента. В АО анализаторе спектра с ПЗС-фотоприемником, в зависимости от расположения в системе чувствительного элемента, АРУ может ограничивать мощность сигнала перед АО модулятором, или уровень выходного сигнала фотоприемника. В первом случае АРУ не позволяет сигналу выйти за пределы динамического диапазона АО процессора. Чувствительный элемент такого АРУ измеряет уровень сигнала в усилительном тракте анализатора спектра. В качестве регулирующих элементов могут использоваться аттенюаторы, уменьшающие усиление радиотракта для больших сигналов.
В АРУ второго типа чувствительный элемент измеряет выходной сигнал ПЗС-фотоприемника. Регулироваться может усиление в радиотракте, мощность лазера, время накопления фотоприемника. Величина выходного сигнала ПЗС зависит не только от мощности, но и от длительности сигнала и ширины его спектра. Поскольку АРУ второго типа регулирует выходной сигнал анализатора спектра независимо от этих параметров, диапазон изменения мощности сигнала в тракте усиления АО процессора может быть снижен при обработке сигналов с разной длительностью и шириной полосы. Изменение мощности лазера для поддержания выходного сигнала ПЗС системой АРУ второго типа вряд ли целесообразно, т. к. при такой регулировке происходит одновременно и изменение шума (светового фона). Регулировка с использованием переменного накопления фотоприемника приводит к аналогичным результатам; кроме того, время накопления обычно стараются сделать минимально возможным для увеличения быстродействия всей системы. АРУ второго типа привлекает возможностью регулировки усиления в АО анализаторе спектра по выбранному сиг-
налу на выходе ПЗС. В условиях сильных помех при этом можно избежать подавления слабого сигнала, которое возникает в АРУ первого типа при регулировке усиления по помехе. АРУ второго типа, однако, требует фильтрации помехи в регистрируемом спектре с помощью вторичной цифровой обработки и, в целом, оказывается достаточно сложным устройством.
Нами был разработан АО анализатор спектра с простой цифровой АРУ первого типа. Исследования показали, что диапазон изменения мощности входных сигналов анализатора составил 60 дБ. Динамический диапазон АО процессора по двум сигналам, ограниченный появлением над оптическим фоном интермодуляционных членов третьего порядка составлял при этом 35 дБ, динамический диапазон системы съема на основе линейного ПЗС-фотоприемника - 25 дБ.
Функциональная схема устройства АРУ приведена на рис. 1. Устройство работает следующим образом. Высокочастотный сигнал с уровнем, определяемым аттенюаторами «атт», детектируется и усиливается логарифмическим усилителем.
На входе АЦП появляется цифровой код, пропорциональный логарифму входного уровня. В контроллере формируется скользящий массив принятых значений кода; элементы массива усредняются с небольшой постоянной времени для сглаживания коротких выбросов при обработке импульсных сигналов. Постоянная времени усреднения может варьироваться в зависимости от характера сигнала и помех на входе системы. Из ряда сглаженных значений амплитуды выбираются максимальные за время измерения и сравниваются с порогом срабатывания. В случае превышения максимума над порогом контроллер вырабатывает управляющий сигнал для аттенюатора, уменьшая, тем самым, усиление радиотракта до подпорогового значения.
Величина порога выбирается экспериментально, исходя из отсутствия насыщения ПЗС-фотоприемника для обрабатываемых сигналов. При таком пороге динамический диапазон системы по двум сигналам не превышает динамического диапазона ПЗС-фотоприемника, а диапазон изменения уровня входных сигналов равен динамическому диапазону ПЗС-фотоприемника плюс глубина регулировки АРУ.
Глубина регулировки АРУ ограничивается диапазоном регулировки затухания аттенюаторов
Рис.1. Функциональная схема АРУ
атт - аттенюатор; АД - амплитудный детектор; ДМ - делитель мощности
и верхней границей динамического диапазона ВЧ тракта в точке измерения уровня сигнала. Для увеличения глубины регулировки может быть предусмотрен второй порог, величина которого находится за пределами линейного участка амплитудной характеристики ВЧ тракта. Если этот порог превышается, устройство АРУ вводит ступенчатое ослабление в сигнал, позволяющее произвести точное измерение его в пределах линейного участка и обеспечить необходимую регулировку коэффициента усиления системы. В рассмотренном варианте системы АРУ этот метод увеличения динамического диапазона не использовался.
Сигнал в усилительном тракте после обработки устройством АРУ зависит от величины
входного сигнала и от величины порога срабатывания АРУ. При наличии помехи, с порогом АРУ сравнивается величина суммарного сигнала, зависящего от амплитуд сигнала и помехи и принципиальной схемы детектора и усилителя сигнала АРУ.
В действующем макете акустооптического анализатора спектра в качестве измерительного элемента использовалась микросхема LT5534, которая представляет собой логарифмический усилитель-детектор с динамическим диапазоном 60 дБ и полосой рабочих частот 50-3000 МГц (рис. 2) [4].
В основу работы LT5534 положен принцип кусочно-линейной аппроксимации сквозной лога-
RF INPUT
47Q
VouT
Рис. 2. Структурная схема микросхемы LT5534
рифмической характеристики цепочкой каскадно включенных усилителей-ограничителей с декадным шагом ограничения. Выход каждого ограничителя снабжен отдельным детектором сигнала, последующее суммирование выходных сигналов детекторов формирует итоговую сквозную логарифмическую характеристику.
Для аналогово-цифрового преобразования сигналов в разработанном устройстве АРУ использовался 12-разрядный АЦП типа AD9235BRU-40 с частотой преобразования 40 МГц, тактовой частотой - 80 МГц. Время измерения амплитуды сигналов в АРУ могло устанавливаться в широких пределах в зависимости от характера обрабатываемых сигналов. В качестве регулирующих элементов применены три аттенюатора типа HMC 306 MS10 (Hittite) с временем установления 50 нс
и общей глубиной регулировки усиления 45 дБ.
Экспериментальные зависимости величины максимума спектра сигнала, регистрируемого ПЗС-фотоприемником, от мощности сигнала на входе анализатора спектра приведены на рис. 3. Для оценки работы АРУ в присутствии помех на вход системы подавались два сигнала. В качестве источников сигнала и помехи использовались генераторы Г4-78, работающие на частотах около 1 ГГц и модулируемые импульсами генераторов Г5-54 длительностью 20 мкс с частотой повторения 1,5 кГц. При имитации непрерывной помехи один из генераторов работал в непрерывном режиме.
Из графиков на рис. 3 видно, что при помехе, превышающей уровень сигнала, наблюдается подавление сигнала помехой, поскольку регу-
1000
m
о" со
100
-100
я f /
Г 1 /
Г ' /
t
/ * / 1 }
/ ' / / /
> ! F f 1 г /
-90
-80
Рвх, дБ/Вт
Рис. 3. Характеристики АРУ для импульсного сигнала и непрерывной помехи
(-) Спом = 0; (------) Спом = Спор; (- -) Спом = 2 Спор; (---) Спом = 4 Спор
лировка усиления в этом случае определяется, в основном, помехой. Измерения показали, что характеристики для импульсной и непрерывной помехи отличаются мало. Полученные характеристики отражают работу системы для сравнительно слабых сигналов. При дальнейшем увеличении сигнала на входе, сигнал на выходе остается равным пороговому в пределах глубины регулировки АРУ.
Экспериментальные исследования подтвер-
дили возможность создания АО устройств с повышенным динамическим диапазоном за счет применения устройства АРУ.
Разработано и практически реализовано простое цифровое устройство АРУ для АО анализатора спектра, позволившее увеличить динамический диапазон системы до 60 дБ. Указана возможность увеличения этой величины.
Предложенная схема может быть использована не только в анализаторе спектра, но и в других АО устройствах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борсак, Дж.М. Фотодетекторы для акустоопти-ческих систем обработки сигналов [Текст]/Дж.М. Бор-сак//ТИИЭР.-1981.-Т. 69.-№ 1.-С. 117-137.
2. Anderson, G.W. Role of photodetectors in optical signal processing [Текст]ЮЖ Anderson, B.D. Guenther, J.A. Hynecek [et al.]//Applied Optics.-Vol.27.-№ 14. -P. 2871-2886.
3. Грачев, С.В. Гомодинный акустооптический анализатор спектра с пространственным и временным интегрированием [Текст]/С.В. Грачев, А.Н. Рогов, В.Н. Ушаков//Радиотехника.-2003.-№4.-С. 23-28.
4. Linear technology LT5534. [Электронный ресурс] P. 8.-www.linear.com
