Устройство селекции сигналов по частоте

Устройство селекции сигналов по частоте

Реферат

Устройство относится к области обработки сигналов и предназначено для использования во входных цепях радиоприемных систем.

Известно устройство селекции сигналов, построенное на основе электронных компонент. Устройство представляет собой набор параллельно включенных узкополосных радиочастотных усилителей, перекрывающих всю полосу селекции (см., например, В.А. Мартынов, Ю.И. Селиков. Панорамные приемники и анализаторы спектра. М. Сов. Радио, 1980, с.206-225). Такое устройство позволяет разделить принимаемые сигналы в соответствии со значениями их частот.

К недостаткам такого устройства следует отнести большую массу и габариты при достаточно большом числе усилителей (~10³ и более). Для снижения массы и габаритов устройства можно использовать акустооптоэлектронную (АОЭ) элементную базу.

Известно устройство селекции, построенное на акустооптоэлектронной элементной базе (см. В.Н. Парыгин, В.И. Балакший. Оптическая обработка информации. Изд. Московского университета, 1987, с.116-117). Устройство носит название анализатора спектра с когерентным детектированием. К недостатку устройства следует отнести сложность формирования гетеродинного (опорного) светового пучка при работе устройства селекции в широкой полосе частот, так как в этом случае необходимо формировать гетеродинный световой пучок для всех возможных частот принимаемого сигнала. Это увеличивает сложность и громоздкость устройства, а также существенно увеличивает световые потери на формирование гетеродинных пучков, вследствие чего повышаются требования к мощности используемого источника света.

Из известных АОЭ устройств наиболее близким по технической сущности является устройство (см. С.В. Кулаков. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализатора сигналов. Ленинград, Наука, Ленинградское отделение, 1978, с.55-63). Устройство содержит последовательно оптически соединенные источник света (лазер), коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, на электрический вход которого подается входной сигнал, проектирующую оптическую систему, второй АОМ света, на электрический вход которого подается сигнал в виде δ-импульса, интегрирующую линзу и фотодетектор.

На выходе такого устройства формируется корреляционная функция сигналов, подаваемых на первый и второй АОМ света. Поэтому, если на электрический вход первого АОМ света подать входной сигнал и одновременно с этим на электрический вход второго АОМ света подать δ-импульс, то на выходе фотодетектора будет сформирован (восстановлен) выходной сигнал, являющийся копией входного.

Первый недостаток такого устройства заключается в том, что оно не может работать при неизвестном заранее времени прихода входного сигнала. Это связано с тем, что неизвестно в какой момент необходимо формировать δ-импульс.

Второй недостаток такого устройства заключается в том, что использование δ-импульсов энергетически невыгодно, так как формально δ-импульс имеет бесконечно широкий спектр, и поэтому световой поток, соответствующий спектру δ-импульса распределяется по всей полосе пространственных частот, в которой работает устройство, и на каждое значение пространственной частоты приходится таким образом очень малая световая энергия. Поэтому при приеме узкополосных сигналов, которым соответствует узкий спектр пространственных частот, уровень выходного сигнала будет весьма низок.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение уровня выходного сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве содержащему последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый АОМ света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, а также последовательно оптически соединенные вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света и интегрирующую линзу, а также фотодетектор, электрические входы первого и второго АОМ света объединены, между первой и второй линзами проектирующей оптической системы помещен первый пространственный фильтр, второй АОМ света оптически соединен с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, между интегрирующей линзой и фотодетектором помещен второй пространственный фильтр, скорость распространения акустической волны во втором АОМ света выбрана вдвое больше скорости распространения акустической волны в первом АОМ света, а фотодетектор выполнен в виде линейки фотодиодов.

На фигуре представлена схема предлагаемого АОЭ устройства селекции.

Предлагаемое устройство содержит лазер 1, коллиматор 2, первый АОМ света 3, проектирующую оптическую систему 4, пространственный фильтр 5, второй АОМ света 6, интегрирующую линзу 7, второй пространственный фильтр 8 и линейку фотодиодов 9.

Устройство работает следующим образом. С помощью лазера 1 и коллиматора 2 формируется монохроматический световой поток с плоским фронтом, который падает на АОМ света 3, работающий в режиме Рамана-Ната (см., например, Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин. Методы модуляции и сканирования света. Изд. Наука. Главн. ред. физико-математ. литературы, М, 1970, с.200-207). На электрический вход АОМ света 3 подается входной сигнал, возбуждающий в модуляторе бегущую акустическую волну. Для падающего на модулятор 3 светового потока модулятор с бегущей акустической волной представляет собой фазовую дифракционную решетку. В результате дифракции светового потока на этой решетке на выходе модулятора образуются дифракционные порядки, отличающиеся как углом дифракции, так и значением световой частоты.

Проектирующая оптическая система 4, состоящая из двух собирающих линз, переносит световое поле, сформированное на выходе первого модулятора - АОМ света 3 в плоскость расположения второго модулятора - АОМ света 6, который также как и первый работает в режиме Рамана-Ната. Пространственный фильтр 5, расположенный между линзами проектирующей оптической системы 4 служит для фильтрации всех порядков дифракции в АОМ света 3 кроме +1-го и 0-го. Световой поток, соответствующий 0-му порядку дифракции от АОМ света 3, попадая на АОМ света 6, дифрагирует в нем по аналогии с дифракцией в АОМ света 3.

Поскольку в режиме Рамана-Ната интенсивность светового потока, дифрагировавшего в нулевой порядок дифракции существенно больше интенсивности всех других порядков дифракции, то можно пренебречь световым потоком, последовательно дифрагировавшим в +1-ый порядок в АОМ света 3 и +2-ой в АОМ света 6.

С помощью пространственного фильтра 8, установленного между интегрирующей линзой 7 и линейкой фотоприемников 9, производится фильтрация всех порядков дифракции в АОМ света 6 кроме +2-го, а также +1-го порядка дифракции в АОМ света 3, прошедшего АОМ света 6 без преломления.

Предположим, что входной сигнал является гармоническим с частотой Ω. Световая частота в +1 порядке дифракции на выходе АОМ света 3 сдвинута на частоту принимаемого сигнала, то есть равна ω_опт+Ω, где ω_опт - частота лазера. Световая частота +2 порядка дифракции на выходе АОМ света 6 сдвинута на удвоенную частоту принимаемого сигнала, то есть равна ω_опт+2Ω (см., например, Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин. Методы модуляции и сканирования света. Изд. Наука. Главн. ред. физико-математ. литературы, М, 1970, с.203). Для того, чтобы при подаче одного и того же сигнала на электрические входы АОМ света 3 и 6 обеспечить параллельность световых пучков +1 порядка дифракции от АОМ света 3 и +2 порядка дифракции от АОМ света 6, скорость распространения акустической волны в АОМ света 6 выбирается вдвое выше, чем в АОМ света 3. В этом случае световые лучи от АОМ света 3 и 6 будут параллельны и, попадая на один и тот же фотодиод линейки дадут на его выходе сигнал разностной частоты, т.е. Ω.

Если на входе устройства присутствует несколько сигналов на разных частотах, то все они будут разделяться в пространстве и каждый сигнал будет формироваться на выходе соответствующего фотодиода линейки.

Материалы АОМ света с вдвое отличающимися скоростями распространения акустических волн известны. Это, например, плавленый кварц, продольная волна, V_ак=5,95·10³ м/с и TeO₂, продольная волна в направлении [010], V_ак=2,98·10³ м/с; KRS-5, продольная волна, V_ак=2,11·10³ м/с и TeO₂, продольная волна в направлении [110], V_ак=4,21·10³ м/с и другие материалы (см. А. Ярив, П. Юк. Оптические волны в кристаллах. М., Мир, 1987, с.401-406).

Использование входного электрического сигнала для одновременной модуляции светового потока в АОМ света 3 и АОМ света 6 позволяет сделать устройство независимым от времени прихода сигнала.

Использование +1-го порядка дифракции от АОМ света 3 и +2-го порядка дифракции от АОМ света 6 позволяет формировать сигнальный и опорный лучи, распространяющиеся параллельно и сдвинутые на частоту принимаемого радиосигнала. Это, в свою очередь, позволит освещать только тот фотоприемник, который соответствует частоте принимаемого сигнала, а следовательно, более рационально использовать мощность лазера и увеличить уровень выходного сигнала.

Устройство селекции сигналов, содержащее последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, а также последовательно оптически соединенные вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света и интегрирующую линзу, а также фотодетектор, отличающееся тем, что электрические входы первого и второго АОМ света объединены, между первой и второй линзами проектирующей оптической системы помещен первый пространственный фильтр, второй АОМ света оптически соединен с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, между интегрирующей линзой и фотодетектором помещен второй пространственный фильтр, скорость распространения акустической волны во втором АОМ света выбрана вдвое больше скорости распространения акустической волны в первом АОМ света, а фотодетектор выполнен в виде линейки фотодиодов.