Анализ лазерных спектроанализаторов радиосигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ лазерных спектроанализаторов радиосигналов

Амурский В.Б., кандидат технических наук, преподаватель кафедры "Информационные системы и телекоммуникации" МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, г. Москва

В статье рассматриваются вопросы применения оптических методов при спектральном анализе радиосигналов. Показано, что возможно проводить спектральный анализ как амплитуды, так и фазы частотных составляющих сигналов. Рассмотрены основные существующие методы измерения характеристик сигналов. Установлено, что наиболее перспективным методом измерения амплитуды и фазы в спектроанализаторах является метод время-импульсного преобразования. Показано, что этот метод позволит обеспечить достаточно высокие требования по точности измерения фазы и амплитуды сигнала при сохранении высокого быстродействия.

Ключевые слова: оптические методы, спектральный анализ, радиосигналы, спектроанализаторы, метод время-импульсного преобразования. оптический спектральный радиосигнал

Annotation: The article discusses the use of optical methods in the spectral analysis of radio signals. It is shown that it is possible to carry out spectral analysis of both the amplitude and phase of the frequency components of the signals. The main existing methods for measuring the characteristics of signals are considered. It has been established that the most promising methodfor measuring amplitude and phase in spectrum analyzers is the time-pulse conversion method. It is shown that this method will provide sufficiently high requirements for the accuracy of measuring the phase and amplitude of the signal while maintaining high speed.

Key words: optical methods, spectral analysis, radio signals, spectrum analyzers, time-pulse conversion method.

В работах [1,2] описаны спектроанализаторы широкополосных сигналов имеющих следующие параметры: несущая частота 800 МГц, ширина полосы 5 МГц, количество каналов 37, динамический диапазон 40 дб.

Указанные устройства применяются для спектрального анализа амплитуд частотных составляющих с использованием акустооптических модуляторов. Характеристики используемых в спектроанализаторах акустооптических модуляторов рассмотрены в работе [35].

Для анализа фазы частотных составляющих радиосигналов используют интерференционные методы измерений. В связи с этим была рассмотрена литература до указанным двум способам измерений. Наиболее широко для измерения фазы сигналов используются интерферометры, построенные по схеме Маха-Цандера.

Для расширения полосы пропускания может быть использовав спектроанализатор, содержащий полупроводниковый лазер, на который подается широкополосный радиосигнал, коллиматор, дифракционную решетку, линейку фотоприемников и процессор.

Так как полупроводниковый лазер имеет более широкую полосу пропускания, чем акустооптический модулятор, то за счет этого может быть расширена полоса анализа частот радиосигнала.

Задачу-измерение амплитуды и фазы спектральных составляющих радиосигналов можно условно разбить на два этапа:

1. Получение спектральных составляющих широкополосного радиосигнала.

2. Измерение амплитуды и фазы полученных спектральных составляющих.

Осуществление первого этапа оптическими методами производится в основном двумя способами: пространственным или временным интегрированием широкополосного сигнала, введенного в акустооптический модулятор света. Возможен также комбинированный вариант, сочетающий в себе эти два указанных способа, что позволяет обрабатывать сигнал с полосой частот, равной полной полосе частот акустооптического модулятора (АОМ). При пространственном интегрировании разрешение сигнала по частоте в идеальном случае (без учета расходимости лазера и аберраций оптики) составит:

Однако, поскольку ширина спектра ЛЧМ сигнала не может превышать ширину спектра исследуемого сигнала, 1 * Т = Л/и следовательно, Ывр =^пр, то есть выигрыша в разрешающей способности по частоте при временном интегрировании нет.

В комбинированном способе пространственное интегрирование производится по одной координате, а временное - по другой, что достигается ортогональной установкой модуляторов друг относительно друга.

При этом разрешение будет равно:

Таким образом, комбинированный способ имеет более высокое разрешение по частоте по сравнению с обоими рассмотренными выше способами.

При втором для выделения амплитуды и фазы, полученных указанными способами спектральных составляющих сигнала в плоскость формирования спектра подается опорный пучок.

Возможно два варианта формирования опорного пучка [3]:

1. Частичная компенсация опорного пучка, когда опорный пучок формируется выделением первого порядка спектра, сформированного при подаче на АОМ сигнала, частота юо которого совпадает с несущей частотой радиосигнала.

2. Полная компенсация опорного пучка, когда на опорный АОМ подается ЛЧМ сигнал.

В первом варианте интерференционный член каждой спектральной составляющей будет меняться с разностной частотой Лсо=сО(-то, а во втором случае он не будет зависеть от частоты.

Далее возникает задача измерения амплитуды и фазы полученных спектральных составляющих.

Измерение квадрата амплитуды спектральной составляющей возможно и без применения опорного пучка непосредственным измерением интенсивности дифрагированного на АОМ первого порядка спектра.

Что касается измерения фазовых составляющих спектра, то здесь имеется несколько возможных вариантов построения измерительных устройств в зависимости от применяемых методов измерения фазы.

Рассмотрим основные существующие методы измерения фазы сигналов. Все многообразие схем измерения фазы можно разбить на три основные группы:

1. Компенсационные фазометры, основанные на уравновешивании измеряемого фазового сдвига. Это как правило приборы следящего типа, имеющие низкое быстродействие.

2. Цифровые фазометры с время-импульсным преобразованием. Эти фазометры получили наибольшее распространение.

3. Фазометры с ортогональной обработкой сигнала.

В свою очередь фазометры второй группы можно разделить на два типа:

1. Фазометры, осуществляющие измерение за один период исследуемого напряжения.

2. Фазометры, осуществляющие измерение усредненного значения фазового сдвига за несколько периодов исследуемого напряжения.

В фазометрах третьей группы применительно к оптическим спектроанализаторам, в которых необходимо осуществлять измерения фазы спектральных составляющих радиосигнала, фаза вычисляется по выражению:

Ап/2 и А - интенсивности интерферирующих пучков при наличии и отсутствии фазосдвигающей пластинки п/2;

Ас и Аоп - амплитуды сигнального и опорного лучей;

(о\ и то - частоты сигнала и опорного напряжения;

и - длительность импульса лазера.

Недостатком фазометров третьей группы является их сложность, поскольку необходимо измерять несколько составляющих, входящих в выражение (4), а затем уже вычислять фазу.

Все это приводит и значительному снижению быстродействия при измерении фазы.

Основное ограничение по быстродействию вносит вычислитель фазы, время вычисления в котором равно:

N - разрешающая способность анализатора по чистоте,

т - число разрядов, используемых АЦП;

Ф - производительность вычислителя.

С точки зрения быстродействия значительный выигрыш будут иметь спектроаналиэаторы в которых измерение фазы будет производиться с время - импульсным преобразованием за один период исследуемого напряжения.

Такой метод уже успешно используется в оптических интерферометрах для измерения фазы объекта [3].

В устройстве в каждое плечо интерферометра устанавливается по акустооптическому модулятору, которые записываются от двух генераторов, имеющих небольшую расстройку по частоте.

Интерферирующие пучки после фотоприемника и полосового фильтра поступают на один вход фазометра, второй вход которого через смеситель соединен с выходами двух генераторов. Измерение фазы объекта производится за период, определяемый разностной частотой двух генераторов.

Однако, применение рассмотренного метода в спектроанализаторах затруднено тем, что он имеет значительное количество частотных составляющих.

В работе [4] рассмотрен метод измерения фазового сдвига между гармоническими колебаниями кратных частот.

Для этого формируют из двух сигналов прямоугольные импульсы, которые управляют триггером.

Ток на выходе триггера равен:

фт - фазовый сдвиг гармоники т;

m - номер гармоники.

Если сформировать на выходе спектроанализатора частоты, кратные одной опорной частоте, то можно измерять фазу относительно опорной частоты.

Таким образом, проведенной анализ показал, что наиболее перспективным методом измерения фазы в спектроанализаторах является метод время-импульсного преобразования.

Этот метод позволит обеспечить достаточно высокие требования по точности измерения фазы и амплитуды сигнала при сохранении высокого быстродействия.

Использованные источники