Исследование гомодинного акустооптического спектроанализатора и оптимизация его параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Аронов Леонид Андреевич

• Аронов Леонид Андреевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Аронов Леонид Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

1 УСТРОЙСТВА СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА РАДИОСИГНАЛОВ (ОБЗОР)

1.1 Цифровые спектроанализаторы

1.1.1 Сканирующий спектроанализатор

1.1.2 БПФ-анализаторы

1.1.3 Анализаторы спектра реального времени

1.2 Акустооптические спектроанализаторы

1.2.1 Оптическая обработка радиосигналов. Элементная база

1.2.2 Акустооптические спектроанализаторы с временным интегрированием

1.2.3 Акустооптические спектроанализаторы с пространственным интегрированием

Выводы

2 ГОМОДИННЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР

2.1 Структурные схемы и теория работы

2.1.1 Схема на основе интерферометра Маха-Цандера

2.1.2 Схема на основе интерферометра Юнга

2.1.3 Теория работы

2.2 Формирование квадратурных компонент спектра

2.2.1 Использование матричного фотоприемника

2.2.2 Вариация фазы опорного сигнала

2.3 Характеристики и параметры спектроанализатора

2.3.1 Полоса анализа

2.3.2 Разрешающая способность по частоте

2.3.3 Оценка применимости параксиального приближения

2.3.4 Влияние ширины линии излучения лазера на аппаратную функцию

2.3.5 Односигнальный динамический диапазон

2.3.6 Двухсигнальный динамический диапазон

2.3.7 Точность воспроизведения спектра коротких радиоимпульсов

2.4 Способы расширения динамического диапазона

Выводы

3 ВЛИЯНИЕ ВИДА ОПОРНОГО СИГНАЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАОСА

3.1 Варианты опорного сигнала для времени накопления, равного временной апертуре АОМ

3.1.1 ЛЧМ-импульс

3.1.2 Широкополосный радиосигнал на основе псевдослучайной последовательности

3.1.3 Короткий радиоимпульс

3.2 Варианты опорного сигнала для времен накопления, больших временной апертуры АОМ

3.2.1 Одиночный радиоимпульс

3.2.2 Периодическая последовательность радиоимпульсов

3.2.3 Непериодическая последовательность радиоимпульсов

Выводы

4 СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1 Низкочастотный гомодинный акустооптический спектроанализатор

4.2 Высокочастотный гомодинный акустооптический спектроанализатор

4.3 Разрешающая способность в диапазоне рабочих частот

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование гомодинного акустооптического спектроанализатора и оптимизация его параметров»

Актуальность темы исследования.

Спектральный анализ является важным видом анализа сигналов различной природы. В радиотехнике данный вид анализа является ключевым при обнаружении радиосигналов и исследовании их характеристик [1-5]. Для устройств, вырабатывающих оценку спектра сигнала, важнейшими являются такие характеристики как полоса анализа, разрешающая способность, возможность работы в реальном времени без пропусков сигналов как по частоте, так и по времени. При решении задач радиомониторинга, радиоэлектронной борьбы, а также при обработке сигналов в радиоастрономии полоса одновременного анализа играет ключевую роль. Цифровые спектроанализаторы реального времени способны охватывать полосы анализа до сотен МГц и обладают гибкостью в выборе режимов работы, что обеспечило им широкое распространение. Полоса анализа таких устройств ограничена быстродействием полупроводниковых процессоров и АЦП. С другой стороны, существуют акустооптические спектроанализаторы, в которых преобразование Фурье может быть реализовано с помощью цилиндрической линзы и участка пространства. Полоса анализа таких устройств может достигать 3 ГГц и ограничена характеристиками устройства ввода радиосигнала в оптический тракт, роль которого выполняет акустооптический модулятор. Акустооптические спектроанализаторы проще в реализации, обладают меньшими габаритами и потреблением, что проявляется в еще большей степени при интегральном исполнении.

Степень разработанности темы.

Схемы акустооптических спектроанализаторов и алгоритмы их работы изучены достаточно подробно. По способу реализации преобразования Фурье акустооптические процессоры принято разделять на устройства с временным и пространственным интегрированием. Последние более просты, обладают большей полосой анализа, но в одноканальном исполнении формируют только оценку энергетического спектра. Эта особенность приводит к тому, что одноканальные акустооптические спектроанализаторы с пространственным интегрированием обладают низким динамическим диапазоном, который не превышает половины выраженного в дБ динамического диапазона обычно используемого фотоприемного устройства на основе ПЗС. Введение дополнительного (опорного) канала и переход к схемам интерферометров позволяет получать оценку амплитудного и фазового спектров и, как следствие, увеличить динамический диапазон. Такой подход может рассматриваться как оптическое гетеродинирование. Вариант гетеродинного спектроанализатора

с переносом информационного сигнала на некоторую ненулевую разностную частоту и фотоприемником мгновенного действия был рассмотрен Вандер Люгтом и др. в 1981 году [6]. В то время фотоприемники с накоплением обладали малым количеством элементов и низким по сравнению с лавинными фотодиодами динамическим диапазоном [7]. При этом фотоприемник мгновенного действия требовал наличия тракта усиления, фильтрации и детектирования для каждого отдельного фотодиода. В 2003 году после появления матричных фотоприемников с накоплением, обладающих большим числом элементов и относительно высоким динамическим диапазоном, на кафедре ТОР СПбГЭТУ «ЛЭТИ» был предложен спектроанализатор с фотоприемником на основе ПЗС [8] и переносом на нулевую разностную частоту. Схема была названа гомодинным акустооптическим спектроанализатором. Был проведен эксперимент, подтвердивший возможность формирования амплитудного спектра и увеличения динамического диапазона [8]. В такой схеме требовался только один тракт усиления и фильтрации, но для выделения амплитудного спектра требовалась организация квадратурных каналов.

Схема ГАОСА позволяет сочетать широкую полосу одновременного анализа и высокий динамический диапазон, обладая при этом простой реализацией. Улучшение характеристик данной схемы требует построения более точной теоретической модели, что обусловливает актуальность работы.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является построение теоретической модели гомодинного акустооптического спектроанализатора, оценка достижимых характеристик устройства и оптимизация его параметров. При этом для оценивания динамического диапазона должна быть составлена статистическая модель спектроанилизатора, так как представленное в [8] описание не разделяет односигнальный динамический диапазон и искажения, связанные с продуктами интерференции третьего порядка. Выбор типа опорного сигнала должен быть основан как на описании алгоритма работы устройства, так и на результатах численного моделирования.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработка математической модели ГАОСА, учитывающей собственные шумы устройства и нелинейности его узлов.

2) Определение зависимости основных характеристик ГАОСА от характеристик и параметров узлов схемы с учетом современной элементной базы.

3) Оптимизация алгоритма работы ГАОСА, в т.ч. в части выбора вида опорного сигнала.

4) Определение способов улучшения характеристик ГАОСА на основе технических решений с учетом разработанной теоретической модели.

Результаты работы позволяют определить место гомодинного акустооптического спектроанализатора среди прочих типов спектроанализаторов реального времени.

Научная новизна.

1) Разработана математическая модель ГАОСА, учитывающая собственные шумы устройства.

2) Представлено более точное в сравнении с [8] описание сигнала на выходе ГАОСА, несущего информацию о спектре анализируемого сигнала.

3) Установлена зависимость динамического диапазона ГАОСА в односигнальном и двухсигнальном режимах от параметров узлов схемы. Оценка односигнального динамического диапазона согласно полученной зависимости лучше согласуется с результатами эксперимента, представленными в [8], чем предложенная там же математическая модель.

4) Показано, что аппаратная функция ГАОСА имеет вид sinc2(..) несмотря на то, что в схеме формируется оценка амплитудного, а не энергетического спектра.

5) Установлено, что вид опорного сигнала определяет возможность работы спектроанализатора без пропусков сигнала. При использовании одиночного широкополосного импульса наблюдаются пропуски по времени, при использовании периодической последовательности импульсов наблюдаются пропуски по частоте.

6) Предложен класс опорных сигналов, обеспечивающих работу без пропусков сигналов независимо от их длительности.

7) Предложен метод получения спектра сигнала, требующий меньшего в сравнении с [8] времени анализа.

8) Показано, что на краях диапазона рабочих частот следует ожидать ухудшения разрешающей способности по частоте, что подтверждается экспериментально.

Теоретическая и практическая значимость.

1) Предложенная в работе теоретическая модель ГАОСА позволяет более точно определить значения основных параметров и характеристик устройства, чем это было возможно ранее [8].

2) Показано, что ожидаемое в результате перехода к интерференционной схеме удвоение выраженного в дБ односигнального динамического диапазона недостижимо.

3) Установлено, что ограничение односигнального динамического диапазона фотоприемником происходит только за счет максимально возможного заряда насыщения.

4) Предложен класс опорных сигналов, обеспечивающих работу ГАОСА без пропусков сигналов по частоте и по времени.

5) Даны рекомендации по улучшению разрешающей способности по частоте на краях диапазона рабочих частот.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании спектроанализаторов радиосигналов на основе схемы ГАОСА.

Методология и методы исследования.

Для решения сформулированных задач используется скалярная теория дифракции света, математический аппарат статистической радиотехники, теория вероятностей, математический анализ, а также численное моделирование на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту.

1 ) Гомодинный акустооптический спектроанализатор (ГАОСА) позволяет увеличить односигнальный динамический диапазон, выраженный в дБ, в сравнении с акустооптическим спектроанализатором с пространственным интегрированием (АОСПИ), формирующим оценку энергетического спектра, не более, чем в 1,5 раза.

2) Применение в ГАОСА опорного сигнала в виде непрерывной периодической последовательности широкополосных радиоимпульсов позволяет анализировать без потери информации сигналы с длительностью не более временной апертуры акустооптического модулятора (АОМ).

Для обеспечения анализа сигналов произвольной длительности без потери информации в ГАОСА в качестве опорного сигнала должна быть использована специальная структура непрерывной последовательности широкополосных радиоимпульсов.

4) Аппаратная функция ГАОСА, определяющая его разрешающую способность по частоте, описывается зависимостью вида sinc2(..) подобно АОСПИ, формирующему оценку энергетического спектра.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных в работе результатов определяется использованием апробированных методов теоретического анализа, а также согласованностью теоретических расчетов с результатами компьютерного моделирования и экспериментов.

Результаты, представленные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на следующих всероссийских и международных конференциях: XIII, XIV, XV International Conference for young researchers «Wave Electronics and its application in information and telecommunication systems» St. Petersburg, Russia, 2010, 2011, 2013. Также полученные результаты обсуждены на научных семинарах кафедры Теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на семинаре Дома ученых им. Горького, секция «Радиоэлектроника».

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 10 статьях и материалах конференций, из которых 6 статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК, и 4 работы - в сборниках трудов и тезисов конференций.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем составляет 122 страницы, 74 рисунка, список цитируемой литературы включает 73 позиций.

1 Устройства спектрального анализа радиосигналов (обзор)

1.1 Цифровые спектроанализаторы

1.1.1 Сканирующий спектроанализатор

Структурная схема (Рисунок 1.1) простейшего сканирующего спектроанализатора включает в себя: 1 - смеситель, 2 - гетеродин, 3 - генератор пилообразного сигнала, 4 - усилитель промежуточной частоты, 5 - полосовой фильтр (ПФ), 6 - детектор, 7 - фильтр нижних частот (ФНЧ), 8 - дисплей.

8

s(t)

3

Рисунок 1.1 Структурная схема супергетеродинного спектроанализатора

В этой схеме анализируемый сигнал s(t) последовательно в соответствии с частотой перестраиваемого гетеродина 2 переносится на промежуточную частоту (ПЧ), где полосовой фильтр 5 выделяет текущую спектральную составляющую. Детектор 6 определяет уровень этой составляющей, фильтр нижних частот 7, называемый видеофильтром, осуществляет сглаживание и фильтрацию шумов. Сигнал с его выхода управляет вертикальным отклонением дисплея, горизонтальной разверткой управляет сигнал с генератора 3, который также задает частоту гетеродина. При таком подходе полоса анализируемых частот определяется диапазоном перестройки гетеродина, разрешающая способность по частоте постоянна и определяется характеристиками полосового фильтра 5, который также называют разрешающим фильтром (англ. resolution bandwidth filter - RBW-filter). Часто для обеспечения возможности одновременного отображения сигналов разного уровня перед детектором 6 ставят логарифмический усилитель, который осуществляет компрессию динамического диапазона (ДД) за счет изменения линейного масштаба измерения амплитуд спектральных компонент на логарифмический.

Так как сканирование диапазона частот производится последовательно, то в таких устройствах возможна выработка ошибочной оценки спектра и даже пропуски сигналов, что

может быть недопустимо при работе с сигналами современных систем радиосвязи и радиолокационных систем (РЛС).

Рассматриваемая схема (Рисунок 1.1) является упрощенной и не учитывает ряд эффектов, связанных с работой смесителя и реализацией разрешающего фильтра. Для обеспечения высокого разрешения по частоте необходимо, чтобы последний обладал узкой полосой пропускания - вплоть до единиц Гц, что проще сделать на более низких частотах. Также следует учитывать, что сигнал на выходе смесителя будет содержать следующие частотные компоненты: сигнал с частотой fгет гетеродина, сигнал на частоте , который представлен целым диапазоном частот от /ехмин до /ехмакс, и продукты смешения на частотах \/гет ± /ех\, что приводит

к проявлению эффекта зеркального частотного канала. В [9, 10] рассмотрен вопрос оптимизации структуры входного тракта спектроанализатора для типового диапазона частот входного сигнала от 9 кГц до 3 ГГц с учетом этих двух факторов. В качестве примера возможного входного тракта приведем вариант, предложенный в [10] (Рисунок 1.2).

3 ГГц 3,9214 ГГц 321,4 МГц 21,4 МГц Детект°р

Рисунок 1.2 Пример входного тракта сканирующего спектроанализатора с тройным переносом

по частоте

Из приведенной схемы видно, что результирующая ПЧ выбирается в районе 20 МГц, где эффективно реализуется узкополосный разрешающий фильтр, а подавление зеркального канала и просачивания сигналов на частоте гетеродина обеспечивается тремя (иногда четырьмя) переносами по частоте с полосовой фильтрацией на каждом шаге переноса и предварительной низкочастотной фильтрацией входного сигнала.

Общие принципы организации входного тракта спектроанализатора, обеспечивающие полосы анализа выше 3 ГГц, например 3..40 ГГц, аналогичны рассмотренным выше и также в первую очередь преследуют цель подавления зеркального канала. Входной тракт любого широкополосного спектроанализатора является сложным устройством с большим количеством

усилителей, фильтров, аттенюаторов. Более подробная информация по этому вопросу может быть найдена, например, в [9, 10].

Для повышения точности и стабильности задания частоты гетеродина используются синтезаторы частот с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В этом случае частота гетеродина меняется дискретно, шаг перестройки подбирается с учетом заданной полосы пропускания разрешающего фильтра. Современные производители такие, как Rohde&Schwarz и Keysight Technologies (ранее Agilent Technologies) реализуют в своих устройствах возможность выбора полосы ФАПЧ, что дает возможность оптимизации уровня фазовых шумов в зависимости от выбранной полосы обзора (см., соответственно, [9] и [10]).

Разрешающие фильтры.

Как было сказано выше, разрешающая способность Df по частоте определяется полосой

пропускания полосового фильтра на последней ПЧ. При этом скорость сканирования по частоте и, соответственно, время развертки Тр на дисплее должны быть согласованы с длительностью

переходных процессов в разрешающем фильтре. В [9,10] приведена формула, связывающая эти параметры:

Тр = f, (1.1)

где Dfo6 - требуемая полоса обзора, k - некоторый коэффициент пропорциональности, значения которого для наиболее часто применяемых в качестве ПФ окологауссовских фильтров лежит в диапазоне от 2 до 3. Соотношение (1.1) показывает, что для корректного отображения спектра в случае высокого разрешения по частоте требуется относительно большое время развертки, в противном случае возникают ошибки в оценке уровня спектральных составляющих и смещение максимума по частоте.

Наилучшее разрешение по частоте могли бы обеспечить полосовые фильтры с идеальной прямоугольной АЧХ, но длительность переходных процессов в таких фильтрах очень велика, что соответствует очень медленной развертке. Оптимальными по соотношению полосы пропускания и длительности переходных процессов считаются гауссовские фильтры, АЧХ которых описывается функцией Гаусса с вариацией параметра ширины функции. Их идеальная реализация в аналоговом виде невозможна, возможно лишь некоторое приближение. Для оценки качества реализации удобно воспользоваться коэффициентом формы:

КФ60/3 , (1.2)

Df3dB

где Df60dE и Д/3дБ - полоса пропуская фильтра по уровню минус 60 дБ и минус 3 дБ,

соответственно. Идеальный полосовой фильтр с прямоугольной АЧХ имеет коэффициент формы 1, идеальный гауссовский фильтр - 4,6. Аналоговые окологауссовские фильтры из 4 и 5 звеньев обладают коэффициентами формы 14 и 10, соответственно [9], что в свою очередь, сказывается на разрешающей способности спектроанализатора, особенно при наблюдении гармонических сигналов существенно разного уровня.

На последней ПЧ для обеспечения возможности выбора режимов измерения, как правило, располагается не один, а набор разрешающих фильтров, для каждого из которых необходимо согласовывать скорость сканирования по частоте. Банк фильтров, как правило, представлен большим числом полос, начинающихся от единиц Гц и заканчивающихся единицами МГц. В современных спектроанализаторах используются как аналоговые разрешающие фильтры, так и цифровые. Типовое разбиение набора режимов разрешения может быть следующим: первые обеспечивают разрешающие способности от 1 кГц до 10 МГц, последние - от 1 Гц до 300 Гц. Шаг обычно выбирается кратно 3 в соответствии с последовательностью 1 Гц, 3 Гц, 10 Гц, 30 Гц и т.д., что, в соответствии с (1.1), в среднем дает шаг изменения времени развертки в 10 раз.

В цифровом исполнении разрешающий фильтр может быть выполнен как идеальный гауссовский с коэффициентом формы 4,6, что дает высокое разрешение по частоте для сигналов разного уровня. Цифровые фильтры также обладают высокой температурной стабильностью, а значит, имеет более высокую в сравнении с аналоговыми реализациями стабильность по полосе. К тому же цифровые фильтры позволяют использовать более быструю в сравнении с аналоговыми фильтрами развертку [9,10].

Детектор огибающей и видеофильтр.

Функции детектора огибающей и сглаживающего видеофильтра в цифровых спектроанализаторах осуществляются с помощью методов цифровой обработки. Для выделения огибающей сигнала, пропущенного через цифровой разрешающий фильтр, может быть использован, например, алгоритм CORDIC [9], который позволяет упростить аппаратную реализацию вычисления ряда функций, в том числе тригонометрических.

Видеофильтр определяет полосу частот видеосигнала (video bandwidth - VBW), отображаемого на дисплее. Как и полоса разрешения данный параметр ограничивает скорость развертки [9,10], ее выбор целесообразно делать на основе имеющегося отношения сигнал/шум: при больших уровнях сигнала полоса пропускания видеофильтра должна быть не меньше полосы разрешения, при малых уровнях уменьшение полосы видеосигнала позволяет улучшить отображаемую на экране кривую за счет усреднения шумовых пульсаций. Для более

качественного отображения импульсных сигналов полосу видеофильтра необходимо делать много больше полосы пропускания фильтра на ПЧ.

Дисплей и режимы детектирования.

Замена ЭЛТ на ЖК-дисплеи позволила обеспечить непрерывный режим отображения спектра на экране, но при этом появилось ограничение на количество отображаемых точек кривой. В измерительных приборах фирмы Keysight Technologies серии ESA и PSA количество отображаемых точек может варьироваться от 101 до 8192 [10] при полной полосе анализируемых частот от 3 Гц до 44 ГГц (и даже до 50 ГГц), что дает в лучшем случае более 5 МГц на одну точку. Предположим, что режим измерения требует установки полосы разрешения 100 кГц и полосу обзора 50 ГГц. В этом случае спектроанализатор вычислит оценку 500 000 спектральных составляющих. При количестве отображаемых на экране точек 5 000 на каждую точку будет приходиться 100 отсчетов спектра, а значит, безошибочное отображение спектра будет невозможно. Разбиение всей полосы обзора на блоки по 100 отсчетов требует выбора значения, которое будет отображено на дисплее. В современных цифровых спектроанализаторах такой выбор осуществляется на основе набора детекторов. Кратко рассмотрим основные из них.

Детектор выборки. В качестве отображаемого на дисплее значения выбирается уровень спектральной составляющей в середине частотного блока (Рисунок 1.3). Он применим для отображения случайных (шумовых) сигналов, но, например, отображение гребенки из равномощных синусоидальных сигналов с частотами, расположенными в разных частях блока, будет сопровождаться ошибками.

Максимально-пиковый детектор. Отображает максимальное значение в частотном блоке (Рисунок 1.3). Применим для отображения спектра гребенки синусоидальных сигналов, полезен при проведении измерений на электромагнитную совместимость, т.к. отображает все высокоуровневые сигналы. Неудачен для отображения случайности шума.

Минимально-пиковый детектор. Отображает минимальное значение в частотном блоке (Рисунок 1.3). Позволяет отделить гармонические сигналы от импульсных при проведении измерений на электромагнитную совместимость.

Нормальный (называемый также «розенфелл» от англ. rose'n'fell - «рос и падал»). Изображение формируется в соответствии с правилом: если в частотном блоке сигнал рос и спадал, то в четных блоках на экран будет выведен минимум, максимум запоминается и сравнивается с максимумом следующего, нечетного, блока, в котором отображается наибольшее из текущего и запомненного значений. Если сигнал в блоке только растет или только спадает, то отображается соответствующее пиковое значение. Такой алгоритм выбора отображаемого значения может привести к смещению на одну точку локального максимума в спектре и

отображению двух пиков вместо одного реального [10]. Такой вид детектора наиболее пригоден, для одновременного наблюдения сигналов и шума.

Фирма-производитель измерительного оборудования Rohde&Schwarz вместо нормального детектора использует в своих устройствах другой тип - автоматический детектор (auto peak), который отображает максимум и минимум в частотном блоке, соединяя их прямой линией [9].

Детектор среднего. В зависимости от подтипа детекторы среднего могут отображать среднеквадратическое значение (усреднение мощности) или линейное среднее (усреднение напряжения). Первый позволяет отобразить реальное значение средней мощности, что делает его интересным при необходимости измерения мощности сложных сигналов, второй может быть использован при исследовании узкополосных сигналов на фоне широкополосных импульсных помех.

Квази-пиковый детектор. Определяет пиковое значение, взвешенное с учетом частоты повторения сигнала, что позволяет, например, отличать редкие помехи от частых: измеренный уровень спадает по мере уменьшения повторяемости сигнала. Детектор соответствует требованиям стандартов Особой Международной Комиссии по Радиосовместимости (фр. Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques - CISPR). Применим при измерениях на электромагнитную совместимость.

Динамический диапазон.

Динамический диапазон сканирующих спектроанализаторов ограничен собственными шумами устройства и нелинейностями входного тракта, среди которых основную роль играют нелинейности блока преобразования частоты. Производители измерительного оборудования для оценки динамического диапазона приводят три основные характеристики: средний уровень собственных шумов (или отображаемый средний уровень шумов от англ. DANL - displayed average noise level), точка пересечения для нелинейных составляющих третьего порядка (англ.

TOI - third-order intermodulation), точку пересечения для нелинейных составляющих второго порядка (англ. SHI - second-harmonic intercept). При этом уровень собственных шумов и, соответственно, динамический диапазон зависят от полосы разрешения. В [10] приведена методика расчета односигнального и двухсигнального динамических диапазонов на основе этих характеристик. Для современного спектроанализатора N9040B UXA X-Series Signal Analyzer фирмы Keysight Technologies типовыми являются значения порядка 107 дБ для односигнального и 115 дБ для двухсигнального динамических диапазонов при полосе разрешения 1 Гц. Увеличение полосы разрешения до 1 кГц уменьшает значения диапазонов соответственно на 15 и 20 дБ. Близкие по характеристикам устройства выпускает фирма Rohde&Schwarz. Как дополнительные опции производители часто предлагают различные модули, которые способны увеличить динамический диапазон на 20-30 дБ.

1.1.2 БПФ-анализаторы

Принцип действия

Входной тракт анализатора на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) или БПФ-анализатора аналогичен по структуре тракту сканирующих спектроанализаторов (Рисунок 1.2) до точки выхода последней ПЧ и содержит блок цифровой обработки после нее (Рисунок 1.4). Чтобы избежать эффекта наложения спектров при оцифровке, сигнал на ПЧ подвергается низкочастотной фильтрации. Частота среза ФНЧ должна быть согласована с частотой дискретизации /д, задаваемой АЦП, в соответствии с условиями теоремы о дискретизации. За

пределами полосы пропускания фильтр должен обеспечить подавление ниже уровня собственных шумов устройства, чтобы не проявлялся эффект наложения спектров.

Фильтр защиты от наложения спектров

Оконное взвешивание

Дисплей

Выход ПЧ-

— —► АЦП —► Память —► / \ —► ДПФ

Рисунок 1.4 Блок цифровой обработки ДПФ-спектроанализатора

Оцифрованная выборка запоминается и затем может быть взвешена по амплитуде с помощью одной из оконных функций, которые выбираются исходя из задач измерения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аронов Леонид Андреевич, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.В. Пуговкин, Л.Я. Серебренников. Акустооптоэлектронные процессоры в системах связи и обработки информации. Известия высших учебных заведений. Физика, 2001, Т. 44, № 10, с. 105-109.

2. Проклов В.В., Синдлер Ю.Б., Курский В.Н., Бышевский-Конопко О.А. Об эффективности применения акустооптический спектров-анализаторов для измерения и подавления узкополосных помех при адаптивном квазиоптимальном приеме широкополосных сигналов. Радиотехника и электроника, 2006, Т.51, № 10, с. 1240-1250.

3. B.S. Gurevich, O.V. Aveltsev, S.V. Andreyev, A.V. Belyaev, A.A. Rodiontsev, S.A. Alymkulov. Panoramic RF spectrum analysis with high productivity using acousto-optic components. Proc SPIE, 2001, vol. 4453, pp. 45-51.

4. B.S. Gurevich, S.V. Andreyev, A.V. Belyaev, Ch. Akimjanova, К. Sagymbaeva. RF signal analysis using combined acousto-optical correlator and spectrum analyzer. Proc SPIE, 2004, vol. 5477, pp. 330-334.

5. B.S. Gurevich, S.V. Andreyev, O.V. Aveltsev, V.V. Vorobiev, S. Alymkulov, M.V. Kaupinen. Radio air observation using acousto-optic spectrum analyzers. Proc SPIE, 2000, vol. 4112, pp. 141147.

6. Vander Lugt, A. Interferometric spectrum analyzer. Appl. Opt., 1981, 20, (16), pp. 2770-2779.

7. Hamilton M.C. Acousto-Optic Spectrum Analysis for Electronic Warfare Applications. Proceedings Ultrasonics Symposium, 1981, 2, pp. 714-720, doi: 10.1109/ULTSYM.1981.197714

8. Грачев С.В., Рогов А.Н., Ушаков В.Н. Гомодинный акустооптический анализатор спектра с пространственным и временным интегрированием // Радиотехника, 2003, №4, с. 23-28.

9. Раушер. К. Основы спектрального анализа: Пер. с англ. - М.: Rohde & Schwarz, Горячая линия-Телеком, 2006. - 225 с.

10. Agilent Application Note 150. Основы спектрального анализа. [Электронный ресурс]. -Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/5952-0292EN.pdf

11. Цифровой спектральный анализ: Учеб. пособие / А.Н. Кренёв, Т.К. Артёмова. Яросл. гос. ун-т. Ярославль, 2002. 114 с.

12. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990 - 584с.

13. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 848с.

14. Agilent Vector Signal Analysis Basics Application Note 150-15. [Электронный ресурс]. -Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5990-7451EN.pdf

15. В.П. Дворкович, А.В. Дворкович. Оконные функции для гармонического анализа сигналов. Издание второе, переработанное и дополненное. - М: Техносфера, 2016 - 208с.

16. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006 г. - 656с.

17. Real-Time Spectrum Analyzer (RTSA). X-Series Signal Analyzers N9040B/N9030A/N9020A-RT1 & -RT2. Technical Overview. [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-1748EN.pdf

18. Rohde & Schwarz R&S®FSVR Real-Time Spectrum Analyzer Specifications. [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_common_library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/FSVR_ dat-sw_en_5214-3381-22_v0300.pdf

19. Власов Д.В. Оптические процессоры [Электронный ресурс]. -Электрон. учебник. -Петрозаводск, [200-]. - Режим доступа: http://dfe3300.karelia.ru/koi/www/readyopt.html.

20. Vander Lugt. Optical Signal Processing. New York, Wiley Interscience, 2005 - 604p.

21. Acousto-optic signal processing: theory and implementation / edited by Norman J. Berg, John M. Pelligrino. New York, Marcel Dekker, inc, 1996 - 580p.

22. Ушаков В.Н. Акустооптические процессоры корреляционного типа. - М.: Радиотехника, 2007. - 184с.

23. Шибаев С.С., Помазанов А.В., Вольфовский Б.Н. Акустооптические процессоры. Алгоритмы и погрешности измерений. Учебное пособие для вузов. 2020. 214 с.

24. Акустооптические процессоры спектрального типа / под ред. В. В. Проклова, В. Н. Ушакова. М.: Радиотехника, 2012. 192 с.

25. Егоров Ю.В. Акустооптические процессоры // Известия ВУЗов, Радиоэлектроника-1986-№7-с. 3-10.

26. Кулаков С.В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа-Л.: Наука, 1978.

27. Егоров Ю.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические процессоры-М.: Радио и связь, 1991-160 с.

28. Pugovkin A.V., Demidov A.Ja., Serebrennikov L.Ja., Shandarov S.M. Acousto-optic signal processing technology at Tomsk// Proc. SPIE-1992-vol. 1704-pp. 324-342.

29. Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника-2001-№1-с. 79-92.

30. Антонов Ю.Г., Аронов Л.А., Грачев С.В., Ушаков В.Н. Автоматизированный комплекс мониторинга радиотехнической обстановки на основе акустооптического спектрометра-фазометра// Радиотехника-2009-№3-с. 92-96.

31. Терпин Т.М. Спектральный анализ сигналов оптическими методами. ТИИЭР, 1981, т. 69, №№1, с. 92-107.

32. Звелто О. Принципы лазеров / Пер. под науч. ред. Т. А. Шмаонова. 4-е изд.— СПб.: Издательство «Лань», 2008. — 720 с.

33. Сайт компании Coherent [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://www.coherent.com

34. Сайт компании Лазерные системы [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: http://lascompany.ru

35. Сайт компании Специальные Системы. Фотоника. [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: http://sphotonics.ru

36. Сайт компании Hamamatsu Photonics K.K. [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. -Режим доступа: http://www.hamamatsu.com

37. Сайт компании FLIR Integrated Imaging Solutions Inc [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://www.ptgrey.com

38. Сайт компании Sony Semiconductor Solutions Corporation [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: http://www.sony-semicon.co.jp

39. Сайт компании Fairchild Imaging, a division of BAE Systems Inc [Электронный ресурс]. -Электрон. текст. дан. - Режим доступа: http://www.fairchildimaging.com

40. Сайт компании Teledyne Dalsa Inc [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: http://www.teledynedalsa.com

41. Сайт компании "Элент А" / "Элент Техникс" [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: http://www.elent-a.net

42. Сайт компании Gooch & Housego [Электронный ресурс]. - Электрон. текст. дан. - Режим доступа: https://goochandhousego.com

43. M. Olbrich, V. Mittenzwei, O. Siebertz, F. Schmulling, and R. Schieder. A 3 GHz instantaneous bandwidth Acousto-Optical spectrometer with 1 MHz resolution. Proceedings of 18th International Symposium on Space Terahertz Technology, 21-23 March 2007, Pasadena, California, pp231-235.

44. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. - М.: Мир, 1970. - 354 с.

45. Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: учебное пособие. В 2 т. Т. 1 - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012 - 760 с.

46. M. L. Shah, J. R. Teague, R. V. Belfatto, D. W. Thomson, E.H. Young. Wideband Interferometric Acoustooptic Bragg Cell Spectrum Analyzer. IEEE 1981 Ultrasonics Symposium, 1981, pp.740742.

47. Shah, M.L., Young, E.H., Vander Lugt, A., and Hamilton, M. Interferometric Bragg cell spectrum analyzer. Proceedings Ultrasonics Symposium, 1981, 2, pp. 743-746

48. W.A. Wilby, P.V. Gatenby. Theoretical study of the interferometric Bragg-cell spectrum analyzer. IEE Proceedings J Optoelectronics. 1986, vol. 133(1), pp.47-59

49. А.В. Пуговкин. К теории брэгговских акустооптических анализаторов спектра. Автометрия, 1981, 3, с. 47-53

50. Proklov, V.V., Rezvov, Y.G., Chesnokov, V.N. et al. On the possibility of extending the dynamic range in acoustooptic analysis of the spectrum of radio signals. Opt. Spectrosc. 100, 783-788 (2006). doi:10.1134/S0030400X06050201.

51. Вернигоров Н. С., Задорин А. С., Пуговкин А. В. Акустооптические процессоры с перестраиваемым интерферометром Юнга. Автометрия, 1989, 6, с. 58-63

52. A.P. Lavrov, S.I. Ivanov, S.A. Molodyakov, I.I. Saenko. An estimation of polarization parameters of pulsar radio emission, registrated by 2D acousto-optic processor. April 2019, Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), pp. 469472. DOI:10.1109/USBEREIT.2019.8736662

53. Аронов Л.А., Ушаков В.Н. Метод формирования квадратурных компонентов спектра в гомодинном акустооптическом спектроанализаторе. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 2. с. 53-61. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-2-5361

54. Аронов Л.А., Дубов П.А. Анализ работы акустооптического спектроанализатора с пространственным интегрированием в условиях расходимости оптического пучка. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2012. № 5. - с. 59-65.

55. L.A. Aronov, P.A. Dubov. Optic beam divergence effect on functioning of space integration acousto-optic spectrum analyzer. Proceedings of XV International Conference for young researchers: Wave Electronics and its application in information and telecommunication systems. / St. Petersburg state university of aerospace instrumentation. St. Petersburg, 2013, p. 32-35.

56. K. Itonaga et al. "A Novel Curved CMOS Image Sensor Integrated with Imaging System. Sony R&D Platform Atsugi Japan. Symposium on VLSI Technology. Honolulu, HI, USA, 9-12 June 2014.

57. Патент United States NIKON CORPORATION (Tokyo, JP), № 20100150539, 17.06.2010. FOCUS ADJUSTMENT DEVICE, IMAGING DEVICE AND FOCUS ADJUSTMENT METHOD. Kusaka, Yosuke (Yokohama-shi, JP).

58. Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: учебное пособие. В 2 т. Т. 2 - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012 - 784 с.

59. Аронов Л.А., Доброленский Ю. С., Г. В. Кулак. Статистическая модель гомодинноого акустооптического спектроанализатора. Известия вузов России. Радиоэлектроника. Т. 23, №1, 2020г, с. 52-62. doi:10.32603/1993-8985-2020-23-1-52-62

60. Orly Yadid-Pecht. Wide-dynamic-range sensors. Optical Engineering, Vol. 38, No 10, 1999. - pp. 1650-1660.

61. S.-F. Chen, Y.-J. Juang, S.-Y. Huang, and Y.-C. King, Logarithmic CMOS image sensor through multi-resolution analog-to-digital conversion. International Symposium on VLSI Technology, Systems, and Applications, 2003, pp. 227-230.

62. O. Schrey, J. Huppertz, G. Filimonovic, A. Bussmann, W. Brockherde, B. Hosticka, A 1 k X 1 k high dynamic range CMOS image sensor with on-chip programmable region-of-interest readout. IEEE Journal of Solid-State Circuits 37. 2002. - pp. 911-915.

63. Burghartz, JN; Graf, H; Harendt, G; Klinger, W; Richter, H; Strobel, M. HDR CMOS Imagers and Their Applications. Proceedings of the 8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, ICSICT'06, Shanghai, China, 22-26 October 2006; pp. 528-531.

64. M. Bigas, E. Cabruja, J. Forest, J. Salvi. Review of CMOS image sensors. Microelectronics Journal 37, 2006. - pp. 433-451

65. Xiuling Wang, Winnifred Wong, Richard Hornsey. A High Dynamic Range CMOS Image Sensor With Inpixel Light-to-Frequency Conversion. IEEE Transactions on Electron Devices 53(12), 2007 - pp. 2988 - 2992.

66. Аронов Л.А., Лазарев М.В. Акустооптический спектроанализатор с расширенным динамическим диапазоном. Известия СПБГЭТУ «ЛЭТИ» №7, 2012 - с. 3-7.

67. Aronov L.A., Lazarev M.V., Ushakov V.N. Using two-dimensional instrumental function for extension of space integration acousto-optic spectrum analyzer's dynamic range. XIV International Conference for young researchers: Wave Electronics and its application in information and telecommunication systems. Preliminary program and abstracts / St. Petersburg state university of aerospace instrumentation. St. Petersburg, 2011, p. 12.

68. L.A. Aronov, S.V. Grachev, V.N. Ushakov. Dynamic range extension methods for space integration acousto-optic spectrum analyzer. XIII International Conference for young researchers: Wave Electronics and its application in information and telecommunication systems. Preliminary program and abstracts / St. Petersburg state university of aerospace instrumentation. St. Petersburg, 2010, p. 21.

69. Камочкин П.С. Исследование интерференционного акустооптического спектроанализатора с пространственным и временным интегрированием: дипл. работа (диссертация магистра по

направлению «Радиотехника»). Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Санкт-Петербург, 1998. диссертация.

70. Аронов Л.А., Ушаков В.Н. Гомодинный акустооптический спектроанализатор с ЛЧМ-импульсом в качестве опорного сигнала. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. Вып. 5, 2013г., c59-65.

71. Аронов Л.А., Ушаков В.Н. Гомодинный акустооптический спектроанализатор с непрерывным бинарным фазоманипулированным радиосигналом в качестве опорного сигнала. Известия высших учебных заведений России. Вып. 6, 2014г, с. 13-16.

72. Аронов Л. А., Доброленский Ю. С., Ушаков В. Н. О возможности использования периодического опорного сигнала в гомодинном акустооптическом спектроанализаторе. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 3. с. 97-105. doi: 10.32603/1993-8985-2018-22-3-97-105

73. Grachev S.V., Kamochkin P.S., Rogov A.N., Ushakov V.N. Experimental studies of interference space-time-integrating acousto-optic spectrum analyzer // Proc. International Conf. For Young Researchers on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processing / St-Petersburg. 1998. Р. 404-408