Назначение, классификация и особенности модуляции потока излучения

Прием полезного сигнала и измерение его параметров во многих ОЭП нельзя или трудно вести, если не принять специальные меры, обеспечивающие отделение (фильтрацию) сигнала от помех, усиление его до необходимого уровня, предварительное выделение достаточно характерных признаков сигнала и т.д. К числу таких мер относятся модуляция и демодуляция.

Модуляциейпринято называть изменение одного или нескольких параметров сигнала — носителя информации. Модуляция оптического сигнала — потока излучения — служит обычно для решения двух основных задач:

1. 1. для изменения параметров сигнала в соответствии с какими-либо свойствами или параметрами наблюдаемого объекта, например дальностью до излучателя или его угловым положением;

2. 2. для выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех.

При активном методе работы ОЭП с помощью модуляции обычно решают обе эти задачи; при пассивном методе модуляция используется прежде всего для решения второй задачи, а в сочетании с анализом изображения, например при сканировании углового поля прибора, и для создания сигнала, связанного с каким-либо параметром наблюдаемого объекта.

В гл. 7 при рассмотрении анализаторов различного типа были приведены примеры изменений (модуляции) амплитуды, фазы, частоты сигнала, соответствующих изменениям параметров источника сигнала, например его координат.

Для решения второй задачи с помощью модуляции спектр сигнала «переносится» в ту область частот, где меньше влияние помех, как внутренних, так и внешних, и где происходит его отделение от помех.

После фильтрации сигнала необходимо выделить полезную (низкочастотную) информацию. Нелинейная операция, заключающаяся в «возвращении» спектра сигнала в низкочастотную область, т. е. в восстановлении модулирующего сигнала, называется демодуляцией (детектированием).

Часто в ОЭП применяется модуляция с несущей (двухкратная модуляция). В этом случае сигнал, содержащий полезную (низкочастотную) информацию о наблюдаемом объекте, модулирует более высокочастотное (несущее) колебание. Вследствие инерционности большинство приемников излучения, используемых в настоящее время, не реагирует на изменения амплитуды электромагнитного колебания, происходящие с оптической частотой (10¹⁴ ...10¹⁶ Гц). Поэтому в ОЭП часто приходится создавать несущее колебание с гораздо меньшими частотами, например, путем прерывания потока. При этом в отличие от радиотехники, где модуляцией обычно называется воздействие на несущее колебание, в оптико-электронном приборостроении создание сигнала несущей частоты также рассматривается как модуляция.

Наибольшее распространение в ОЭП получили усилители переменного тока, обладающие по сравнению с усилителями постоянного тока более высокой стабильностью работы и рядом других преимуществ. Однако при их использовании требуется, чтобы сигнал, поступающий на вход усилителя, был переменным, что также достигается с помощью модуляции потока.

Часто модуляция, сдвигая полосу пропускания электронного тракта ОЭП в область высоких частот, способствует повышению его помехозащищенности по отношению к внутренним шумам (шумам приемника, усилителя и т.п.).

Общей теории модуляции посвящены специальные разделы электротехнических и радиотехнических курсов. Ниже, после изложения простейших общих положений этой теории, будут рассмотрены особенности модуляции, применяемой в ОЭП.

Очень распространена в ОЭП амплитудная модуляция — процесс управления амплитудой потока излучения. Часто этот процесс сводится к созданию последовательности импульсов потока, форма которых зависит от геометрических соотношений между площадью сечения пучка и параметрами модулятора. Отношение периода следования импульсов к их длительности называется скважностью N.

Для большинства сигналов можно провести спектральное разложение модулированного потока в ряд Фурье. Многие часто используемые на практике последовательности импульсов описываются хорошо известными и приведенными в справочниках разложениями. В § 2.1 даны некоторые примеры представления сигналов с помощью преобразования Фурье. Так, последовательность прямоугольных импульсов частоты w с коэффициентом заполнения g (величина, обратная скважности, т.е. g=1/N) и амплитудой F₀ разлагается в ряд:

Такая последовательность практически имеет место при периодическом открывании и перекрытии (обтюрации) потока, когда размер сечения пучка в плоскости модулятора гораздо меньше его прозрачной части.

При g=0,5 и n=1 два первых члена разложения сигнала в ряд Фурье имеют вид

Рассмотрим в общем виде случай (рис. 9.1) когда сигнал — переносчик полезной информации, являющийся функцией времени s(t), которой соответствует спектр S (jw), модулирует периодическую последовательность импульсов потока, описываемую как (см. § 2.1)

Здесь F_n — комплексная амплитуда n-й гармоники потока; w_н — частота первой гармоники (несущей) F(t), определяемая частотой прерывания потока модулятором несущей частоты.

Рис. 9.1. Двукратная амплитудная модуляция:а — сигнал несущей частоты; б — двукратно-модулированный сигнал

Амплитудная модуляция в данном случае осуществляется перемножением s(t) и F(t). Сигнал на выходе модулятора, реализующего закон изменения s(t),

                                                                         (9.1)

Спектр периодического сигнала F (t) в соответствии с (2.6) может быть представлен в виде

                                                  (9.2)

Применяя к (9.1) теорему о спектре произведения и учитывая фильтрующее свойство d-функции, получим

Таким образом, спектр F_м(jw) модулированного сигнала (рис.9.2) является суммой спектра сигнала S(jw) до его модуляции, умноженного на коэффициент F₀ — амплитуду постоянной составляющей (нулевой гармоники) F (t), и п полос того же спектра S(jw), взятых со сдвигом по частоте на величины nw_н и умноженных на коэффициенты F _n. Важно отметить, что если в спектре S(jw) имелась низкочастотная составляющая (n=0), то она сохраняется и в спектре модулированного сигнала F_м (jw).

Рис. 9.2. Спектр сигнала при амплитудной модуляции

Следует отметить, что полезная информация, содержащаяся в сигнале s(t), на частоте несущей или кратных ей гармоник не переносится.

Нужно помнить, что при определенных соотношениях между спектрами S(jw) и F(jn) полосы спектра модулированного сигнала F_м(jw) могут перекрываться, а это во многих случаях нежелательно, так как затем (после фильтрации) из-за такого явления трудно восстановить исходный информативный сигнал s(t). Удобное для анализа и наглядное представление «двустороннего» спектра, состоящего из положительных и «отрицательных» частот, можно привести к тригонометрической форме путем сложения соответственных положительных и отрицательных составляющих. Иначе говоря, n-й гармонике реального колебания соответствуют два слагаемых ( ± nw_н).

Для периодических сигналов, описывающих процесс модуляции потока излучения или электрического сигнала во многих ОЭП, спектр F_м (jw) дискретен. Рассмотрим часто встречающийся на практике пример.

Предположим, что с помощью модулятора высокой (несущей) частоты w_н создается периодический сигнал в виде униполярной последовательности синусоидальных импульсов с амплитудой

 (9.3)

где y_н — начальная фаза.

Если имеет место амплитудная модуляция, т.е. амплитуда импульсов меняется в соответствии с передаваемой информацией по закону s(t) и мгновенное ее значение равно

где DF — постоянная, то вместо (9.1) без учета постоянной начальной фазы можно записать

Относительное изменение амплитуды DF/(F₀/2) =т называют коэффициентом модуляции. Так как DF£F₀/2, то т£1.

Если модулирующая функция s(t) синусоидальна, т.е. s(t)=cos(w₀t), то амплитудно-модулированное колебание

Таким образом, спектр сигнала состоит из гармоники несущей частоты w_н и двух гармоник на боковых частотах w_н± w₀, называемых спутниками. При 100%-ной модуляции (m=l) амплитуды спутников в 2 раза меньше амплитуды колебания несущей частоты.

В более общем случае, когда s(t) периодична, т.е. может быть представлена рядом Фурье

при амплитудной модуляции имеем

т.е. спектр сигнала состоит из ряда гармоник, расположенных симметрично относительно несущей частоты w_н.

При глубине модуляции F(t), равной единице, например при 100%-ном перекрытии потока непрозрачной частью модулятора (обтюратором), создается последовательность импульсов. Для последовательности прямоугольных или близких к ним по форме импульсов и скважности N=2 мощность, переносимая первой гармоникой, составляет около 80% всей мощности переменной части сигнала (с учетом потери 50% общей энергии за счет постоянной составляющей). Поэтому иногда такую амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ) считают эквивалентной непрерывной амплитудной модуляции.

С увеличением скважности N, т.е. с уменьшением коэффициента заполнения g=1/N, расширяется спектр. При этом на долю первой гармоники будет приходиться все меньшее (по мере роста N) количество энергии; модуляция становится импульсной.

В ОЭП наиболее часто используются амплитудно-импульсная, фазоимпульсная или времяимпульсная, а также широтно-импульсная и кодово-импульсная модуляции. В § 7.7 были рассмотрены достаточно типичные примеры получения некоторых модулированных импульсных сигналов. Более подробно с этими видами модуляции можно познакомиться в литературе [16, 17].

Кратко рассмотрим вид спектра сигнала при частотной модуляции (ЧМ), т.е. при изменении частоты несущего колебания по закону c(t).

При гармоническом характере c(t)=cosWt и значении мгновенной частоты 

w=w_н+ Dwc(t) это колебание можно представить вектором, вращающимся с переменной угловой скоростью. При этом фаза q этого колебания F(t)=(F₀/2) cosqt в момент t принимает значение

т.е. можно записать сигнал в следующем виде (без учета постоянной составляющей):

где F₀/2 — амплитуда сигнала несущей частоты w_н. Спектр этого колебания

F_чм(w)=

где J_i(b) — функция Бесселя i-го порядка; b=Dw/W — индекс частотной модуляции.

Таким образом, при синусоидальной ЧМ получается теоретически безграничный спектр; амплитуда i-й составляющей пропорциональна J_i(b). Практически ширину спектра ЧМ колебания ограничивают, исходя из необходимости отфильтровывать шумовые сигналы.

Функция J_i(b) быстро убывает, когда i сравнивается по значению с b; в дальнейшем при i>b функция J_i(b) имеет очень малые значения. Следовательно, для i>b амплитуды составляющих спектра ЧМ-колебания становятся очень малыми и ими можно пренебречь. В спектре ЧМ-сигнала боковые гармоники симметричны относительно несущей частоты w_н и отстоят друг от друга на W (рис. 9.3). Если i — число спектральных линий в каждой боковой полосе, то полная ширина спектра определяется как 2i W.

Рис. 9.3. Спектр сигнала при частотной модуляции

При b>>1 можно положить i»b и, следовательно, ширина спектра будет определяться как 2i^:W» 2bW»2Dw, т.е. равна удвоенному частотному отклонению. Величину 2Dw называют полосой качания, так как в процессе модуляции частота может принимать любое мгновенное значение внутри интервала w_н±Dw. Таким образом, ширина спектра при ЧМ больше, чем при AM. При малом b ЧМ переходит практически в AM.

В ОЭП используется и непрерывная фазовая модуляция (ФМ), при которой модулируется фаза колебания, т.е. y=y₀+ Dyc (t). При синусоидальной модуляции c(t)=sinWt фазомодулированное колебание будет иметь следующий вид:

Как и для ЧМ, для ФМ ширина боковой полосы определяется произведением индекса на модулирующую частоту, следовательно, полная ширина спектра ФМ колебания равна 2DyW. Она зависит от модулирующей частоты, и в этом состоит различие спектров ФМ и ЧМ. Число спектральных линий остается при изменении модулирующей частоты неизменным, но интервал между ними (равный W) изменяется, поэтому меняется и общая ширина спектра.

 

 

Демодуляция сигналов

Процесс выделения управляющего сигнала — носителя полезной информации — из сигнала, подвергнутого модуляции, называется демодуляцией или детектированием. Если модулирующий управляющий сигнал, изменяющийся в соответствии с полезной информацией, содержится в неявном виде в сигнале на выходе модулятора, то в результате демодуляции, т.е. после соответствующей обработки промодулированного сигнала, закон, по которому менялись амплитуда, фаза, частота, поляризация исходного сигнала — переносчика информации (например, потока излучения) — восстанавливается. Физические сущности управляющего сигнала и сигнала, полученного после модуляции, могут быть различными, но закон их изменения — одинаковый. Часто демодуляцию называют детектированием. В дальнейшем будем пользоваться равнозначно обоими терминами. В зависимости от воспроизводимого при демодуляции параметра различают амплитудное, частотное и фазовое детектирование.

Амплитудную демодуляцию можно осуществить путем перемножения сигнала u_м (t), получаемого после линейного преобразования в приемнике излучения модулированного сигнала F_м (t) и последующего его усиления и фильтрации (рис. 9.4), и некоторого опорного периодического сигнала u_оп(t) с частотой несущей w_н, т.е. как бы подвергнуть сигнал u_м (t) модуляции.

Представим спектр опорного сигнала в соответствии с (2.6) как

 (9.4)

где U_опk — амплитуда k-й гармоники опорного сигнала.

Используя теорему о спектре произведения применительно к выходному сигналу u_вых (t)=u_м (t)u_оп (t), т.е. представляя спектр u_вых (t) как

и учитывая (9.2) и (9.4), получим

 (9.5)

Очевидно, что в этом сложном спектре содержатся составляющие, повторяющие спектр S(jw) восстанавливаемого сигнала (например, при n=k=0 и при n=-k и k=-n). Для выделения исходного спектра S(jw), которому на выходе соответствует низкочастотная составляющая u_вых(t), т.е. сигнал u_c(t), подобный входному сигналу s(t), необходимо отфильтровать низкочастотную часть U_вых (jw), введя в состав электронного тракта фильтр низких частот с полосой пропускания 2Dw₀ (см. рис. 9.4).

Таким образом, схема обработки сигналов в ОЭП при их модуляции и демодуляции в достаточно обобщенном виде может быть представ лена так, как показано на рис. 9.4.

Для амплитудной демодуляции широко используются линейные и квадратичные детекторы. Первое название условно, так как по своей сути демодуляция — нелинейный процесс.

Значение сигнала на выходе демодулятора при линейном детектировании пропорционально абсолютному значению входного сигнала, а при квадратичном детектировании — квадрату этого значения.

Сигнал на выходе линейного детектора с коэффициентом передачи k_дт, осуществляющего операцию u_вых=k _дтu_м ,

 (9.6)

Разлагая функцию ôsin w_нt ôв ряд Фурье и подставляя это разложение в (9.6), получаем

Рис. 9.4. Процессы модуляции и демодуляции сигнала в ОЭП

 (9.7)

Первый член в фигурных скобках описывает ту модулирующую функцию, которую должен выделить детектор. Пропуская сигнал, описываемый (9.7), через низкочастотный фильтр, на его выходе получаем

При квадратичном детектировании демодулятор реализует операцию вида u_вых=k _дтu²_м , т.е.

 (9.8)

В этом сигнале содержатся две близкие низкочастотные гармоники с частотами w₀ и 2w₀. Фильтрация второй гармоники затруднительна, и ее наличие приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала. Как следует из (9.8), отношение амплитуд второй и первой гармоник равно т/4, поэтому чем меньше т, тем меньше амплитуда гармоники 2w₀ и амплитудные искажения.

В качестве амплитудных детекторов на практике обычно используют выпрямители (одно- и двухполупериодные), имеющие линейные и квадратичные статические характеристики, с фильтрами низких частот на выходе (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Схема однополупериодного амплитудного детектора

Квадратичное детектирование применяют при демодуляции сигнала, являющегося суммой двух гармонических колебаний с разными частотами и амплитудами. При u_м=Аsin w₁ t+Bsinw₂ t на выходе квадратичного детектора будет сигнал

При использовании низкочастотного фильтра с полосой пропускания, значительно меньшей частот w₁ и w₂, можно выделить сигнал

Если w₁ — частота полезного сигнала, a w₂ — частота сигнала вспомогательного опорного генератора-гетеродина, то при их синхронности (т.е. при w₁=w₂) и синфазности выходной сигнал линейно связан с входным. При сдвиге фаз на Dj между входным сигналом и опорным выходной сигнал пропорционален cosDj. Этот случай демодуляции с использованием синхронного опорного сигнала называется синхронным детектированием.

На рис. 9.6 представлена простейшая функциональная схема ОЭП с синхронным детектированием. Синхронность входного сигнала F_с и опорного F_оп, создаваемого источником опорного сигнала ИОС, достигается за счет использования одного и того же модулятора, вращающегося с частотой w. Соответствующие F_с и F_оп электрические сигналы U_c и U_on, образующиеся на выходах приемников излучения ПИ, после усиления перемножаются и фильтруются фильтром низких частот ФНЧ. Выходной сигнал U_вых изменяется во времени по закону U_c(t), а его амплитуда пропорциональна косинусу фазового сдвига U_c относительно U_оп, т.е. cosDj, где Dj — разность начальных фаз j_с и j_оп колебаний U_с и U_оп.

Рис. 9.6. Схема ОЭП с синхронным детектированием

Достоинствосинхронного детектирования - чувствительность к изменению разности фаз между входным и опорным сигналами, что при синфазности полезного входного и опорного сигналов позволяет увеличить помехозащищенность системы, так как помехи со случайной фазой в противоположность полезному сигналу детектируются неполностью. Синхронное детектирование часто используют, когда известна лишь амплитуда сигнала, а скорость обработки или передачи сигналов невысока.

Представляет интерес вопрос о том, как изменяется отношение m сигнал/помеха (или сигнал/шум) на выходе того или иного детектора по сравнению с отношением m_вх на его входе. Так, для амплитудного детектирования при некогерентных сигналах отношение сигнал/шум на выходе квадратичного детектора m=m²_вх/(1+2 m_вх). При больших m_вх в случае линейного детектирования значение m может быть (1+m²/2)^1/2 в раз больше, чем при квадратичном детектировании [24].

При частотном или фазовом детектировании обычно используется избирательная линейная система, преобразующая частотную или фазовую модуляцию в амплитудную.

При частотной демодуляции для устранения паразитной амплитудной модуляции в электронном тракте применяют амплитудные ограничители, а затем — частотный дискриминатор, создающий на своем выходе напряжение, мгновенное значение которого пропорционально входному мгновенному значению частоты. В качестве такого дискриминатора можно использовать избирательный усилитель с большой и желательно постоянной крутизной амплитудно-частотной характеристики в диапазоне изменения частоты модуляции.

В качестве примера фазового детектора, используемого в ряде ОЭП и создающего на своем выходе напряжение, пропорциональное сдвигу фаз между двумя сигналами, рассмотрим схему и диаграмму напряжений, показанные на рис. 9.7. Такую схему можно использовать как фазочувствительный детектор при определении направления на излучатель в случае полудискового анализатора изображений. Если между сигналом u_м, соответствующим, например, сигналу от излучателя, и сигналом u_оп от генератора опорного напряжения имеется сдвиг фаз j, то, как следует из диаграммы напряжений,

или, обозначая c=u_м/u_оп , находим

при c<<1

где k_дт — коэффициент передачи интегрирующей цепочки детектора.

Рис. 9.7. Фазочувствительный детектор

Детектирование сигнала может осуществляться не только в выходных каскадах электронного тракта, т.е. после усиления и фильтрации электрического сигнала, но и при приеме оптического сигнала — в модуляторе или в фотоприемнике. Такое детектирование используют, например, в фазовых светодальномерах со сверхвысокочастотной модуляцией излучения.