Способ приема сигналов Российский патент 2021 года по МПК G01S17/00 

Предлагаемое изобретение относится к приему сигналов, в частности, к технике приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других областях.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2]. Указанные решения не обеспечивают максимального отношения сигнала к шуму, поскольку не определяют это отношение.

Эффективное (среднеквадратическое) значение электрической величины определяют стандартные лабораторные приборы [3]. Принятые в них принципы не обеспечивают возможность их применения в портативной аппаратуре в широком диапазоне температур.

Такую возможность не обеспечивают и специализированные решения, основанные на методах спектральной селекции и т.п. [4].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [5].

Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания без учета среднеквадратического значения шума. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению отношения сигнала к шуму [6], которое данным техническим решением не контролируется.

Задачей изобретения является достижение высокой точности измерения среднеквадратического значения шума и максимального отношения сигнала к шуму во всех условиях эксплуатации.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема сигналов, включающем прием, усиление и формирование стандартных импульсов при превышении усиленным сигналом заданного порога срабатывания, в процессе подготовки к приему сигналов определяют среднеквадратическое значение шума, для чего устанавливают первый начальный порог срабатывания U₁, а затем - второй начальный порог U₂, определяют абсолютную разность квадратов начальных порогов определяют частоты f₁ и f₂ превышения этих порогов шумовыми выбросами и абсолютную разность этих частот после чего определяют оценку среднеквадратического значения шума σ* по формуле причем, частоты f₁ и f₂ определяют путем накопления количества N₁ и N₂ соответствующих превышений порогов выбросами шума и определения частот f₁ и f₂ по формулам f₁=N₁/Т₁, f₂=N₂/T₂, где T₁ и Т₂ - периоды накопления превышений N₁ и N₂.

Пороговые уровни U₁ и U₂ устанавливают относительно предварительной оценки среднеквадратического значения шума таким образом, чтобы суммарная относительная ошибка была минимальной.

Выбор пороговых уровней осуществляют путем предварительного составления комбинации возможных сочетаний порогов U₁ и U₂ и выбором таких сочетаний, при которых величина δσ минимальна.

При многократном повторении циклов измерения периоды накопления выбирают так, чтобы суммарное время Σ(T₁+Т₂)=ΣТ было максимально возможным в пределах допустимого времени подготовки к работе Т_подг.

В начале многократного процесса время накопления можно уменьшить, а к окончанию подготовки увеличивать, так, чтобы суммарное время подготовки Т_подг было в пределах допуска.

В процессе регулировки можно менять отношение U₁/σ* в зависимости от результатов предыдущего измерения так, чтобы последующие измерения проводились при соотношении параметров, обеспечивающих минимально возможную погрешность.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2 показаны графики зависимости η(М) для германиевого (фиг. 2а) и кремниевого (фиг. 2б) лавинных фотодиодов. На фиг. 3 приведены температурные зависимости М_опт.

Фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно включенных источника питания 4 и схемы компенсации 5. Пороговое устройство охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом через коммутатор 7. Лавинный фотодиод снабжен источником пробного сигнала 8. Для переключения режимов и обработки данных введено решающее устройство 9, связанное с источником пробного сигнала 8, схемой компенсации 5 и коммутатором 7. Между выходом усилителя 2 и входом решающего устройства введена схема измерения среднеквадратичного значения шума 10. К другим входам решающего устройства подключены дополнительный выход усилителя 2 и выход порогового устройства 3.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью решающего устройства 9 на лавинный фотодиод 1 подают начальное напряжение смещения от источника питания 4 через схему компенсации 5 и оптический пробный сигнал от источника пробного сигнала 8. Одновременно через коммутатор 7 отключают схему шумовой автоматической регулировки порога, а в пороговом устройстве 3 устанавливают первый пороговый уровень U₁. Выбросы шума, превышающие порог U₁ и вызывающие срабатывания порогового устройства 3, накапливают в решающем устройстве 9 в течение времени Т₁, формируя их количество N₁, и вычисляют величину f₁=N₁/T₁. По истечении времени T₁ с помощь, решающего устройства 9 и коммутатора 7 переключают порог на уровень U₂ и, повторяя в течение времени Т₂ описанную процедуру, определяют величину f₂=N₂/T₂. Затем определяют абсолютные разности

и оценку среднеквадратического значения шума

Одновременно определяют амплитуду А* пробного сигнала на дополнительном выходе усилителя и вычисляют квадрат отношения сигнал/шум

На этом первый цикл управления завершают и переходят к последующим циклам, отличающимся тем, что по команде с решающего устройства 9 на схему компенсации 5 напряжение смещения фотодиода увеличивают и повторяют описанную процедуру К раз до тех пор, пока не выполнится условие

где Δη - допустимое отклонение л от максимального значения.

После выполнения условия (4) с помощью решающего устройства 9 и коммутатора 7 включают шумовую автоматическую регулировку порога, осуществляемую схемой 6, например, по методике, изложенной в [7]. После установления рабочего уровня порога, включают режим приема сигналов, фиксируя установившийся пороговый уровень и открывая выход порогового устройства на внешний выход коммутатора 7, являющийся выходом фотоприемного устройства.

При проведении расчетов оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I₁ - первичный обратный ток фотодиода;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].

Квадрат W отношения шум/сигнал

Условие нуля производной

Или

Пример 1 (Фиг. 2а).

Германиевый фотодиод. α=1. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=1,8…3,5. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=М_опт=3, не более, чем на 2%. Пример 2 (Фиг. 2б).

Кремниевый фотодиод. α=0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М=25…35. При этом максимальное отношение сигнал/шум, обеспечиваемое способом, то есть величина отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М=М_опт=30, не более, чем на 2%.

Существует сильная экспоненциальная зависимость темнового тока от температуры [1]. Установлено, что первичный темновой ток увеличивается во всем температурном диапазоне примерно в два раза при увеличении температуры на 10 градусов. Зависимость М_опт от температуры (фиг. 3) может быть определена предварительно и ее можно учесть в процессе проектирования для установки пределов регулирования схемы компенсации.

В каждом из циклов регулировки, особенно в (К-1)-м и К-м необходимо обеспечивать не только минимальную методическую погрешность измерения Δη (4), но и минимум отклонения оценки, обусловленного случайным характером N₁ и N₂. Известно [8], что количество N шумовых выбросов, превысивших порог, представляет собой случайную величину, подчиняющуюся распределению Пуассона. Среднее значение этой величины N_cp=N, а среднеквадратическое отклонение Среднеквадратическое отклонение σ_N12 разности (N₁-N₂) равно Максимальная ошибка оценки средней разности равна 3 σ_N12.

При равенстве U₁=U₂ и, соответственно, N₁=N₂ выражение (2) становится неопределенным. При практической реализации предлагаемого способа следует иметь в виду, что относительная величина не должна превышать допустимого предела погрешности, указанного выше.

Пример 3 Истинное значение σ=1, f₀=10⁷ Гц.. Оценка σ* по формуле 2 для разных U₁ и U₂ приведена в таблице 1.

Согласно данным табл. 1, 2 ошибка метода растет с ростом U₁ и (U₁-U₂), однако при малых значениях порогов и, соответственно, при малых (σ*-σ). будет сказываться ошибка округления.

Табл. 3 показывает разнонаправленное влияние величин

Из табл. 4 следует, что в условиях примера 3 при (U₁-U₂)=0,3σ оптимальные значения U₁ находятся в широкой области от 0,01σ до σ, а за пределами этого диапазона ошибка заметно возрастает. Из этого следует, что в процессе определения σ в промежуточных, а особенно в конечных циклах приближения целесообразно корректировать значения порогов U₁/σ* и U₂/σ* в соответствии с предыдущими результатами измерений так, чтобы последующие измерения проводились при соотношении параметров, обеспечивающих минимально возможную погрешность.

Для ускорения процесса выхода на оптимальный режим первые циклы регулировки можно проводить при времени накопления существенно (например, на порядок) меньше, чем в последних двух циклах, по которым принимается решение о прекращении регулировки. При этом, как следует из расчетов, ошибка первых циклов не превышает 20-50%, что приемлемо для промежуточных оценок.

Как следует из приведенных примеров, предлагаемая методика на основе имеющихся аппаратных средств обеспечивает оценку σ в широком диапазоне с удовлетворительной погрешностью. При необходимости погрешность может быть еще уменьшена введением программной поправки при производственной калибровке.

Таким образом, обеспечивается решение поставленной задачи - достижение высокой точности измерения среднеквадратического значения шума и максимального отношения сигнала к шуму во всех условиях эксплуатации.

Источники информации

1. И.Д. Анисимова и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники приемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра - М.: Радио и связь, 1984 г. - 216 с.

2. Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

3. Насонов B.C. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М.: Советское радио, 1976, т. 1., 234 с.

4. Патент РФ №2190832. Устройство выделения слабых оптических сигналов. 2002 г.

5. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.

6. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. - Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - С. 59.

7. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, С. 39-41.

8. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рудь Е.Л.. Оценка возможностей светолокационного измерителя дальности с накоплением. - Фотоника, 2007, №6, С. 22-26.

9. Горяинов В.Т. и др. Примеры и задачи по статистической радиотехнике. Под. общ. ред. В.И. Тихонова. - М.: Советское радио, 1970 г. - С. 113.

Использование: изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Сущность: способ приема сигналов, включающий прием, усиление и формирование стандартных импульсов при превышении усиленным сигналом заданного порога срабатывания, в процессе подготовки к приему сигналов определяют среднеквадратическое значение шума, для чего устанавливают первый начальный порог срабатывания U₁, а затем второй начальный порог U₂, определяют абсолютную разность квадратов начальных порогов частоты f₁ и f₂ превышения этих порогов шумовыми выбросами и абсолютную разность этих частот после чего определяют оценку среднеквадратического значения шума σ* по формуле причем частоты f₁ и f₂ определяют путем накопления количества N₁ и N₂ соответствующих превышений порогов выбросами шума и определения частот f₁ и f₂ по формулам f₁=N₁/T₁, f₂=N₂/T₂, где T₁ и Т₂ - периоды накопления превышений N₁ и N₂. Технический результат: обеспечение высокой пороговой чувствительности во всех условиях эксплуатации. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.

1. Способ приема сигналов, включающий прием, усиление и формирование стандартных импульсов при превышении усиленным сигналом заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что в процессе подготовки к приему сигналов определяют среднеквадратическое значение шума, для чего устанавливают первый начальный порог срабатывания U₁, а затем второй начальный порог U₂, определяют абсолютную разность квадратов начальных порогов частоты f₁ и f₂ превышения этих порогов шумовыми выбросами и абсолютную разность этих частот после чего определяют оценку среднеквадратического значения шума σ* по формуле причем частоты f₁ и f₂ определяют путем накопления количества N₁ и N₂ соответствующих превышений порогов выбросами шума и определения частот f₁ и f₂ по формулам f₁=N₁/T₁, f₂=N₂/T₂, где Т₁ и Т₂ - периоды накопления превышений N₁ и N₂.

2. Способ приема сигналов по п. 1, отличающийся тем, что пороговые уровни U₁ и U₂ устанавливают относительно предварительной оценки среднеквадратического значения шума таким образом, чтобы суммарная относительная ошибка была минимальной.

3. Способ приема сигналов по п. 2, отличающийся тем, что выбор пороговых уровней осуществляют путем предварительного составления комбинации возможных сочетаний порогов U₁ и U₂ и выбором таких сочетаний, при которых величина δσ минимальна.

4. Способ приема сигналов по п. 1, отличающийся тем, что при многократном повторении циклов измерения периоды накопления выбирают так, чтобы суммарное время Σ(T₁+Т₂)=ΣТ было максимально возможным в пределах допустимого времени подготовки к работе Т_подг.

5. Способ приема сигналов по п. 4, отличающийся тем, что в начале многократного процесса время накопления уменьшают, а к окончанию подготовки увеличивают так, чтобы суммарное время подготовки Т_подг было в пределах допуска.

6. Способ приема сигналов по п. 4, отличающийся тем, что в процессе регулировки меняют отношение U₁/σ* в зависимости от результатов предыдущего измерения так, чтобы последующие измерения проводились при соотношении параметров, обеспечивающих минимально возможную погрешность.