Оптоэлектронный детектор амплитудно-модулированных сигналов Российский патент 2024 года по МПК H04B10/54 

Изобретение относится к области радиотехники, оптоэлектроники и может быть использовано в системах радиосвязи.

Возросшие требование к скорости обработки информации, ограничения в передачи электронных потоков с частотой выше 2ГГц по проводным микрополосковым линиям связи, привели к использованию фотонов в качестве носителей сигналов информации Использование оптронов для прямого перемножения оптических и электрических сигналов значительно упрощает конструкцию радиотехнических устройств за счет идеальной гальванической развязки и резко повышает качество, например, амплитудно-модулированных (АМ) сигналов за счет исключений нелинейных искажений

Известен передатчик с амплитудной модуляцией в который входит оптрон - устройство содержащее источник света и фотоприемник (светодиод и фоторезистор). Передатчик с АМ содержит фоторезистор, включенный в последовательную цепь между высокочастотным генератором и через усилитель мощности с антенной, при этом между фоторезистором и источником света, управляемым источником сообщения, расположен световод (RU 39240, МПК Н04В 10/54, опубл. 20.07.2004).

Известен балансный модулятор, в который входит оптрон. Балансный модулятор содержит фоторезистор, высокочастотный генератор, между фоторезистором и источником света расположен световод. Фоторезистор включен последовательно сопротивлению, фильтр высоких частот и нагрузка включены параллельно сопротивлению, источник питания фоторезистора, управляемый источником сообщения, включен параллельно фоторезистору с сопротивлением, а источник света подключен к высокочастотному генератор (RU 183602, МПК Н04В 10/54, опубл. 27.09.2018).

Недостаток перечисленных оптоэлектронных устройств на основе оптрона связан с тем, что они выполняют только функции занесения информации в электрический сигнал (амплитудная модуляция (АМ) электрических сигналов), а извлечение информации из АМ радиосигнала и оптического АМ сигнала на поднесущей, осуществляется столько с помощью электронных устройств – диодных детекторов.

Из уровня техники известен диодный детектор для извлечения информации из АМ электрических сигналов, который является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) Известный диодный детектор состоит из последовательно включенного диода и конденсатора, параллельно которому включено регистрирующее устройство. Детектор работает следующим образом: амплитудно-модулированный сигнал подают на диод и последовательно включенный фильтра низких частот. На выходе диода спектр сигнала содержит модулирующий сигнал и АМ сигнал на гармониках несущего ВЧ сигнала кратных основной. Модулирующий сигнал выделяются с помощью фильтра нижних частот, и поступает в регистрирующее устройство. В результате на выходе устройства имеем низкочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону передаваемого сообщения. [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, стр.286-292].

Недостаток такого детектора заключается в невозможности детектировать оптический АМ сигнал.

Создание оптоэлектронного детектора позволит изготовлять и приемную аппаратуру на основе резисторных оптронов.

Целью изобретения является создание оптоэлектронного детектора АМ сигналов, на основе оптрона.

Технический результат заключается в создании оптоэлектронного детектора АМ сигналов на основе оптрона с использованием инерционных свойств фоторезистора.

Сущность изобретения заключается в том, что оптоэлектронный детектор амплитудно-модулированных сигналов состоит из оптрона, содержащего светодиод, сигнал со светодиода подан через фокусирующую систему на фоторезистор, последовательно с фоторезистором включено сопротивление нагрузки. Причем фоторезистор выполнен с возможностью выделения на выходе только низкочастотного сигнала, несущего информацию, когда граничная частота фоторезистора удовлетворяет условию:

,

где и Ω соответственно несущая и модулирующая частоты амплитудно-модулированного сигнала, - граничная частота фоторезистора.

На фиг. 1 изображена схема оптоэлектронного детектора амплитудно-модулированных сигналов; на фиг. 2А,В приведены рассчитанные осциллограммы тока фоторезистора в относительных единицах при подаче АМ сигнала на светодиод.; на фиг. 3 приведен рассчитанный сигнал при ; на фиг. 4А представлен сигнал на выходе фоторезистора при освещении его отсеченным оптическим АМ сигналом при частоте низкочастотного (НЧ) сигнала 10КГц и частоте поднесущего сигнала 0,5МГц; на фиг. 4В представлен низкочастотный сигнал на выходе фоторезистора при повышении частоты несущего сигнала до 1МГц и выполнения условия .

Оптоэлектронный детектор (фиг.1) амплитудно-модулированных оптических сигналов состоит резисторного оптрона 1, содержащего светодиод 2, фокусирующую систему 3, расположенную между светодиодом 2 и фоторезистором 4. Фоторезистор 4, последовательно с которым, включено нагрузочное сопротивление 5.

Оптоэлектронный детектор амплитудно-модулированных сигналов (фиг.1) на основе резисторного оптрона 1 работает следующим образом: на светодиод 2 подается АМ сигнал с постоянной составляющей, которая обеспечивает угол отсечки ^.. Оптический сигнал от светодиода 2 проходит через фокусирующую систему 3 и попадает на фоторезистор 4. На выходе фоторезистора 4 за счет инерционных свойств фоторезистора 4 на нагрузочном сопротивлении 5 выделяется только низкочастотный сигнал несущий информацию.

В качестве фильтра низких частот в оптоэлектронном детекторе используется фоторезистор 4. Фоторезистор 4 выполняет функцию конденсатора, сглаживающего высокочастотные колебания. АМ сигнал, поступает на светодиод 2 резисторного оптрона 1. Оптический сигнал от светодиода 2 через фокусирующую систему 3 попадает на фоторезистор 4, последовательно с которым включено нагрузочное сопротивление 5. Если граничная частота фоторезистора 4 удовлетворяет условию:

, (1)

то фоторезистор 4 регистрирует только низкочастотный сигнал с частотой . На высокочастотный сигнал с частотой фоторезистор 4 не успевает реагировать. Следовательно, на выходе фоторезистора 4 на нагрузочном сопротивлении 5 выделяется низкочастотный сигнал с частотой Ω.

Нами построена математическая модель процесса детектирования оптического АМ сигнала на поднесущей с помощью резисторного оптрона 1. На светодиод 2 поступает электрический АМ сигнал. Оптический сигнал в виде отсеченного АМ сигнала на уровне через фокусирующую систему попадает на фоторезистор 4. Считаем, что фоторезистор 4 изготовлен из беспримесного материала с омическими контактами, возбуждение светом считается однородным по объему полупроводника. Запишем дифференциальное уравнение кинетики проводимости фоторезистора в безразмерном виде, это значительно упрощает расчеты и позволяет сравнивать их с экспериментальными результатами [1].

Дифференциальное уравнение кинетики концентрации свободных носителей в зоне проводимости в нормированном виде в единицах будет иметь вид:

, (2)

где , - коэффициент поглощения света, - квантовый выход, -амплитуда освещенности фоторезистора в квант/м²сек, , R - коэффициент отражения, М-глубина модуляции, - частота модулирующего сигнала, - частота поднесущего сигнала. В такой записи постоянная скорости рекомбинации (), и граничная частота () будут равны 1, соответственно циклическая граничная частота фоторезистора равна . - функция Хевисайда, моделирующая отсечку АМ сигнала на уровне . Частоты в соотношении (2) записаны в единицах граничной частоты и показывают, во сколько раз частоты модулирующего и несущего сигнала отличаются от граничной частоты. Уравнение (2) не имеет аналитического решения и может быть исследовано с помощью компьютерного моделирования, например, с помощью программного обеспечения Mathcad.

На фиг.2А - показана расчетная осциллограмма при поднесущей частоте составляющей половине граничной частоте . Частота модулирующего сигнала составляет . Из фиг.2А следует, что фоторезистор полностью регистрирует сигнал отсеченный АМ оптический сигнал т.к. . На фиг.2В приведена расчетная осциллограмма при поднесущей частоте в пять раз выше граничной частоты фоторезистора . В этом случае не полностью выполняется соотношение (1) , поэтому на выходе фоторезистора фиг.2В присутствует высокочастотный сигнал.

На фиг.3 приведен рассчитанный сигнал при . В этом случае полностью выполняется соотношение .На выходе фоторезистора наблюдается только сигнал с частотой Ω. Высокочастотный сигнал полностью отфильтрован. Расчет показывает, что амплитуда ВЧ сигнала составляет менее 1% от амплитуды модулирующего сигнала.

Нами изготовлена действующая модель оптронного детектора. Использовался фотодиод марки АЛ106В с длительностью фронта нарастания 10 нс, . Фоторезистор изготовлен из высокоомного кремния марки БНЛ-1 с удельным сопротивлением . Омические контакты к фоторезистору изготовлены на основе графита. Размеры фоторезистора . Измеренная граничная частота фоторезистора равна 43КГц На фиг.4А представлен сигнал на выходе фоторезистора при освещении его отсеченным оптическим АМ сигналом при частоте низкочастотного (НЧ) сигнала 10КГц и частоте поднесущего сигнала 0,5МГц. В данном случае не полностью выполняется условие (1), т.к.. Из фиг.4А видно, что в сигнале еще присутствуют ВЧ гармоники. Граничная частоты фоторезистора должна удовлетворяет условию: , где ω и Ω - соответственно несущая и модулирующая частоты АМ сигнала. При повышении частоты несущего сигнала до 1МГц и выполнения условия на выходе фоторезистора наблюдается только низкочастотный сигнал (фиг.4В). Измерение амплитуда ВЧ сигнала показала, что она не превышает 1% от амплитуды НЧ сигнала. Фоторезистор выполняет не только функцию приемника оптического АМ сигнала, но и исполняет функцию фильтра низких частот за счет инерционных свойства фоторезистора на частотах выше граничной частоты. Все реальные АМ сигналы имеют несущую (), что минимум на два порядка выше модулирующих частот, в качестве которых выступают частоты спектра голоса человека, которые располагаются в области . Следовательно, фоторезистор с граничной частотой 43 КГц регистрирует частоты до 20КГц, и как показали расчетные исследования, и измерения макета, надежно интегрирует высокочастотные составляющие гармоник выше 1МГц, что вполне достаточно для детектирования АМ сигналов. Физические принципы инерции фоторезистора отличны от инерционных свойств RC цепи и обусловлены кинетикой рекомбинации свободных носителей в полупроводниках. Следовательно, оптоэлектронный детектор работает на других физических принципах интегрирования высокочастотного сигнала, хотя дифференциальные уравнения кинетики свободных носителей в полупроводнике и зарядки конденсатора одинаковы.

По сравнению с известным решением, создан детектор оптоэлектронного детектора АМ сигналов на основе резисторного оптрона с использованием инерционных свойств фоторезистора.

Литература

Денисов Б.Н., Зазулин Я.А., Шелкунов А.Н., Пьянзин Д.В. Влияние кинетики рекомбинации носителей тока на коэффициент нелинейных искажений амплитудного модулятора на основе фоторезисторного оптрона. Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2018. №8. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/aug18/15/text.pdfDOI 10.30898/1684-1719.2018.8.15).

Изобретение относится к области радиотехники, оптоэлектроники и может быть использовано в системах радиосвязи. Техническим результатом является создание оптоэлектронного детектора амплитудно-модулированных (АМ) сигналов на основе резисторного оптрона с использованием инерционных свойств фоторезистора. Оптоэлектронный детектор АМ сигналов состоит из оптрона 1, содержащего светодиод 2, сигнал со светодиода подан через фокусирующую систему 3 на фоторезистор 4, последовательно с фоторезистором включено сопротивление нагрузки 5. Упомянутый технический результат достигается за счет того, что фоторезистор выполнен с возможностью выделения на выходе только низкочастотного сигнала, несущего информацию, когда несущая частота АМ сигнала много больше граничной частоты фоторезистора. 4 ил.

Оптоэлектронный детектор амплитудно-модулированных сигналов, содержащий диод, отличающийся тем, что в качестве диода включен светодиод, сигнал со светодиода подан на фоторезистор через фокусирующую систему, последовательно с фоторезистором включено сопротивление нагрузки, причем фоторезистор выполнен с возможностью выделения на выходе только низкочастотного сигнала, несущего информацию, когда граничная частота фоторезистора удовлетворяет условию

,

где и Ω соответственно несущая и модулирующая частоты амплитудно-модулированного сигнала, - граничная частота фоторезистора.