Методические указания для лабораторной работы по курсам апбс ч. 3, «Биотелеметрия»

7. Методы демодуляции

Входная часть оптических приемников может быть построена на основе одного из двух принципов приема: прямого фотодетектирования и фотосмешения (гетеродинный и гомодинный метод).

На выходе фотодетектора схема оптического приемника не отличается от схемы обычного приемника радиодиапазона.

При прямом фотодетектировании (рис. 19 а) сигнал на выходе фотоприемника воспроизводит изменение мощности принимаемого модулированного света, а информация о частоте и фазе несущей теряется. Выходной ток фотодетектора i_р пропорционален усредненному по времени (за период несущей) мгновенному значению интенсивности несущей с(t)

где - коэффициент преобразования фотоприемника; -квантовая эффективность фотоприемника; е - заряд электрона.

Поскольку ток фотодетектора в рабочем диапазоне спектра не зависит от частоты, фазы и поляризации несущей, приёмное устройство прямого детектирования само по себе может быть использовано только для демодуляции AM и ИМ колебаний. Этот метод приема не позволяет различить фотоны сигнала и фона и практически не критичен к углу падения принимаемого излучения. Для спектральной селекции необходимо использовать оптические фильтры, а для пространственной - уменьшить угол зрения входной оптической системы.

Достоинство метода прямого фотодетектирования - простота приемного устройства.

При гетеродинном приеме (рис. 19 б), происходит фотосмешение информационного сигнала с сигналом гетеродина. Напряженность электрического поля излучения на фоточувствительной поверхности можно представить в виде суммы полей сигнала и гетеродина

где - соответственно амплитуды, частоты и фазы сигнала и гетеродина; V_х - скорость перемещения волны вдоль фоточувствительной поверхности.

а) прямое фотодетектирование; б) фотосмешение.

Особенность фотосмешения - наличие гетеродина. При использовании в качестве гетеродина специального ОКГ высокие требования предъявляются к стабильности параметров излучения передающего и гетеродинного ОКГ, что достигается, в частности, автоматической подстройкой частоты, резко усложняющей аппаратуру.

Гетеродинный прием обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с методом прямого фотодетектирования и сохраняет информацию о частоте и фазе принимаемого излучения, но требует когерентности излучения лазерного передатчика и лазерного гетеродина. Отношение сигнал/шум в полосе полезного сигнала гетеродинного приемника в 2 раза больше, чем у приёмника прямого фотодетектирования.

При гомодинном методе демодуляции в качестве гетеродина используется ОКГ передатчик (f_г = f_с). Выходной сигнал фотоприёмника при гомодинном методе является непосредственно информационным сигналом.

Фотосмешение ослабляет фон, т.к. создает для него спектральную и пространственную фильтрации. Спектральная фильтрация обусловлена тем, что усиливаются те шумовые компоненты, которые оказываются в полосе частот фильтра промежуточной частоты. Пространственная фильтрация фона обеспечивается тщательным согласованием гетеродинного и сигнального потоков.

8. Экспериментальная установка для исследования характеристик электрооптического модулятора

Экспериментальная установка (рис.20) состоит из передающего и приемного устройств, комплекта контрольно – измерительной аппаратуры, источника питания.

В передающее устройство входят: газовый лазер 1, работающий в непрерывном режиме на длине волны 632,8 нм, телескопическая насадка 2, полуволновая пластина 3, служащая для юстировки ЭОМ относительно лазера, электрооптический модулятор 4 типа МЛ-102A, усилитель - подмодулятор 5, телескопический расширитель луча 6.

Приемное устройство макета представляет собой фотодиод 8, расположенный в фокальной плоскости приёмного объектива 7, включен в вентильном режиме.

К
онтрольно - измерительная аппаратура включает цифровой вольтметр 9 типа В7 - 21А.
Рис. 20
Для модулятора МЛ-102А полуволновое напряжение = 240 В при = 632,8 нм 3адавая значения можно рассчитать статическую модуляционную характеристику модулятора.

9. Обработка результатов измерений

9.1. Погрешность единичного измерения

Основной характеристикой случайной погрешности является средняя квадратическая погрешность (СКО). Необходимо различать СКО δ для единичного (отдельного) измерения и СКО δ' для средне­го значения μ_х случайной величины х.

Оценкой СКО единичного измерения δ, вычисленной по выбороч­ным значениям случайной величины (СВ) - по результатам измере­ний: Х₁,Х₂,..., Х_n, - является

,

где - выборочная оценка среднего из n измерений.

Значение S является основной характеристикой для определения точности данного способа измерении.

Величина δ характеризует погрешность результата единичного измерения, выполненного данным методом, однако оценка СКО S должна быть определена из результатов достаточного большого чис­ла измерений (на практике ограничиваются количеством n=10..50).

Истинное значение СВ с определенной вероятностью попадает в интервал

,

где m=1,2,3... Указанный интервал называют доверительным интер­валом, а связанную с ним величину вероятности - доверительной. Величину =3δ условно называют предельной погрешностью измерения. Для нормального закона распределения вероятность попада­ния истинного значения СВ Х в интервал μ_х± 3δ равна 0,997.

Таким образом, для характеристики случайной погрешности не­обходимо указать два числа: величину самой погрешности (полуши­рину доверительного интервала =δ) и связанную с ней величину доверительной вероятности Р. Согласно ГОСТ 8.207-76, в техничес­ких измерениях, как правило, Р=0,95.

9.2. Погрешность среднего значения

Случайную погрешность можно уменьшить, если провести не одно, а несколько измерений и в качестве результата измерения взять выборочное среднее совокупности однородных измерений.

Между СКО δ' среднего значения, СКО единичного измерения δ и числом измерений n, использованных для вычисления среднего , существует взаимосвязь

представляющая собой закон уменьшения случайной погрешности при росте числа измерений. Величина δ определяет не только погреш­ность единичного измерения, но и усредненного результата.

Погрешность среднего (полуширину доверительного интерва­ла) для заданной доверительной вероятности Р(m) можно определить следующим образом:

1. 
   Для случая, когда значение δ известно
   

2. 
   Если δ не известна, но обрабатываемая серия измерений (Х₁, Х₂,.., Х_n) достаточно велика (n больше 10...20), то
   

2. 
   В случае, когда δ не известна и n мало (n < 10), пра­вильная оценка погрешности основана на использовании так называ­емого распределения Стьюдента (t-распределения).
   

Значения t_p,n-1 для доверительной вероятности Р и числа измере­ний n являются справочными данными [2 (Дополн. литер-ра)]. Дан­ный метод оценки случайной погрешности среднего пригоден для лю­бого числа измерении - как для малого, так и большого. Величина t_p,n-1 стремиться к соответствующей величине m (m=1,2,…) с воз­растанием n.

В пп.9.1, 9.2 рассматривались погрешности прямых измерений, когда физическая величина (ток, напряжение, время и т.д.) измерялась непосредственно. Пусть z=f(x,y,…) есть функция независимых переменных х,у,.., величина z непосредственно не измеряется. Производятся измерения величин х,у,.., а затем вычисляется z. Тогда погрешность вычисления величины z оценивается следующим образом

,

где f_x', f_y' - частные производные функции f соответственно по переменным х, у в точке измерения. Величина f_x' является сос­тавляющей погрешности измерения z, обусловленной погрешностью измерения х и т.д.

Литература

1. Василевский A.M., Кропоткин М.А., Тихонов В.В. Оптическая электроника.- Л.: Энергоатомиздат, 1990.- 176 с.

2. Поль Р. Оптика и атомная физика//Пер. с нем. Под ред. Толстого Н.А.- М.: Наука, 1966.- 552 с.

3. Шереметьев В.Г., Толпоров Р.П. Лазерная связь.- М.: Связь, 1974.

4. Пратт В. Лазерные системы связи.- М.: Связь, 1972.

5. Мустель Е.Р., Парыгин. Методы модуляции и сканирования света.- М.: Наука. 1970.

Задание к лабораторной работе №1

1. 
   Изучите методический материал пунктов 1-9.
   
2. 
   Подготовьте реферат лабораторной работы N1 " Изучение устройства электрооптического модулятора и теоретическое исследование его статической модуляционной характеристики " по пп. 1 - 7.
   

1. 
   классификации ЛСС, типах передающих и приемных антенн, способах модуляции, демодуляции оптических сигналов;
   
2. 
   способах получения линейно поляризованного; эллипти­чески поляризованного света и света с круговой поляриза­цией;
   
3. 
   свойствах АС, электрооптическом эффекте Поккельса;
   
4. 
   принципах работы ЭОМ, видах и способах получения статических модуляционных характеристик ЭОМ.
   

3. 
   По формулам (38), (39) вычислите значения коэффициентов пропускания, задаваясь величиной напряжения в диапазоне от 0 до 270 В с шагом 15 В и постройте аналитические статические модуляционные характеристики.
   
4. 
   Подготовьте таблицу 2 к лабораторной работе №2 «Экспериментальное исследование статической модуляционной характеристики электрооптического модулятора».
   

Экспериментальные данные определения СМХ ЭОП.

Задание к лабораторной работе №2

Перед работой с установкой необходимо ознакомиться с нас­тоящим руководством, правилами по технике безопасности по ра­боте с электроустановками, ОКГ и инструкциями к применяемым приборам.

1. 
   Изменяя напряжение смещения () на обкладках ЭОМ ступенчато в пределах от 0 до 240В с шагом 15В, фиксировать показания вольтметра и заносить в таблицу 2.
   
2. 
   Вычислить средние значения тока фотоприёмника Mi и дисперсию Si для каждого значения . Результаты занести в таблицу 2.
   
3. 
   Построить статическую модуляционную характеристику ЭОМ
   

сравнить с теоретической кривой (п. 8.1).

4. 
   Определить на построенной кривой рабочий участок характеристики, отклонения от линейности на котором не превышают 5%.
   
5. 
   Определить оптимальное напряжение смещения (рабочую точку) подаваемое на ЭОМ при передаче информационного сигнала по ЛСС, как среднее значение рабочего участка СМХ.
   

Контрольные вопросы

1. Классификация ЛСС по типу канала, по способу модуляции. Какие виды модуляции вы знаете?

2. Состав приемного и передающего устройства ЛСС?

3. Дать определение изотропной и анизотропной сред. Чем обусловлена анизотропия среды?

4. В чем особенности феноменологической теории оптической анизотропии?

5. Перечислите свойства АС.

6. Какие АС называются двулучепреломляющими, дихроичными? Что такое поляризатор, анализатор?

ч

7. Какими свойствами обладают четвертьволновая и полуволновая пластинки?

9. От чего зависит полуволновое напряжение?

10. Каким образом можно управлять видом статической модуляционной характерстики (СМХ) ЭОМ?

11. При каком расположении поляроидов получается СТМ типа

sin²() А при каком cos²().

12. Какие функциональные блоки установки относятся: к системе

связи, линии связи, передатчику, приемнику, каналообразующей аппаратуре, модулятору, демодулятору ?

13. Какие физические параметры оптического сигнала могут яв­ляться носителями информации?

14. Для чего нужна температурная компенсация в ЭОМ и каким образом она осуществляется?

15. Каким образом можно снизить полуволновое напряжение модулятора?

16. Какие методы демодуляции оптического сигнала применяются в оптических системах связи?

17. Какими способами можно осуществить выбор рабочей точки на СМХ?

18. Какие типы оптических антенн применяются в оптических системах связи?

19. От каких параметров системы связи зависит дальность пере­дачи сообщения?