Введение. 6 страница

В параметрическом типа взаимодействия в результате взаимодействия встречных волн происходит пространственная однородная модуляция среды на удвоенной частоте. В этом случае результатом параметрического взаимодействия переменного возмущения среды сигнальной волны является обращенный волновой фронт.

В голографическом типе амплитуда и фаза сигнальной волны записывается в процессе ее взаимодействия с волной накачки. Частота волны накачки должна соответствовать частоте сигнальной волны. Обобщенная информация о распределении амплитуды и фазы записывающей волне, происходит размораживание – генерация обращенного волнового фронта.

Нелинейные взаимодействия эффективно используются в устройствах обработки и хранения информации – высокопроизводительных процессорах и ЗУ большой емкости.

5.3.2. Конвольверы

В радиоизмерительных и локационных устройствах широко используются методы корреляционной обработки сигналов, заключающиеся в одновременной обработке входного и опорного сигналов путем интегрирования результатов перемножения за время существования сигнала. Функция взаимной корреляции двух сигналов S1 и S2 в общем случае имеет вид:

.

Интегральное преобразование можно осуществить методом аналоговой обработки сигналов, используя нелинейное взаимодействие акустических колебаний. Такой процессор сигналов называется акустическим конвольвером (рис. 2.26, а). На левый ВШП 1 подается сигнал

,

А на правый 2 –

.

Синфазное взаимодействие происходит при выполнении условия и .

Появится новая акустическая волна на частоте ω₁, которая будет распространяться в противоположном направлении (рис. 5.26, а). На левом входном ВШП появится сигнал, который будет представлять функцию акустической корреляции:

Или при замене переменных получаем

Или

,

Т.е происходит обращение сигнала во времени.

Конвольвер как процессор сигналов выполняет несколько функций, например корреляционную обработку сигналов и операцию свертки. В табл. 5.1 приведены виды преобразований.

Конвольвер выполняется по микроэлектронной технологии. В конструкции конвольвера можно найти все пять элементов, характерных для изделия функциональной электроники.

Таблица 5.1. Виды преобразований, осуществляемые взаимодействием акустических волн

Входной сигнал	Выходной сигнал	Результат
Взаимодействие встречных волн
Произвольный		Сжатая по времени свертка
		Сжатая по времени автокорреляция
Генерация обратной волны
Произвольный		Взаимная корреляция
		Автокорреляция
		Обращение во времени

Информационная емкость конвольвера определяется величиной

Выходной сигнал, снимаемый с электродов 3, можно записать как:

, (5.6)

Где V_a – скорость звука, z – координата.

Введем новые переменные , и тогда уравнение может быть переписано в виде:

,

Где T=L/V_a – время интегрирования. Если исходные сигналы U(t) и V(t) имеют прямоугольную огибающую, то их свертка представляет треугольный импульс (рис. 2.26, б). Амплитудой, равной амплитуде треугольного импульса при T=T_c.

В случае, когда на левый вход поступает сигнал

,

А на выходной электрод –

,

.

В каждой точке пространства в момент времени t амплитуда акустического сигнала на частоте 2ω будет пропорциональна

.

А) Б)

Рисунок 5.26 – конвольвер на ПАВ (а) и процесс образования свертки двух сигналов U(t)*V(t) (б)

Динамический диапазон определяется уровнем ложных сигналов на выходе и нелинейным насыщением выходного сигнала. Для снижения уровня ложных сигналов применяют параметрический электрод с зубчатыми краями, глубина которых равна половине второй гармоники поверхности акустической волны.

Конвольверы нашли применение в устройствах обработки радиосигналов для согласованной фильтрации, для получения корреляционных функций, для дискретного Фурье-преобразования в реальном масштабе времени, для кодирования радиосигналов.

5.3.3. Устройства памяти

Акустическое запоминающее устройство (АЗУ) предназначено для запоминания сигналов, например, в процессе их корреляционной обработки. Операция записи информации осуществляется путем нелинейного взаимодействия акустической несущей волны с опорной акустической или электрической волной. При этом формируется пространственный рельеф из зарядов поверхностных или объемных ловушек. Информация хранится в виде фазовых и амплитудных распределений взаимодействующих волн. Операция восстановления сигнала осуществляется электрическими или звуковыми полями и сводится к размораживанию заполненного пространственного рельефа.

Различают импульсные и параметрические методы записи и считывания информации, а также метод их комбинаций.

Импульсный метод записи и хранения информации в АЗУ заключается в создании потенциального рельефа плотности зарядов в приповерхностном слое полупроводника с его последующей фиксацией. Возникновение потенциального рельефа обусловлено поперечным акустоэлектронным эффектом.

Под действием ПАВ происходит перераспределение зарядов в полупроводниковой пластине, находящейся вблизи поверхности звукопровода. В результате между верхним контактом к полупроводниковой пластине и металлическим электродам звукопровода возникает электрическая разность потенциалов, пропорциональная интенсивности ПАВ (рис. 5.27, а).

Таким образом, в полупроводниковой пластине принципиально можно записать образ волны, проходящей по звукопроводу. Существует несколько способов записи образа волны, все сводящиеся к созданию матрицы полупроводниковых диодов. В этом случае устройство АЗУ принимает вид, представленный на рис. 5.27, б. Фрагмент матрицы с диодами Шоттки приведен на рис. 5.27, в. Диоды Шоттки имеют время восстановления при прямом смещении 0,1 – 1,0 нс и позволяют записывать в АЗУ сигналы с полосой до нескольких сот мегагерц.

Матрица p-n-диодов, формируется на основе переходов “монокристаллический кремний поликристаллический кремний” (МК-ПК), представлена на рис. 5.27, г. При нулевом и обратном смещении диодов Шоттки время их восстановления лежит в пределах 10^-3 – 10^-1 с, и они не успевают реагировать на ВЧ-сигналы с частотой ≈ 100 МГц. Весь модулируемый заряд находится в объеме кремния в слое толщиной 1 мкм.

При приложении импульса смещения к электроду подложки для смещения диодов в прямом и обратном направлении время восстановления становится малым, и диоды уже реагируют на ВЧ-поле.

А) Б)

В) Г) Д)

Рисунок 5.27 – Схема АЗУ: а – возникновение поперечного акустоэлектрического эффекта; б – устройства АЗУ; в – фрагмент с диодами Шоттки; г – фрагмент с диодами типа МК-ПК; д – фрагмент общего вида матрицы; 1 – полупроводниковая пластина; 2 – матрица диодов; 3 – пьезоэлектрическая пластина

Диоды заряжаются пропорционально локальной напряженности поля. Полный заряд матрицы формируется ПАВ и импульсом смещения и соответствующим образом меняется по поверхности. Матрица позволяет записывать и считывать информацию 10⁵ раз. Итак, диодная матрица на поверхности звукопровода фотографирует потенциальный рельеф в приповерхностном слое полупроводника. Зафиксировать этот рельеф в диодной матрице можно при условии подачи сразу на все диоды короткого импульса отрицательного напряжения. Диоды откроются, сместятся в обратном направлении, ток мгновенно возрастет с напряжением из-за малого значения времени переключения, а диоды зарядятся в строгом соответствии с мгновенным значением электрического поля ПАВ, зафиксировав мгновенное распределение рельефа.

Если на выходные ВШП подается сигнал S(t)exp(iωt), то возбуждается поперечное поле

,

Которое формирует распределение зарядов в памяти, пропорциональное входному сигналу

.

Это выражение является функцией корреляции входного и записываемого сигналов. Для адекватного отображения электрического поля волны необходимо, во-первых, чтобы на длину акустической волны приходилось, как минимум, два диода (на каждую половину), и, во-вторых, чтобы длительность заряжающего импульса смещения на диоды была короче периода входного сигнала .

На рис. 5.28, ба приведена дисперсионная диаграмма, соответствующая импульсному методу записи сигнала. Возбужденная сигналом S(t) ПАВ (ω₁, ) взаимодействует с однородным ВЧ-полем W(t) (ω₂, ) при условии ω₁ =ω₂ и формирует в матрице диодов образ в виде распределенных зарядов

.

Пределы интегрирования определяются временным интервалом процесса.

Функция является функцией корреляции. При импульсном методе считывания на параметрический электрод попадает короткий импульс, который мгновенно открывает диод и, разрушая заряд памяти, снимает локальные деформации поля. В пьезоэлектрике это равносильно возбуждению двух ПАВ, распространяющихся в противоположным направлениях, одна из которых является копией исходной волны, а другая инвертирована по времени (рис. 2.28, б). Если вместо короткого импульса на параметрических электрод подается считывающий сигнал вида , то на левый вход придет ПАВ в виде сигнала корреляции

А на правый вход – сигнал свертки

А) Б)

В) Г)

Д) Е)

Рисунок 5.28 – Дисперсионные диаграммы, соответствующие импульсному методу записи (а) и считывания (б), параметрическому методу записи (в) и считывания (г), с сигналом накачки (д, е)

Пределы интегрирования определяются временем прохождения волнами области взаимодействия.

Параметрический метод записи и хранения информации также основан на нелинейном взаимодействии волн. Сигнал в памяти получается при взаимодействии ПАВ, формируемых сигналами S(t) со входа 1 и W(t) со входа 2. Возникающая в результате нелинейного взаимодействия составляющей электрического тока формирует соответствующую зарядку диодов , описываемую выражением:

.

Это выражение отражает функцию корреляции сигналов S(t) и W(t). Для записи всех спектральных составляющих сигнала необходимо найти компромисс между длительностью и шириной полосы обрабатываемых в АЗУ сигналов. Дисперсионная диаграмма параметрического метода записи приведена на рис. 5.28, в.

Метод параметрического считывания основан на нелинейном смешивании в полупроводнике “замороженных” полей статического заряда в памяти с полем считывающего импульса.

Если на вход 1 подать сигнал R(t-z/V)exp(jωt-kz), то на параметрическом электроде получим сигнал корреляции входного и считывающего сигналов:

.

Если на вход 2 подать этот же сигнал R(t), то на параметрическом электроде получим сигнал, пропорциональный сигналу свертки . При методе параметрической записи и считывания может быть получена функция корреляции. Дисперсионная диаграмма процесса параметрического считывания приведена на рис. 5.28, г. В ряде функциональных устройств по обработке сложных радиосигналов на базе АЗУ могут быть применены импульсные методы записи с параметрическим считыванием и наоборот.

Заметим, что рассмотренные трехволновые взаимодействия в АЗУ подобны процессам записи и воспроизведения информации в голографии. В обоих случаях в наличии опорная и предметная волны. В АЗУ роль опорной волны выполняет либо ВЧ-сигнал на параметрическом электроде. Записанный сигнал, как и в голографии, несет информацию об амплитудном и фазовом распределении входного сигнала. Восстановление исходного сигнала и есть процесс считывания, роль фотоэмульсии отводиться матрице полупроводниковых диодов. Другими словами, процессы записи, хранения и считывания информации в АЗУ представляются как голография динамических неоднородностей. Причем динамические неоднородности представляют собой либо поверхностную акустическую волну, либо ВЧ-электромагнитный сигнал. Как и в голографии, каждый бит информации размазывается по всей диодной матрице и запоминается тысячами диодов. Поэтому надежность АЗУ достаточно высока в отличие от ЗУ, реализованными схемотехническими методами.

Все рассмотренные процессы относятся к категории трехволновых. Реализованы методы четырехволнового взаимодействия с использованием сигнала накачки P(t). Сигнал P(t) подается на параметрический электрод с частотой

,

Где - частоты двух взаимодействующих ПАВ (). В этом случае распределение заряда в памяти будет иметь вид “тройной корреляции”:

,

Где T=L/V_a – время интегрирования.

Схема записи приведена на дисперсионной диаграмме (рис. 5.28, д). Хранение осуществляется аналогично – в виде распределенного заряда. Считывание записанной информации можно провести с помощью генерации обратной волны при накачке (рис. 5.28, е). Можно считать информации путем сканирования двумя встречными ПАВ. В обоих случаях входной сигнал представляет собой тройную свертку или корреляцию. Метод тройной свертки находит применение в гидролокации, являясь более дешевым по сравнению с цифровыми методами. Акустические ЗУ находят широкое применение в различных устройствах для обработки сложных радиосигналов, например, для создания линий задержек, когда требуются большие времена задержки сигнала.

Основное же применение АЗУ нашли в качестве корреляторов согласованной фильтрации со встроенной памятью в радиолокационных системах. Устройства с АЗУ использовались для сжатия ЛЧМ-сигналов большой длительности и доплеровской обработки ячеечных радиолокационных сигналов.

Технико-экономические исследования показывают, что используемые конструкции и устройства на основе АЗУ целесообразно применять, если их типовые характеристики лежат в следующих пределах: емкость памяти бит, длительность выборки информации в с, скорость ввода-вывода информации бит/c, время хранения информации с, а плотность хранения бит/см².

Характеристики АЗУ открывают широкие перспективы их использования в системах обработки как аналоговых, так и цифровых сигналов.

Экзотические устройства акустической памяти

Рассмотренные динамические неоднородности акустической природы позволяют прогнозировать появление новых экзотических типов памяти.

Одним из таких устройств хранения информации может стать память на основе фононного (электроакустического) эха. Можно реализовать режим динамической памяти на двухимпульсном эхо, а также режим квазистатической (долговременной) памяти на основе трехимпульсного эхо. Такие устройства найдут применение в радиотехнических устройствах, поскольку работают они в диапазоне частот до 10 ГГц, а время хранения сигнала достигает с.

Перспективным направлением развития акустической памяти являются ферроакустические устройства, в которых используется нелинейное взаимодействие динамических неоднородностей акустической и магнитной природы в континуальных средах типа металлических ферромагнетиков. Взаимодействие между динамическими неоднородностями позволяет создать в континуальной среде пространственный рельеф остаточной намагниченности, соответствующий сигналу. Применение двух типов физических носителей позволяет уменьшить помехи. Считывание информации производится путем обратимого изменения намагниченности при распространении механического напряжения в акустической волне. Ферроакустические ЗУ позволяют обрабатывать цифровые и аналоговые сигналы. Плотность записи информации достигает значения бит/см³. Ферроакустические устройства памяти могут работать в условиях мощных дестабилизирующих факторов, они высоконадежны и технологичны.

5.3.4. Фурье-процессоры

Акустоэлектронные Фурье процессоры (АЭФП) представляют собой аналоговые преобразователи, использующие акустоэлектронные процессоры для вычисления преобразования Фурье дискретного

,

Где k=0, 1,….., N-1,

И непрерывного (интегрального) типов

,

Где П(t/T₀) – прямоугольная функция окна шириной T₀ c центром t=0.

Различают параллельные и интерференционные процессоры, а также процессоры на алгоритмах ЛЧМZ-преобразований.

Резонансные (фильтровые) ФП характеризуются высоким быстродействием и позволяют обеспечить вероятность обнаружения сигналов в реальном масштабе времени. Схемное и конструктивное решение этого вида ФП основывается на акустоэлектронных устройствах частотной селекции, в частности на фильтрах ПАВ с линейной фазовой характеристикой. Набор ПАВ-фильтров с собственными частотами ω_i позволяет произвести анализ спектральной плотности исследуемого сигнала в дискретной форме.

Интерференционный ФП представляет собой одноканальное рециркуляционное устройство и предназначен для формирования и измерения комплексного спектра сигналов в реальном масштабе времени с полосой анализа до десяти килогерц. Структурно этот тип ФП состоит из акустоэлектронной линии задержки и технологически совместимых усилителей, смесителя, генератора, полосового фильтра, выполненных в микроэлектронном исполнении, При воздействии на вход интерференционного ФП гармонического сигнала задержанный в рециркуляторе сигнал сдвигается по частоте на . Происходит синфазное накопление сигнала в момент времени

,

Соответствующий неизвестной частоте

,

Где F – частоты, q – число циркуляции, - время запаздывания, .

Условие симфазности выполняется для всех частот . Отклик интерференционного ФП после q циркуляций в интервале имеет вид радиоимпульса , огибающая и фаза отклика которого при больших q соответствует амплитудно- и фазочастотным спектрам входного сигнала .

Фурье преобразователи на основе ЛЧМZ-преобразований представляют особый интерес в силу относительной простоты реализации, технологичности, малых габаритов, высокого быстродействия и широких функциональных возможностей.

Этот тип Фурье-преобразователей имеет алгоритм ЛЧМZ- и ЛЧМ-преобразования позволяющий вычислить дискретное преобразование Фурье(ДПФ) и интегральное преобразование (ИФП) путем использования модифицированных уравнений в виде:

,

,

Где .

В этом случае вычисление спектра сводится к следующим операциям:

1. Перемножение выборок сигнала S_n или непрерывного сигнала во временной области с ограниченным во времени сигналом c линейно-частотной модуляцией.
2. Свертка полученного результата в фильтре, отклик которого .
3. Перемножение входного сигнала фильтра с ЛЧМ-сигналом в частотной области.

Для алгоритма ДПФ величина , а для алгоритма ИПФ .

Алгоритм может быть записан в виде:

,

И носит название перемножение – свертка – перемножение (П – С - П). Знаками “+” и “-” обозначены положительный и отрицательный наклоны характеристик группового времени запаздывания устройства.

Преобразование Фурье можно получить по схеме С – П – С с иной последовательностью выполнения операций:

.

Аналоговые АЭФП могут использоваться и для получения обратного преобразования Фурье (ОПФ) и применением схем П – С – П и С – П – С. Величины и представляют собой импульсные отклики ЛЧМ, соответственно генератора и фильтра. АЭФП формируются на уже рассмотренных процессорах: дисперсионных линиях задержки, конвольверах, генераторах ЛЧМ-сигналов и т.п.

На примере АЭФП можно проследить преимущества устройств функциональной электроники для обработки информации.

Многие задачи обработки сигналов решаются цифровыми процессами, позволяющими осуществлять быстрое преобразование Фурье (БПФ). Это сложные и энергопотребляющее устройства. Разработаны и комплексы БИС, позволяющее осуществлять БПФ. Они уникальны и дороги. В любом случае цифровые процессоры имеют характеристики, определяемые точностью и динамическим диапазоном входящих в них аналогово-цифровых преобразователей. Использование в вычислительном модуле акустоэлектронных устройств позволяет упростить устройство, повысить его быстродействие и надежность.

Сравнительные характеристики показывают, что на базе АЭФП можно создаться электронно-вычислительны модуль (ВМ) с 2048 точками преобразования, цифровой аналог (ЦА) – 2048; скорость обработки информации в ВМ – 250 МГц, в ЦА – 250 Мбайт/c; выходная точность ВМ составляет , а в ЦА – 7 разрядов.

Заметим, что АЭФП выполняют операции, которые моно отнести к функциям высшего порядка. Перечислим основные из них:

• Синтез частот в диапазоне 500 МГц с малым временем переключения при смене частот;
• Демодуляция частот-манипулированных сигналов
• Спектральная обработка сигналов с большой фазой;
• Программируемая согласованная фильтрация;
• Преобразование временного масштаба;
• Центральная обработка сигналов- нелинейная обработка для детального исследования сигналов;
• Интегральные преобразования Фурье, Гильберта, Френеля, Лапласа, Меллина.

Все это свидетельствует о перспективности разработки и использования акустоэлектронных Фурье преобразователей.

Анализ показал, что акустоэлектронные процессоры являются ярким примеров интеграции функций в приборах и устройствах обработки информации.

5.4 Акустоэлектроника в системах связи

В приемопередающих устройствах и системах связи в диапазоне частот от 1 МГц до 10ГГц широко применяются акустоэлектронне устройства. К таким устройствам относятся спутниковое, кабельное, цифровое, сотовое телевидение, телевидение высокой четкости, а также подвижные, спутниковые, тропосферные и радиорелейные линии связи.