DE3789596T2

DE3789596T2 - Verfahren und gerät zum optischen rf-phasenausgleich.

Info

Publication number: DE3789596T2
Application number: DE3789596T
Authority: DE
Inventors: Robert Brandstetter; Adrian Doucette
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1987-04-29
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2007-04-30
Also published as: KR970009401B1; AU7390587A; DE3789596D1; EP0264433A4; JPS63503173A; US4771398A; EP0264433B1; WO1987006735A1; AU603805B2; IL82397A0; IL82397A; CA1276696C; JP2506139B2; EP0264433A1; KR880013028A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltkreise zum Phasen-Ausgleich, und insbesondere optische Schaltkreise für Hochfrequenz-(RF)-Signale.
RF-Signale, die sich in einem Medium ausbreiten, unterliegen im allgemeinen nichtlinearen Phasen-Charakteristiken, da sich nämlich die Phase nicht linear mit der Frequenz ändert. Ohne eine spezielle Bearbeitung wird ein Signal, das sich so ausgebreitet hat, als verschlechtertes Signal detektiert werden.
Im Stand der Technik finden Verzögerungsleitungen (digitale und analoge) mit Abgriffen breite Anwendung, die unterschiedliche Verzögerungen in unterschiedliche Frequenzkomponenten eines RF-Signales einbringen, wobei die Komponenten am Ausgang der Verzögerungsleitungen addiert werden, so daß die Phasenverschiebungen eines fortgeschrittenen Signales kompensiert werden können, wodurch es möglich wird, das kompensierte Signal dem Signal vor der Ausbreitung anzugleichen. Als Ergebnis kann der Informationsgehalt eines ursprünglichen Eingangssignales beibehalten werden.
Obwohl solche bekannten Vorrichtungen jahrelang zufriedenstellend benutzt worden sind, sind sie durch den Schaltungsaufbau der digitalen Elektronik in der Anzahl der bearbeitbaren Frequenzen und durch die Geschwindigkeit, mit der die Entzerrung aktiviert wird, stark beschränkt.
Optische Filter-Anordnungen und Verzögerungsleitungen sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Das US-Patent 4 390 247 beschreibt eine kontinuierlich einstellbare Verzögerungsleitung, in der ein zu verzögerndes Signal in einer akustooptischen Zelle in akustische Wellen umgewandelt und einem kohärenten Lichtstrahl aufmoduliert wird. Der modulierte Lichtstrahl wird mit ungebeugtem kohärenten Licht vereinigt, und das rekombinierte Licht wird durch eine Fourier-Transformations-Linse auf einen Fotomischer fokussiert, der das verzögerte Signal detektiert. Die Verzögerungszeit entspricht der Zeit, die die akustischen Wellen benötigen, um sich durch die akusto-optische Zelle zum Einfallspunkt des kohärenten Lichtes auf die Zelle auszubreiten. Durch die Veränderung des Einfallspunktes des kohärenten Lichtes auf die akusto-optische Zelle wird die Verzögerungszeit kontinuierlich variiert.
Das US-Patent 4 522 466 beschreibt eine rekursive optische Filteranordnung mit einer Quelle, die einen im wesentlichen kohärenten kollimierten Strahl einer optischen Strahlung erzeugt, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen Fourier- Transformierten, mit einem optischen Filter, das unerwünschte Frequenzen herausfiltert, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer optischen inversen Fourier- Transformierten, und mit einer Wiederhol-Vorrichtung zum Ausrichten des Strahles in einer solchen Art und Weise, daß er die optischen Filter-Vorrichtungen mehrere Male durchquert. Der Strahl kohärenten Lichtes wird mit einem RF-Signal moduliert, und die Frequenzen des modulierten Strahles werden mehrere Male durch das optische Filter herausgefiltert. Der gefilterte modulierte Strahl wird dann mit einem eingebauten Oszillator verbunden und in ein gefiltertes RF-Signal umgewandelt.
Die vorliegende Erfindung wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 7 ausgeführt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung benutzt ein kohärentes optisches Verfahren zum Ausführen von Phasenausgleichs-Korrekturen von RF-Signalen durch die Bereitstellung von Ausgleichspfaden für eine Vielzahl von diskreten Frequenzen in parallelem Betrieb. Mittels der vorliegenden Erfindung können tausende von diskreten Frequenzen verarbeitet werden. Wie weiter unten erläutert werden wird, erlaubt die Erfindung eine feste oder variable Phasen-Steuerung für jede der Frequenzen, was in den Schaltungen des Standes der Technik nicht möglich wäre.
Nach der akusto-optischen Bearbeitung eines fortgeschrittenen verzerrten Signales wird eine Anordnung zur Phasen-Steuerung in die Fourier-Ebene des optischen Signales gebracht. Die Anordnung besteht aus einzelnen Komponenten, deren Doppelbrechungseigenschaften elektrisch verändert werden und die entsprechend die Phase der speziellen Frequenz, die mit dem Element verknüpft ist, ändern. Das korrigierte optische Signal unterliegt dann einer foto-elektrischen Transformation in einem Fotomischer, und das Ergebnis ist ein phasenausgeglichenes Korrektur-Signal, das einem Eingangssignal vor seiner durch die Ausbreitung erzeugten Phasenverzerrung entspricht.
Die oben erwähnten Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, wobei zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine elektro-optische Vorrichtung zum Durchführen der erfindungsgemäßen Idee,
Fig. 2 eine Teilansicht einer Anordnung zum Phasen-Ausgleich, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Ein Laserstrahl 10 dient als optisches Trägersignal für ein aufmoduliertes RF-Signal 14, das als Folge der Ausbreitung vorher verzerrt worden ist. Der Strahl 10 und das RF- Signal 14 werden einem herkömmlichen akusto-optischen Modulator 12 eingespeist, wie er z. B. von der Isomet Corporation hergestellt wird; und ein moduliertes akustisches Raster (Gegenstand) 16 wird durch den Modulator 12 gebildet.
Eine Fourier-Ebene 22 entsteht zwischen der Fourier-Linse 18 und der inversen Fourier-Linse 20. Durch das Einbringen einer Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung bei der Fourier-Ebene 22 können die Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung zum Phasenausgleich verwirklicht werden. Insbesondere gibt es eine räumliche Frequenzverteilung des Gegenstandes 16 auf der Fourier-Ebene 22; und durch Anordnen einer Phasen-Steuerungs- Anordnung 23 mit optischen Mehrfach-Elementen coplanar zur räumlichen Verteilung, unterliegt jede Frequenzkomponente des Gegenstandes 16, abhängig von der räumlichen Verteilung, Phasenänderungen, so daß ein phasenausgeglichenes optisches Signal erhalten wird. Somit erzeugen, wie im folgenden erklärt werden wird, die Elemente der Anordnung die erwünschte Phasen-Steuerung bei jeder Frequenzkomponente des Gegenstandes 16.
Zum besseren Verständnis der Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung wird auf die Fig. 2 verwiesen, in der eine elektro-optische Vorrichtung mit Mehrfach-Elementen gezeigt ist. Die einzelnen Elemente sind durch entsprechende räumlich verteilte Frequenzkomponenten F&sub1;-Fn schematisch dargestellt. Aus Gründen der Vereinfachung ist nur eine kleine Anzahl von Frequenzkomponenten dargestellt. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß die vorliegende Erfindung für eine große Anzahl von Frequenzkomponenten gedacht ist, typischerweise 1000 oder mehr. Geeignete elektrooptische Vorrichtungen umfassen PLZT, Flüssigkristalle, Kerr-Zellen, Pockel-Zellen, Faraday-Zellen, oder ähnliches. Der Zweck jedes Elementes in der Anordnung ist es, die optische Weglänge der räumlich verteilten Frequenzkomponenten in der Fourier- Ebene 22 zu variieren, so daß die Doppelbrechungseigenschaften jedes Elementes wie erforderlich variiert werden, um die optische Weglänge jedes Elementes so zu verändern, daß die Phase jeder Frequenzkomponente ausgeglichen wird, wenn sie durch die Fourier-Ebene 22 hindurchtritt. Als Ergebnis ist die Phase eines rechts von der inversen Fourier-Linse 20 befindlichen Bildes phasenausgeglichen im Vergleich zum verzerrten Gegenstand 16.
Das ausgeglichene Bild unterliegt einer Bearbeitung durch einen Kombinator 26, der ein herkömmlicher halbversilberter Spiegel sein kann. Der Laserstrahl eines Empfangs- Oszillators 28 bildet ein zweites optisches Eingangssignal zum Kombinator 26 zum Erreichen einer optischen Überlagerung oder Abwärtsmischung, wodurch das phasenausgeglichene Bild 24 gebildet wird, das auf einen intensitätsempfindlichen Fotodetektor 30 mit quadratischer Kennlinie einfallt, um das korrigierte phasenausgeglichene Bild 24 in ein korrigiertes RF-Signal am Ausgang 32 des Fotodetektors umzuwandeln. Als Ergebnis ist das RF-Signal am Ausgang 32 ein phasenkorregiertes, nicht verzerrtes Signal, das dem ursprünglichen elektrischen Signal gleicht, das während seiner Ausbreitung verzerrt worden ist, bevor es in die Ausgleichs-Schaltung von Fig. 1 eingespeist wurde.
Es sei darauf hingewiesen, daß die in jedem der Elemente der Anordnung 23 stattfindende Phasenverschiebung kontinuierlich, wie in der Kerr-Zelle, Pockel-Zelle und den Flüssigkristall-Vorrichtungen, oder diskret variiert werden kann, wie in einer Faraday-Zelle. Der Bete der in jeder Zelle stattfindenden Phasenverschiebung wird durch eine Vorrichtung gesteuert, die in ihrer Grundform einem Spannungsteiler 21 gleicht, an den eine Referenzspannung angelegt wird. Die einzelnen Ausgänge des Spannungsteilers, allgemein durch das Bezugszeichen 19 (Fig. 2) bezeichnet, steuern jedes Element der Anordnung auf einen Wert, der der erwünschten Phasenverschiebung entspricht, die durch jedes Element der Anordnung 23 durchgeführt werden soll.
Der Laserstrahl des Empfangs-Oszillators 28, der das zweite optische Eingangssignal des Kombinators 26 bildet, ist vom Laserstrahl 10 abgeleitet. Der Strahl des Empfangs- Oszillators wird in einer ähnlichen Art und Weise wie im Zusammenhang mit dem Signalweg durch die Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung offenbart, phasengesteuert. Das geschieht durch das Einbeziehen einer zweiten Anordnung 33 zur Phasen- Steuerung, die in ihrem Aufbau ähnlich ist zur Phasen-Steuerungs-Anordnung 23 mit optischen Mehrfach-Elementen. Wie im Falle der ersten Anordnung 23 modifiziert die zweite Anordnung 33 zur Phasen-Steuerung die Phase des Laserstrahles 10, wenn er auf jedes Element der Anordnung einfällt. Die Linse 36 fokussiert den phasenveränderten Strahl zur Reflexion am Spiegel 35, um den Strahl des Empfangs-Oszillators 28 zu bilden. Tatsächlich besteht dieser Strahl aus phasenveränderten Abschnitten, die als eine Folge der Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung den Phasen-Veränderungen am Gegenstand 16 entsprechen.
Die Verwendung eines phasenmodifizierten Strahles eines Empfangs-Oszillators ist nicht obligatorisch. Bei Verwendung der beiden Anordnungen 23 und 33 können jedoch beide vorteilhafterweise parallel und/oder in Reihe betrieben werden, um die Phasenkorrektur eines verzerrt ausgebreiteten RF-Signales in einem weiten Bereich von Anwendungen zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Phasenkorrektur auf drei Arten ausgeführt werden:
1. Verwendung der Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung und des Strahles eines Empfangs-Oszillators 28, der keiner Phasen-Steuerung durch die Anordnung 33 unterliegt,
2. Phasen-Steuerung des Strahles 28 des Empfangs-Oszillators unter Verwendung der Anordnung 33 und keine Verwendung der Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung in der Fourier-Ebene 22, und
3. Verwendung der Anordnungen 23 und 33 zur Phasen-Steuerung.
Das Ausmaß der elementweisen Phasen-Steuerung des Empfangs-Oszillators wird durch den Ausgang 19' des Spannungsteilers in gleicher Weise bestimmt, wie oben in Zusammenhang mit dem Ausgang 19 des Spannungsteilers beschrieben, der die Anordnung 23 zur Phasen-Steuerung steuert.
Obwohl die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung beschreibt, die nur ein einziges Mal durchlaufen wird, können, wenn eine zusätzliche Phasenkorrektur notwendig ist, mehrere Durchläufe durch die Anordnungen 23 und 33 zur Phasen-Steuerung durchgeführt werden, und zwar durch eine rekursive Technik, die typischerweise Spiegel (nicht gezeigt) zum Durchführen mehrerer Durchläufe verwendet.
Die Änderung der optischen Weglänge durch jedes Element der Anordnung, die der Phasenverschiebung durch das Element entspricht, wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt
ΔΦ = 2(tncC)/λ
wobei t die differentielle Verzögerung darstellt;
nc ist gleich dem Brechungsindex der Element-Zelle;
C ist gleich der Lichtgeschwindigkeit; und
λ ist die Wellenlänge des Laserstrahles 10.
Obwohl die vorliegende Erfindung für Radiofrequenzen beschrieben worden ist, ist sie gleichermaßen anwendbar für den Phasenausgleich von Frequenzkomponenten anderer Signale, die viele Frequenzen enthalten, ungeachtet des Mediums, durch das sie sich ausbreiten und in dem sie eine Verzerrung erfahren.
In Situationen, in denen ein Amplitudenausgleich der Frequenzkomponenten des Signales ebenfalls notwendig ist, kann dieses durch eine Modifizierung der Frequenzkomponenten des Signales in der Fourier-Ebene erreicht werden, ein zusätzlicher Amplitudenausgleich ist durch die Modifizierung des Strahles des Empfangs-Oszillators möglich. Die Vorrichtungen für eine solche Modifizierung der Amplitude von einzelnen Frequenzkomponenten verwenden Anordnungen von lichtfilternden Elementen, wie sie in unserer PCT-Anmeldung mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zur optischen RF-Amplitudenfilterung", Nr. WO 8706734 offenbart sind.

Claims

1. Ein Schaltkreis zum Ausführen eines Phasen-Ausgleiches an Frequenz-Komponenten eines elektrischen Signals (14), mit Einrichtungen (12) zur Modulation eines kohärenten Lichtstrahles (10) mit einem viele Frequenzen enthaltenden elektrischen Eingangssignal (14) zur Herstellung eines Bildes (16)

Einrichtungen, um eine Fourier-Ebene (22) zu bilden und die Frequenz-Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) auf der Ebene (22) räumlich zu verteilen, Einrichtungen (23), die sich in der Fourier-Ebene befinden, um die Frequenz- Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) in der Ebene (22) zu transformieren,

optische Einrichtungen (26) zur Vereinigung des transformierten Bildes und des Lichtstrahles (28) eines eingebauten Oszillators, um das transformierte Bild abwärtszumischen,

Einrichtungen (30) zur Umsetzung des abwärtsgemischten transformierten Bildes in ein elektrisches Signal (32), dadurch gekennzeichnet, daß die sich in der Fourier-Ebene befindenden Einrichtungen (23) zur Transformation der Fourier-Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) in der Ebene (22) eine Anordnung (23) voneinander beabstandeter doppelbrechender Elemente zur selektiven Variation der optischen Weglänge jeder räumlich verteilten Frequenz-Komponente (F&sub1;-Fn) aufweist, wodurch die Phase jeder verteilten Frequenz-Komponente (F&sub1;-Fn) zur Bildung eines transformierten Bildes verschoben wird, und daß der Schaltkreis weiterhin eine zweite Anordnung (33) mit doppelbrechenden Elementen in der Bahn des Lichtstrahles (28) des eingebauten Oszillators aufweist, um den optischen Weg jeweiliger Abschnitte des Lichtstrahles des eingebauten Oszillators selektiv zu variieren, wenn der Strahl auf die Elemente fällt, wodurch die Phasen-Steuerung der Abschnitte des Strahles des eingebauten Oszillators erreicht wird.

2. Schaltkreis gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (23) der voneinander getrennten doppelbrechenden Elementen nebeneinander liegende doppelbrechende Elemente, die sich jeweils an den Punkten der Frequenz-Komponenten befinden, und

Einrichtungen zur selektiven Steuerung der Doppelbrechung jedes Elementes aufweist.

3. Schaltkreis gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anordnung (33) von voneinander beabstandeten doppelbrechenden Elementen nebeneinander liegende doppelbrechende Elemente, die sich jeweils an den Punkten der Frequenz-Komponenten befinden, und außerdem Einrichtungen zur selektiven Steuerung der Doppelbrechung jedes Elementes aufweist.

4. Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulations-Einrichtungen einem akusto-optischen Modulatur (12) aufweisen, der einen optischen Eingang, der mit einer kohärenten Lichtquelle verbunden ist, und einen elektrischen Eingangsanschluß, der mit dem Eingangssignal verbunden ist, aufweist.

5. Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bildung einer Fourier-Ebene (22) und zur räumlichen Verteilung der Frequenz-Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) auf der Ebene (22) eine Fourier-Linse (18), die vor der Ebene (22) angeordnet ist, und eine inverse Fourier-Linse (20), die hinter der Ebene (22) angeordnet ist, aufweisen.

6. Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Umsetzung des abwärtsgemischten transformierten Bildes in ein elektrisches Signal (32) einen Fotodetektor (30) aufweisen.

7. Verfahren zur Ausführung eines Phasen-Ausgleiches an Frequenz-Komponenten eines elektrischen Signals (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Modulation eine kohärenten Lichtstrahles (10) mit einem viele Frequenzen enthaltenden elektrischen Eingangssignals (14) zur Herstellung eines Abbildes (16),

Bildung einer Fourier-Ebene (22) und räumliche Verteilung der Frequenz-Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) in der Ebene (22),

Transformation der Frequenz-Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) in der Ebene (22),

Vereinigung des transformierten Bildes und des Lichtstrahles eines eingebauten Oszillators zum Abwärtsmischen des transformierten Bildes,

Umsetzung des abwärtsgemischten transformierten Bildes in ein elektrisches Signal (32), dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Transformation der Frequenz-Komponenten (F&sub1;-Fn) des Bildes (16) in der Ebene (22) in der selektiven Variation der optischen Weglänge an Punkten der Ebene (22) besteht, wodurch die Phase jeder verteilten Frequenz-Komponente (F&sub1;-Fn) verschoben wird, und daß das Verfahren weiterhin den Schritt einer selektiven Variation des optischen Weges von jeweiligen Abschnitten des Lichtstrahles (28) des eingebauten Oszillators aufweist, wodurch eine Phasen-Steuerung der Abschnitte des Strahles des eingebauten Oszillators erreicht wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der selektiven Variation der optischen Weglänge an Punkten der Ebene (22) in einer selektiven Änderung der Doppelbrechung an Punkten der Ebene besteht.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der selektiven Variation der optischen Weglänge jeweiliger Abschnitte des Lichtstrahles (28) des eingebauten Oszillators in einer selektiven Änderung der Doppelbrechung auf der Bahn der jeweiligen Abschnitte des Lichtstrahles (28) des eingebauten Oszillators besteht.