Самое изящное устройство

С того момента, как у меня в школе начались уроки физики, я понял, что, чем проще и компактнее решение задачи, тем лучше для всех. Так я часто стал решать задачи по механике в неинерциальных системах отсчета, сокращать электрические цепочки и совершать прочие немыслимые для учителей вещи. Ответы получались правильные, и учителям ничего не приходилось делать, кроме как слушать мои объяснения (или не слушать, а просто ставить плюс за задачу). Ни в коем случае не хочу называть своих учителей глупыми или не знающими таких приемов - просто им нужно было проверить, знаю ли я, что я делаю (на объяснения я тогда скупился).

И сейчас, если я вижу устройство, которое делает свою задачу очень качественно, но при этом состоит практически из ничего, то оно достойно восхищения.

(В последующем повествовании имена и события могли быть изменены или просто придуманы для усиления драматизма)

Однажды нашей группе пришлось работать с приемом крайне слабого излучения (можно сказать, что оптического). Для приема использовался приемник, который был крайне нестабилен. Это значило, что если мы закроем свинцовым листом вход приемника, то напряжение на выходе будет все равно плавать, изменяться (не белым шумом, а медленно). Причем эти изменения были сравнимы и даже больше, чем сам полезный сигнал. Так мы столкнулись с таким понятием, как сильный фликкер-шум. Отмечу, что мы сканировали пространство, то есть постоянно фокусировались в разные его точки.

Первый мозговой штурм дал следующие результаты.

Была принята модель, при которой шум не зависел от уровня сигнала (аддитивный то бишь). На самом деле так оно и было (практически). Мы решили, что если поставить в определенных точках пространства "эталонные" источники с все время постоянным уровнем излучения, то можно будет в определенные моменты калибровать показания приемника.

Объясню на пальцах. пусть в точке А зафиксирован уровень излучения 10, а в точке В - 18. Это значит, что все просканированные участки пространства будут в процессе обработки менять свои значения так, что дрейф темнового напряжения принимается линейным. То есть в середине между точками А и В можно считать, что темновой ток изменился на 4. Но мы вовремя посмотрели на спектр шума и поняли, что его частота слишком велика, чтобы так калибровать показания - источники стояли бы слишком плотно и на остальное пространство не хватило бы места.
Мы еще долго мурыжили эту тему, пока нам другая группа не подсказала, что есть такие методы как измерение с помощью чоппера и синхронного детектора. Нет, чоппер оптический, а не дорожный.

Этот незамысловатый девайс представляет собой "вентилятор", который ставится на оптический вход системы. Вентилятор, правда, особенный и стоит, как зарплата электронщика с небольшим стажем. Дело в том, что он очень хорошо стабилизирован, и технологичная коробка рядом с ним не для масштаба поставлена. Рецепт прост: ставим частоту, с которой чоппер будет перекрывать оптический вход, и на выходе коробки будет синусоида с той же частотой. Зачем это, поймем позже.

Устройство номер 2 будет стоить как зарплата небольшой исследовательской группы. Это усилитель на синхронном детекторе или, как его обычно называют, Lock-In. Устройство тупейшее. Но эффективное и достойное восхищения.

Буду повествовать в той последовательности, как наблюдал процесс я. Итак, подключили чоппер, поставили его перед оптическим входом системы. В Lock-In воткнули выход чоппера и выход приемника (того, который сигнал плохо держит). На выходе синхронного детектора получаем чистый ровный сигнал. Что такое? Сразу не понять. Будем разбираться.

Итак, на вход системы приходит луч света в огромном диапазоне частот. Поток света со временем меняется, так как мы сканируем пространство, эти изменения и должен фиксировать приемник. Луч света прерывается чоппером. То есть через равные промежутки времени интенсивность света становится равной нулю и на выходе приемника можно фиксировать темновой ток. Если бы мощность принимаемого излучения не менялась со временем и если приемник был бы стабилен, то мы бы получили на выходе приемника сглаженный меандр (или сигнал бы напоминал даже больше синусоиду). Но мир не идеален и поэтому из-за дрейфов мы получаем синусоиду с изменяющейся постоянной составляющей. Если бы темновой ток изменялся линейно, то мы бы увидели примерно такую картину на выходе приемника.

Vs здесь обозначен как темновое напряжение на выходе.

Рассмотрим теперь в спектральной области, что происходит с сигналом в этой цепи.

Итак жил-был сигнал со спектром вот таким.

В случае если мы не используем чопперов и подаем сигнал прямо на приемник, и снимаем потом напряжение прямо с приемника, то в спектральной области на выходе из приемника мы получим что-то такое.

Гиперболой на графике показан низкочастотный шум, который и является дрейфом. Если не верите, почитайте про фликкер-шум или розовый шум (суть одно и то же). На спектре мы видим, что низкочастотные шумы приемника могут заглушить наш слабый сигнал. Так не пойдет!

Теперь проанализируем, что будет с сигналом после чоппера. По сути "чоппирование" это модуляция несущей частоты чоппера сигналом. Можно считать, что происходит модуляция синусоиды, а не меандра. Во-первых, потому что чоппер не может в один момент времени перекрывать полностью луч, а спустя мгновение полностью открывать лучу путь - дифракцию никто не отменял. А во-вторых, потому, что по большому счету лепестками спектра меандра можно пренебречь.

Модуляция амплитудная. При амплитудной модуляции спектр смещается на несущую частоту.

Оно подается на вход приемника и складывается с его шумами.

Теперь усиливаем это.

Потом фильтруем (качественный фильтр - это в усилителе на синхронном детекторе самая дорогая часть).

Если кто еще не понял, я намеренно разделял на спектрах шум и сигнал.

Теперь мы получили усиленный сигнал, но смещенный на частоту чоппера. И вот тут нам понадобится тот волшебный выход от коробки управления с сигналом синхронизации. Если мы опять помножим сигнал со спектром с последней картинки на частоту "чоппирования" и потом пройдемся фильтром нижних частот, то получим усиленный сигнал практически без шума (ну от дрейфов мы избавились, а белый шум при определенных условиях убивается накоплением семплов).

Существует небольшая тонкость на последнем этапе. При демодуляции сигнал умножается не на синусоиду,  а меандр. Повод использовать в качестве опорного сигнала меандр вытекает из чисто практических соображений. Сделать стабильно работающую схему умножения на синусоиду довольно сложно. А вот использовать высокостабильные транзисторные ключи и пропускать через них сигнал, включая и выключая ключи с опорной частотой, гораздо легче. Возникающие при этом побочные гармоники легко фильтруются.

И еще одна особенность. Предположим, что у нас на входы усилителя подается модулированный сигнал и синусоида несущей частоты модуляции.

Перемножим эти сигналы.

После этого результат умножения фильтруется с частотой среза ω_ch/2 и остается только

Тут один из множителей по праздникам может обратиться в 0. Ну и вообще он любит быть меньше 1, таким образом уменьшая сигнал. Чтобы такого не происходило, фильтр совмещают с фазовращателем. Так что при настройке оборудования нужно покрутить ручку фазовращателя и максимизировать выход.

И ведь действительно устройство элементарное. Вот его блок-схема кстати (не хотел ее раньше времени показывать).

Усилитель, умножитель и фильтр (все высококачественные, но сути не меняет) извлекают сигнал из шума, который по мощности может превышать сигнал на несколько порядков. Разве это не изящно?!