SPECTRAL ANALYSIS OF RADIO SIGNALS IN REAL TIME BY USING ECHO EFFECT
Authors:
1.
Donetsk National University
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Radiophysics and Infocommunication Technologies)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Donetsk National University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Radiophysics and Infocommunication Technologies)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 53
to 59
Status:
Published
Received:
27.01.2022
Accepted:
28.01.2022
Published:
28.01.2022
Subject area:
UDK 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
Language:
Russian
Keywords:
spin echo, echo-signal, echo effect, nuclear magnetic resonance, linear frequency modulation signal, nuclear spins, spin body, auxiliary pulse
Abstract (English):
The prospects of research in creating devices for optimal processing radio signals are associated with the study of nuclear and electron spin echo. The physical nature of the echo effect lies in the fact that after the application and removal of the signal, the response of the system disappears due to a violation of the coherence of the various spectral components of the system oscillations. The effect of the reading pulse, due to the nonlinearity of the system, generates oscillation components with an inverse phase change, which leads to the restoration of oscillation coherence and causes an echo. The information carrier in these cases is the vibrations of the spins of the nuclei or lattice atoms, and the active medium, thus, is the volume of a solid. The effect of spin echo consists in the possibility of recording a signal in the volume of a solid body by the action of a magnetic field carrying the signal on the system of spins of electrons or nuclei of matter. After the delay time has elapsed, the recorded signal can be read. To do this, a reading pulse is applied to the volume of the solid after a certain time after the signal is given. The practical value of using the echo effect is that the time position and shape of the echo signal are uniquely related to the spectrum of input signals and their temporal arrangement, and a change in the functions of the device can be easily obtained by changing the frequency, phase, and time position of the control pulses. The process of spectrum analysis in an analyzer based on nuclear magnetic resonance is reduced to the fact that the spectrum of the analyzed signals is recorded in the form of rotation angles of the nuclear magnetization of the working material within its spectrum. Unlike traditional spectrum analyzers, NMR analyzers determine the spectrum of each incoming pulse. The considered features of the echo effect allow to conclude about the prospects and great possibilities of using nuclear magnetic resonance in the transmitting, receiving and processing the analog and discrete information.
The prospects of research in creating devices for optimal processing radio signals are associated with the study of nuclear and electron spin echo. The physical nature of the echo effect lies in the fact that after the application and removal of the signal, the response of the system disappears due to a violation of the coherence of the various spectral components of the system oscillations. The effect of the reading pulse, due to the nonlinearity of the system, generates oscillation components with an inverse phase change, which leads to the restoration of oscillation coherence and causes an echo. The information carrier in these cases is the vibrations of the spins of the nuclei or lattice atoms, and the active medium, thus, is the volume of a solid. The effect of spin echo consists in the possibility of recording a signal in the volume of a solid body by the action of a magnetic field carrying the signal on the system of spins of electrons or nuclei of matter. After the delay time has elapsed, the recorded signal can be read. To do this, a reading pulse is applied to the volume of the solid after a certain time after the signal is given. The practical value of using the echo effect is that the time position and shape of the echo signal are uniquely related to the spectrum of input signals and their temporal arrangement, and a change in the functions of the device can be easily obtained by changing the frequency, phase, and time position of the control pulses. The process of spectrum analysis in an analyzer based on nuclear magnetic resonance is reduced to the fact that the spectrum of the analyzed signals is recorded in the form of rotation angles of the nuclear magnetization of the working material within its spectrum. Unlike traditional spectrum analyzers, NMR analyzers determine the spectrum of each incoming pulse. The considered features of the echo effect allow to conclude about the prospects and great possibilities of using nuclear magnetic resonance in the transmitting, receiving and processing the analog and discrete information.
Keywords:
spin echo, echo-signal, echo effect, nuclear magnetic resonance, linear frequency modulation signal, nuclear spins, spin body, auxiliary pulse
spin echo, echo-signal, echo effect, nuclear magnetic resonance, linear frequency modulation signal, nuclear spins, spin body, auxiliary pulse
Введение
Широкие перспективы создания устройств оптимальной обработки радиосигналов связаны с изучением таких физических явлений, как ядерное
и электронное спиновое эхо. С помощью подобных устройств можно осуществлять задержку радиосигналов, сжатие ЧМ-сигналов, согласованную полосовую фильтрацию, корреляцию и автокорреляцию. Согласованные фильтры на основе спинового эха используются в модемах широкополосных систем связи с шумоподобными сигналами, которые обеспечивают малое время вхождения в синхронизм при базе сигналов в десятки тысяч бит.
Такие устройства могут успешно осуществлять обработку аналоговых сигналов, не нуждаясь
в предварительной кодировке сигнала в цифровой, благодаря чему обработка совершается в режиме реального времени. Хорошие массогабаритные
и энергетические характеристики, а также высокая надежность и быстродействие делают эхо-процессоры весьма перспективными модулями, способными обеспечить решение задач по созданию телекоммуникационной аппаратуры нового поколения, использующей новые физические принципы и явления [1, 2].
Физическая природа эхо-эффекта заключается в том, что после приложения и снятия сигнала отклик системы исчезает вследствие нарушения когерентности различных спектральных компонент колебаний системы. Воздействие считывающего импульса благодаря нелинейности системы возбуждает компоненты колебаний с обратным изменением фазы, что приводит к восстановлению
когерентности колебаний через время задержки τ3 (возникновение эхо).
Для практической реализации эхо-процессоров используются явления спинового эха на системе ядерных спинов (ядерное эхо) или акустических колебаний в пьезоэлектронике (фононное эхо). Носителем информации в этих случаях являются колебания спинов ядер или атомов решетки, а активной средой, таким образом, является объем твердого тела (рис. 1).
Рис. 1. Структура ядерно-магнитно-резонансного процессора
Fig. 1. Structure of a nuclear magnetic resonance processor
Ввод и вывод информации осуществляется индукторами магнитного или электрического поля соответственно. Представляет интерес явление длительного хранения сигнала в пьезоэлектрической активной среде, связанное с образованием заряженных дефектов кристаллической решетки, возникающих под действием интенсивной волны сигнала. Система дефектов служит своеобразной акустической голограммой, восстанавливающей волну сигнала после воздействия на нее считывающей волны. В перспективе возможно использование эффектов эха в сверхпроводнике, в котором носителем информации служат магнитные вихри. Технология изготовления спиновых устройств достаточно проста, поскольку формирование статических неоднородностей (доменных границ) обеспечивается за счет процесса кристаллизации порошкообразных окислов при их спекании. В этом случае, т. к. динамическая неоднородность не перемещается в объеме кристалла, требования к пространственной однородности синтезируемых материалов и степени очистки исходного сырья значительно снижаются. Кроме того, отпадает и необходимость точного сопряжения форм геометрических элементов.
Вышеуказанные особенности существенно улучшают воспроизводимость технологических процессов, повышают надежность и увеличивают процент выхода качественных изделий и позволяют вполне обоснованно приблизиться к практической реализации систем и сетей телекоммуникаций на устройствах функциональной электроники,
в частности на модулях из процессоров на эффекте спинового или электроакустического эха.
Эффект спинового эха заключается в возможности записи сигнала в объеме твердого тела путем воздействия магнитного поля, несущего сигнал, на систему спинов электронов или ядер вещества [1]. По истечении времени задержки τ3 записанный сигнал может быть считан. Для этого к объему твердого тела через время τ3/2 после подачи сигнала прикладывается считывающий импульс.
Практическая ценность использования эхо-эффекта состоит в том, что временное положение
и форма эхо-сигнала однозначно связаны со спектром входных сигналов и их временной расстановкой, а изменение функций устройства можно легко получить путем изменения частоты, фазы, временного положения управляющих импульсов [2]. Возможность реализации вычислительных и телекоммуникационных устройств на примере использования ядерного магнитного резонанса (ЯМР) рассмотрена в [3–5]. Таким образом, имеются перспективы для исследования возможностей спектрального анализа на основе ЯМР.
Теоретическая часть
В общем виде для получения сигнала спинового эха образец, содержащий магнитные частицы
с полуцелым спином (магнитным моментом ядер), помещают в постоянное магнитное поле и на него подают два радиочастотных импульса на частоте магнитного резонанса. При выполнении условий, налагаемых на импульсную последовательность,
и спустя время, равное удвоенному временному интервалу между первым и вторым импульсами, возникает сигнал спинового эха. Первый импульс является входным (информационным) сигналом, второй – управляющим, регулирующим электрическим путем необходимую величину задержки
в больших пределах, а эхо – задержанным входным сигналом [6].
Рассмотрим процесс образования сигнала ядерного эха. Пусть образец (рабочее тело) содержит
в себе определенное количество ядерных магнитных моментов с гиромагнитным отношением γ. Если этот образец находится во внешнем магнитном поле , то ядерные магнитные моменты прецессируют вокруг направления с частотой . Если на образец подать два радиочастотных импульса с частотой заполнения , задержанных один относительно другого на время , то в момент времени возникает резко выраженный отклик ядерной системы в виде радиочастотного импульса. Это
и будет сигналом ядерного эха (рис. 2).
Рис. 2. Схема образования сигнала двухимпульсного эха
Fig. 2. Two-pulse echo signal generation circuit
Рассмотрим процесс сжатия линейных
частотно-модулированных сигналов с помощью явления спинового эха (рис. 3).
Рис. 3. Схема двухимпульсного метода сжатия линейных частотно- модулированных сигналов
Fig. 3. Circuit of a two-pulse method of compression of linear frequency modulated signals
Обычно в радиотехнических устройствах сжатие осуществляется следующим образом: линейный частотно-модулированный (ЧМ) сигнал с частотой заполнения (где А – параметр, характеризующий скорость изменения частоты модулированного колебания) попадает на вход линии задержки, обладающей дисперсией . На выходе устройства формируется сжатый радиочастотный импульс
с длительностью , где – длительность исходного линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала. Метод спинового эха легко позволяет воспроизвести линию задержки с подобным законом дисперсии. Для этого в качестве второго радиочастотного импульса достаточно подать сигнал с частотой заполнения .
Для более наглядного представления процесса сжатия каждый из импульсов, подаваемых на рабочее тело, разбивается на малые отрезки, частоту заполнения внутри которых можно считать постоянной. Тогда, полагая, что взаимодействуют между собой только те отрезки из первого и второго им-пульсов, которые имеют одинаковые частоты, на выходе получается узкий δ-образный сигнал эха, поскольку сигналы эха каждой пары формируются
в одно и то же время. Отметим, что с помощью явления эха можно осуществить сжатие (точнее, согласованную фильтрацию) сигналов с гораздо более сложной структурой частотного спектра [5].
Если на систему ядерных спинов спинового тела, находящихся под воздействием собственного внутреннего постоянного магнитного поля, воздействовать магнитными полями трех радиоимпульсов (по трехимпульсному методу), то в момент времени (где Т – общая длительность трех импульсов) появится сигнал спинового эха. Спектральная функция такого эхо-сигнала может быть записана в виде
,
где – спектральные функции импульсов; , – постоянные спинового тела; – форма линии поглощения спинового тела; – момент появления сигнала спинового эха. В этом случае сигнал на выходе спинового тела можно записать в виде
. (1)
Учитывая, что спиновое тело обладает определенной полосой ларморовских частот (полосой частот ядерного резонанса) , введем ограничение на спектральную функцию первого поступающего на спиновое тело радиоимпульса. Она должна быть постоянной в полосе ларморовских частот, т. е.
при . (2)
В качестве второго импульса будем использовать сигнал, спектр которого необходимо измерить. Его спектральную плотность запишем как
. (3)
Очевидно, что полоса частот спектра исследуемого сигнала также не должна превышать полосы частот ЯРМ. Чтобы обеспечить управление такими параметрами анализатора, как разрешающая способность и полоса анализируемых частот, выберем в качестве третьего подаваемого радиоимпульса сигнал с ЛЧМ длительностью , девиацией частоты . Спектр такого сигнала представим
в виде
, (4)
где – скорость изменения частоты
в импульсе. Подставим полученные функции спектров радиоимпульсов (2)–(4) в выражение для сигнала на выходе спинового тела (2) и, упростив, получим:
(5)
Интеграл в полученном выражении (5) есть
не что иное, как прямое преобразование Фурье на частоте . Таким образом, сигнал на выходе спинового тела, управляемом двумя вспомогательными импульсами (первым и третьим), описывается преобразованием Фурье от входного сигнала, что позволяет определить его как спектр входного сигнала. Наличие фазового множителя показывает, что, подав выходной сигнал спинового тела на фазовый детектор, можно получить также фазовый спектр анализируемого сигнала. Длительность анализируемых сигналов ограничивается неравенством , а разрешающая способность анализатора определяется как
, (6)
где .
Из выражения (6) видно, что, изменяя параметры второго вспомогательного импульса, такие как длительность и величина девиации частоты, можно управлять параметрами анализатора спектра. Связь между осью времени и осью частот, определяющая частотный масштаб изображения спектра, описывается выражением
,
где масштабный коэффициент кГц/мкс.
Таким образом, процесс анализа спектра
в ЯМР-анализаторе сводится к тому, что спектр анализируемых сигналов записывается в виде углов поворота ядерной намагниченности рабочего материала в пределах его спектра. За счет одновременного возбуждения всех ядерных спинов входным сигналом, а затем последовательного считывания накопленной информации управляющим импульсом удается получить однозначное соответствие между временем и частотой.
Экспериментальная часть
В качестве примера приведем результаты экспериментальных исследований анализатора спектра, блок-схема которого изображена на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема ЯМР-анализатора спектра: Т – трехимпульсный сигнал; СТ – спиновое тело
Fig. 4. Block diagram of a NMR spectrum analyzer: Т – three-pulse signal; СТ – spin body
Генератор 1 вырабатывает первый вспомогательный сигнал амплитудой 30 В и длительностью 0,2 мкс, т. к. в качестве спинового тела использовался никелевый феррит NiF2O4, обогащенный изотопом Fe57, тороидальной формы, на который наматывались витки катушки выходного каскада. Полоса ЯРМ равнялась 2 МГц, центральная частота – 72 МГц. Генератор 2 вырабатывает сигнал, спектр которого необходимо измерить (короткий радиоимпульс), генератор 3 вырабатывает второй вспомогательный импульс с ЛЧМ. Результаты экспериментальной проверки ЯМР-анализатора спектра приведены в таблице.
Результаты экспериментальной проверки ЯМР-анализатора спектра
Results of experimental verification of the NMR spectrum analyzer
Длительность импульса, τи, мкс Ширина
спектра, ∆t, мкс Экспериментальная , МГц
Теоретическая , МГц
ЛЧМ-сигнал
Τч.м, мкс , МГц
1 61 1,97 2,0 64 2
2,6 24 0,76 0,77 64 2
4 14 0,43 0,5 64 2
5 10 0,3 0,4 64 2
Из анализа таблицы следует, что погрешность измерения спектра является минимальной при выполнении условия .
Заключение
Показано, что процесс анализа спектра в анализаторе на основе ядерного магнитного резонанса сводится к тому, что спектр анализируемых сигналов записывается в виде углов поворота ядерной намагниченности рабочего материала в пределах его спектра. За счет одновременного возбуждения всех ядерных спинов входным сигналом, а затем последовательного считывания накопленной ин-формации управляющим импульсом удается получить однозначное соответствие между временем
и частотой.
В отличие от традиционных анализаторов спектра ЯМР-анализаторы определяют спектр каждого поступающего импульса, что позволяет оценить изменения спектра от импульса к импульсу и в ряде случаев упростить оценку тонкой структуры спектров.
Рассмотренные особенности эхо-эффекта позволяют сделать вывод о перспективности и больших возможностях применения ядерного магнитного резонанса при передаче, приеме и обработке аналоговой и дискретной информации
1. Gulyaev Yu. V., Balysheva O. L., Grigor'evskiy V. I., Dmitriev V. F., Mansfel'd G. D. Akustoelektronnye ustroystva obrabotki i generacii signalov. Principy raboty, rascheta i proektirovaniya. M.: Radiotehnika, 2012. 571 s.
2. Fedotov Ya. A. Funkcional'naya elektronika. M.: Vyssh. shk., 2012. 455 s.
3. Nesterov M. M., Pleshakov I. V., Fofanov Ya. A. Informacionno-fizicheskie svoystva nestacionarnyh otklikov v sistemah obrabotki impul'snyh signalov // Nauch. priborostroenie. 2006. № 16 (2). S. 3-21.
4. Puhliy V. A., Kovalev N. I. K zadache spinovogo eha v teorii yadernogo magnitnogo rezonansa // Evraziyskiy Soyuz Uchenyh. 2015. № 7-6 (16). S. 32-38.
5. Tret'yakov I. A., Danilov V. V. Teoreticheskie osnovy realizacii ustroystv telekommunikaciy na principah funkcional'noy elektroniki // Vestn. Akad. grazhdan. zaschity. 2021. № 2 (26). S. 51-58.
6. Nikitov V. A., Nikitov S. A. Issledovanie i razrabotka ustroystv na magnitostaticheskih spinovyh volnah // Zarubezh. radioelektronika. 2000. № 12. S. 41-52
