Исследование ученых ЛЭТИ позволит повысить эффективность оптических систем радиомониторинга будущего

Одним из важных элементов радиотехнических систем различных назначений (связь, мониторинг, локация и проч.) являются специальные цифровые процессоры. Эти устройства используются для обработки оцифрованных радиосигналов в режиме реального времени. Они характеризуются относительно высоким быстродействием, способностью решать различные вычислительные задачи, а кроме того, для их массового производства используются широко распространенные компоненты.

Однако в мире постепенно усиливается потребность (и в дальнейшем она будет только возрастать) в увеличении объема и скорости передаваемой информации. Это заставляет искать пути для перехода радиотехнических систем на сверхвысокие частоты (СВЧ). При этом цифровые процессоры имеют определенные физические ограничения для работы в СВЧ-диапазоне, а модернизация их конструкции лишь в какой-то мере позволяет их преодолеть (и это приводит усложнению конструкции и возрастанию их стоимости). Поэтому исследователи ведут разработки вычислительных устройств для радиотехнических систем на иных физических принципах.

Одной из перспективных альтернатив цифровым процессорам являются оптические процессоры. Поскольку эти устройства используют в своей работе сигналы оптического диапазона частот, они обладают более высоким быстродействием, энергоэффективностью и компактностью. Однако в целом сегодня оптические процессоры находятся на этапе единичных лабораторных образцов, и для их массового внедрения требуется разрабатывать теоретическую базу, технологию производства и компонентную базу.

«Некоторое время назад на нашей кафедре был изготовлен оптический процессор для пеленгатора – устройства для определения местонахождения объектов. С учетом принципа работы разработанное устройство также может выполнять роль спектроанализатора – прибора для радиомониторинга сигналов в широком диапазоне частот. Это очень полезное устройство, когда возникает необходимость в разведке местности в режиме реального времени, к примеру, на территории аэропорта».

Для решения этой задачи удалось избежать каких-либо конструктивных изменений в работе процессора, поскольку это могло привести к усложнению конструкции, а следовательно к увеличению габаритов и стоимости изделия. Поэтому нужно было проанализировать возможности оптической схемы процессора и подобрать опорный сигнал, позволяющий анализировать широкий спектр частот. Для этого ученые ЛЭТИ разработали новую математическую модель.

В результате было выявлено две проблемы, свойственные оптическому процессору, работающему в режиме спектроанализатора. Во-первых, выяснилось, что старые алгоритмы работы процессора позволяли обнаруживать сигналы только на отдельных частотах, а между ними информация пропадала. Это затруднение удалось разрешить за счет применения опорного сигнала специальной структуры. Во-вторых, в оптических процессорах заметно проявляется фотонный шум. Эти шумы приводили к тому, что в процессе радиомониторинга часть сигналов может быть искажена или пропущена.

«Решать вторую проблему можно несколькими путями. Например, использовать несколько оптических процессоров параллельно для повышения динамического диапазона системы радиомониторинга. Хотя это и не снимает ограничение, связанное с неизбежными фундаментальными фотонными шумами. Есть и другой подход – использовать более совершенную компонентную базу для оптического процессора и разрабатывать новую. Однако пока такое решение находится на этапе лабораторных макетов. Тем не менее, эта задача так или иначе в будущем может быть решена по мере перехода радиотехнических систем на более высокие частоты», – поясняет Леонид Андреевич Аронов.

Результаты проведенного исследования опубликованы в научном журнале «Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника», а также изложены в кандидатской диссертации Леонида Андреевича Аронова, которая была успешно защищена в 2023 году.