Управляемые согласованные фильтры на основе тонких магнитных пленок кобальта и его сплавов

Устройства оптимальной обработки сигналов, применяемые в системах радиосвязи, зачастую содержат согласованные фильтры, максимизирующие отношение сигнал/шум на выходе. Современная элементная база располагает широкими возможностями реализации таких фильтров на основе цифровых технологий, устройств на ПАВ, акустооптических процессоров, а также спиновых процессоров, основанных на спиновом эхе. При этом аналоговые методы продолжают успешно конкурировать с цифровыми в случае обработки сигналов с большой шириной спектра, а также там, где существуют ограничения на энергетические и габаритные параметры аппаратуры.

Анализ характеристик спиновых процессоров показывает на их конкурентоспособность, в частности по отношению к конвольверам на ПАВ, используемым для обработки шумоподобных сигналов с расширенным спектром в системах связи множественного доступа. В данном разделе представлены результаты экспериментальных исследований спиновых согласованных фильтров на основе тонкопленочных магнитных сред с резонансом на ядрах кобальта. Особое внимание уделяется исследованию динамического диапазона спиновых процессоров, работающих в режиме управляемого согласованного фильтра. Нелинейность спиновой системы, обусловленная эффектом насыщения, приводит к ограничению динамического диапазона процессора. Рассматриваются различные алгоритмы согласованной фильтрации и исследуются амплитудные характеристики согласованных фильтров.

Динамический диапазон спинового процессора определяется режимом его работы. Максимальный динамический диапазон кобальтовых процессоров в режиме возбуждения спинового эха дельтаобразными импульсами доходит до 90-100 дБ в двухимпульсном режиме. В частности, экспериментально наблюдалось двухимпульсное эхо амплитудой 400 мВ при уровне собственных шумов спинового процессора на основе тонких многослойных поликристаллических магнитных пленок кобальта 6 мкВ, что соответствует динамическому диапазону 96.5 дБ. Для получения такого динамического диапазона использовалось пакетирование пленок, количество которых составляло от 60 до 80 штук. Максимальная амплитуда стимулированного эха при возбуждении дельтаобразными импульсами в два раза меньше максимальной амплитуды первичного эха, что уменьшает динамический диапазон на 6 дБ. В процессе проведенных исследований установлено, что переход к шумоподобным сигналам с равномерным спектром уменьшает величину линейного участка динамического диапазона процессора в режиме согласованной фильтрации на 2,5... 4,9 дБ в зависимости от алгоритма без учета релаксационного затухания, возрастающего при увеличении длительности обрабатываемых сигналов. В результате динамический диапазон процессора в режиме согласованной фильтрации с использованием стимулированного эха, выраженный в децибелах, может быть определен по формуле

,

где -максимальная величина динамического диапазона при возбуждении первичного эха дельтаобразными импульсами; -поправка, учитывающая переход к стимулированному эху; - поправка, учитывающая переход к сложным сигналам; - поправка, учитывающая переход в линейный режим; - поправка, учитывающая наличие входного шума; - поправка, учитывающая релаксационное затухание; - поправка, учитывающая неполное восстановление термодинамического равновесия спиновой системы при высоких частотах следования импульсов возбуждения.

В качестве примера приведем расчет реального динамического диапазона процессора на основе тонких многослойных поликристаллических магнитных пленок ⁵⁹Co при обработке сигналов с равномерным спектром шириной 10 МГц и длительностью 10 мкс при частоте следования импульсов возбуждения 1 кГц. При заданных параметрах + =2,5... 4,9 дБ в зависимости от используемого алгоритма согласованной фильтрации; =10.7 дБ при отношении сигнал/шум на входе q= 0.316 (с ростом q потери уменьшаются); =8.7 дБ; =0. Тогда при =96.5 дБ и =6 дБ получим D= 66.2 …68.6 дБ в зависимости от используемого алгоритма.

Динамический диапазон процессора на основе ЯМР ядер ⁵⁹Co в тонких многослойных поликристаллических магнитных пленок сплава Fe-Co-Ni при одинаковом объеме магнитных сред несколько меньше, чем у кобальтового процессора. Это, прежде всего, связано с меньшим количеством ядер ⁵⁹Co, так как используемый сплав содержит 60% кобальта, 30% железа и 10% никеля, а также с большим уровнем собственных шумов процессора, так как его полоса частот в 3 раза больше. Сплав изготовлен в ЦНИИ черной металлургии им. И.П.Бардина, все пленки изготовлены в ЗАО "Авангард-Элионика". Разработанный процессор имел уровень собственных шумов 10 мкв. В целом, динамический диапазон этого процессора на 11 дБ меньше, чем у кобальтового процессора.

Хотя эффект эха присущ лишь нелинейным системам с нелинейностью не ниже кубической, тем не менее в режиме слабого сигнала, когда | S (W)|< p/6, спиновая или фотонная система ведет себя в отношении каждого такого сигнала как линейная, запоминая спектр вводимого импульса без нелинейных искажений. При обеспечении этого условия в отношении первого и второго (третьего) импульсов возбуждения реализуется алгоритм согласованной фильтрации (рис. 3.13, 3.14), причем коэффициент передачи фильтра может перестраиваться в зависимости от вида обрабатываемого сигнала. Возбужденное стимулированное эхо совпадает в этом случае по форме с автокорреляционной функцией сигнала R (t). На рис. 4.8-4.10 представлены осциллограммы стимулированного спинового эха на выходе кобальтового процессора, реализующего алгоритм управляемой согласованной фильтрации для различных сигналов.

На рис. 4.8 представлена осциллограмма отклика фильтра, согласованного с прямоугольным радиоимпульсом длительностью t = 3 мкс.

Рис. 4.8. Отклик управляемого согласованного фильтра для прямоугольного радиоимпульса, масштаб 1 мкс/дел.

На рис. 4.9 представлена осциллограмма отклика того же процессора, реализующего согласованную фильтрацию сигнала с линейной частотной модуляцией. Девиация частоты сигнала F _д=5 Мгц, длительность t =10 мкс. Масштаб 0.2 мкс/дел.

Рис. 4.9. Отклик управляемого согласованного фильтра для сигнала с линейной частотной модуляцией, масштаб 0.2 мкс/дел.

Процессоры на основе спинового и фотонного эха позволяют реализовывать управляемую согласованную фильтрацию не только детерминированных, но и шумовых сигналов при условии ввода копии реализации шумового импульса в качестве опорного сигнала. На рис. 4.10 представлена осциллограмма отклика процессора, работающего в качестве согласованного фильтра, для импульса полосового белого гауссовского шума.

Рис. 4.10. Отклик управляемого согласованного фильтра для реализаций полосового белого гауссовского шума длительностью t =8 мкс. Ширина спектра шума D F =8 Мгц, масштаб 2 мкс/дел.

4.2 Нелинейные эхо-явления

Среди когерентных процессов особый интерес представляют эхо-явления, в которых используется фундаментальное свойство вещества самопроизвольно генерировать отклики за счет энергии, заложенной в систему частиц предшествующим процессом возбуждения. Эхо-сигнал представляет собой когерентный отклик среды, содержащий информацию об амплитудах, фазах и моментах воздействия возбуждающих импульсов и сформированный в строго определенный момент времени, запаздывающий относительно этих импульсов.

К настоящему времени известно довольно большое число различных эхо-явлений:

ядерное спиновое эхо;

электронное спиновое эхо;

фотонное (световое) эхо;

фононное (электроакустическое или поляризационное) эхо;

ферримагнитное (магнитостатическое) эхо;

квадрупольное эх;

циклотронное эхо;

плазменно-волновое эхо и другие.

В 1972 году вышел в свет большой обзор, в котором впервые авторы попытались с общих позиций рассмотреть известные к тому времени эхо-явления перечисленного типа. Обзор назывался “Zeitliche phasenmischungsechoes”, что в переводе с немецкого можно перевести как “Временные эхо смешения фаз”. Так впервые был введен термин, обобщающий названия различных эхо. Однако в силу специфики немецкого языка и своей громоздкости он не прижился. Тем не менее, авторы обзора впервые сформулировали необходимые условия существования эха:

Наличие нелинейности в процессе взаимодействия поля с веществом.

Наличие неоднородности некоторых параметров среды.

Следующая попытка ввести обобщающий эхо-явления термин была предпринята в обзоре, в котором авторы применили к этим явлениям термин “нелинейное эхо”, подчеркивающий одно из необходимых условий существования этих эхо в отличие от обычного акустического эха, связанного с отражением волн.

В одной из монографий предложен термин “поляризационное эхо”. Ранее этот термин имел более узкий смысл и подразумевал только эхо, обусловленные восстановлением динамической поляризации, в частности, фононное или электроакустическое эхо в сегнето- и пьезоэлектриках. Авторы монографии попытались придать термину “поляризационное эхо” более широкий смысл. Как известно, в момент возникновения эха система возвращается в некоторое упорядоченное состояние, которое в начале цикла возбуждения нарушается. Это нарушение является обратимым. Авторы монографии называют восстановление порядка в системе при формировании эха “поляризационным эхом”, так как слово “поляризация” в физике означает наведение порядка среди некоторой совокупности предметов или частиц в веществе. В такой ситуации и появился термин “поляризационное эхо”, который объединяет в широком смысле все известные эхо на спинах, эффективных спинах и осцилляторах, обнаруженные в последнее время методами квантовой электроники, квантовой акустики и квантовой оптики. Технические средства современной радиотехники, акустики и оптики позволяют наблюдать поляризационное эхо во многих веществах как в радио-, так и в световом диапазоне.

Поскольку ни один из рассмотренных ранее терминов не стал общепринятым, то в дальнейшем будет использован термин “фазированное эхо”, отражающий процесс установления упорядоченного состояния системы при формировании эха за счет фазовых соотношений.

Близкий к этому термин “сфазированное эхо” использован авторами другой монографии, в которой рассмотрен широкий спектр вопросов, связанных с обработкой радиосигналов в процессорах, основанных на спиновом эхо. Среди процессоров, основанных на фазированном эхо, этот вид процессоров появился ранее других и поэтому к настоящему времени исследован наиболее полно. Среди других видов сигнальных процессоров, основанных на фазированном эхо, будут рассмотрены фононные, также предназначенные для обработки сигналов радиодиапазона, а также фотонные процессоры, позволяющие осуществлять обработку сигналов светового диапазона. Основное внимание будет уделено спиновым процессорам, основанным на магнитном резонансе.

Процессоры, основанные на эффекте фазированного (нелинейного) эха, часто называют эхо-процессорами (ЭП). Эффект фазированного (нелинейного) эха проявляется в переизлучении веществом части энергии возбуждающего его импульсного электромагнитного поля с задержкой во времени. Процесс обработки сигналов происходит непосредственно в рабочем веществе процессора.

Среди других видов фазированного эха рассмотрим также фононное и фотонное эхо, которые также представляют интерес с точки зрения обработки информации. Первое из них может использоваться для обработки радиосигналов, в то время как второе – для обработки сигналов светового диапазона.

По характеру динамики фазированное эхо можно разделить на два класса:

- динамика углового момента (спиновое и фотонное эхо);

- динамика осциллятора (фононное эхо).

Механизм формирования осцилляторного эха в системе осцилляторов, каждый из которых обладает некоторой величиной d, характеризующей его динамику и каким-либо образом сигнализирующей о состоянии осциллятора, поясняет рис. 4.11. Динамика осциллятора описывается точкой на фазовой плоскости (d_x, d_y).

В результате действия импульса переменного поля, направленного вдоль оси x, все осцилляторы приобретают одинаковую величину d, и суммарный вектор D оказывается направленным вдоль горизонтальной оси (рис. 4.11, а). Затем из-за различия собственных частот осцилляторов величины d отдельных осцилляторов расходятся по фазе, и суммарный вектор D распадается. На рис. 4.11 б представлены четыре изохроматические группы осцилляторов, которые к моменту подачи второго импульса t2 имеют фазы d(p/2), d(p),d(3p/2), d(2p).

Второй импульс переменного магнитного поля действует в том же направлении, что и первый. В случае линейного взаимодействия импульса с осцилляторами все они получают одинаковое приращение величины d. Состояние изохромат к моменту окончания второго импульса показано на рис. 4.11, в. При линейном взаимодействии к моменту времени t=2t ₂ величины d (2p) и d (p/2) + d (3p/2) полностью компенсируют друг друга (d (p)=0) и никакого эха не возникает (рис. 4.11, г).

В случае же нелинейного взаимодействия импульса с осцилляторами (если, например, влияние импульса тем сильнее, чем больше величина d_x осциллятора) изохромата d (2p) получит во время действия второго импульса приращение на D d большее, чем остальные изохроматы, и займет на фазовой плоскости положение d ^¢(2p) (рис. 4.11, в). В этом случае к моменту времени t=2t ₂ компенсация величин d ^¢(2p) и d (p/2) + d (3p/2) будет неполной и результирующая величина D d излучит сигнал эха (рис. 4.11, г).

Рис. 4.11. Геометрическая модель формирования осцилляторного эха

При возбуждении сложными сигналами при малых уровнях возбуждающих импульсов получают такие же соотношения для двух- и трехимпульсного фононного эха, как и в случае спинового. По аналогии со спиновыми процессорами на эффекте фононного эха создают процессоры, осуществляющие запоминание сигналов, корреляционный и спектральный анализ, управляемую фильтрацию, в том числе согласованную.

Важным преимуществом этого вида эха является большое время памяти T ₁ (статическое поляризационное эхо), а также то, что спектр акустических колебаний частиц в порошке обычно значительно шире, чем в магнитном резонансе. Статическое поляризационное эхо наблюдается в порошковых материалах (ферритах, ферромагнитных материалах, пьезоэлектриках). Исследованы возможности корреляционной обработки сигналов на основе фононного эха. Этот принцип положен в основу устройств распознавания сигналов в многоимпульсном режиме возбуждения фононного эха на больших интервалах времени (до нескольких суток). Следует отметить, что проблема стирания информации в фононных процессорах остается в известной степени открытой.

Фотонное эхо, как и спиновое, описывается в терминах динамики углового момента. Если в случае спинового эха имеет место магнитодипольное взаимодействие электромагнитного поля с магнитными моментами частиц, то в случае фотонного эха оно заменяется электродипольным взаимодействием. При этом поглощение и излучение энергии наблюдается не в радио, а в световом диапазоне. Несмотря на это механизм формирования фотонного эха имеет много общего с механизмом формирования спинового эха. При анализе явлений, связанных с фотонным эхо, часто используют векторную модель, аналогичную модели формирования спинового эха и рассмотренную ранее. При этом вводят понятие псевдоэлектрического поля E ипсевдоэлектрического диполя P. Псевдоэлектрическое поле кроме реальных поперечных компонент электрического поля содержит продольную составляющую, равную , где - частота резонансного перехода, - гироэлектрическое отношение, p - модуль дипольного момента резонансного перехода. Псевдоэлектрический диполь кроме поперечных составляющих включает в себя продольную псевдосоставляющую , где N ₁ и N ₂ – населенности уровней двухуровневой системы. При этом вводят оптические уравнения Блоха

,

,

где N - активное число излучающих частиц в единице объема, x, y, z орты декартовой системы координат. По внешнему виду эти уравнения совпадают с уравнениями Блоха в магнитном резонансе, что позволяет рассматривать два эти вида эха с общих позиций.

Таким образом, существует прямая аналогия описания спинового и фотонного эха, а также сигналов магнитной и световой индукции в двухуровневых системах. Отличительной же особенностью фотонного эха является условие пространственного синхронизма, из которого определяется направление распространения эхо-отклика. Так для двухимпульсного фотонного эха волновой вектор определяется выражением

,

а для стимулированного эха имеет вид

,

где - волновой вектор i -го импульса возбуждения.

Пространственный синхронизм позволяет осуществлять пространственное выделение полезных откликов, а также отделять их от импульсов возбуждения, что невозможно в спиновых процессорах.

Первое экспериментальное наблюдение фотонного эха относится к 1964 году. С тех пор этот метод успешно используется в когерентной оптической спектроскопии.

В 1979 году обнаружено долгоживущее фотонное эхо в кристалле фтористого лантана со временем памяти, достигающим 3 … 30 мин. Это обстоятельство привлекло внимание исследователей в США и в нашей стране и послужило началом работ в области создания оптических запоминающих устройств большой емкости. Так фирма Advanced Technology Laboratories разрабатывала запоминающее устройство емкостью 10¹⁵ бит с плотностью записи 10¹² бит×см^-3 с временем записи-считывания около 1 нс.

Еще одно направление, связанное с обработкой информации на основе фотонного эха связано с динамической голографией. При этом запись информации осуществляется “образами”, заложенными в волновой фронт второго импульса возбуждения. Волновой фронт сигнала стимулированного эха будет совпадать с волновым фронтом этого импульса.

Наряду с рассмотренными задачами фотонное эхо может быть использовано при создании аналоговых сигнальных процессоров светового диапазона, которые могут выполнять операции задержки, фильтрации, корреляционного и спектрального анализа аналогично спиновым сигнальным процессорам радиодиапазона.

В многоуровневых системах с неэквидистантным спектром возможно осуществление преобразования масштаба сигнала. Аналогичные преобразования можно осуществлять и в спиновых процессорах.

Среди существующих в этой области проблем следует отметить те же нелинейные эффекты, описанные при рассмотрении спиновых процессоров, которые связаны с насыщением и определяют верхнюю границу динамического диапазона, а также позволяют осуществлять частотно-избирательное ограничение спектров сигналов.

Безусловный интерес также представляет возбуждение фотонного эха шумовыми некогерентными импульсами и их обработка. В этой связи следует упомянуть, что первое экспериментальное наблюдение фотонного эха, возбуждаемого некогерентным источником света, описано в работе.

Был предложен также алгоритм возбуждения аккумулированного стимулированного фотонного эха двумя шумовыми импульсами, полученными от одного источника путем расщепления, и одним дельтаобразным импульсом. Уровни шумовых импульсов соответствовали отсутствию насыщения (линейный режим). Было показано, что форма аккумулированного эха соответствует корреляционной функции электрического поля некогерентного источника. При этом интервал корреляции электрического поля обратно пропорционален ширине энергетического спектра источника и определяет длительность сигнала фотонного эха, на несколько порядков меньшую длительности шумовых импульсов. Длительность эха определяет разрешающую способность по времени в экспериментах по исследованию релаксационного затухания эха. Первоначально достигнутая разрешающая способность составляла 220 фс. Позднее, в работе за счет использования светодиода в качестве источника некогерентного светового излучения была достигнута разрешающая способность порядка 80 фс.