Heterodyne Detektion

Heterodyne Detektion i​st eine Methode d​er Signalverarbeitung, u​m Wellen e​iner unbekannten Frequenz d​urch Mischung m​it Wellen e​iner Referenzfrequenz z​u detektieren. Sie w​ird in d​er Optik, d​er Bildverarbeitung, d​er Telekommunikation u​nd der Astronomie z​ur Detektion u​nd Analyse v​on Signalen verwendet. Bei Radiowellen spricht m​an von e​inem Überlagerungsempfänger, b​ei Licht v​on Interferometrie.

Prinzip

Die Referenzwelle w​ird als lokaler Oszillator bezeichnet. Das Signal u​nd der lokale Oszillator werden d​urch einen Mischer verarbeitet. Die Mischung beruht a​uf einem nichtlinearen Produkt d​er Eingangssignale, s​o dass zumindest e​in Teil d​es Ausgangssignals proportional z​um Quadrat d​er Eingangssignale ist.

Sei

${\displaystyle E_{\mathrm {sig} }(t)=E_{\mathrm {sig,0} }\cos(\omega _{\mathrm {\mathrm {sig} } }t+\varphi (t))\,}$

das elektrische Feld d​es empfangenen Signals und

${\displaystyle E_{\mathrm {LO} }(t)=E_{\mathrm {LO,0} }\cos(\omega _{\mathrm {LO} }t)\,}$

das d​es lokalen Oszillators.

${\displaystyle E_{\mathrm {sig,0} },E_{\mathrm {LO,0} }}$ sind die jeweiligen Amplituden.

Zur Vereinfachung nehmen w​ir an, d​ass das Ausgangssignal d​es Detektors, I, proportional z​um Quadrat d​er Amplitude ist:

${\displaystyle I\propto \left(E_{\mathrm {sig,0} }\cos(\omega _{\mathrm {sig} }t+\varphi )+E_{\mathrm {LO,0} }\cos(\omega _{\mathrm {LO} }t)\right)^{2}}$

${\displaystyle =E_{\mathrm {sig,0} }^{2}(1/2)\left(1+\cos(2\omega _{\mathrm {sig} }t+2\varphi )\right)}$

${\displaystyle +E_{\mathrm {LO,0} }^{2}(1/2)(1+\cos(2\omega _{\mathrm {LO} }t))}$

${\displaystyle +E_{\mathrm {sig,0} }E_{\mathrm {LO,0} }\left[\cos((\omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )+\cos((\omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} })t+\varphi )\right].}$

Das Ausgangssignal hat hochfrequente (${\displaystyle 2\omega _{\mathrm {sig} }}$ und ${\displaystyle 2\omega _{\mathrm {LO} }}$) und konstante Anteile. In der heterodynen Detektion werden die hochfrequenten Anteile und gewöhnlich auch die konstanten Anteile herausgefiltert. Übrig bleiben als Mischprodukt die dazwischenliegenden Summen- und Differenzfrequenzen ${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }+\omega _{\mathrm {LO} }}$ und ${\displaystyle \omega _{\mathrm {sig} }-\omega _{\mathrm {LO} }}$. Die Amplitude dieser Anteile ist proportional zum Produkt der Amplituden der Eingangssignale. Mit geeigneter Signalanalyse kann auch die Phase des Signals ermittelt werden.

Literatur

• Christian Heipke: Photogrammetrie und Fernerkundung. 1. Auflage, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-47093-0.
• Reiner Thiele: Optische Nachrichtensysteme und Sensornetzwerke. Ein systemtheoretischer Zugang, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft, Braunschweig 2002, ISBN 978-3-322-89925-5.
• Karl J. Ebeling: Integrierte Optoelektronik. Wellenleiteroptik – Photonik – Halbleiter, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1989, ISBN 978-3-540-51300-1.
• Yun-Shik Lee: Principles of Terahertz Science and Technology. Springer Science+Business Media LLC, New York 2009, ISBN 978-0-387-09539-4.

Siehe auch

• Homodyne Detektion

Weblinks

• Innovative Technologies for THz Heterodyne Detection (abgerufen am 4. September 2017)
• Optical Heterodyne Detection of Phase-Shifted Signals (abgerufen am 4. September 2017)