Heterodyne Detektion

Heterodyne Detektion ist eine Methode der Signalverarbeitung um Wellen einer unbekannten Frequenz durch nicht-lineare Mischung mit Wellen einer Referenzfrequenz zu detektieren. Sie wird in der Optik, der Bildverarbeitung, der Telekommunikation und der Astronomie zur Detektion und Analyse von Signalen verwendet. Bei Radiowellen spricht man von einem Überlagerungsempfänger, bei Licht von Interferometrie.

Prinzip

Die Referenzwelle wird als lokaler Oszillator bezeichnet. Das Signal und der lokale Oszillator werden an einem Mischer überlagert. Für gewöhnlich ist der Mischer eine (Foto-)diode mit einer nicht-linearen Antwort auf die Amplitude, so dass zumindest ein Teil des Ausgangssignals proportional zum Quadrat des Eingangssignals ist.

Sei

$E_\mathrm{sig}\cos(\omega_\mathrm\mathrm{sig}t+\varphi)\,$

das elektrische Feld des empfangenen Signals und

$E_\mathrm{LO}\cos(\omega_\mathrm{LO}t)\,$

das des lokalen Oszillators.

Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass das Ausgangssignals des Detektors, I, proportional zum Quadrat der Amplitude ist:

$I\propto \left( E_\mathrm{sig}\cos(\omega_\mathrm{sig}t+\varphi) + E_\mathrm{LO}\cos(\omega_\mathrm{LO}t) \right)^2$

$=E_\mathrm{sig}^2 (1/2)\left( 1+\cos(2\omega_\mathrm{sig}t+2\varphi) \right)$

$+ E_\mathrm{LO}^2 (1/2)(1+\cos(2\omega_\mathrm{LO}t))$

$+ E_\mathrm{sig}E_\mathrm{LO} \left[ \cos((\omega_\mathrm{sig}+\omega_\mathrm{LO})t+\varphi) + \cos((\omega_\mathrm{sig}-\omega_\mathrm{LO})t+\varphi) \right].$

Das Ausgangssignal hat hochfrequente (2ω_sig and 2ω_LO) und konstante Anteile. In der heterodynen Detektion werden die hochfrequenten Anteile und gewöhnlich auch die konstanten Anteile herausgefiltert. Übrig bleiben die dazwischenliegenden Schwebungsfrequenzen ω_sig + ω_LO und ω_sig − ω_LO. Die Amplitude dieser Anteile ist proportional zur Amplitude der zu untersuchenden Strahlung. Mit geeigneter Signalanalyse kann auch die Phase des Signals ermittelt werden.

Siehe auch

• Homodyne Detektion