Homodyne Detektion

Die homodyne Detektion ist eine Methode, um die Modulation einer Schwingung durch Mischung mit einer fast gleichen Referenzfrequenz zu detektieren. In der Funktechnik spricht man von einem Direktmischempfänger, in der Messtechnik von einem Lock-in-Verstärker.

Das Laserlicht kommt von links und wird nach dem Strahlteiler unterschiedlich beeinflusst. Der Mischer folgt rechts oben, um die Differenzfrequenz zu bilden.

Falls die Referenzfrequenz einen stark abweichenden Wert besitzt (das ist der Regelfall), spricht man von einer heterodynen Detektion und das Gerät heißt dann Überlagerungsempfänger.

Prinzip

Der Begriff homodyn in der optischen Interferometrie drückt aus, dass die Referenzstrahlung für den Mischer aus der gleichen Quelle wie das Signal, jedoch vor dessen Modulierung, gewonnen wird. Im Fall eines Streuexperiments mit einem Laser (Laser-Doppler-Anemometrie) wird der Laserstrahl in zwei Teile geteilt. Einer wird dem Mischer (Photodiode) direkt zugeführt, während der andere zuerst auf das zu untersuchende System gelenkt wird. Das dort gestreute Licht gelangt dann ebenfalls zum Mischer, der die Differenzfrequenz bildet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber Schwankungen der Frequenz des Lasers ist. Für gewöhnlich ist der gestreute Strahl schwach, so dass die nahezu konstante Komponente des Detektorsignals als Kennzeichen der Intensität des lokalen Oszillators verwendet werden kann. Intensitätsschwankungen des Lasers lassen sich somit ausgleichen.

In der Funktechnik versteht man unter Homodyner Detektion einen Synchrondemodulator, der auch als Direktmischempfänger und das Verfahren auch als kohärente Demodulation bezeichnet wird. Im Unterschied zur Anwendung in der Optik wird die für den Mischvorgang erforderliche Phasenlage als Referenz nicht mit übertragen. Das führt oft zu erheblichem technischem Aufwand, weil die Phasenlage – die zeitliche Ausrichtung – der Trägerfrequenz im Empfänger rekonstruiert werden muss. Eine Möglichkeit ist beim analogen Farbfernsehen die zyklische Übertragung der Phaseninformation mit Hilfe eines Burst-Signals. Bei digitalen Übertragungsverfahren kann durch bekannte und zyklische wiederholte Muster im Datenstrom die Phasenlage rekonstruiert bzw. nachgeführt werden.

In der Messtechnik erlaubt die homodyne Detektion, extrem schwache Signale bekannter Frequenz aus einem störenden Hintergrund zu filtern.

Verringerung des 1/f-Rauschens durch Verschiebung auf einen höheren Frequenzbereich

Nachteilig ist die begrenzte Empfindlichkeit durch das starke 1/f-Rauschen. Im Bild entspricht die "Rauschmenge" der Fläche des linken blauen Bandes, wenn man von einer höchsten Signalfrequenz von 100 Hz ausgeht.

Wird die Eingangsspannung dagegen mit der Frequenz f = 10 kHz gemischt, entspricht das einer Amplitudenmodulation eines 10-kHz-Trägers mit der Messspannung. Die Fourieranalyse des Ausgangssignals zeigt, dass das Eingangssignal in den Seitenbändern des Trägers enthalten ist. Diese erstrecken sich über den Bereich f − 100 Hz bis f + 100 Hz. Wenn nur dieser hohe Bereich nachfolgend verstärkt wird, ist das 1/f-Rauschen erheblich geringer als im Basisbereich 0 bis 100 Hz, angedeutet durch die kleinere blaue Fläche rechts im Bild. Bei der abschließenden Synchrongleichrichtung zur Demodulation erscheint nur dieser geringe Rauschanteil im Ausgangssignal.

Bei höheren Anforderungen und Signalfrequenzen unter etwa 10¹⁰ Hz werden stets Überlagerungsempfänger bevorzugt, um das 1/f-Rauschen gering zu halten. Bei höheren Frequenzen bereitet das Phasenrauschen des Mischeroszillators Probleme.