Результат интеллектуальной деятельности: АНАЛОГОВАЯ ФАЗОСТАБИЛЬНАЯ ВОЛС

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а более конкретно к устройствам для передачи высокочастотного аналогового сигнала со стабильной фазой по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) в системах фазовой синхронизации удаленных объектов. Техническим результатом является увеличение фазовой стабильности передаваемого по ВОЛС высокочастотного сигнала.

Такие системы применяются, например, в линейных ускорителях, детекторах гравитации, космической навигации, радарах с фазированной антенной решеткой, фазовой интерферометрии [1-3].

Известно устройство "Компенсатор задержки в волоконно-оптическом кабеле", включающее оптический передатчик, оптические приемники, разветвители, световоды [1]. В известном устройстве сигнал высокостабильного опорного генератора (водородного мазера) с нормированным фазовым шумом и высоким отношением сигнал/шум на выходе подменяется сигналом генератора управляемого напряжением (ГУН) с ненормированными фазовыми шумами и значением сигнал/шум. Еще один недостаток известного устройства заключается в необходимости обратной передачи отраженного от конца оптического кабеля сигнала к оптическому передатчику для последующего сравнения по фазе с входным сигналом.

Такое решение резко снижает энергетический потенциал, отношение сигнал/шум, увеличивает фазовый шум и уменьшает точность фазовой синхронизации. Кроме того, в этом устройстве необходимо применять высококачественные оптические изоляторы и ответвители, малейшее ухудшение работы которых может привести к сильным избыточным шумам лазера оптического передатчика из-за вредного влияния оптической обратной связи, что приведет к нарушению работы всего устройства.

Известно устройство "Система фазовой коррекции", включающее оптический передатчик, оптические изоляторы, волоконно-оптический модулятор, оптические разветвители, оптический детектор, фазовый детектор, усилитель, световод и оптический приемник [2]. В известном устройстве оптический сигнал, прошедший через всю длину оптической линии, отражается зеркалом обратно для последующего сравнения по фазе с входным сигналом. Такое решение резко снижает энергетический потенциал, отношение сигнал/шум, увеличивает фазовый шум и уменьшает точность фазовой синхронизации. Кроме того, в известном устройстве необходимо применять высококачественные оптические изоляторы и ответвители, малейшее нарушение работы которых приведет к появлению сильных избыточных шумов лазера оптического передатчика из-за вредного влияния оптической обратной связи, что ведет к нарушению работы всего устройства.

Еще один недостаток заключается в использовании в качестве фазовращателя волоконно-оптического модулятора, вносящего в оптический сигнал значительные дополнительные потери, которые еще больше сокращают энергетический потенциал устройства. В известном устройстве из-за особенностей работы волоконно-оптического модулятора ограничен также предел компенсации фазового дрейфа в световоде (оптическом кабеле) величиной порядка ±45 град. фазы, следовательно, ограничена длина фазостабилизированной оптической линии, частота передаваемого по ней опорного сигнала и (или) диапазон компенсированного колебания температуры и механических нагрузок световода.

Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение, - повышение стабильности при передаче от прецизионного источника к потребителям высокочастотного аналогового сигнала при небольших материальных затратах.

Сущность изобретения заключается в одновременной передаче по одному оптическому волокну (ОВ) вместе с опорным еще трех сигналов разной частоты, синхронизированных с ним по дрейфу фазы. Один из них, благодаря выбору достаточно низкой частоты, имеет заведомо большую, по сравнению с реально необходимой для практических применений, стабильность фазы на выходе ОВ. Частота другого сигнала выбирается таким образом, чтобы уход его фазы в любом случае заведомо не превышал пределы рабочего диапазона фазового детектора. Третий является сигналом гетеродина для смесителя фотоприемного устройства, его частота выбирается таким образом, чтобы разность частот между вторым и третьим сигналами была равна частоте первого.

Единый научно-технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:

а) повышении фазовой стабильности и точности при передаче по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала;

б) повышении надежности работы устройства за счет исключения ложных сигналов в системе стабилизации фазы на приемном конце ВОЛС;

в) упрощении устройства, снижении уровня энергопотребления на удаленном приемном конце ВОЛС;

г) снижении уровня радиоизлучений на приемном конце ВОЛС и улучшении электромагнитной совместимости (ЭМС).

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по сравнению с известным [3], являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: радиочастотный генератор опорного высокочастотного сигнала, радиочастотные генераторы вспомогательных сигналов с частотами f₂ и f₃, соединенные через радиочастотный объединитель с входом оптического передатчика, ОВ, соединенное с фотоприемником, радиочастотный делитель, фильтр верхних частот, первый и второй узкополосные фильтры, первый и второй преобразователи, гетеродин, первый и второй фильтры промежуточной частоты, фазовый детектор, масштабирующий усилитель и управляемый фазовращатель, введен третий, синхронизированный с опорным, вспомогательный радиочастотный генератор с частотой f₄, радиочастотный делитель, третий узкополосный фильтр, подстроечный фазовращатель и управляемый аттенюатор, а гетеродин, второй преобразователь и второй фильтр промежуточной частоты исключены, причем выход третьего вспомогательного радиочастотного генератора с частотой f₄, соединен со входом радиочастотного объединителя, третий узкополосный фильтр соединен с одним из выходов радиочастотного делителя, к выходу которого подключен вход подстроечного фазовращателя, соединенного своим выходом с одним из входов фазового детектора.

Благодаря введению третьего вспомогательного радиочастотного генератора с частотой f₄ (гетеродина) удалось отказаться от гетеродина на удаленном приемном конце ВОЛС, который работал на два смесителя.

В предыдущем устройстве [3], при нестабильности частоты гетеродина в сигналах на входах фазового детектора появлялась дифференциальная разность фаз, которая после детектирования выступала как ложный сигнал компенсации фазового дрейфа в ВОЛС, который после усиления масштабирующим усилителем подавался на управляемый фазовращатель.

В предлагаемом устройстве гетеродин в приемной части устройства отсутствует, при этом исключается один из основных источников фазовой нестабильности.

Благодаря ведению подстроечного фазовращателя компенсируется неизбежная начальная разность фаз на входах фазового детектора из-за не идентичности каналов.

При этом начальный управляющий сигнал фазовой ошибки можно оптимизировать, например, установив его равным нулю.

Это позволяет установить рабочую точку на регулировочной характеристике основного управляемого фазовращателя в оптимальном (например, в симметричном) положении, повысив тем самым точность поддержания фазы опорного сигнала и расширить диапазон регулирования фазы.

Введение управляемого аттенюатора между подстроечным фазовращателем и фазовым детектором обеспечивает оптимальные условия работы фазового детектора за счет выравнивания не только начальных фаз, но и амплитуд сигналов на его входах. Такое выравнивание необходимо, так как всегда существует не идентичность каналов по коэффициенту передачи, в том числе из-за включения в один из каналов устройства преобразователя частоты, который, как правило, имеет малый коэффициент передачи.

Например, в фазометрах выравнивание дифференциальных амплитуд сигналов на входах от нескольких раз до приблизительного их равенства дает пятикратное увеличение точности измерения относительной фазы сигнала [4, 5]. Благодаря этому достигается значительно большая точность фазового детектирования. Тем самым на вход управляемого фазовращателя поступает сигнал, обеспечивающий более точную фазовую компенсацию изменения фазы в ВОЛС.

Таким образом, повышается общая фазовая стабильность аналоговой ВОЛС.

Достигаемое, в связи с этим, уменьшение габаритов, массы, стоимости, энергопотребления и облегчение решения задачи ЭМС на приемном конце, особенно важно в многоканальных системах разводки фазостабильного сигнала по ВОЛС, например, для фазированных антенных решеток (ФАР) и активных фазированных антенных решеток (АФАР) с числом излучателей до тысячи и более.

Предлагаемое изобретение представлено на фиг.1, оно содержит: генератор опорных сигналов 1, генераторы сигналов 2, 3 и 4, радиочастотный объединитель сигналов 5, оптический передатчик 6, ОВ 7, оптический приемник 8, радиочастотный делитель (1:2) 9, радиочастотный делитель (1:3) 10, фильтр верхних частот 11, управляемый фазовращатель 12, узкополосные фильтры 13, 14, преобразователь 16, фильтры промежуточной частоты 15 и 17, подстроечный фазовращатель 18, управляемый аттенюатор 19, фазовый детектор 20, масштабирующий усилитель 21.

Предлагаемая аналоговая фазостабильная ВОЛС работает следующим образом: опорный высокочастотный (ВЧ) сигнал генератора 1 с частотой f₁ вместе с сигналами генераторов 2, 3 и 4, с частотами f₂, f₃ и f₄ соответственно, поступает на объединитель сигналов 5, а с него на вход линейного оптического передатчика 6 и модулирует его.

Промодулированный ими оптический сигнал поступает на вход одномодового ОВ 7 и принимается линейным фотоприемником 8. С выхода оптического приемника, через радиочастотный делитель 9, отфильтрованный фильтром верхних частот 11, опорный ВЧ-сигнал поступает на вход фазовращателя 12.

Сигналы генераторов 2, 3 и 4 через радиочастотные делители 9, 10 и узкополосные фильтры 13, 14 поступают на преобразователь 16, причем сигнал с частотой f₂ через фильтр 13 поступает на вход преобразователя 16, а сигнал с частотой f₄ через фильтр 14 поступает на гетеродинный вход преобразователя 16, а сигнал с частотой f₃, совпадающей с промежуточной, через фильтр 15, подстроечный фазовращатель 18 и управляемый аттенюатор 19 поступает на один из входов фазового детектора 20, на другой вход которого поступает через фильтр 17 сигнал промежуточной частоты с выхода преобразователя 16, с выхода фазового детектора сигнал, зависящий от разности фаз входных сигналов на его входах, через масштабирующий усилитель 21 поступает на управляющий вход фазовращателя 12, который компенсирует уход фазы опорного ВЧ- или СВЧ-сигнала.

Устройство работает следующим образом: в статическом режиме, т.е. при нормальной (калибровочной) температуре среды окружающей одномодовое ОВ, и в отсутствие механических нагрузок на него, разность фаз сигналов с частотой f₂ и f₃ практически равна нулю. Следовательно, напряжение на выходе фазового детектора также будет практически равно нулю, и управляемый фазовращатель будет иметь только начальный сдвиг фазы опорного сигнала.

Таким образом, опорный сигнал генератора на выходе ВОЛС будет иметь начальный сдвиг фазы φ_o.

Частоты второго, третьего и четвертого генераторов f₂, f₃ и f₄ выбираются из соотношений:

max{Δφ_Tf2, Δφ_σf2}<90 град. фазы; (1)

max{Δφ_Tf3, Δφ_σf3}<<Δφ₀ град. фазы; (2)

max{Δφ_Tf4, Δφ_σf4}<<Δφ₀ град. фазы; (3)

где Δφ_Tf2, Δφ_Tf3, Δφ_σf2, Δφ_σf3, Δφ_Tf4, Δφ_σf4 - изменения набега фазы в ВОЛС при колебаниях температуры и механической нагрузки на частотах f₂, f₃ и f₄ соответственно, причем f₄=f₂-f₃, Δφ₀ - требуемая точность фазовой синхронизации.

Коэффициент усиления масштабирующего усилителя равен:

где m - коэффициент масштабирования.

Начальный сдвиг фазы Δφ_1,2 и разность уровней сигналов ΔA_1,2 на входах фазового детектора (20) должны быть равны нулю:

При выполнении условий (1)-(5) обеспечивается повышенная точность, требуемая для компенсации фазовращателем 12 изменений набега фазы на частоте опорного генератора f_1, обусловленных изменениями температуры ΔT и механического напряжения Δσ в оптическом волокне, и повышенная фазовая стабильность ВОЛС в целом.

Если выбрать частоты генераторов f₂ и f₄ достаточно близкими, т.е. низкую промежуточную частоту f₃, то разность набега фаз будет минимальной и, следовательно, линия передачи будет сохранять высокую точность в широком диапазоне температур и механических нагрузок.

Наличие генераторов относительно низкочастотных сигналов, имеющих с опорным генератором одинаковое направление фазового дрейфа, не связано со значительными дополнительными аппаратными затратами, т.к. три сигнальные частоты из четырех, примененных в устройстве, являются стандартными на выходах всех генераторов - стандартов частоты, обычно являющихся задающими для генераторов опорных сигналов [4].

Таким образом, предлагаемая система передачи может передавать фазостабильный ВЧ- или СВЧ-сигнал с высокой точностью на значительные расстояния, не используя оптическую обратную связь и гетеродин в приемной части, что значительно повышает ее качество и надежность работы, а также снижает ее радиоизлучение и стоимость.

Источники информации

1. Primas L.Е. Cable delay compensator for microwave signal distribution over optical fibers // Microwave Journ. - 1990. - V.33, №. 12 - P.81-92.

2. Smith P., Phase stabisation of reference signals in analog fiber - optic links // Electron. Letters. - 1997. - V.33, №13. - P.1164-1165.

3. Устройство для стабилизации фазы передаваемого по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала: Патент России. 2119719/ Д.Ф. Зайцев - №97119141; Заявл. 27.11.1997; Опубл. 27.09.98 // Описания Российских изобретений. - 1998 - Ч.2.

4. Измерения в радиоэлектронике. Справочник под ред. В.А. Кузнецова - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 286 с.

5. Измеритель разности фаз и отношения уровней ФК2-33. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1.405.007 ТО.