УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ФАЗЫ ПЕРЕДАВАЕМОГО ПО ВОЛС ВЫСОКОЧАСТОТНОГО АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА Российский патент 1998 года по МПК H04B10/12 

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а более конкретно к устройству для передачи высокочастотного аналогового сигнала со стабильной фазой по ВОЛС в системах фазовой синхронизации удаленных объектов. Такие системы применяются, например, в линейных ускорителях, детекторах гравитации космической навигации, радарах с фазированной антенной решеткой, фазовой интерферометрии [1, 2, 3].

Известно устройство "Волоконно - оптическая линия связи", включающее генератор опорных сигналов, оптический передатчик, разветвитель, световоды, фотоприемник, фазовращатель. [1]
В известном устройстве необходимо применять специальный еще практически не реализованный трехволоконный оптический кабель, параметры которого должны удовлетворять требованию: (Q₂ - Q₁)² (D₃ - D₂)² - (Q₃ - Q₂)² (D₂ - D₁)² > 2(Q₂ - Q₁)(Q₃- Q₂)(D₂ - D₁)(D₃ - D₂, где Q₁, Q₂, Q₃, D₁, D₂, D₃ - соответствующие температурные фазовые чувствительности Q и дисперсии D соответствующих первого, второго и третьего световодов. К недостаткам в указанном устройстве следует отнести необходимость разветвления оптической мощности лазера передатчика на три равнозначных направления, что приводит к снижению энергетического потенциала (т.е. максимальной длины ВОЛС), отношения сигнал/шум, увеличению фазового шума и уменьшению точности фазовой синхронизации. Кроме того, в этом устройстве необходимо применять три идентичных по своим фазовым и усилительным характеристикам фотоприемника, что является на высоких частотах сложной технической задачей.

Известно устройство "Компенсатор задержки в волоконно - оптическом кабеле", включающее оптический передатчик, оптические приемники, разветвители, световоды [2].

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 с сильным избыточным шумам лазера для оптического передатчика из-за вредного влияния оптической 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 [3].

В известном устройстве оптический сигнал, прошедший через всю длину оптической линии, отражается зеркалом для последующего сравнения по фазе с выходным 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 в 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.

Известно устройство "Устройство для передачи опорного фазостабильного ВЧ-сигнала по одномодовой волоконно - оптической линии", включающее опорный генератор, направленный ответвитель, управляемый фазовращатель, преобразователь частоты, три оптических направленных ответвителя, два фильтра, удвоитель частоты, преобразователь частоты, оптический передатчик, смеситель, фильтр, фазовый детектор, световод (волоконно - оптическая линия), два оптических приемника. Преобразователь частоты, зеркало, гетеродин. В этом устройстве применен метод корректировки фазы опорного сигнала, модулирующего оптический передатчик, с помощью фазовращателя, управляемого сигналом, получающимся в результате сравнения фазы сигнала на входах фазового детектора, который поступает непосредственно с выхода опорного генератора, фазы сигнала прошедшего через фазовращатель, фазы сигнала, прошедшего через оптический передатчик, и фазы сигнала, прошедшего через оптическую линию от начала к концу и обратно (система с обратной связью "по фазе").

В известном устройстве большие потери мощности оптического сигнала существенно снижают энергетический потенциал ВОЛС, уменьшая отношение сигнал/шум на ее выходе и ограничивая максимальную протяженность. Эти дополнительные потери возникают из-за необходимости, при использовании данного способа фазовой стабилизации, в передаче оптического сигнала от входа световода к выходу и обратно и наличия оптических направленных ответвителей. Специально создаваемая сильная оптическая обратная связь от зеркала на приемном конце световода обуславливает высокие требования по направленности к оптическим ответвителям, применяемым в прототипе, и по оптической изоляции к оптическим изоляторам, при ухудшении работы которых резко возрастают шумы на вызове фотоприемника и нарушается работа всей системы фазовой стабилизации.

Проблема передачи высокочастотного аналогового сигнала по ВОЛС со стабильной фазой для целей фазовой синхронизации известна достаточно давно. Применение волоконных световодов в качестве среды распространения таких сигналов способствует решению задачи их передачи на значительные расстояния, однако проблема фазовой стабильности на выходе при изменении условий окружающей среды и прежде всего температуры остается до настоящего времени не полностью решенной. В настоящее время существует два основных направления развития фазостабильных ВОЛС. Первое - направлено на изменение (уменьшение) фазовой чувствительности самих оптических волокон - "волоконное" направление. Оно может в будущем кардинально решить проблему фазостабильной передачи высокочастотного сигнала по ВОЛС. Однако такие фазостабильные оптические кабели еще очень далеки от промышленного производства и об их даже ориентировочной стоимости (предположительно весьма высокой из-за сложной технологии изготовления и дорогих материалов) говорить еще рано. Второе направление - "аппаратурное" основано на применении стандартных серийно выпускаемых волокон и стандартных конструкций связных оптических кабелей (кстати, постоянно улучшаемых в сторону уменьшения также и фазовой чувствительности) и аппаратурно реализуемых компенсаторах фазового дрейфа на выходе таких ВОЛС. Такой подход дает возможность снизить до приемлемого уровня фазовый дрейф при довольно низких затратах на дополнительный объем аппаратуры и, главное, практически сразу начать освоение промышленного производства. Однако потенциальная возможность быстрого освоения промышленного производства таких систем и их широкого внедрения в разных областях науки и техники сдерживается отсутствием удачной с технической точки зрения реализации такого подхода.

Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение - передать от прецизионного источника к потребителям высокочастотный аналоговый высокостабильный сигнал с минимальным превнесением разного рода нестабильностей, дрейфов (прежде всего фазовых), шумов и искажений спектра при относительно небольших материальных затрат.

Для этого предлагается устройство, работа которого основана на том факте, что уход фазы сигнала в световоде при изменениях температуры и механических нагрузок прямо пропорционален его частоте (см., например, соотношения (4), (5) в [3]).

Сущность изобретения заключается в одновременной передаче по одному световоду вместе с опорным еще двух сигналов разной частоты, синхронизированный 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 световода. Частота другого сигнала выбирается таким образом, чтобы уход его фазы в любом случае заведомо не превышал пределы рабочего диапазона фазового детектора.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
а) в существенно большем энергетическом потенциале, то есть в большей дальности передачи высокочастотного сигнала со стабильной фазой по ВОЛС; б) в более высоком отношении сигнал/шум (малом собственном фазовом шуме) на выходе при сохранении первоначальной длины ВОЛС; в) в том, что устройство является прямым транслятором сигнала опорного генератора без подмены его другими генераторами с ненормированными шумовыми и спектральными характеристиками; г) в устройстве не используется для своего функционирования оптическая обратная связь в ВОЛС; д) в устройстве используются для своего функционирования только серийно выпускаемые компоненты и проверенные блоки и узлы, а также схемотехнические решения; е) устройство отличается простотой и технологичностью и сравнительно малой стоимостью при производстве и надежностью в эксплуатации; з) имеет малые габариты и вес наряду с низким энергопотреблением.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения по устройству достигается тем, что по сравнению с известным устройством [1], являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: генератор опорных сигналов, соединенный со входом передатчика, световод, соединенный с фотоприемником, и управляемый фазовращатель, введены генераторы с частотами f₂ и f₃, объединитель, фильтр верхних частот, разветвитель, первый и второй узкополосный фильтра, первый и второй преобразователи, гетеродин, первый и второй фильтры промежуточной частоты, фазовый детектор и масштабирующий усилитель, причем генераторы с частотами f₂ и f₃ синхронизированы с генератором опорных сигналов, выходы всех трех генераторов через объединитель подключены к входу передатчика, выход которого через световод подключен к входу фотоприемника, выход которого через фильтр верхних частот подключен к входу управляемого фазовращателя, а через разветвитель - к входам узкополосных фильтров, выходы которых подключены к соответствующим входам первого и второго преобразователей, к каждому из которых подключен соответствующий выход гетеродина, к выходам преобразователей подключены входы фильтров промежуточной частоты, выходы которых подключены к входам фазового детектора, выход которого через масштабирующий усилитель подключен к управляющему входу фазовращателя, причем частоты f₂ и f₃ генераторов выбираются из соотношений:

где Δϕ_Tf2 , Δϕ_Tf3 , Δϕ_σf2 , Δϕ_σf3 - изменения набега фазы в ВОЛС при колебаниях температуры и механической нагрузки соответственно, Δϕ_o - требуемая точность фазовой синхронизации.

Благодаря введению генераторов с частотами f₂ и f₃ удалось отказаться от специального, практически не реализованного трехволоконного оптического кабеля с уникальными характеристиками каждого световода, т.к. в предлагаемом устройстве разность фаз (фазовая ошибка) сравнивается между сигналами генераторов с частотами f₂ и f₃ прошедших одновременно через тот же световод, что и сигнал опорного генератора, и выработанный таким образом сигнал ошибки, соответствующим образом промасштабируемый, подается для компенсации фазового ухода (дрейфа) опорного сигнала на фазовращатель, находящийся на выходе фотоприемника. Применение метода сравнения фаз между двумя сравнительно низкочастотными сигналами (по сравнению с частотой опорного генератора) генераторов, а не между фазами сигнала опорного генератора и одного из них, позволяет посредством выбора соответствующих частот этих двух генераторов не выходить за рабочую область работы фазового детектора, обеспечивая тем самым однозначность сигнала ошибки практически без ограничений частоты опорного сигнала.

Отсутствие оптического разветвителя на три направления на выходе оптического передатчика и большого количества оптических соединителей в оптическом тракте уменьшает потери энергии оптического сигнала - оба эти фактора существенно повышают энергетический потенциал, увеличивают отношение сигнал/шум на выходе устройства, повышают стабильность и надежность работы всего устройства и снижают его себестоимость.

Предлагаемое устройство транслирует напрямую оригинальный сигнал опорного генератора без его подмены сигналом другого генератора и без его нелинейного преобразования - этот фактор благотворно сказывается на отношении сигнал/шум и получении на его выходе предсказуемых спектрально чистых характеристик сигнала, близких к расчетным.

Наличие генератора относительно низкочастотных сигналов, синхронизированных по фазовому дрейфу с генератором опорного сигнала, не связаны с дополнительными затратами ,т.к. они являются стандартными выходами всех генераторов - стандартов частоты, являющихся задающими для генераторов опорных сигналов [5].

С целью объединения сигналов в одном канале для последующей их одновременной передачи по одному световоду, что гарантирует только количественное изменение разности фаз между ними при прохождении всего тракта под воздействием окружающей среды (изменений температуры, механических напряжений и т.д. ), т. е. однозначность компенсации фазы опорного сигнала, в устройстве применен объединитель сигналов. Для точного и непрерывного сравнения разности фаз сигналов генераторов с частотами f₂ и f₃₂ на выходе волоконно - оптической линии необходимо подавать на вход фазового детектора, вырабатывающего сигнал фазовой ошибки, которым осуществляется управление фазовращателя, компенсирующего уход фазы опорного сигнала на приемном конце, сигналы одной частоты - для этой цели в устройстве применены первый и второй преобразователи частоты. Для прецизионного усиления сигнала фазовой ошибки, который вырабатывается фазовым детектором и должен быть такой величины, чтобы, управляя фазовращателем, обеспечивать точное соответствие между малыми изменениями разности фаз сравнительно низкочастотных сигналов второго и третьего генераторов (т.е. малым выходным напряжением фазового детектора) и большими компенсирующими изменениями фазы управляемого фазовращателя, в устройстве применен масштабирующий усилитель.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного устройства.

Предлагаемое устройство содержит генератор опорных сигналов 1, генераторы сигналов 2 и 3, объединитель сигналов 4, оптический передатчик 5, световод 6, оптический приемник 7, фильтр верхних частот 8, разветвитель (1:2) 9, узкополосные фильтры 10 и 11, фазовращатель 12, преобразователь 13, гетеродин 4, преобразователь 15, фильтры промежуточной части 16 и 17, фазовый детектор 18, масштабирующий усилитель 19.

Устройство работает следующим образом: опорный ВЧ-сигнал генератора 1 с частотой f₁ вместе с сигналами генераторов 2 и 3, с частотами f₂ и f₃ соответственно, поступает на объединитель сигналов 4, а с него на вход линейного оптического передатчика 5 и модулирует его. Промодулированный ими оптический сигнал поступает на вход световода 6 и принимается линейным фотоприемником 7. С выхода оптического приемника отфильтрованный фильтром верхних частот 8 опорный ВЧ-сигнал поступает на вход фазовращателя 12. Сигналы генераторов 2 и 3 через разветвитель 9 и узкополосные фильтры 10 и 11 поступают на преобразователи 13 и 15 соответственно, на гетеродинные входы которых поступает сигнал от единого гетеродина 14. С выходов смесителей сигналы на промежуточной частоте через фильтры 16 и 17 поступают для сравнения по фазе на фазовый детектор 18, с выхода которого сигнал, зависящий от разности фаз выходных сигналов на его входах, через масштабирующий усилитель 19 поступает на управляющий вход фазовращателя 12, который компенсирует уход фазы ВЧ-сигнала.

В статическом режиме, т.е. при типовой температуре окружающей световод среды и в отсутствии механических нагрузок на него, изменения разности фаз сигналов с частотами f₂ и f₃ генераторов практически равны нулю, следовательно, напряжение на выходе фазового детектора также практически равно нулю и управляемый фазовращатель имеет только начальный сдвиг фазы опорного сигнала. Таким образом, опорный сигнал генератора на выходе ВОЛС будет иметь начальный сдвиг фазы ϕ_н.
Изменение температуры или механической нагрузки на оптическое волокно (световод) вызывает соответственное изменение набега фазы в нем [3]:


где ϕ - фаза сигнала опорного генератора, T - температура среды, f - частота сигнала опорного генератора, L - длина линии, c - скорость света, n - групповой показатель преломления, σ - аксиальные напряжения в оптическом волокне, E - модуль Юнга оптического волокна.

Изменение набега фазы сигнала прямо пропорционально частоте сигнала, передаваемого по оптической линии и ее длине. Частота f₂ рассчитывается по формулам (1) и (2) так, чтобы изменение набега фазы в световоде заданной длины при максимальных колебаниях температуры Δϕ_Tf2 и механической нагрузки Δϕ_σf2 во время ее эксплуатации не превысило 90 градусов фазы (рабочий диапазон фазового детектора), т.е.

Частота f₃ рассчитывается по формулам (1), (2) так, чтобы изменение набега фазы в оптической линии заданной длины при максимальных колебаниях температуры Δϕ_Tf3 и механической нагрузки Δϕ_σf3, во время ее эксплуатации было заведомо меньше требуемой точности фазовой синхронизации Δϕ_o, т.е.

Коэффициент усиления масштабирующего усилителя 19 рассчитывается по формуле
K_м = mf₁/f₂
где m - коэффициент масштабирования.

При выполнении условий (3), (4) и (5) обеспечивается требуемая компенсация фазовращателем 12 изменений набега фазы на частоте опорного генератора f₁, обусловленных изменениями температуры ΔT и механического напряжения Δσ в оптическом волокне.

Следовательно, при изменении температуры и (или) механической нагрузки ввиду разных частот сигналов второго и третьего генераторов на выходе оптической линии возникает разность фаз между ними. Эта разность детектируется фазовым детектором и на его выходе появляется сигнал фазовой ошибки, который усиливается соответствующим образом масштабирующим усилителем и подается на управляемый фазовращатель, компенсируя тем самым еще больший уход фазы сигнала опорного генератора, прошедшего через оптическую линию.

Библиографические данные
1. Авт. свид. СССР N 1690294 A1, кл. H 04 B 10/00, 1989 г.

2. L. P. Primas, "Cable delay compensator for microwave signal distribution over optical fibers", Microwave Journal, V. 33, N 12, 1990, pp. 81 - 92.

3. M. Shadaram, J. Medrano, S. A. Pappert, M. H. Berry, D. M. Gookin "Technique for stabilizing the phase of the reference signals in analog fiber - optic lincks", Applied Optics, V. 34, N. 36, 1995, pp. 8283 - 8288.

4. E. Peschardt, J. P. H. Sladen "Transmission of a stabilised RF phase reference over a monomode fibre - optic link", Electronics Letters, V. 22, N. 16, 1986, pp. 868 - 869.

5. Измерения в радиоэлектронике. Справочник под ред. В.А. Кузнецова, М., Энергоатомиздат, 1987 г., с. 286.

Устройство для стабилизации фазы передаваемого по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала содержит генератор опорных сигналов и генераторы сигналов с частотами f₂ и f₃, соединенных объединителем. Выход объединителя соединен со входом оптического передатчика. Выход его соединен с входом световода, а выход световода с входом линейного фотоприемника. С выхода фотоприемника отфильтрованный фильтром сигнал поступает на вход фазовращателя. Сигналы генераторов через разветвитель и узкополосные фильтры поступают на преобразователи, с выходов которых сигналы через фильтры поступают на фазовый детектор, с выхода которого сигнал через масштабирующий усилитель поступает на вход фазовращателя. Устройство обеспечивает большую дальность передачи высокочастотного сигнала со стабильной фазой по ВОЛС, высокое отношение сигнал/шум на выходе при сохранении первоначальной длины ВОЛС, что является техническим результатом, достигаемым при реализации данного изобретения. 1 ил.

Устройство для стабилизации фазы передаваемого по волоконно-оптической линии связи высокочастотного аналогового сигнала, содержащего генератор опорных сигналов, передатчик, световод, фотоприемник и управляемый фазовращатель, отличающееся тем, что в него введены генераторы с частотами f₂ и f₃, объединитель, фильтр верхних частот, разветвитель, первый и второй узкополосный фильтры, первый и второй преобразователи, гетеродин, первый и второй фильтры промежуточной частоты, фазовый детектор и масштабирующий усилитель, причем генераторы с частотами f₂ и f₃ синхронизированы с генератором опорных сигналов, а выходы всех трех генераторов объединены объединителем и подключены ко входу передатчика, выход которого через световод подключен к входу фотоприемника, выход фотоприемника через фильтр верхних частот подключен к входу управляемого фазовращателя, а через разветвитель - ко входам узкополосных фильтров, выходы которых подключены к соответствующим входам первого и второго преобразователей, к каждому из которых подключен соответствующий выход гетеродина, к выходам преобразователей подключены входы фильтров промежуточной частоты, выходы которых подключены к входам фазового детектора, выход которого через масштабирующий усилитель подключен к управляющему входу фазовращателя, причем частоты f₂ и f₃ генераторов выбираются из соотношений


где изменения набега фазы в световоде при колебаниях температуры и механической нагрузки соответственно;
Δϕ₀ - требуемая точность фазовой синхронизации.