АНАЛОГОВАЯ ФАЗОСТАБИЛЬНАЯ ВОЛС Российский патент 2015 года по МПК H04B10/00 

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:

$$K_{м}=m{f}_1/f_2,\text{ (4)}$$

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:

$$\Delta {\varphi }_{1,2}\text{ и }\Delta {{\rm A}}_{\text{1,2}}=0\text{ (5)}$$

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.

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться в системах фазовой синхронизации по ВОЛС. Техническим результатом является повышение фазовой стабильности, точности и надежности передачи по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала. Для этого устройство содержит генератор опорных сигналов, генераторы сигналов, объединитель сигналов, оптический передатчик, оптическое волокно, оптический приемник, радиочастотные делители, фильтр верхних частот, управляемый фазовращатель, фильтры, преобразователь частоты, фазовый детектор и масштабирующий усилитель. В устройство введены четвертый генератор сигнала, радиочастотный делитель, подстроечный фазовращатель и управляемый аттенюатор, а гетеродин и один из фильтров и преобразователей исключены, генераторы синхронизированы с генератором опорных сигналов. 1 ил.

Аналоговая фазостабильная ВОЛС, содержащая генератор опорных сигналов с частотой f₁, генераторы сигналов с частотами f₂, f₃, радиочастотный объединитель сигналов, оптический передатчик, оптическое волокно, оптический приемник, радиочастотный делитель 1:2, фильтр верхних частот, управляемый фазовращатель, фильтры, преобразователь частоты, фазовый детектор и масштабирующий усилитель, отличающаяся тем, что введен генератор с частотой f₄, радиочастотный делитель 1:3, подстроечный фазовращатель и управляемый аттенюатор, причем генераторы с частотами f₂, f₃ и f₄ синхронизированы с генератором опорных сигналов, выходы всех четырех генераторов объединены посредством радиочастотного объединителя и подключены к оптическому передатчику, выход которого подключен к оптическому волокну, выход которого подключен к входу оптического приемника, выход которого подключен к входу делителя 1:2, первый выход которого подключен ко входу фильтра верхних частот, выход которого подключен к входу управляемого фазовращателя, а второй выход первого делителя 1:2 подключен к входу делителя 1:3, выходы которого подключены к входам трех узкополосных фильтров, причем выходы первого и второго узкополосных фильтров подключены к входу и гетеродинному входу преобразователя соответственно, а выход третьего узкополосного фильтра подключен к входу подстроечного фазовращателя, выход преобразователя подключен к входу фильтра промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, а выход подстроечного фазовращателя подключен к входу управляемого аттенюатора, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора, выход которого подключен к входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен к управляющему входу фазовращателя, выход которого является выходом устройства, причем 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, а коэффициент усиления масштабирующего усилителя равен:
$$K_{м}=m{f}_1/f_2,\text{ (4)}$$
где m - коэффициент масштабирования,
а начальный сдвиг фазы и разность уровней сигналов на входах фазового детектора должны быть равны нулю:
$$\Delta {\varphi }_{1,2}=0;\text{ и }\Delta {\text{A}}_{\text{1,2}}=0.\text{ (5)}$$