РАДИОФОТОННЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2022 года по МПК G02F7/00 

Изобретение относится к оптике, радиофотонике и к системам радио- и оптической локации, а также к системам волоконно-оптической и беспроводной связи, и может быть использовано в радиофотонных каналах радиоэлектронных систем приема и обработки оптической информации.

Известны оптические аналого-цифровые преобразователи [1. Патент RU 2119182 от 05.05.1996; 2. Патент RU 2177165 от 24.05.2000; 3. Патент RU 2324210 от 21.11.2006], содержащие источник излучения, разветвители, ответвители, оптические бистабильные элементы и оптические компараторы. Оптические аналого-цифровые преобразователи (АЦП) обеспечивают цифровое преобразование оптических аналоговых сигналов в двоичный код с высоким быстродействием, характерным для оптических устройств обработки информации. Оптический АЦП по заявке RU 94028431 от 27.07.1994 содержит источник когерентного оптического излучения (ИКОИ), оптический усилитель, оптический разветвитель, группу N оптических бистабильных элементов и оптический шифратор.

Недостатками описанных оптических АЦП является невозможность использования в радиофотонных каналах радиолокационных станций, волоконно-оптической и беспроводной связи и др. по причине ориентации оптических АЦП на последующее, после аналого-цифрового преобразования, использование для обработки информации оптических вычислительных машин, которые пока не нашли широкого применения.

Наиболее близким заявляемому изобретению является фотонный АЦП по патенту US 6326910 от 04.12.2001, предназначенный для использования в радиофотонных каналах радиолокационных станций, а также волоконно-оптической и беспроводной связи и включающий в себя оптический разветвитель и ряд параллельно включенных цепей, каждая из которых содержит оптическую линию задержки, быстродействующий (пиковый) фотодетектор, высокочастотный электронный компаратор, соединенные последовательно.

Недостатком фотонного N-разрядного АЦП является сложность конструкции, заключающаяся в необходимости использования для цифрового преобразования 2^N фотоприемников и 2^N электронных компараторов.

Задача изобретения - упрощение конструкции радиофотонного АЦП.

Технический результат достигается за счет того, что в радиофотонный аналого-цифровой преобразователь, содержащий функционально и конструктивно связанные оптический разветвитель, быстродействующий фотоприемник, высокочастотный электронный компаратор, введены формирователь сигнала, оптические разветвители, оптический модулятор, оптический изолятор, оптический когерентный объединитель, оптическая линия задержки, генератор тактовых импульсов, при этом фотоприемник последовательно своим выходом соединен с электронным компаратором и формирователем n-разряда цифрового сигнала, выход электронного компаратора соединен с электрическим входом оптического модулятора, при этом электрически связанные фотоприемник, электронный компаратор, формирователь n-разряда цифрового сигнала и оптический модулятор представляют собой блок формирования n-разряда цифрового сигнала, а блоки формирования цифровых сигналов каждого из N цифровых разрядов соединены последовательно, а электронный компаратор выполнен тактируемым, то есть сравнение сигналов в нем происходит только в момент прихода тактового импульса от генератора тактовых импульсов.

Формирователь сигнала представляет собой электронный пороговый элемент с заданным временем задержки электрического сигнала.

Оптический модулятор предназначен для модуляции оптического излучения лазера сверхширокополосным сигналом под действием внешнего поля и может быть основан на использовании любого из известных эффектов изменения амплитуды оптического излучения под действием внешнего поля: электрооптического, магнитооптического, акустооптического и др.

Оптический изолятор может быть выполнен, например, в виде последовательно расположенных вдоль общей оптической оси и оптически сопряженных поляризатора, ячейки Фарадея и анализатора.

Оптическая линия задержки представляет собой оптический кристалл с заданным показателем преломления n, изменяющим (уменьшающим) скорость v распространения оптического излучения согласно формуле: v=с/n, где с - скорость света в вакууме.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:

- фиг. 1 - функциональная схема блока формирования n-го разряда АЦП;

- фиг. 2 - функциональная схема радиофотонного АЦП.

На фиг. 1, 2 использованы следующие обозначения: 1 - быстродействующий фотоприемник; 2 - электронный компаратор; 3 - формирователь цифрового сигнала; 4, 7, 11 - оптические разветвители; 5 - оптическая линия задержки; 6 - когерентный оптический объединитель; 8 - оптический модулятор; 9 - оптический изолятор; 10 - источник когерентного оптического излучения (ИКОИ); 12 - блок формирования n-го разряда АЦП; 13 - генератор тактовых импульсов; А_вх0, А_вх - амплитуда входного модулированного оптического сигнала соответственно на входе и на выходе оптического разветвителя 11; А_оп - амплитуда опорного когерентного оптического излучения с выхода ИКОИ 10; D₀, D₁, D₂, …, D_N-1 - электрические выходы N-разрядного АЦП; А_вых - амплитуда выходного (с выхода оптического объединителя 6) когерентного оптического сигнала; А_{вых оп}=(A_on/2)xD_n-1 - амплитуда выходного опорного оптического сигнала с выхода оптического разветвителя 7; U_оп/2^(N-n-1) - опорное входное напряжение электронного компаратора, где N - количество цифровых разрядов; n - номер текущего разряда. При этом выход фотоприемника последовательно соединен с электронным компаратором 2 и с формирователем сигнала 3, а также с оптическим модулятором 8.

Заявляемый радиофотонный АЦП работает по принципу конвейерного АЦП (см. фиг. 1). Информационный оптический сигнал А_вх0, модулированный по амплитуде, посредством разветвителя 4 подается на вход фотоприемника 1, и параллельно - на вход оптической линии задержки 5. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 1 поступает на вход компаратора 2 и далее - на вход формирователя сигнала 3 и модулятора 8. Одновременно опорный сигнал А_оп с выхода ИКОИ 10 через оптический разветвитель 7 подается на вход последовательно соединенных модулятора 8 и оптического изолятора 9 и параллельно - на вход следующего блока формирования 12 n-го разряда цифрового сигнала.

На вход электронного компаратора 2 с выхода фотоприемника 1 поступает аналоговый электрический сигнал, пропорциональный оптическому сигналу, и опорное напряжение, равное U_оп/2^(N-n-1), компаратор при этом выдает логическую единицу, если выходной сигнал фотоприемника превышает значение U_оп/2^(N-n-1), или логический ноль в противном случае. При этом электронный компаратор 2 является тактируемым, то есть сравнение сигналов в нем происходит только в момент прихода тактового импульса от генератора тактовых импульсов 13.

Логический сигнал («0» или «1») поступает на модулятор 8. При этом, если сигнал равен логической единице, то модулятор 8 делит опорное оптическое излучение на 2 - A_оп/2; если сигнал равен логическому нулю, то выходной сигнал модулятора 8 равен А_оп.

На объединителе 6 сигналы А_вх и А_оп когерентно суммируются и поступают на вход блока формирования следующего разряда цифрового сигнала.

Оптическая линия задержки 5 необходима для согласования времени прихода сигналов А_вх и А_оп на объединитель 6. В результате сравнения этих сигналов на выходе формирователя сигнала 3 формируется n-й отсчет (n=0, 1, 2, …, N-1) цифрового сигнала (n-й разряд цифрового сигнала). Оптический сигнал A_вых с выхода оптического объединителя 6 и опорный сигнал А_вых=А_оп/2 с выхода ИКОИ 10 поступают на оптические входы последовательно соединенных блоков формирования сигналов N-1, …, 1, 0-го цифровых разрядов D_n-1, …, D₁, D₀. С выхода разветвителя 11 на вход ИКОИ 10 поступает входной оптический сигнал для фазовой автоподстройки частоты ИКОИ 10.

С выхода ИКОИ 10 оптическое излучение А_оп (см. фиг. 2) поступает соответственно на оптические входы блоков формирования 12 цифровых разрядов, причем выходные сигналы (N-1)-гo блока формирования являются входными сигналами (N-2)-гo блока, т.е. выходные оптические сигналы блока формирования старшего разряда являются входными сигналами блока формирования более младшего (на один разряд) разряда, и т.д. В результате на выходах блоков формирования 12 формируется N-разрядный цифровой сигнал D_n-1, D_N-2, …, D₀.

Таким образом, алгоритм формирования цифровых разрядов имеет вид:

Оптический изолятор необходим для того, чтобы исключить влияние модулированного оптического излучения на опорное излучение при обратном распространении оптической волны в волноводе.

Так как радиофотонный АЦП работает по принципу конвейерного электронного АЦП, то сигналы разрядов формируются последовательно на выходах компараторов для одновременного формирования разрядов на выходе АЦП в заявляемый радиофотонный АЦП введены формирователи сигналов с заданным временем задержки для каждого разряда АЦП.

Для реализации описанного радиофотонного АЦП требуется N фотоприемников и компараторов. При N=10 количество фотоприемников и электронных компараторов по сравнению с прототипом уменьшается в 2^N/N=102,4 раза.

Технический результат заключается в упрощении конструкции радиофотонного АЦП, заключающемся в использовании меньшего количества фотоприемников и электронных компараторов по сравнению с прототипом в 2^N/N раз, и в обеспечении за счет этого возможности более эффективного аналого-цифрового преобразования модулированных по амплитуде аналоговых оптических сигналов.

Изобретение относится к оптике, радиофотонике и к системам радио- и оптической локации, волоконно-оптической и беспроводной связи, и может быть использовано в радиофотонных каналах радиоэлектронных систем приема и обработки оптической информации. Технический результат - упрощение конструкции радиофотонного АЦП. Изобретение представляет собой радиофотонный аналого-цифровой преобразователь, содержащий функционально и конструктивно связанные оптический разветвитель, быстродействующий фотоприемник, высокочастотный электронный компаратор, введены формирователь сигнала, оптические разветвители, оптический модулятор, оптический изолятор, оптический когерентный объединитель, оптическая линия задержки, генератор тактовых импульсов, при этом фотоприемник последовательно своим выходом соединен с электронным компаратором и формирователем n-го разряда цифрового сигнала, выход электронного компаратора соединен с электрическим входом оптического модулятора, при этом блоки формирования сигналов каждого из N цифровых разрядов соединены последовательно. Формирователь сигнала представляет собой электронный пороговый элемент с заданным временем задержки электрического сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиофотонный аналого-цифровой преобразователь, содержащий функционально и конструктивно связанные оптический разветвитель, быстродействующий фотоприемник и высокочастотный электронный компаратор, отличающийся тем, что в него введены формирователь сигнала, оптические разветвители, оптический модулятор, оптический изолятор, оптический когерентный объединитель, оптическая линия задержки и генератор тактовых импульсов, при этом фотоприемник последовательно своим выходом соединен с электронным компаратором и с формирователем n-го разряда цифрового сигнала, выход электронного компаратора соединен с электрическим входом оптического модулятора, при этом электрически связанные фотоприемник, электронный компаратор, формирователь n-го разряда цифрового сигнала и оптический модулятор представляют собой блок формирования n-го разряда цифрового сигнала, а блоки формирования каждого из N разрядов цифрового сигнала соединены последовательно.

2. Радиофотонный аналого-цифровой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электронный компаратор выполнен тактируемым, то есть сравнение сигналов в нем происходит только в момент прихода тактового импульса от генератора тактовых импульсов.