РАДИОФОТОННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к технике оптической связи и передачи информации и может быть использовано для создания волоконно-оптических систем связи нового поколения.

Известны волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) информации [1. Волоконно-оптическая линия связи. Патент RU 141884, опубл. 20.06.2014; 2. Многоканальная волоконно-оптическая система связи. Патент RU 2134491, опубл. 10.081999; 3. Приемо-передатчик волоконно-оптической линии связи. Патент RU 2407168, опубл. 20.12.2010; 4. Радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн. Патент RU 2716269, опубл. 11.03.2020]. Аналоги содержат последовательно соединенные оптический передатчик, оптическую среду передачи оптического сигнала, например, в виде оптического кабеля, оптоэлектронный приемник и оконечное устройство.

Наиболее близкой заявляемой радиофотонной цифровой волоконно-оптической системе связи является цифровая система оптической связи, описанная в статье [Волков С.А., Овсянкин С.В. Особенности демодуляции современных оптических сигналов // Техника радиосвязи. - 2016. - №1. - С. 64-71.], включающая в себя электрооптический модулятор и оптический передатчик, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, соединенные последовательно, при этом оптический выход модулятора и вход оптоэлектронного приемника соединены волоконно-оптическим кабелем.

Недостатками прототипа являются использование оптического излучения одной несущей частоты и невозможность использования нескольких несущих часто для передачи и приема информационных широкополосных радиосигналов, что не обеспечивает требуемое отношение сигнал/шум в принимаемом сообщении.

Задача изобретения - повышение помехоустойчивости радиофотонной волоконно-оптической системы связи, увеличение количества (плотности) передаваемых информационных сигналов и снижение массо-габаритных размеров ее передающей части.

Технический результат, направленный на повышение помехоустойчивости системы связи, достигается за счет того, что в радиофотонной волоконно-оптической системе связи, включающей в себя последовательно соединенные оптический передатчик, электрооптический модулятор, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор оптический передатчик выполнен в виде широкополосного лазера, излучающего на n длинах волн, соединенный посредством волоконно-оптического кабеля, состоящего из n оптических волокон, с электрооптическим модулятором, выполненным в виде n электрооптических модуляторов на n длинах волн, промодулированных одним и тем же информационным сигналом, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с оптоэлектронным приемником, выполненным матричным с n чувствительными элементами, выходы которого соединены с многоканальным входом введенного сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, соединенного с цифровым демодулятором, при этом сумматор выполнен с возможностью линейного суммирования полезных сигналов и среднеквадратичного суммирования внутренних шумов.

Количество электрооптических модуляторов, количество чувствительных элементов оптоэлектронного приемника, количество оптических волокон в оптоволоконном кабеле, соединяющем блок модуляторов с выходом лазера, и количество оптических волокон в оптоволоконном кабеле, соединяющем выходы электрооптических модуляторов с чувствительными элементами матричного оптоэлектронного приемника, равно количеству длин волн излучения широкополосного лазера.

Использование n несущих частот оптического излучения для передачи одного (ответственного) информационного сигнала обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум в информационном сообщении на выходе сумматора в корень квадратный из n раз.

Технический результат, направленный на увеличение плотности передачи информации, достигается за счет того, что в радиофотонной волоконно-оптической системе связи, включающей в себя последовательно соединенные оптический передатчик, электрооптический модулятор, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, оптический передатчик выполнен в виде широкополосного лазера, излучающего на n длинах волн, соединенный посредством волоконно-оптического кабеля, состоящего из n оптических волокон, с электрооптическим модулятором, выполненным в виде n электрооптических модуляторов на n длинах волн, промодулированных различными информационными сигналами, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с оптоэлектронным приемником, выполненным матричным с n чувствительными элементами, выходы которого соединены с входами многоканального аналого-цифрового преобразователя, соединенного с многоканальным цифровым демодулятором, на оптические входы электрооптических модуляторов подаются оптические несущие n длин волн, а на модулирующие (электрические) входы n электрооптических модуляторов параллельно подаются n разных информационных сигналов.

При этом в заявляемых вариантах радиофотонной волоконно-оптической системы связи количество электрооптических модуляторов, количество чувствительных элементов оптоэлектронного приемника, количество оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле, соединяющем блок модуляторов с выходом лазера, и в волоконно-оптическом кабеле, соединяющем выходы электрооптических модуляторов с чувствительными элементами матричного оптоэлектронного приемника, равно количеству длин волн излучения широкополосного лазера.

Электронный сумматор представляет собой линейный аналоговый сумматор, суммирующий сигналы линейно, а внутренние шумы - среднеквадратично, в результате чего отношение сигнал/шум в принимаемом сообщении на выходе сумматора увеличивается в , где n - количество суммируемых сигналов, смешанных с аддитивными внутренними шумами матричного оптоэлектронного приемника.

Заявляемая радиофотонная волоконно-оптическая система связи в первом варианте иллюстрируется функциональной схемой, изображенной на фигуре 1. Схема включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - широкополосный лазер; 2, 6; - волоконно-оптический кабель; 3, 7 - оптический разветвитель; 4 - источник информационного широкополосного радиосигнала; 5 (5.1, …, 5.n) - блок n электрооптических модуляторов; 8 (8.1, …, 8.n) - матричный оптоэлектронный приемник; 9 - электронный сумматор; 10 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 - цифровой демодулятор, - при этом выход оптического передатчика - широкополосного лазера - соединен с входами n электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля, содержащего n оптических волокон, по числу n длин волн излучения широкополосного лазера, оптоэлектронный приемник выполнен матричным с n чувствительными элементами, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с n чувствительными элементами оптоэлектронного приемника, выходы которого соединены с многоканальным входом сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, соединенного с цифровым демодулятором, а на модулирующие (электрические) входы n электрооптических модуляторов параллельно подается один и тот же информационный широкополосный радиосигнал.

Заявляемая радиофотонная волоконно-оптическая система связи во втором варианте иллюстрируется функциональной схемой, изображенной на фигуре 2. Схема включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - широкополосный лазер; 2, 6; - волоконно-оптический кабель; 3, 7 - оптический разветвитель; 4 - источник информационного широкополосного радиосигнала; 5 (5.1, …, 5.n) - блок n электрооптических модуляторов; 8 (8.1, …, 8.n) - матричный оптоэлектронный приемник; 10 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 - цифровой демодулятор, - при этом выход оптического передатчика - широкополосного лазера - соединен с входами n электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля, содержащего n оптических волокон, по числу n длин волн излучения широкополосного лазера, оптоэлектронный приемник выполнен матричным с n чувствительными элементами, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с n чувствительными элементами оптоэлектронного приемника, выходы которого соединены с многоканальным входом сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, соединенного с цифровым демодулятором, а на модулирующие входы « электрооптических модуляторов параллельно подается один и тот же информационный широкополосный радиосигнал.

Заявляемая радиофотонная волоконно-оптическая система связи (в обоих вариантах) работает следующим образом (см. фиг. 1, 2). Лазерное излучение широкополосного лазера 1, состоящее из n длин волн, с помощью волоконно-оптического кабеля 2, состоящего из n оптических волокон, и разветвителя 3, промодулированное информационным сигналом 4 в блоке n электрооптических модуляторов 5, на n длинах волн, по волоконно-оптическому кабелю 6 и разветвителю 7 поступает параллельно на n чувствительных элементов (ЧЭ) 8.1, …, 8.n матричного оптоэлектронного приемника 8, преобразующего лазерное излучение в электрический сигнал. В электронном сумматоре 9 производится линейное суммирование полезных сигналов и среднеквадратичное суммирование внутренних шумов, в результате чего отношение сигнал/шум в принятом сообщении повышается в корень квадратный из количества чувствительных элементов n приемника. АЦП 10 преобразует информационный сигнал в цифровую форму и демодулируется в цифровом демодуляторе И, выходной сигнал которого подвергается дальнейшей обработке (например, автоматическому распознаванию или декодированию).

При использовании источника n информационных сигналов u₁, …, u_n (см. фиг. 2) за счет использования n оптических несущих, генерируемых широкополосным лазером, достигают увеличения плотности передачи информации в n раз. При использовании нескольких десятков-сотен несущих с помощью созданных к настоящему времени широкополосных лазеров скорость передачи может быть реально увеличена в несколько десятков-сотен раз [1-8].

Благодаря применению широкополосного лазера, излучающего, например, на 144 длинах волн, и 144-волоконного оптического кабеля достигают увеличения отношения сигнал/шум в принимаемом сообщении в 12 раз, а увеличения плотности передачи информации - в 144 раза.

Созданные к настоящему времени (в Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук) широкополосные лазеры, излучающие в инфракрасном спектральном диапазоне от 1,7 до 20 мкм [1-8], а также волоконно-оптические кабели, обеспечивающие коэффициент затухания в инфракрасном диапазоне менее 0,1 дБ/км [9-11], открывают широкие перспективы создания высокоэффективных магистральных волоконно-оптических систем передачи информации.

Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости заявляемой волоконно-оптической системы связи за счет увеличения отношения сигнал/шум в принимаемом сообщении и за счет увеличения плотности передаваемых сообщений. Кроме того, применение одного широполосного лазера, вместо n одночастотных лазеров, для передачи информационных сигналов существенно снижает массо-габаритные параметры передающей части ВОСП.

Список использованной литературы

1. Ионин А.А., Киняевский И.О., Климачев Ю.М. и др. Широкополосный ИК лазерный источник (~1,7 - 20 мкм) // Всеросс. форум с междунар. участием «Академические Жуковские чтения», 23-25 ноября 2021 г., г. Воронеж. - Материалы форума. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА». - 2022. - Ч. 3.

2. Andreev Yu. t al. Quantum Electronics. - 2013. №43, p. 139.

3. Budilova О.V. et. al. Optics Letters. - 2016. - №41, p. 111.

4. Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Yu. M. et al. Laser Phys. - 2018. - №28,025401, 4 pp.

5. Ionin A.A. et al. Optics Letters. - 2018. - №43, p. 4358-4361.

6. Budilova О.V. et. al. Optics Communications. - 2016. - №363, p. 26.

7. Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Yu. M. et al. Opt. Exspress. - 2019. - Vol. 27. - №17, p. 24353.

8. Budilova О.V. et. al. Optics Communications. - 2015. - №345, p. 163.

9. www.sphotonics.ru (дата обращения - 17.01.2022).

10. www.asimp.ru (обращения - 17.01.2022).

11. Ларин Ю.Т. Стекла для изготовления оптических волокон и кабелей. - АО «ВНИИ КП». - Портал «Радиоэлектроника и телекоммуникации». - www.infomost, www.hieperline, www.lean/theorva-prakt (дата обращения 19.01.2022).

Изобретение относится к технике оптической связи и передачи информации и может быть использовано для создания волоконно-оптических систем связи нового поколения. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости радиофотонной волоконно-оптической системы связи, увеличение количества передаваемых информационных сигналов и снижение массогабаритных размеров ее передающей части. Технический результат достигается за счет того, что в радиофотонную волоконно-оптическую систему связи, включающую в себя последовательно соединенные оптический передатчик, электрооптический модулятор, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, введены оптические разветвители, (n-1) электрооптических модуляторов и электронный сумматор, в качестве оптического передатчика использован широкополосный лазер, излучающий на n длинах волн, выходы которого соединены с входами n электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля, содержащего n оптических волокон, по числу n длин волн излучения широкополосного лазера, оптоэлектронный приемник выполнен матричным с n чувствительными элементами, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с n чувствительными элементами оптоэлектронного приемника, выходы которого соединены с многоканальным входом сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, соединенного с цифровым демодулятором, на оптические входы электрооптических модуляторов подаются n оптических несущих с выхода широкополосного лазера, а на их n модулирующих входов параллельно подается один и тот же информационный радиосигнал или n разных информационных сигналов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиофотонная волоконно-оптическая система связи, включающая в себя последовательно соединенные оптический передатчик, электрооптический модулятор, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, отличающаяся тем, что оптический передатчик выполнен в виде широкополосного лазера, излучающего на n длинах волн, соединенный посредством волоконно-оптического кабеля, состоящего из n оптических волокон, с электрооптическим модулятором, выполненным в виде n электрооптических модуляторов на n длинах волн, промодулированных одним и тем же информационным сигналом, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с оптоэлектронным приемником, выполненным матричным с n чувствительными элементами, выходы которого соединены с многоканальным входом введенного сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, соединенного с цифровым демодулятором, при этом сумматор выполнен с возможностью линейного суммирования полезных сигналов и среднеквадратичного суммирования внутренних шумов.

2. Радиофотонная волоконно-оптическая система связи, включающая в себя последовательно соединенные оптический передатчик, электрооптический модулятор, оптоэлектронный приемник, аналого-цифровой преобразователь и цифровой демодулятор, отличающаяся тем, что оптический передатчик выполнен в виде широкополосного лазера, излучающего на n длинах волн, соединенный посредством волоконно-оптического кабеля, состоящего из n оптических волокон, с электрооптическим модулятором, выполненным в виде n электрооптических модуляторов на n длинах волн, промодулированных различными информационными сигналами, n выходов электрооптических модуляторов с помощью волоконно-оптического кабеля оптически сопряжены с оптоэлектронным приемником, выполненным матричным с n чувствительными элементами, выходы которого соединены с аналого-цифровым преобразователем, выполненным многоканальным и соединенным с цифровым демодулятором, выполненным многоканальным.