Слаботочка Книги

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 [56] 57 58 59 60 61 62

ления Uy, Ыф, коммутаций Uk й контроля кон- Сигналы 1,2 одни и те же для каждого модуля и требуются в них одновременно, поэтому они могут передаваться по первому оптоволоконному каналу с использованием спектрального уплотнения. Сигналы Uo или с также одинаковы для всех модулей и требуются они в другие моменты времени по сравнению с U\,2, что позволяет передавать их по первому каналу вместе с путем временного уплотнения. Сигналы щ, ыф, Мк, кон различны для каждого модуля, передавать их одновременно принципиально не требуется, поэтому в третьем оптоволоконном канале можно использовать временное уплотнение. При большом числе излучателей и увеличении числа уровней квантования происходит увеличение формата цифровых сигналов, требующее нежелательного возрастания скорости передачи. В этом случае в третьем оптоволоконном канале может быть применено комбинированное спектрально-временное уплотнение или фактическое его разделение на несколько самостоятельных подканалов с временным уплотнением, записываемых от отдельных оптических источников.

Учитывая особенности сигналов, сопрягаемых с модулями активной АР, можно также ограничиться двумя оптоволоконными каналами, распределяя сигналы управления и коммутации по первому каналу в паузах между передачей и приемом и передавая сигналы контроля по второму каналу в течение времени действия импульса передатчика. Структурная схема такой двух-канальной системы разводки приведена на рис. 15.9. Для сопряжения модуля со всей совокупностью необходимых сигналов здесь требуются всего два малогабаритных оптических разъема.

Приведенная на рис. 15.9 схема включает в себя оптоволоконные каналы, в которых используется модуляция интенсивности и прямое детектирование (МИ - ПД) оптического излучения. Оптоволоконный канал с МИ - ПД (рис. 15.10,а) содержит инжекционный лазер (ИЛ) / с внутренней модуляцией радиосигналом 2 или с внешней модуляцией в модуляторе 3, волоконный тракт 4 и фотодетектор 5. Выходной ток гф фотодетектора пропорционален усредненному за период несущей мгновенному значению интенсивности I {t) модулированного оптического сигнала

Ч = 5ф7]0 = 5ф Л (О COS (© /-ф) = 5ф . (15.36)

Поскольку отклик фотодетектора не зависит от частоты, фазы и поляризации несущей, в таком канале могут детектироваться колебания с АМ или 1МИ. В последнем случае

Л(0 = £о[1+тсо5(Й-Ф)]/2 (15.37)

и в выходном токе можно выделить компоненту на частоте радиосигнала

с=5ф-С05(0-Ф).

(15.38)

От астальных и-Г мойулей

Рис. 15.9

Я а)

Прямая модуляция ИЛ по интенсивности может быть осуществлена в настоящее время радиосигналами с частотой до 12 ГГц 11]. Внешние модуляторы, например на ниобате лития LiNbOs 12 , повышают предельную частоту модуляции до 17 ГГц, но имеют малые выходную мощность и КПД. Ограничения по частоте модуляции для фотодиодов составляют 20 ГГц при к= = 1,3 мкм, однако эта граница в настоящее время быстро сдвигается в область 100 ГГц [15]. Рисунок 15.10,6 дает цредстав-ление о конструктивном выполнении канала с МИ - ПД.

Стремление расширить частотный диапазон МИ привело к появлению новых схем оптоволоконных каналов, основанных на гетеродинном детектировании (ГД) излучения двух ИЛ, частоты которых vi,2 расстроены на величину требуемой радиочастоты f=V2-vi [16]. В схеме такого типа, показанной на рис. 15.11, возможно осуществление модуляции на частотах вплоть до миллиметрового диапазона.

Стабилизация разностной частоты /=v2-vi достигается здесь взаимной фазовой синхронизацией оптических колебаний на частотах v2 и vi, которая осуществляется с помощью фазовой автоподстройки v2 в канале оптоэлектронной цепи обратной связи. Помимо петли фазовой автоподстройки стабилизация pa3j постной частоты / может осуществляться с помощью внешней синхронизации двух ИЛ (рис. 15.12,а) излучением задающего

Рис. 15.11

7ТГ7

Vo V

Рис. 15.13

. МИ

ми i

ИЛ с ЧМ на требуемой радиочастоте. В [11] показана возможность ГД сигналов двух ИЛ, синхронизированных по фазе боковыми составляющими ±2-го порядка спектра, задающего ИЛ с Ч!М (рис. 15.12,6). Получен сигнал биений на частоте 10,5 ГГц с шириной полосы менее 5 кГц и абсолютной нестабильностью 20 кГц. По оценкам [11] этим методом можно получить частоту биений на выходе фотодиода в несколько десятков гигагерц, для чего потребуется амплитуда модулирующего ИЛ1 сигнала в несколько миллиампер.

При использовании оптоволоконных каналов с ПД для разводки сигналов Ыпр, принимаемых АР, ограничения, связанные с высоким уровнем шума и недостаточным динамическим диапазоном, могут быть уменьшены использование.м комбинированной модуляции ЧМ -МИ [11]. В этом случае (рис. 15.13) АМ сигнал с элементов АР преобразуется в сигнал с ЧМ в автогенераторе и только после этого используется для МИ лазера. В такой схеме линейный участок модуляционной характеристики автогенератора должен, с одной стороны, обеспечивать прохождение самого большого сигнала, а с другой - приводить к ситуации, когда девиация частоты автогенератора при самом низком уровне модулирующего сигнала превышает ЧМ шум автогенератора, уровень которого на частотах 200... 500 МРц составляет [11] единицы килогерц. По оценкам [11] динамический диапазон Мпр, равный 80 дБ, в схеме рис. 15.13 может быть преобразован в девиацию частоты всего в несколько мегагерц: именно в таком диапазоне должны быть высоколинейными модуляционная характеристика автогенератора и частотная характеристика дискриминатора.

S 1-

другим способом, позволяющим избежать недостатков МИ - ПД является применение цифровых оптоволоконных каналов (рис. 15.14). В такой схеме имеется реальная возможность устранить нежелательное влияние щума и нелинейностей в оптическом канале, для чего в цифровую форму преобразуются как амплитуда, так и фаза сигнала, принятого АР. Схемно это достигается дискретизацией и оцифровкой синфазной и квадратурной компонент принятого сигнала, которые затем передаются по одному волокну с временным уплотнением. Скорость передачи информации в таком канале определяется поэтому удвоенным произведением скорости дискретизации на число дискретов, требуемых для представления амплитуды.

В [11] проанализированы типовые требования к оптоволоконной системе разводки сигналов и получены оценки ее основных параметров, требующихся дли 100-элементной активной АР доплеровской РЛС на рабочей частоте 3 ГГц (табл. 15.4). Сопоставление этих требований с возможностями современной оптоволоконной элементной базы показывает [11-12], что все они могут быть удовлетворены уже в настоящее время. Подтверждением этого являются экспериментальные макеты, выполненные для простейших вариантов оптоволоконных распределительных систем [11, 24].

Дальнейщее совершенствование схем оптоволоконной разводки для создания на практике конкурентоспособных АР требует решения ряда проблем схемотехники и элементной базы. Схемотехнические проблемы связаны с упрощением базовой структурной схемы рис. 15.9 при одновременном улучшении ее шумовых и частотных характеристик, снижении потерь в оптических каналах. Перспективными направлениями здесь являются использование непосредственной оптической синхронизации и переключения твердотельных СВЧ генераторов и усилителей [17], прямое управление параметрами сигналов вплоть до миллиметрового диапазона с помощью электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых устройствах [18], а также применение схем с когерентными видами модуляции и детектирования [14]. К проблемам элементной базы относятся такие задачи, как расширение полосы модуляции [12] и детектирования [15] оптических сигналов вплоть до миллиметрового диапазона, разработка ма-лошумящих оптических источников [19] и фотодетекторов [2Q], создание высокоэффективных делителей оптической мощности [12], устройств спектрального [21] и временного [22] уплотнения оптических каналов, выполненных на элементах интегральной оптики [23], при этом важной проблемой является задача интеграции оптоэлектронных и СВЧ интегральных схем [24].

Жизнеспособность оптоволоконных схем разводки активных АР будущего в сравнении с существующими на радиочастоте будет также во многом зависеть от технологичности и стоимости интегральных оптоволоконных модулей (интерфейсов), с помощью которых модули АР будут сопрягаться с необходимыми сигналами. 336

Таблица 15.4 [11]

Характеристика параметра

Название н единицы измерения параметпа

Требуемое значение параметра

Количество дискретов фазы, бит Среднеквадратический уровень боковых лепестков, обусловленный: дискретизацией фазы, дБ фазовыми ошибками схемы оптической разводки, дБ Фазовая ошибка схемы оптической разводки, град

Параметры, определяемые сигналами передатчика и гетеродина

Средиеквадратическое отклонение длин волокон от заданных, мм Максимальное отношение мощностей помехи и сигнала, дБ Минимальная скорость цели, м/с Минимальная частота Доплера, кГц Полоса фильтра, Гц Разрешающая способность по скорости, м/с

Оптическая мощность на входе модули, мкВт

АМ шум передатчика и гетеродина, дБ/Гц

Выходная мощность лазера, мВт Число модулей, запитываемых от одного лазера, шт. Оптические потери в канале, дБ

Параметры, определяемые принятым сигналом в схеме с МИ-ПД

Промежуточная частота, МГц Мгновенная полоса пропускания на промежуточной частоте, МГц Динамический диапазон, дБ Требуемая оптическая мощность в канале, мВт

Параметры, определяемые принятым сигналом в схеме с ЧМ-МИ-ПД

Несущая частота генератора с ЧМ, МГц

ЧМ шум генератора, Гц

Девиация частоты генератора с ЧМ:

Полоса модуляции лазера, МГц

Параметры, определяемые принятым сигналом в схеме с цифровой модуляцией

Скорость дискретизации, МГц Число разрядов в АЦП, шт. Скорость передачи по оптическому каналу, Мбит/с

33 39 6,5

80 100 2

200 I

-106 10

25 6

10 80

50 500

15 15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 [56] 57 58 59 60 61 62