RU2149464C1 - Динамическое запоминающее устройство радиосигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике формирования и обработки радиосигналов. Изобретение позволяет организовать длительную оперативную память импульсных СВЧ радиосигналов на основе волоконно-оптического рециркулятора в условиях накопления внутренних шумов устройства, влияния дисперсии волоконного световода (ВС) и произвольных моментов появления входных радиосигналов. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении отношения сигнал/шум и позволяет, в зависимости от возможностей используемой элементной базы, формировать тысячи и десятки тысяч копий СВЧ радиосигнала. При преобладающем характере дробовых шумов отношение сигнал/шум уменьшается в два раза в момент формирования 100000-й копии. Технический результат достигается тем, что в динамическое запоминающее устройство радиосигналов, содержащее делитель мощности, оптический передатчик с лазерным диодом, а также фотоприемник, широкополосный усилитель СВЧ, волоконный световод, аттенюатор и блок управления, введены волоконно-оптический ключ, направленный волоконный ответвитель, волоконно-оптический усилитель и аттенюатор, выполненный волоконно-оптическим. 6 ил.

Description

Изобретение относится к технике формирования и обработки радиосигналов.

Известно устройство динамической памяти (патент 4557552 США, МКИ³ G 02 B 5/172), содержащее лазерный диод с молекулятором тока, оптический выход которого подключен к входному торцу волоконного световода (ВС), намотанного на барабан. Излучение с отводов (изгибов) ВС на барабане проецируется в оптический стержень, с которого через первую линзу, кодирующий пространственный фильтр-маску и вторую линзу фокусируется на фотодиод (ФД). Входом устройства является электрический вход модулятора тока, а выходом - выход фотодиода.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются лазерный диод, волоконный световод и фотодиод.

Недостатками известного устройства являются малое время хранения информации, а также сложность изготовления, большой расход волоконного световода и неравномерность уровня копий сигнала на выходе.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, состоят в следующем.

Известное устройство по существу является многоотводной волоконно-оптической линией задержки (ЛЗ), причем из технологических соображений коэффициенты ответвления оптического излучения с отводов волоконного световода, намотанного на барабан, в оптический стержень выполняются одинаковыми. В этом случае благодаря последовательному ответвлению части оптического сигнала с постоянными коэффициентами ответвления в оптический стержень и потерь в последнем, амплитуда выходных сигналов устройства с ростом числа копий уменьшается и тем заметнее, чем больше коэффициент ответвления. Например, при коэффициенте ответвления, равном 0,5, амплитуда 10-й копии уменьшается по сравнению с первой в 500 раз. В результате при постоянном уровне шумов фотодиода отношение сигнал/шум (ОСШ) копий, а, следовательно, и время хранения информации в устройстве, резко снижаются.

Стремление обеспечить равномерность уровня копий сигнала на выходе устройства за счет последовательного увеличения коэффициентов ответвления предполагает использование уникального технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры, а также усложнение конструкции и габаритов барабана. В сочетании с большим расходом световолокна, пропорциональным числу формируемых копий, это приводит к значительным материальным затратам при изготовлении устройства.

Известно также запоминающее устройство (патент 4479701 США, МКИ³ G 02 B 5/172), в котором волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) содержит первый и второй направленные волоконные ответвители (НВО) и первый волоконный световод, проходящий через оба НВО. Первый волоконный световод имеет два концевых участка и промежуточный участок. Первый концевой участок протянут от первой стороны первого НВО, а второй концевой участок - от второй стороны второго НВО. Промежуточный участок расположен между второй стороной первого НВО и первой стороной второго НВО.

Волоконно-оптическая ЛЗ содержит также второй волоконный световод, проходящий через оба НВО. Второй волоконный световод имеет два концевых участка и петлеобразный участок. Первый концевой участок протянут от второй стороны первого НВО, второй концевой участок протянут от первой стороны второго НВО, а петлевой участок размещен между первой стороной первого НВО и второй стороной второго НВО. НВО обеспечивают оптическую связь первого и второго волоконных световодов и передачу света между ними.

Признаком этого аналога, совпадающим с признаками заявляемого технического решения, является волоконный световод.

Время хранения информации в данном устройстве, как и в первом случае (см. патент 4557552 США, МКИ³ G 02 B 5/172), невелико. Кроме того, указанное устройство также не обеспечивает равномерность уровня копий выходного радиосигнала.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является затухание сигнала от копии к копии в связи с последовательным выводом части энергии оптического излучения (ОИ) из процесса циркуляции через второй концевой участок первого волоконного световода и первый концевой участок второго волоконного световода, причем во втором случае энергии оптического излучения бесполезно теряется на свободном торце волоконного световода. В результате при постоянном уровне шумов фотоприемника и заданных коэффициентах оптической связи между первым и вторым волоконными световодами, отношение сигнал/шум копий на выходе устройства и их уровень быстро снижаются, что в конечном итоге и обуславливает малое время хранения информации.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является динамическое оперативное запоминающее устройство (ДЗУ) с радиочастотой обратной связью (патент 2082280 РФ, МКИ⁶ H 04 B 10/00, G 02 B 6/00, заявл. 05.06.95 N 95108961/28, опубл. 20.06.97, БИ 17).

Устройство содержит последовательно соединенные первый делитель мощности (ДМ), сумматор мощности (СМ) с развязанными по радиочастоте входами, оптический передатчик (ОП) с лазерным диодом (ЛД), волоконный световод (ВС), фотоприемник (ФД), широкополосный усилитель мощности СВЧ колебаний (ШУ), второй делитель мощности, второй выход которого является выходом устройства, и управляемый аттенюатор (УАт), а также первый и второй управляемые ключи электронного коммутатора (ЭК) и блок управления (БУ), причем выход управляемого аттенюатора через первый ключ коммутатора подключен ко второму входу сумматора мощности, выход второго ключа коммутатора подключен к входу первого делителя мощности, второй выход которого соединен с входом блока управления; первый выход блока управления подключен к управляющему входу второго ключа, второй - к управляющему входу первого ключа, а третий - к управляющему входу управляемого аттенюатора; вход второго ключа является электрическим входом устройства.

Блок управления содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель мощности, функциональный преобразователь (ФП), первый элемент задержки (ЭЗ) и первый расширитель импульсов (РИ), выход которого является первым выходом блока управления, а также асинхронный RS-триггер с прямыми входами и три параллельных канала, входы которых объединены с выходом функционального преобразователя.

Первый канал включает последовательно соединенные второй элемент задержки, второй расширитель импульсов, первый автоколебательный мультивибратор (АМВ) и формирователь импульсов запуска триггера (ФИЗ), выход которого подключен к входу S триггера, прямой выход которого является вторым выходом блока управления.

Второй канал содержит последовательно соединенные третий элемент задержки, третий расширитель импульсов, второй автоколебательный мультивибратор и формирователь импульсов сброса триггера (ФИС), выход которого подключен к входу R триггера.

Третий канал содержит четвертый расширитель импульсов, выход которого является третьим выходом блока управления.

Работает динамическое оперативное запоминающее устройство следующим образом.

В исходном состоянии в отсутствие запоминаемого (тиражируемого) сигнала второй ключ замкнут, первый ключ разомкнут, сигналы управления на всех выходах блока управления отсутствуют, на входе динамического запоминающего устройства присутствует фоновый шум, а на выходе - собственные и трансформированные на выход входные фоновые шумы. При этом затухание аттенюатора максимально и подобрано таким образом, что коэффициент петлевого усиления K_п равен единице. При появлении в момент t₀ на входе динамического запоминающего устройства аналогового сигнала СВЧ u_BX(t) длительностью τ_И, последний через замкнутый второй ключ, первый выход первого делителя мощности и первый вход сумматора мощности поступает на вход оптического передатчика с лазерным диодом, где преобразуется в оптический сигнал, интенсивность которого изменяется в строгом соответствии с законом мгновенного изменения уровня радиосигнала.

Далее через волоконный световод с задержкой τ_з < τ_И модулированный оптический сигнал поступает на фотоприемник ФД. Полученный в результате детектирования радиосигнал через широкополосный усилитель, первый выход второго делителя мощности и аттенюатор УАт поступает на вход первого ключа коммутатора ЭК.

Одновременно в момент t₀ часть входного сигнала со второго выхода первого делителя мощности поступает на вход блока управления, благодаря чему на выходах последнего появляются сигналы, управляющие дальнейшим состояниям аттенюатора и ключей.

Сигнал управления u₁(t) на первом выходе блока управления появляется с некоторой небольшой задержкой Dt после окончания входного сигнала u_BX(t) и размыкает второй ключ на заданное время хранения информации t₁=T_И. В результате фоновые шумы на входе передатчика исчезают, а память устройства оказывается заполненной.

Управляющий сигнал на втором выходе блока управления u₂(t) появляется в момент t = t₀+τ_з-Dt и представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с периодом следования τ_з и длительностью t₂ = τ_И+2Dt. Под действием указанных сигналов первый ключ коммутатора периодически замыкается на время t₂ с упреждением относительно выходного сигнала аттенюатора. Введенная в устройство информации циркулирует по замкнутому контуру каждый раз только при наличии разрешающего сигнала со второго выхода блока управления. Так как в промежутках между замкнутыми состояниями первого ключа собственные шумы устройства не накапливаются, а время задержки оптического сигнала в волоконном световоде τ_з превышает длительность сигнала τ_И, устойчивость устройства сохраняется на весь период времени хранения информации T_И независимо от величины коэффициента петлевого усиления K_п. Это позволяет реализовать условие K_п ≥ 1 без опасности самовозбуждения устройства и тем самым обеспечить время хранения информации, ограниченное только заданным отношением сигнал/шум копий сигнала, динамическим диапазоном (ДД) устройства и дисперсионными эффектами в волоконном световоде. Для надежного срабатывания ключей величина Dt должна выбираться порядка 0,05....0,1.

Управляющий сигнал на третьем выходе блока управления u₃(t) длительностью τ_з появляется в момент t=t₀. Под воздействием этого сигнала затухание аттенюатора скачком изменяется в сторону уменьшения таким образом, чтобы реализовать необходимое значение K_п > 1 на время τ_з В промежутке от τ_з до T_И затухание аттенюатора и величина K_п снова принимают исходные значения.

Таким образом, благодаря наличию управляемого сигналами u₃(t) аттенюатора процесс запоминания входной информации разбивается на два цикла: в первом формируется m копий при K_п = K_п.1 > 1, а втором - N копий при K_п=K_п.2 ≤ K_п.1. С окончанием сигнала u₃(t) затухание аттенюатора и коэффициент петлевого усиления K_п принимают прежние исходные значения и начинается второй цикл запоминания информации. К этому моменту отношение сигнал/шум циркулирующей по замкнутому контуру динамического запоминающего устройства смеси сигнала и шума практически достигает своего предельного значения и в дальнейшем изменяется очень незначительно, что позволяет при K_п = K_п.2=1 во много раз увеличить время хранения информации во втором цикле запоминания по сравнению с первым.

Во втором цикле запоминания значения сигнала и шума последней m-й копии на входе динамического запоминающего устройства, сформированной в первом цикле, рассматриваются как исходные. Второй цикл запоминания информации характеризуется практически постоянным отношением сигнал/шум и, следовательно, высоким постоянством уровня формируемых копий, поскольку здесь коэффициент петлевого усиления K_п.2 принят равным единице.

Процесс запоминания информации заканчивается через время T_И. При этом сигналы u₁(t) и u₂(t) на первом и втором выходах блока управления также исчезают. В результате все функциональные элементы динамического запоминающего устройства приобретают исходные состояния. При поступлении на вход новых данных описанных выше процесс запоминания информации повторяется.

Блок управления работает следующим образом.

Усиленный в широкополосном усилителе мощности входной радиосигнал блока u_BX(t) длительностью τ_И преобразуется в фотоприемнике в видеосигнал той же длительности, который задерживается в первом элементе задержки на время τ_з = Dt и затем задним фронтом запускает первый расширитель импульсов, на выходе которого формируется при этом сигнал управления u₁(t) длительностью t_И. Одновременно видеосигнал с выхода ФП поступает на входы трех других параллельных каналов.

При этом третий канал используется для формирования управляющего сигнала u₃(t) на третьем выходе блока управления, а два других совместно с триггером - для формирования управляющего сигнала u₃(t) на втором выходе БУ.

С этой целью в первом канале видеосигнал с выхода фотоприемника предварительно задерживается в элементе задержки на время τ_з-Dt и затем передним фронтом запускает второй РИ, на входе которого в результате формируется видеосигнал длительностью T_И = τ_з+Dt. Последний запускает первый автоколебательный мультивибратор, на выходе которого, начиная с момента t = t₀+τ_з-Dt, формируется сигнал типа "меандр" с периодом повторения τ_з. В блоке формирователя импульсов запуска триггера "меандр" с выхода автоколебательного мультивибратора преобразуется в последовательность коротким видеоимпульсов с периодом повторения τ_з, причем временное положение этих импульсов соответствует моментам перехода выходного напряжения автоколебательного мультивибратора с логической единицы на логический нуль. Выходные сигналы формирователя импульсов запуска триггера поступают на вход S триггера и служат для периодического запуска последнего в моменты t_K = t₀+(1-k)τ_з-Dt, где k = 0, 1, 2,... При этом на прямом выходе триггера всякий раз устанавливается сигнал логической единицы.

Сигналы для сброса триггера в состояние логического нуля по прямому выходу в моменты t_C = t₀+(1+c)τ_з+τ_И+Dt, где c = 0, 1, 2,..., формируются аналогичным образом во втором канале. С этой целью видеосигнал с выхода фотоприемника, в отличие от первого канала, задерживается в элементе задержки на время τ_з+Dt и затем задним фронтом запускает третий расширитель импульсов, на выходе которого вырабатывается при этом видеосигнал, длительность которого в первом приближении составляет величину T_И-τ_з+4Dt. Под действием указанного сигнала второй автоколебательный мультивибратор формирует "меандр" с периодом следования τ_з, который в блоке формирователя импульсов сброса триггера преобразуется в последовательность коротких видеоимпульсов с периодом следования τ_з, сдвинутых относительно выходной последовательности импульсов формирователя импульсов запуска триггера на величину τ_И+2Dt. Выходные импульсы формирователя импульсов сброса триггера поступают на вход R триггера и сбрасывают его в состояние логического нуля по прямому выходу.

Таким образом, благодаря выходным сигналам блоков формирования импульсов запуска и сброса триггера, на втором выходе блока управления формируется сигнал управления u₂(t), представляющий периодическую последовательность видеоимпульсов с периодом следования τ_з и длительностью τ_И+2Dt, возникающих, как и выходные сигналы формирователя импульсов запуска триггера, в моменты t_K = t₀+(1-k)τ_з-Dt, где k = 0, 1, 2,...

Сигнал управления u₃(t) на третьем выходе блока управления длительностью mτ₃ вырабатывается на выходе четвертого расширителя импульсов, причем начало формирования сигнала u₂(t) совпадает с моментом прихода входного сигнала u_BX(t).

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: делитель мощности, оптический передатчик с лазерным диодом, фотоприемник с усилителем СВЧ, волоконный световод, блок управления и аттенюатор.

Данное устройство служит для организации динамической оперативной памяти аналоговых СВЧ радиосигналов. Недостатками известного динамического запоминающего устройства являются небольшое количество тиражируемых копий радиосигнала в случае преобладания в шумах тепловых и/или дробовых составляющих. Последнее же условие характерно для случаев проектирования динамического запоминающего устройства на фотодиодах без охлаждения.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в том, что при организации динамической памяти радиосигналов используется радиочастотная обратная связь. При организации длительной оперативной памяти импульсов СВЧ радиосигналов происходит накопление шумовых флуктуационных составляющих всех узлов устройства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в достижении возможности организации длительной оперативной памяти импульсных СВЧ радиосигналов на основе волоконно-оптического рециркулятора в условиях накопления внутренних шумов устройства, влияния дисперсии волоконного световода (ВС) и произвольных моментов появления входных радиосигналов.

Технический результат заключается в повышении отношения сигнал/шум на выходе динамического запоминающего устройства в три раза.

В предлагаемом изобретении исключается циркуляция, а следовательно, и накопление тепловых шумов электронной части динамического запоминающего устройства в отличие от прототипа. Благодаря последнему даже при коэффициенте шума, равном 2, удается в 3 раза повысить отношение сигнал/шум.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет в зависимости от возможностей используемой элементной базы формировать тысячи и десяти тысяч копий СВЧ радиосигнала. При преобладающем характере дробовых шумов отношение сигнал/шум уменьшается в два раза в момент формирования 100000-й копии. В прототипе подобное уменьшение отношения сигнал/шум начинается с 2048-й копии.

Технический результат достигается тем, что в динамическое запоминающее устройство радиосигналов, содержащее делитель мощности, первый выход которого соединен с оптическим передатчиком с лазерным диодом, а также фотоприемник, выход которого подключен к входу широкополосного усилителя СВЧ, а также волоконный световод и аттенюатор, управляющий вход которого соединен с вторым выходом блока управления (БУ), вход которого подключен к второму выходу делителя мощности, введены волоконно-оптический ключ, направленный волоконный ответвитель (НВО), волоконно-оптический усилитель (ВОУ), а аттенюатор выполнен волоконно-оптическим, причем выход оптического передатчика оптически связан с входом волоконно-оптического ключа, выход которого соосно подключен к первому порту направленного волоконного ответвителя, второй порт которого оптически связан с фотоприемником, последовательно соединены и оптически связаны третий порт направленного волоконного ответвителя, волоконно-оптический усилитель, волоконный световод, волоконно-оптический аттенюатор (ВОА) и четвертый порт направленного волоконного ответвителя, первый выход блока управления подключен к управляющему входу волоконно-оптического ключа, входом устройства является вход делителя мощности, а выходом - выход широкополосного усилителя СВЧ.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого объекта выявил следующие новые существенные признаки для заявляемого объекта:
- введен НВО для обеспечения оптической рециркуляции сигнала по цепи: третий порт НВО - ВОУ - ВОА - четвертый порт НВО. Интенсивность с четвертого порта НВО делится пополам между вторым и первым портами;
- введен ВОУ для компенсации потерь световой энергии в НВО, затухания излучения в волоконном световоде и технологических потерь при стыковке волоконно-оптических узлов между собой;
- введен волоконно-оптический аттенюатор, затухание которого может изменяться скачком под воздействием управляющего сигнала со второго выхода блока управления;
- введен волоконно-оптический ключ, обеспечивающий полную развязку схемы формирования копий радиосигнала от оптического передатчика;
- блок управления имеет только два выхода, первый из которых подключен к управляющему входу волоконно-оптического ключа, а второй - к управляющему входу волоконно-оптического аттенюатора. Такое включение обеспечивает раздельное и независимое управление узлами.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена функциональная схема динамического запоминающего устройства радиосигналов; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие работу устройства.

Упрощенные формулы для расчета отношения сигнал/шум динамического запоминающего устройства с оптической обратной связью для четырех наиболее характерных случаев преобладания составляющих шума сведены в таблицу на фиг. 3.

Значения коэффициентов в формуле для расчета отношения сигнал/шум при двух циклах формирования копий радиосигнала сведены в таблицу на фиг. 4.

На фиг. 5 показана функциональная схема блока управления, а на фиг. 6 - эпюры, поясняющие принцип работы блока управления.

Устройство содержит (см. фиг. 1) делитель мощности (ДМ) 1, оптический передатчик (ОП) 2 с лазерным диодом (ЛД) 3, волоконно-оптический ключ (ВОК) 4, направленный волоконный ответвитель (НВО) 5, фотоприемник (ФП) 6 с широкополосным усилителем СВЧ (ШУ СВЧ) 7, а также волоконно-оптический усилитель (ВОУ) 8, волоконный световод (ВС) 9, волоконно-оптический аттенюатор (ВОА) 10 и блок управления (БУ) 11.

Вход ДМ 1 является входом ДЗУ. Первый выход ДМ 1 подключен к входу ОП 2 с ЛД 3, оптический выход которого связан с входом ВОК 4, выход которого оптически связан с первым портом НВО 5, второй порт которого оптически связан с фотоприемником 6, выход которого соединен с ШУ СВЧ 7, выход которого является выходом ДЗУ.

Последовательно соединены и оптически связаны третий порт НВО 5, ВОУ 8, ВС 9 и четвертый порт НВО 5. Управляющие входы ВОК 4 и ВОА 10 подключены к первому и второму соответственно выходам БУ 11. Второй выход ДМ 1 соединен с входом БУ 11.

Блок управления 11 содержит (см. фиг. 5) последовательно соединенные широкополосный усилитель (ШУ) СВЧ 12, функциональный преобразователь (ФП) 13, первую линию задержки (ЛЗ) 14 и первый формирователь импульсов (ФИ) 15, выход которого является первым входом блока управления, а также вторую ЛЗ 16, второй 17 и третий 18 ФИ, первый 19 и второй 20 ключи, сумматор 21, выход которого является вторым выходом блока управления. Вход второй ЛЗ 16 подключен к выходу первой ЛЗ 14, а выход соединен с входом второго ФИ 17, выход которого объединен с входом третьего ФИ 18 и управляющим входом второго ключа 20, на основной вход которого подано постоянное напряжение U₂₂. Выход третьего ФИ 18 соединен с управляющим входом первого ключа 19, на основной вход которого подано постоянное напряжение U₂₁. Первый вход сумматора 21 соединен с выходом первого ключа 19, а второй вход - с выходом второго ключа 20.

Работает динамическое запоминающее устройство следующим образом (см. фиг. 1 и 2).

Динамические запоминающие устройства (ДЗУ) предназначены для формирования временной последовательности копий
u_C.i(t) = K_iu_C(t-iτ_з), i = 1,..., N
сложного радиосигнала u_C(t) = U_Ccosφ(t) длительностью τ_И.. Параметр K_iu_С определяет амплитуду i-й копии радиосигнала с угловой модуляцией по закону φ(t). Выбор времени задержки τ_з > τ_И исключает возможность перекрытия отдельных копий.

Пусть на вход ДЗУ с ВОЛЗ в момент времени t₀ воздействует одиночный широкополосный СВЧ радиосигнал вида:

Во временном интервале [t₀, t₀+τ_И] напряжение на входе оптического передатчика 2 u_ВХ(t) = u_ВХ.0(t) соответствует напряжению входного радиосигнала u_С(t). Применение в оптическом передатчике 2 инжекционного полупроводникового лазера ЛД 3 допускает непосредственную модуляцию интенсивности оптического излучения J_ОП простым изменением тока накачки:

Здесь R_ВХ.ОП - реальная часть входного сопротивления оптического передатчика 2, а I_Н = U_С/R_ВХ.ЩП - амплитуда тока накачки лазерного диода 3.

Характерной особенностью зависимости излучения оптического передатчика 2 J_ОП от тока накачки является наличие порогового значения I_ПОР. При выборе постоянного тока смещения оптического передатчика I_см, удовлетворяющего условию
I_СМ - I_ПОР > I_Н, (3)
справедливо соотношение:
J_OП(t) = J₀+S_OПI_Hcosφ(t), (4)
где S_ОП - крутизна преобразования ОП в Вт/А.

НВО 5 является делителем мощности и конструктивно представляет собой два волоконных световода (ВС) со сплавленными посредством сварки сердцевинами, за счет чего удается осуществить ответвление части оптической энергии из одного ВС в соседний.

При подаче на входной порт 1 оптического излучения с интенсивностью J_НВО.1 на выходных портах 2 и 3 появляются излучения соответственно с интенсивностями

Здесь коэффициент ответвления K_НВО определяет, какая часть интенсивности оптического излучения поступает с порта 1 на порт 3 в случае идеального (без потерь) НВО X-типа.

В реальных сплавных НВО всегда присутствуют потери световой энергии, которые выражаются в том, что суммарная выходная интенсивность J_НВО.2 + J_НВО.3 не совпадает с интенсивностью входного излучения J_НВО.1. Указанные потери (в Дб) учитываются в формуле (5.а) параметром

Аналогично, при подаче на входной порт 4 НВО оптического излучения с интенсивностью J_НВО.4 на выходных портах 2 и 3 появляется излучение с интенсивностями

Для увеличения числа копий входного сигнала в динамическом запоминающем устройстве целесообразно использовать волоконно-оптический усилитель 8, представляющий собой отрезок одномодового волоконного световода, легированного редкоземельными элементами, например эрбием или неодимом. При подкачке излучением на определенной длине волны это волокно обеспечивает усиление проходящего по нему оптического излучения основной (рабочей) длины волны.

Отрезок волоконного световода ВС 9 длиной L представляет волоконно-оптическую линию задержки (ВОЛЗ), обеспечивающий задержку проходящего сигнала на заданное время τ_з > τ_И. Учитывая что типовое значение погонной задержки ВС составляет 5 нс/м, длина отрезка ВС, в первом приближении, составляет:
L[м] = τ_з[нc]/5. (6)
Коэффициент передачи ВОЛЗ
K_ВОЛЗ [дБ[ = -Г [дБ/м] • L [м] (7)
определяется погонным затуханием Г излучения в волоконном световоде.

Интенсивность световых потоков J_НВО.3 и J_НВО.4 на портах 3 и 4 НВО 5 связаны между собой соотношением
J_HBO.4(t) = β_OC•J_HBO.3(t-τ_з). (8)
Коэффициент передачи цепи обратной связи
β_OC[дБ] = K_BOУ[дБ]+K_ВОЛЗ[дБ]-g_OC[дБ] (9)
определяется технологическими потерями
g_ОС [дБ] = g₃ [дБ] + g_В [дБ] + g₄ [дБ] (10)
на стыковку волоконно-оптического усилителя 8 с портом 3 НВО 5 g₃, волоконно-оптического усилителя 8 и волоконного световода 9 g_А, порта 4 НВО 5 с волоконным свтоводом 9 g₄.

Введем в рассмотрение коэффициент передачи по замкнутой петле рециркуляции
β_П[дБ] = β_OC[дБ]+10lg(1-K_HBO)-g_HBO[дБ] (11)
и коэффициент прямой передачи излучения с лазерного диода 3 на фотокатод фотодиода 6
β[дБ] = 10lg(1-K_HBO)-(g₁+g_HBO+g₂)[дБ]. (12)
Согласно соотношениям (5) и (8) фотодиодом во временных интервалах
t ∈ [t₀+Dt+iτ_з, t₀+iτ_з+τ_И], i ≥ 0
принимается последовательность световых импульсов с интенсивностью

Из соотношений (2), (4) и (13) следует, что при выполнении условия (3) переменная составляющая напряжения на выходе фотоприемника 6 повторяет по форме входной радиосигнал (1) с задержкой по времени на величину iτ_з, i ≥ 0.

Таким образом, если на вход оптического передатчика 2 воздействует радиосигнал (1) с мощностью
P_С = U_С ²/2R_ВХ.ОП, (14)
то на выходе динамического запоминающего устройства формируется последовательность копий радиосигнала с мощностью

где

- коэффициент прямой передачи сигнала с входа оптического передатчика 2 на выход динамического запоминающего устройства;
K_P, K_У - коэффициенты усиления мощности усилительного каскада фотоприемника 6 и оконечного широкополосного усилителя мощности СВЧ 7 соответственно.

Для доказательства причинно-следственной связи между ожидаемым техническим результатом и признаками заявляемого технического решения проанализируем выражения (1)...(16).

В паспортных данных на отечественные приборы приводится вольтовая чувствительность фотоприемного модуля в В/Вт
S_ФПМ = S_ФД • R_Н.ФД • K_P (17)
При этом выражение (16) преобразуется к виду

Из (15) следует, что идентичность копий радиосигнала достигается при K_НВО = 0.5 и β_П = 1. При этом
P₁ = KP_С, i ≥ 0 (19)
Условие β_П = 1 эквивалентно выполнению равенства
K_ВОУ [дБ] = 3 + g_НВО [дБ] + Г [дБ/м] • L [м] + (g₃ + g_В + g₄) [дБ] (20)
Реальная чувствительность динамического запоминающего устройства определяется мощностью внешнего фонового шума P_Ф, принимаемого совместно с сигналом, и внутренних флуктуационных шумов линейного тракта, включающего оптический передатчик 2, фотоприемник 6, широкополосный усилитель мощности СВЧ 7 и делитель мощности 1.

В соответствии с [3] спектральная плотность мощности амплитудных шумов передающего оптического модуля, выделяемых на нагрузке фотодиода фотоприемника 6,
W_АМПЛ.Ш = (S_ФДJ_Н)²R_Н.ФДRIN,
где RIN - относительный шум интенсивности дБ/Гц.

На выходе фотодиода фотоприемника 6 необходимо учитывать источники со спектральной плотностью мощности шума темнового тока
W_ТЕМН.Т = 2ei_ТЕМН.ТS_ФДJ_ФДR_Н.ФД,
дробового шума оптического излучения
W_ДР.Ш = 2eS_ФДJ_ФДK_ВОЛЗR_Н.ФД
и теплового шума усилительного каскада фотоприемника 6
W_ТЕПЛ.Ш = (Ш_УС.К - 1)k_БT,
где e = 1,6e-19 Кл - заряд электрона;
i_ТЕМН.Т - среднее значение темнового тока фотодиода;
k_Б = 1,38•10 - 23 Дж/К - постоянная Больцмана;
T - абсолютная температура, K;
Ш_УС.К - коэффициент шума усилительного каскада ФПМ.

Заметим, что амплитудные и дробовые шумы
W₁ = W_АМПЛ.Ш + W_ДР.Ш
согласно (2) и (4) нестационарны во времени и изменяются в пределах формируемой последовательности копий. Ориентируясь на усредненное значение J_ФД, найдем

Лишь в частном случае K_НВО = 0.5 и β_П = 1 спектральная плотность мощности шумов W_i = W₀, i ≥ 0 останется постоянной в пределах всей формируемой последовательности копий радиосигнала.

Выражение W_фпр.i = W_i + W_ТЕМН.Т + W_ТЕПЛ.Ш, i ≥ 0 определяет спектральную плотность мощности шумов ФП 6.

Собственные шумы усилителя широкополосного усилителя мощности СВЧ 7 определяются тепловыми шумами, спектральная плотность мощности W_ШУ = (Ш_ШУ - 1)k_БT которых определяется коэффициентом шума Ш_ШУ.

В волоконно-оптическом усилителе 8 шумы обусловлены спонтанным излучением с интенсивностью J_СП.ИЗЛ.

В исходном состоянии в отсутствие запоминаемого (тиражируемого) сигнала напряжение на первом выходе блока управления 11 обеспечивает минимальные потери оптического излучения в волоконно-оптическом ключе 4. Напротив, отсутствие напряжения на втором выходе блока управления 11 позволяет получить коэффициент пропускания K_ВОУ ВОА 10 близким к нулю.

При появлении в момент t₀ (на фиг. 2 принято t₀ = 0) на входе динамического запоминающего устройства аналогового сигнала СВЧ (1) последний преобразуется в оптический сигнал, интенсивность которого изменяется в строгом соответствии с законом мгновенного изменения уровня радиосигнала. Линейный закон модуляции оптического излучения достигается благодаря использованию современных полупроводниковых инжекционных лазеров, допускающих прямую модуляцию излучения путем изменения тока накачки и имеющих линейную модуляционную характеристику.

Далее через открытый волоконно-оптический ключ 4 модулированное оптическое излучение поступает на первый порт НВО 5. На выходе динамического запоминающего устройства формируется 0-я копия радиосигнала с мощностью
P_N=0 = KP_С.

При этом мощность шума
P_Ш.О = KP_Ф + P_{АМПЛ.Ш.О.} + P_ДР.Ш.О + P_ТЕПЛ.Ш
и отношение сигнал/шум

Одновременно в момент t₀ часть входного сигнала со второго выхода делителя мощности 1 поступает на вход блока управления 11, благодаря чему на выходах последнего появляются сигналы, управляющие дальнейшим состоянием волоконно-оптического ключа 4 и ВОА 10.

Сигнал управления u₁(t) (см. фиг. 2,б) на первом выходе блока управления 11 исчезает с некоторой задержкой Dt после окончания входного сигнала u_ВХ(t). В результате фоновое излучение с выхода ЛД 3 не поступает на первый порт НВО 5, начиная с временного момента t = τ_И+Dt.
Управляющий сигнал u₂(t) на втором выходе блока управления 11 (см. фиг. 2, в) появляется в момент t = t₀+τ_з-Dt и представляет собой постоянное напряжение U₂₁. Под действием указанного напряжения ВОА 10 обеспечивает минимальное затухание оптического излучения в петле обратной связи.

Благодаря волоконно-оптическому ключу 4 и ВОА 10 из выходного излучения лазерного диода 3 формируется световой импульс длительностью τ_з, постоянно циркулирующий по цепи обратной связи. Вследствие отсутствия на порте 1 НВО 5 к моменту формирования 1-й копии оптического излучения в динамическом запоминающем устройстве не происходит накопления фоновых, амплитудных и дробовых составляющих шума, т.е.

Лишь спонтанное излучение волоконно-оптического усилителя 8, циркулируя по петле обратной связи с момента t₀+τ_з, приводит к увеличению интенсивности излучения на фотодиоде в момент формирования N-й копии на величину

Вследствие последнего на выходе динамического запоминающего устройства появляется дополнительная шумовая составляющая с мощностью

Отношение сигнал/шум q_N в момент формирования N-й копии радиосигнала при K_НВО = 0,5 удовлетворяет условию

Упрощенные формулы для расчета отношения сигнал/шум динамического запоминающего устройства с оптической обратной связью, работающего в режиме ожидания, сведены в таблицу на фиг. 3 для четырех наиболее характерных случаев.

В момент t = t₀+τ_з-Dt на электрический вход ВОА 10 воздействует напряжение u₂(t) = U₂₁ (см. фиг. 2,в), которое обеспечивает максимальное значение коэффициента передачи по замкнутой петле рециркуляции β_П > 1. При β_П ≫ 1 отношение сигнал/шум стремится к предельному значению

Отсутствие зависимости q_ПРЕД от номера копии N объясняется тем, что при большом значении петлевого коэффициента усиления β_П вклад внутренних флуктуационных шумов к усиленному после первой рециркуляции уровню шума пренебрежимо мал.

В момент t = t₀+τ_з-Dt+T₁ напряжение u₂(t) = U₂₂ на электрическом входе АОП 10 обеспечивает затухание оптического излучения, циркулирующего по петле обратной связи. При этом устанавливается β_П = 1 (см. фиг. 2,в).

После формирования требуемого количества N копий радиосигнала (см. фиг. 2,в) в момент t = t₀+τ_з+Dt+T_И затухание ВОА 10 снова принимает исходное значение (β_П = 0).
Таким образом, благодаря наличию управляющего сигнала u₂(t), воздействующего на ВОА 10, процесс запоминания входной информации
разбивается на два цикла: в первом формируется m копий при β_П = β_П1 > 1, а во втором - N копий при β_П = β_П2 < β_П1. Выбор величин m, N, β_П1, β_П2 в общем случае регламентирован заданным отношением сигнал/шум копий сигнала, динамическим диапазоном D устройства и величиной дисперсии волоконного световода 9.

Можно показать, что в предлагаемом устройстве отношение сигнал/шум произвольной i-ой копии (i = 1...m) при β_П = 2 составит

где

Значения коэффициентов a₁, a₂ и a₃ в формуле (21) сведены в таблицу на фиг. 4. Здесь α = DJ₁/(βJ₀).

Заметим, что уже для 4-й копии ослабление тепловых шумов в динамическом запоминающем устройстве оценивается в 24 дБ, дробовых шумов - в 12 дБ.

Амплитудные же шумы, напротив, достигают своего предельного значения. Следовательно, уже при i ≥ 4 отношение сигнал/шум не зависит от числа формируемых копий i.

Для увеличения отношения сигнал/шум формально величину β_П следует выбирать как можно больше. Однако в связи с быстрым ростом при этом мощности сигнала и шума, циркулирующих по петле обратной связи, реализовать это условие практически не представляется возможным из-за ограниченного динамического диапазона волоконно-оптического усилителя 8. Поэтому в первом цикле запоминания целесообразно ориентироваться на β_П = 2.
При этом оказывается, что динамический диапазон выходного процесса динамического запоминающего устройства определяется простым соотношением
Д_С ≈ 6i, дБ.

Если принять, что при этом динамический диапазон устройства используется не более чем наполовину, то число копий сигнала, формируемых в первом цикле запоминания, составит

Динамический диапазон реальных волоконно-оптических систем передачи аналоговых сигналов составляет не более 60 дБ по мощности. Следовательно, в первом цикле запоминания согласно (23) может быть сформировано не более 10 копий.

Начиная с момента t = t₀+τ_з-Dt+T₁, затухание ВОА 10 изменяется, обеспечивая β_П = 1. Начинается второй цикл запоминания информации. К этому моменту отношение сигнал/шум циркулирующей по замкнутому контуру динамического запоминающего устройства смеси сигнала и шума практически достигает своего предельного значения и в дальнейшем изменяется очень незначительно, что позволяет при β_П = 1 во много раз увеличить время хранения информации во втором цикле запоминания по сравнению с первым.

Во втором цикле запоминания значения сигнала и шума последней m-й копии на входе динамического запоминающего устройства, сформированной в первом цикле, рассматриваются как исходные и адекватны соответственно величине сигнала и фонового шума в первом цикле. Можно показать, что в этом случае накопление фоновых, амплитудных и дробовых составляющих шумов подчинено закону
P_Ф.Ш(m+j) = β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2m}}{\text{П1}}$ β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2j}}{\text{П1}}$ KP_Ф,
P_АМПЛ.Ш.(m+j) = β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2m}}{\text{П1}}$ β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2j}}{\text{П1}}$ P_{АМПЛ.Ш.0},
P_ДР.Ш(m+j) = β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{m}}{\text{П1}}$ β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{j}}{\text{П1}}$ P_ДР.Ш.0.
Для интенсивности спонтанного излучения волоконно-оптического усилителя 8, циркулирующего по петле обратной связи, справедливо выражение

При этом на выходе динамического запоминающего устройства появляется дополнительная шумовая составляющая с мощностью

Учитывая, что мощность копий радиосигнала во втором цикле
P_m+j = β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2m}}{\text{П1}}$ β $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2j}}{\text{П2}}$ KP_c, j ≥ 0,
найдем допустимое отношение сигнал/шум

При β_П.2 = 1 формула (24) принимает вид

Принимая в дальнейшем Д_У = 60 дБ и полагая в формуле (25) β_П.1 = 2 и m = 10, находим

Заметим, что в момент завершения первого цикла формирования копий (m = 10 и j = 0)

Частное от деления (26) на (27) определяет ухудшение отношения сигнал/шум во втором цикле. Так, например, при α = 0 (отсутствие спонтанного излучения волоконно-оптического усилителя) отношение сигнал/шум остается практически неизменным относительно достигнутого в первом цикле при m = 10.

Если определяющими являются амплитудные шумы излучения оптического передатчика 2 и волоконно-оптического усилителя 8 (β₂ = β₃ = 0), то в случае a = 0,01 и β₁ = 0,1 лишь при j > 300000 отношение сигнал/шум уменьшится в два раза. Аналогично, при обладающем характере дробовых шумов (β₁ = β₃ = 0) отношение сигнал/шум уменьшается в два раза при J > 10⁵.

Заметим, что в прототипе подобное уменьшение отношения сигнал/шум начинается при j > 2048. Таким образом, в предлагаемом изобретении удается на два порядка увеличить количество тиражируемых копий радиосигнала.

Поскольку во втором цикле формирования копий отношение сигнал/шум изменяется незначительно, то основой для количественной оценки качества динамического запоминающего устройства целесообразно выбрать отношение сигнал/шум q_М в момент формирования последней m-й копии в первом цикле.

Для прототипа с радиочастотной обратной связью отношение сигнал/шум

определяется коэффициентом K_П передачи по замкнутой петле рециркуляции.

Сравнение (28) с данными таблицы на фиг. 3 показывает, что включение в цепь обратной связи волоконно-оптического усилителя позволяет повысить отношение сигнал/шум для N-й копии радиосигнала в случаях преобладания дробовой и/или тепловой составляющей. Так, например, при K_П = β_П = 2, m = 10 и преобладании тепловых шумов в предлагаемом изобретении удается обеспечить отношение сигнал/шум

В это время в прототипе даже при Ш = 2 отношение сигнал/шум уменьшается в 3 раза.

При доминирующей роли фоновой или амплитудной составляющих шума эффективность динамического запоминающего устройства с радиочастотной и оптической обратной связью соизмеримы.

Процесс запоминания информации заканчивается через время T_И. При этом на первом выходе блока управления 11 появляется напряжение u₁(t), открывающее волоконно-оптический ключ 4 (см. фиг. 2,б). На втором выходе блока управления 11 напротив напряжение u₂(t) становится равным нулю (см. фиг. 2,в), приводя к разрыву цепи обратной связи. В результате все функциональные элементы динамического запоминающего устройства переходят в исходные состояния. При поступлении на вход новых данных описанный выше процесс запоминания информации повторяется.

Блок управления 11 работает следующим образом (см. фиг. 5 и 6 при t_О = 0).

Усиленный в широкополосном усилителе 12 радиосигнал u(t) со второго выхода делителя мощности 1 преобразуется в функциональном преобразователе 13 в видеосигнал u_ФП(t) длительностью τ_з ≤ τ_И. Задержанный в ЛЗ 14 на Δt видеосигнал u₃₁(t) запускает своим задним фронтом первый формирователь импульсов 15, который генерирует видеоимпульс u₁(t) длительностью T_И.

Вторая ЛЗ 16 обеспечивает задержку видеоимпульса с выхода первой ЛЗ 14 дополнительно на время τ_з-τ_И-2Δt. Задним фронтом этот импульс u₃₂(t) запускает второй формирователь импульсов 17, который генерирует видеоимпульс u₃ длительностью T₁. Наличие положительного напряжения на управляющем входе второго ключа 20 обеспечивает установку на выходе напряжения u₂₁.

Задним фронтом видеоимпульса с выхода второго формирователя импульсов 17 запускается третий формирователь импульсов 18, генерирующий видеоимпульс u₄(t), открывающий первый ключ 19 и устанавливающий на первом входе сумматора 21 напряжение u₂₂. На выходе сумматора 21 происходит скачкообразное изменение напряжения u₂(t).

Функциональные элементы динамического запоминающего устройства и устройство в целом (см. фиг. 1) удовлетворяют критерию промышленного применения.

Применительно к элементам схемы ДЗУ 2, 3, 4, 5, 6, 9 и 10 (см. фиг. 1) можно отметить следующее. Промышленность освоила и серийно выпускает довольно широкий класс полупроводниковых лазерных излучателей и передающих оптических модулей на длину волны (1,3-1,55) мкм, способных работать в одномодовом режиме при комнатной температуре и обладающих приемлемыми потребительскими характеристиками. В частности, передающий оптический модуль ПОМ-13М имеет следующие основные данные (Стручева О.Ф., Безбородова Т.М. Изделия волоконно-оптической техники: Каталог. - М.: Экос, 1993. - 142 с.):
Длина волны излучения, мкм - 1,3-1,55
Мощность излучения, мВт - 1
Ширина огибающей спектра ОИ, нм - 0,01
Скорость передачи информации, Мбит/с - 5000
Режим генерации - Одночастотный
Полоса пропускания современных одномодовых волоконных световодов достигает 100 ГГц км и более при групповой задержке сигнала порядка 5 мкс/км и дисперсии на длине волны 1,3 мкм не более 3,5 пс/(нм км) (Братчиков А.Н. Волоконно-оптические линии задержки широкополосных радиосигналов// Зарубежная радиоэлектроника. - 1988. - N 3. - С. 85-94).

Среди отечественных волоконно-оптических усилителей можно отметить ОА-850 и ОА-1300 с коэффициентами усиления K_ВОУ, равными 6 и 10 дБ при уровне входного сигнала 20...100 мкВт (изготовитель НИИ "Волга" НПО "Рефлектор"), и одномодовый волоконно-оптический усилитель на длину волны 1,53...1,55 мкм (кооператив "Файбероптик").

Фирма "Пирелли КАВИ СПА" (Италия) предлагает оптический усилитель "AMPLIPHOS" на эрбиевом волокне, работающий в оптическом диапазоне l = 1530. ..1560 нм и обеспечивающий при входной интенсивности J_ВХ i -3 дБм и l = 1550 нм выходную интенсивность насыщения 10...15 дБм. При этом оптимальное усиление K_ВОУ равно 22...30 дБ, а коэффициент шума Ш_ВОУ при J_ВХ = -30 дБм не превышает 4 дБ.

Фотоприемные устройства (ФПУ) обычно представляют собой сочетание фотодиода и каскада предварительного усиления сигнала фотоответа. Максимальная полоса детектируемых сигналов серийных фотодиодов достигает (5-10) ГГц при чувствительности по мощности ОИ порядка минус 30 дБм, динамическом диапазоне (20-25) дБ и крутизне характеристик детектирования (0,5-0,8) мА/мВт по току (Стручева О.Ф., Безбородова Т.М. Изделия волоконно-оптической техники: Каталог. - М.: Экос, 1993. - 142 с.).

По данным работы (Микроэлектронные устройства СВЧ/Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высшая школа, 1988. - С. 68-75) многоступенчатые делители мощности обеспечивают развязку выходных плеч без применения вентильных устройств до 30 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия диапазона 1,44. С использованием современных ферритовых вентилей (Ферритовые СВЧ приборы // Производственное объединение "Гранит", г. Ростов на Дону, 1992) развязка плеч делителя 1 (см. фиг. 1) может быть увеличена не менее чем на (25-30) дБ при прямых потерях порядка (0,5-0,8) дБ.

Все элементы БУ 11 также удовлетворяют критерию промышленного применения. Формирователи импульсов 15, 17 и 18 легко реализуются на основе, например, последовательного соединения дифференцирующей цепи, усилителя-ограничителя и (при необходимости) инвертора. Электронные выключатели (ключи) на современных pin-диодах широко применяются для управления амплитудой сигнала в трактах СВЧ и обеспечивают в разомкнутом состоянии затухание до 90 дБ, при прямых потерях в замкнутом состоянии - не более 1 дБ.

В качестве усилителей СВЧ (см. п. 7 на фиг. 1 и п. 12 на фиг. 5) в настоящее время наиболее широко используются транзисторные усилители, работающие в диапазоне частот (0,1-25) ГГц и имеющие полосу усиления (4-80)%, коэффициент усиления на каскад (3,5-20) дБ, коэффициент шума (2-6) дБ и динамический диапазон входного сигнала (80-90) дБ (Микроэлектронные устройства СВЧ/Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высшая школа, 1988. - с. 78-86, 225).

Claims (1)

1. Динамическое запоминающее устройство радиосигналов, содержащее делитель мощности, первый выход которого соединен с оптическим передатчиком с лазерным диодом, а также фотоприемник, выход которого подключен к входу широкополосного усилителя СВЧ, а также волоконный световод и аттенюатор, управляющий вход которого соединен с вторым выходом блока управления, вход которого подключен к второму выходу делителя мощности, отличающееся тем, что в него дополнительно введены волоконно-оптический ключ, направленный волоконный ответвитель, волоконно-оптический усилитель, а аттенюатор выполнен волоконно-оптическим, причем выход оптического передатчика оптически связан с входом волоконно-оптического ключа, выход которого соосно подключен к первому порту направленного волоконного ответвителя, второй порт которого оптически связан с фотоприемником, последовательно соединены и оптически связаны третий порт направленного волоконного ответвителя, волоконно-оптический усилитель, волоконный световод, волоконно-оптический аттенюатор и четвертый порт направленного волоконного ответвителя, первый выход блока управления подключен к управляющему входу волоконно-оптического ключа, входом устройства является вход делителя мощности, а выходом - выход широкополосного усилителя СВЧ.

Images