RU2213421C1 - Динамическое запоминающее устройство радиосигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике формирования и обработки радиосигналов. Технический результат заключается в расширении возможностей управления процессом формирования последовательности копий при сохранении высокой идентичности копий и малом расходе волоконного световода. Достигается тем, что в динамическое запоминающее устройство, содержащее передающий оптический (О) модуль (ПОМ) (3), N волоконно-оптических (В-O) линий задержки (ВОЛЗ) (9), блок управления (БУ) (6) и фотодетектор (ФД) (6), выход которого является выходом устройства, введены широкополосный усилитель (ШУ) (1), делитель мощности (ДМ) (2), В-O усилитель (ВОУ) (4), разделительный направленный В-O ответвитель Y-типа (РНВО) (7), 2N В-О ключей (ВОК) (8), N-1 направленных В-O ответвителей Х-типа (НВО) (10) и суммирующий направленный В-O ответвитель Y-типа (СНВО) (11), причем входом является вход ШУ (1), выход которого соединен с входом ДМ (2), первый выход которого соединен с электрическим входом ПОМ (3), О выход которого через ВОУ (4) соединен с входом РНВО (7). 18 ил.

Description

Изобретение относится к технике формирования и обработки радиосигналов.

Известен ряд рециркуляционных запоминающих устройств на основе волоконно-оптических линий задержки (ВОЛЗ), в которых формирование копий сигнала осуществляется за счет ответвления части оптического излучения в петлю рециркуляции, представляющую собой отрезок волоконного световода (ВС) заданной длины.

В патенте 4473270 США, МКИ G 02 B 005/172, описано устройство, содержащее передающий оптический модуль (ПОМ), направленный волоконный ответвитель (НВО) Х-типа, ВОЛЗ в виде отрезка ВС и фотодетектор. Оптический выход ПОМ, электрический вход которого является входом устройства, соединен с первым входным портом НВО Х-типа, третий выходной порт которого через ВОЛЗ с временем задержки τ_зад соединен со вторым входным портом НВО Х-типа. Четвертый выходной порт НВО соединен с оптическим входом фотодетектора, электрический выход которого является выходом устройства.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ПОМ, НВО Х-типа, ВОЛЗ, фотодетектор.

Недостатками такого устройства являются невозможность управления последовательностью формируемых копий, высокая неидентичность копий за счет затухания сигнала в ВС от копии к копии и в связи с последовательным выводом части оптического излучения из процесса рециркуляции, а также накопление шумов при рециркуляции сигнала.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются отсутствие средств для управления процессом тиражирования входного сигнала, а также затухание сигнала от копии к копии в связи с последовательным выводом части энергии оптического излучения из процесса циркуляции. В результате при постоянном уровне шумов фотоприемника отношение сигнал/шум копий на выходе устройства и их уровень быстро снижаются, что в конечном итоге и обуславливает малое время хранения информации и высокую неидентичность копий.

В устройстве, описанном в патенте 4479701 США, МКИ G 02 B 005/172, применено два НВО Х-типа и ВОЛЗ. Оптическим входом устройства является первый входной порт первого НВО Х-типа, третий выходной порт которого соосно соединен с первым входным портом второго НВО Х-типа, четвертый выходной порт которого через ВОЛЗ в виде отрезка ВС с временем задержки τ_зад соединен со вторым входным портом НВО Х-типа, причем оптическим выходом устройства является третий выходной порт второго НВО Х-типа.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются два НВО Х-типа, ВОЛЗ.

Недостатками такого устройства являются невозможность управления последовательностью формируемых копий, а также накопление шумов при рециркуляции сигнала. Кроме того, указанное устройство также не обеспечивает равномерность уровня копий выходного радиосигнала.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются отсутствие средств для управления процессом тиражирования входного сигнала, а также затухание сигнала от копии к копии в связи с последовательным выводом части энергии оптического излучения из процесса циркуляции через оптический выход устройства и четвертый выходной порт первого НВО Х-типа, причем во втором случае энергия оптического излучения бесполезно теряется. В результате при постоянном уровне шумов фотоприемника и заданных коэффициентах ответвления НВО Х-типа отношение сигнал/шум копий на выходе устройства и их уровень быстро снижаются.

Известны устройства динамической памяти на основе многоотводных ВОЛЗ, в которых формирование копий осуществляется за счет ответвления части оптического излучения через определенные расстояния с помощью специальных отводов.

В патенте 4558920 США, МКИ G 02 B 005/172, описано устройство, содержащее ПОМ, многоотводную ВОЛЗ в виде намотанного на барабан ВС, оптический стержень и фотодетектор. Входом устройства является электрический вход ПОМ, оптический выход которого соединен с входом ВОЛЗ, причем излучения с отводов ВС, намотанного на барабан, проецируются в сращенный с основным волокном путем удаления оболочки на его части оптический стержень, с выхода которого поступают на оптический вход фотодетектора, электрический выход которого является выходом устройства.

Признаками аналогов, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ПОМ, ВОЛЗ, фотодетектор.

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

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются отсутствие средств для управления процессом тиражирования входного сигнала, а также то, что из технологических соображений коэффициенты ответвления оптического излучения с отводов волоконного световода выполняются одинаковыми. В этом случае благодаря последовательному ответвлению части оптического сигнала амплитуда выходных сигналов устройства с ростом числа копий уменьшается и тем заметнее, чем больше коэффициент ответвления.

В устройстве, описанном в патенте 4557552 США, МКИ G 02 B 005/172, применены ПОМ, многоотводная ВОЛЗ в виде намотанного на барабан ВС, две линзы и фотодетектор. Входом устройства является электрический вход ПОМ, оптический выход которого соединен с входом ВОЛЗ, причем оптическое излучение может частично выходить из ВС на специально выполненных изгибах, которое затем фокусируется с помощью первой и второй линз и подается на оптический вход фотодетектора, электрический выход которого является выходом устройства.

Признаками аналогов, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ПОМ, ВОЛЗ, фотодетектор.

Недостатками такого устройства являются невозможность управления последовательностью формируемых копий, высокая неидентичность копий за счет затухания сигнала в ВС от копии к копии и в связи с выводом оптического излучения из ВС, а также сложность изготовления.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются отсутствие средств для управления процессом тиражирования входного сигнала, а также то, что из технологических соображений коэффициенты ответвления оптического излучения с отводов волоконного световода выполняются одинаковыми. В этом случае благодаря последовательному ответвлению части оптического сигнала амплитуда выходных сигналов устройства с ростом числа копий уменьшается и тем заметнее, чем больше коэффициент ответвления. 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 устройства.

Известно устройство для формирования копий радиосигнала (патент 4128759 США, МКИ Н 04 В 009/00), содержащее передающий оптический модуль (ПОМ), N ВОЛЗ в виде отрезков ВС различных длин и фотодетектор. Оптический сигнал с выхода ПОМ поступает на жгут, образованный входными торцами ВОЛЗ, с выходных торцов которых оптическое излучение подается на фотодетектор. Формирование копий осуществляется за счет задержки частей оптического излучения на различное время в различных ВОЛЗ и их последующем суммировании в фотодетекторе.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ПОМ, ВОЛЗ, фотодетектор.

Недостатками устройства являются невозможность управления последовательностью формируемых копий, а также высокие потери на ввод оптического излучения из ПОМ во входные торцы световодов ВОЛЗ.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются отсутствие средств для управления процессом тиражирования входного сигнала, а также то, что для формирования М копий входного сигнала с периодом следования τ_зад необходимо использование М световодов общей длиной порядка 0,5•М²•L, что в М/2 раз превышает длину используемого ВС в заявляемом объекте (где L - длина ВС, обеспечивающего задержку τ_зад).

Известно устройство волоконно-оптической динамической памяти (патент 4976518 США, МКИ G 02 B 006/26), включающее в свой состав N каскадов: первый каскад состоит из одного делящего оптическое излучение на три части НВО типа 1х3, входной порт которого является оптическим входом устройства, а три выходных порта которого непосредственно и через ВОЛЗ с временами задержки 3^N-1•τ_зад и 2•3^N-1•τ_зад, определяемыми длинами используемых ВС, соединены с входными портами трех НВО типа 1х3 второго каскада (где τ_зад - период следования копий), j-й каскад состоит из 3^j-1 НВО типа 1х3, три выходных порта каждого из которых непосредственно и через ВОЛЗ с временами задержки 3^N-j•τ_зад и 2•3^N-j•τ_зад соединены с входными портами 3^j НВО типа 1х3 (j+1)-го каскада. Выходные порты каждого из 3^N-1 НВО типа 1х3 последнего N-го каскада непосредственно и через ВОЛЗ с временами задержки τ_зад и 2τ_зад соединены с интегрированным устройством управления, представляющим собой массив из 3^N оптических ключей, выход которого является оптическим выходом устройства.

Формирование копий осуществляется за счет деления оптического излучения в каждом НВО типа 1х3 на три части, задержки каждой части излучения на определенное время и их последующего суммирования. Использование N каскадов позволяет формировать 3^N копий входного оптического сигнала.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ВОЛЗ.

Недостатками устройства являются высокий расход ВС, использование большого числа оптических ключей и НВО, а также использование НВО типа 1х3, делящих оптический сигнал на три части, что приводит к увеличению потерь оптического излучения и снижению отношения сигнал/шум на выходе устройства.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результатa, является то, что для формирования М копий входного сигнала с периодом следования τ_зад необходимо использование ВС общей длиной порядка M•L•log₃M, что в log₃M раз превышает длину используемого ВС в заявляемом объекте (где L - длина ВС, обеспечивающего задержку τ_зад), а также то, что количество используемых НВО в рассматриваемом устройстве превышает количество НВО X-типа в заявляемом объекте в 1,5•(М/log₂M) раз и потери в НВО типа 1х>3, делящих оптический сигнал на три части, примерно в 1,5 раза больше, чем потери в НВО Х-типа, используемых в заявляемом объекте, что приводит к увеличению потерь оптического излучения.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является программируемая ВОЛЗ, предназначенная для использования в системах тестирования радиолокационных станций (патент 5177488 США, МКИ G 01 S 007/40).

Программируемая ВОЛЗ содержит ПОМ, N волоконно-оптических переключателей (ВОП) типа 1х2 ВОП₁, ВОП₃,..., ВОП_2N-1, N волоконно-оптических переключателей типа 2х1 ВОП₂, ВОП₄, ..., ВОП_2N, N волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ₁, . . . , ВОЛЗ_N, выполненных в виде отрезков ВС заданных длин, а также фотодетектор и блок управления.

Входом устройства является электрический вход ПОМ, оптический выход которого подключен к оптическому входу первого ВОП типа 1х2. Первый выходной порт первого ВОП типа 1х2 соосно соединен с первым входным портом второго ВОП типа 2х1, выходной порт которого соединен с входным портом третьего ВОП типа 1х2. Первый выходной порт 2j-го ВОП типа 1х2 соосно соединен с первым входным портом (2j+1)-го ВОП типа 2х1, выходной порт которого подключен к входному порту (2j+2)-го ВОП типа 1х2. Выходной порт последнего 2N-го ВОП типа 2х1 соосно соединен с оптическим входом фотодетектора, выход которого является выходом устройства. Второй выходной порт первого ВОП типа 1х2 через первую ВОЛЗ соединен с вторым входным портом второго ВОП типа 2х1, второй выходной порт 2j-го ВОП типа 1х2 через j-ю ВОЛЗ соединен с вторым входным портом (2j+1)-го ВОП типа 2х1. Второй выходной порт предпоследнего (2N-1)-го ВОП типа 1x2 через последнюю N-ю BOЛ3_N соединен с вторым входным портом последнего 2N-го типа 2х1. Для управления волоконно-оптическими переключателями служит блок управления БУ, выходы 1, 2..., 2N-1, 2N которого подключены к управляющим входам первого, второго,..., (2N-1)-го, 2N-го волоконно-оптических переключателей.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Передающий оптический модуль преобразует входной радиосигнал в модулированное излучение оптического диапазона, которое подается на входной порт первого ВОП. Дальнейший путь распространения оптического излучения и, соответственно, время его задержки зависит от состояния всех волоконно-оптических переключателей. Управление состояниями волоконно-оптических переключателей с помощью блока управления позволяет включать в общий путь прохождения оптического излучения те или иные ВОЛЗ и тем самым формировать копию входного сигнала с заданным дискретным временем задержки. Минимальное время задержки получается, когда волоконно-оптические переключатели находятся в таком состоянии, что оптический сигнал не проходит ни через одну ВОЛЗ, а максимальное время задержки - когда оптическое излучение задерживается во всех ВОЛЗ. С выхода последнего 2N-го ВОП оптический сигнал поступает на вход фотодетектора, который осуществляет обратное преобразование модулированное излучения оптического диапазона в радиосигнал.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ПОМ, блок управления, N ВОЛЗ и фотодетектор, выход которого является выходом устройства.

Недостатком программируемой ВОЛЗ является то, что данное устройство по существу является линией задержки с дискретным временем задержки. Данное устройство позволяет формировать только одну копию входного радиосигнала с различной временной задержкой и не обеспечивает тиражирования радиосигнала.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является использование волоконно-оптических переключателей, что позволяет получать при любом заданном сочетании состояний переключателей только один путь для формирования одной копни сигнала.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в управлении процессом тиражирования входного радиосигнала в динамическом запоминающем устройстве с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой.

Технический результат заключается в расширении возможностей управления процессом формирования последовательности копий при сохранении высокой идентичности копий и малом расходе волоконного световода.

В предлагаемом изобретении вместо волоконно-оптических переключателей используются последовательно соединенные НВО Х-типа и волоконно-оптические ключи (ВОК), за счет чего удается получить различные пути для прохождения оптического излучения в волоконно-оптической структуре, что значительно расширит возможности по управлению процессом формирования копий при сохранении высокой идентичности копий и малом расходе волоконного световода.

Технический результат достигается тем, что в динамическое запоминающее устройство, содержащее передающий оптический модуль, N волоконно-оптических линий задержки, блок управления и фотодетектор, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены широкополосный усилитель, делитель мощности, волоконно-оптический усилитель, разделительный направленный ответвитель Y-типа, 2N волоконно-оптических ключей, (N-1) направленных волоконных ответвителей Х-типа и суммирующий направленный волоконный ответвитель Y-типа.

Причем входом устройства является вход широкополосного усилителя, выход которого соединен с входом делителя мощности, первый выход которого соединен с электрическим входом передающего оптического модуля, оптический выход которого через волоконно-оптический усилитель соединен с входом разделительного направленного волоконного ответвителя Y-типа, первый выходной порт которого через первый волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту первого направленного волоконного ответвителя Х-типа, третий выходной порт которого через второй волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту второго направленного волоконного ответвителя Х-типа, третий выходной порт j-го направленного волоконного ответвителя через (j+1)-й волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту (j+1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа, третий выходной порт последнего (N-1)-го направленного волоконного ответвителя через N-й волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, выходной порт которого соосно соединен с оптическим входом фотодетектора.

Причем второй выходной порт разделительного направленного ответвителя Y-типа через последовательно соединенные (N+1)-й волоконно-оптический ключ и первую волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту первого направленного волоконного ответвителя Х-типа, четвертый выходной порт которого через последовательно соединенные (N+2)-й волоконно-оптический ключ и вторую волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту второго направленного волоконного ответвителя Х-типа, четвертый выходной порт j-го направленного волоконного ответвителя через последовательно соединенные (N+j+1)-й волоконно-оптический ключ и (j+1)-ю волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту (j+1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа, четвертый выходной порт последнего (N-1)-го направленного волоконного ответвителя через последовательно соединенные последний 2N-й волоконно-оптический ключ и последнюю N-ю волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, причем второй выход делителя мощности соединен с входом блока управления, j-й выход которого подключен к управляющему входу j-го волоконно-оптического ключа.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого объекта выявил следующие существенные признаки для заявляемого объекта:
- введен широкополосный усилитель для уменьшения коэффициента шума устройства;
- введен делитель мощности для подачи части входного сигнала на блок управления для синхронизации работы блока управления с моментом прихода радиосигнала;
- введен волоконно-оптический усилитель для компенсации потерь на преобразование электрического сигнала в оптическое излучение и потерь в ВОС;
- введен разделительный НВО Y-типа для подачи входного излучения непосредственно на первый входной порт и через последовательно соединенные первый ВОК и первую ВОЛЗ на второй входной порт первого НВО Х-типа;
- введены (N-1) НВО Х-типа для обеспечения тиражирования копий, благодаря суммированию излучений, поступающих на первый и второй входные порты НВО Х-типа, причем просуммированные излучения делятся между третьим и четвертым выходными портами НВО Х-типа;
- введен суммирующий НВО Y-типа, благодаря которому можно использовать только один фотодетектор: на фотодетектор поступает сумма оптических излучений с третьего выходного порта последнего (N-1)-го НВО Х-типа через N-й ВОК и с четвертого выходного порта последнего (N-1)-го НВО Х-типа через последовательно соединенные последний 2N-й ВОК и последнюю N-ю ВОЛЗ;
- введены 2N волоконно-оптических ключей для управления последовательностью формируемых копий.

Таким образом, благодаря введению в динамическое запоминающее устройство последовательно соединенных НВО Х-типа и волоконно-оптических ключей удается обеспечить различные пути прохождения оптического излучения в волоконно-оптической структуре, что значительно расширяет возможности по управлению процессом формирования копий при сохранении высокой идентичности копий и малого расхода волоконного световода.

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 структурная схема динамического запоминающего устройства с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой, а на фиг. 2 - эпюры, поясняющие принцип работы устройства.

На фиг. 3 показана структурная схема блока управления, а на фиг.4 - эпюры, поясняющие принцип его работы.

На фиг. 5 приведена структурная схема динамического запоминающего устройства с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой в случае невозможности определения в блоке управления информации о моменте прихода и длительности входного радиосигнала.

На фиг.6 показаны различные варианты формируемых копий при использовании только первых N ВОК для ДЗУ с управляемой бинарной ВОС при N=4 (справа от каждой последовательности на фиг.13б-13д указаны номера разомкнутых ВОК).

На фиг.7 приведены различные варианты формируемых копий, получаемые при различных сочетаниях разомкнутых ключей, которые позволяют изменять относительные местоположения формируемых копий при одном и том же виде их последовательности для ДЗУ с управляемой бинарной ВОС при N=4 (справа от каждой последовательности указаны номера разомкнутых ВОК, причем номеру j' соответствует (N+j)-й ВОК).

На фиг. 8 показаны результаты расчетов количества вариантов получаемых копий в заявляемом объекте при различном числе используемых ВОЛЗ.

На фиг. 9 приведены все возможные варианты формируемых копий для ДЗУ с управляемой бинарной ВОС при использовании трех ВОЛЗ (справа от каждой последовательности указаны номера разомкнутых ВОК, причем номеру j' соответствует (N+j)-й ВОК).

На фиг. 10 приведены результаты расчетов потерь оптического излучения в бинарной волоконно-оптической структуре для последней копии радиосигнала при различном числе используемых волоконно-оптических линий задержки.

На фиг. 11 представлены зависимости неидентичности формируемых в устройстве копий входного радиосигнала от числа формируемых копий при различных периодах следования копий.

На фиг. 12 приведена структурная схема рециркуляционного запоминающего устройства с одним ответвителем (патент 4473270 США, МКИ G 02 B 005/172), где приняты следующие обозначения: ПОМ - передающий оптический модуль, НВО - направленный волоконный ответвитель Х-типа, ВОЛЗ - волоконно-оптическая линия задержки с временем задержки τ_зад, ФД - фотодетектор.

На фиг. 13 приведена структурная схема рециркуляционного запоминающего устройства с двумя ответвителями (патент 4479701 США, МКИ G 02 B 005/172), где приняты следующие обозначения: НВО - направленный волоконный ответвитель Х-типа, ВОЛЗ - волоконно-оптическая линия задержки с временем задержки τ_зад.

На фиг.14 приведена структурная схема устройства динамической памяти на основе многоотводной ВОЛЗ (патент 4558920 США, МКИ G 02 B 005/172), где приняты следующие обозначения: ПОМ - передающий оптический модуль, ВС - волоконный световод, ОС - оптический стержень, ФД - фотодетектор.

На фиг.15 приведена структурная схема запоминающего устройства на основе многоотводной ВОЛЗ (патент 4557552 США, МКИ G 02 B 005/172), где приняты следующие обозначения: ПОМ - передающий оптический модуль, ВС - волоконный световод, Л1 и Л2 - линзы, ФД - фотодетектор.

На фиг.16 приведена структурная схема устройства для формирования копий радиосигнала (патент 4128759 США, МКИ Н 04 В 009/00), где приняты следующие обозначения: ПОМ - передающий оптический модуль, ВС - волоконный световод, ФД - фотодетектор.

На фиг. 17 приведена структурная схема устройства волоконно-оптической динамической памяти (патент 4976518 США, МКИ G 02 B 006/26), где приняты следующие обозначения: НВО - направленный волоконный ответвитель типа 1х3, ВОЛЗ - волоконно-оптическая линия задержки.

На фиг. 18 приведена структурная схема программируемой ВОЛЗ (патент 5177488 США, МКИ G 01 S 007/40), где приняты следующие обозначения: ПОМ - передающий оптический модуль, ВОП - волоконно-оптический переключатель, ВОЛЗ - волоконно-оптическая линия задержки, ФД - фотодетектор, БУ - блок управления.

Динамическое запоминающее устройство с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой содержит (см. фиг.1) широкополосный усилитель ШУ 1, делитель мощности ДМ 2, передающий оптический модуль ПОМ 3, волоконно-оптический усилитель ВОУ 4, фотодетекгор ФД 5, блок управления БУ 6, а также разделительный НВО Y-типа 7, 2N волоконно-оптических ключей ВОК 8-1,..., 8-2N, N ВОЛЗ 9-1,..., 9-N, (N-1) НВО Х-типа 10-1,..., 10-(N-1) и суммирующий НВО Y-типа 11.

Входом устройства является вход широкополосного усилителя ШУ 1, выход которого подключен к входу делителя мощности ДМ 2, первый выход которого соединен с электрическим входом ПОМ 3, оптический выход которого подключен к оптическому входу волоконно-оптического усилителя ВОУ 4, оптический выход которого соединен с входным портом разделительного НВО Y-типа 7, первый выходной порт которого соосно подключен к оптическому входу первого ВОК 8-1, оптический выход которого подключен к первому входному порту первого НВО X-типа 10-1, третий выходной порт которого соосно подключен к оптическому входу второго ВОК 8-2, оптический выход которого подключен к первому входному порту второго НВО Х-типа 10-2. Третий выходной порт j-го НВО Х-типа 10-j подключен к оптическому входу (j+1)-го ВОК 8-(j+1), оптический выход которого подключен к первому входному порту (j+1)-го НВО Х-типа 10-(j+1), а третий выходной порт последнего (N-1)-го НВО Х-типа 10-(N-1) соединен с оптическим входом N-го ВОК 8-N, оптический выход которого соединен с первым входным портом суммирующего НВО Y-типа 11, выходной порт которого соединен с оптическим входом фотодетектора ФД 5, выход которого является выходом устройства.

Второй выходной порт разделительного НВО Y-типа 7 подключен к оптическому входу (N+1)-го BOK 8-(N+1), оптический выход которого через первую ВОЛЗ 9-1 подключен ко второму входному порту первого НВО Х-типа 10-1, четвертый выходной порт которого подключен к оптическому входу (N+2)-го BOK 8-(N+2), оптический выход которого через вторую ВОЛЗ 9-2 соосно соединен со вторым входным портом второго НВО Х-типа 10-2. Четвертый выходной порт j-го НВО Х-типа 10-j подключен к оптическому входу (N+j+1)-го BOK 8-(N+j+1), оптический выход которого через (j+1)-ю ВОЛЗ 9-(j+1) соосно подключен ко второму входному порту (j+1)-го НВО Х-типа 10-(j+1). Четвертый выходной порт последнего (N-1)-го НВО Х-типа 10-(N-1) подключен к оптическому входу последнего 2N-го BOK 8-2N, оптический выход которого через последнюю N-ю ВОЛЗ 9-N соосно подключен ко второму входному порту суммирующего НВО Y-типа 11.

Второй выход делителя мощности ДМ 2 соединен с входом блока управления БУ 6, выходы 1, 2. .., 2N-1, 2N которого подключены к управляющим входам первого, второго, ...,(2N-1)-го, 2N-го волоконно-оптических ключей BOK 8-1, 8-2,...,8-(2N-1), 8-2N.

Блок управления БУ 6 (см. фиг.3) содержит последовательно соединенные широкополосный усилитель ШУ 12, вход которого является входом блока управления, и формирователь импульсов ФИ 13, выход которого подключен к синхронизирующему входу устройства управления ключами УУК 14, на параллельный информационный вход которого подается в цифровом виде информация для управления последовательностью формируемых копий. Первый выход устройства управления ключами УУК 14 подключен ко второму входу первого логического элемента И ЛИ1 15, к первому входу которого подключен выход формирователя импульсов ФИ 13, a (N+1)-й выход устройства управления ключами УУК 14 подключен ко второму входу второго логического элемента И ЛИ2 16, к первому входу которого подключен выход формирователя импульсов ФИ 13. Выход первого логического элемента И ЛИ1 15 является первым выходом блока управления БУ 6, а выход второго логического элемента И ЛИ2 16 является (N+1)-м выходом блока управления БУ 6. Второй, третий,..., N-й, (N+2)-й, (N+3)-й,..., 2N-й выходы устройства управления ключами УУК 14 являются вторым, третьим,..., N-м, (N+2)-м, (N+3)-м,..., 2N-м выходом блока управления БУ 6.

Если в блоке управления БУ 6 невозможно определить информацию о моменте прихода радиосигнала и его длительности, то при этом необходимость в делителе мощности ДМ 2 и некоторых элементах блока управления БУ 6 (широкополосном усилителе ШУ 12, формирователе импульсов ФИ 13, логических элементах И ЛИ1 15 и ЛИ2 16) отпадает, а структурная схема динамического запоминающего устройства с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой приобретет вид, показанный на фиг.5.

Работает динамическое запоминающее устройство (ДЗУ) с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой (ВОС) следующим образом (см. фиг.1 и фиг.2).

Динамические запоминающие устройства предназначены для формирования временной последовательности из М+1 копии

сложного радиосигнала длительностью τ_и

Параметр K_iU_c определяет амплитуду i-й копии широкополосного СВЧ-радиосигнала с амплитудной m_c(t) и/или угловой Ф_c(t) модуляцией. Выбор периода следования (времени задержки) копий τ_зад>τ_и исключает возможность временного перекрытия отдельных копий.

Вариант i=0 в формуле (1) соответствует прямой передаче входного радиосигнала (2) на выход ДЗУ без временной задержки. В этом случае говорят о формировании в ДЗУ нулевой копии входного радиосигнала.

Принцип формирования копий входного радиосигнала в ДЗУ с бинарной ВОС в случае, когда отсутствует управление копиями (все ВОК замкнуты), заключается в следующем (см. фиг.1). Нулевая копия входного радиосигнала соответствует прямой передаче оптического излучения с входного порта разделительного НВО Y-типа 7 на выходной порт суммирующего НВО Y-типа 11, минуя все ВОЛЗ. Первая копия радиосигнала формируется благодаря ответвлению в разделительном НВО Y-типа 7 части оптического сигнала в первую ВОЛЗ 9-1 (через замкнутый (N+1)-й ВОК 8-(N+1)) со временем задержки τ_зад. С выхода первой ВОЛЗ 9-1 излучение поступает во второй входной порт первого НВО Х-типа 10-1 и далее без задержки на выходной порт суммирующего НВО Y-типа 11.

При формировании второй копии излучаемый ПОМ 3 сигнал передается по цепи: входной порт разделительного НВО Y-типа 7 - первый выходной порт разделительного НВО Y-типа 7 - замкнутый первый ВОК 8-1 - первый входной порт первого НВО Х-типа 10-1 - четвертый выходной порт первого НВО Х-типа 10-1 - замкнутый (N+2)-й ВОК 8-(N+2) - вторая ВОЛЗ 9-2 - второй входной порт второго НВО Х-типа 10-2 - третий выходной порт второго НВО Х-типа 10-2 и далее без задержки выходной порт суммирующего НВО Y-типа 11. Третья копия сигнала генерируется благодаря задержке промодулированного оптического излучения как в первой ВОЛЗ 9-1, так и во второй ВОЛЗ 9-2. Наконец, последняя, М-я копия входного радиосигнала проходит через все ВОЛЗ с общим временем задержки
Mτ_зад = (2^N-1)τ_зад.
Таким образом, если все ВОК замкнуты, то на выходе ДЗУ с N ВОЛЗ формируется последовательность из 2^N копий (с учетом нулевой) входного радиосигнала (генеральная последовательность). Для ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ генеральная последовательность формируемых копий показана на фиг.6а. Здесь копии пронумерованы цифрами от 0 до 15 (всего последовательность содержит 16 копий).

Блок управления БУ 6 работает следующим образом (см. фиг.3 и фиг.4). На вход блока управления со второго выхода делителя мощности ДМ 2 поступает входной сигнал u_вх.БУ(t) длительностью τ_и, который усиливается в широкополосном усилителе ШУ 12. С выхода усилителя усиленный радиосигнал u_вх.ФИ(t) подается на вход формирователя импульсов ФИ 13, на выходе которого в момент прихода радиосигнала формируется видеоимпульс u_вых.ФИ(t) длительностью τ_и. В качестве формирователя импульсов ФИ 13 может выступать пороговое устройство, срабатывающее при превышении входным сигналом некоторого уровня. Сформированный в формирователе импульсов ФИ 13 видеоимпульс поступает на первые входы логических элементов И ЛИ1 15 и ЛИ2 16.

Сигнал с выхода формирователя импульсов ФИ 13 также поступает на синхронизирующий вход устройства управления ключами УУК 14, на информационный вход которого поступает цифровой код управления последовательностью формируемых копий. Цифровой код управления может задаваться как с помощью 2N электрических ключей, каждый из которых будет управлять соответствующим ВОК, так и с помощью более сложных средств, например компьютера. В этом случае информация о моменте прихода и длительности входного сигнала передается устройству управления ключами УУК 14 с помощью сигнала с выхода формирователя импульсов ФИ 13.

Цифровой код управления преобразуется в устройстве управления ключами УУК 14 в сигналы управления каждым ВОК в отдельности и подается в виде управляющих сигналов для ВОК на второй, третий,..., N-й, (N+2)-й, (N+3)-й,..., 2N-й выходы блока управления БУ 6 непосредственно, а на первый и (N+1)-й выходы блока управления БУ 6 через логические элементы И ЛИ1 15 и ЛИ2 16. В логических элементах И ЛИ1 15 и ЛИ2 16 происходит объединение сигналов с выхода формирователя импульсов ФИ 13 и первого и (N+l)-го выхода устройства управления ключами УУК 14, причем соответствующий ВОК будет открыт только в том случае, когда на обоих входах соответствующего логического элемента И будут присутствовать сигналы на открытие ВОК.

Использование логических элементов И ЛИ1 15 и ЛИ2 16 необходимо для того, чтобы первый ВОК 8-1 и (N+1)-й ВОК 8-(N+1) даже при отсутствии управления копиями открывались только в момент прихода сигнала и только на время его длительности (под воздействием управляющих сигналы u₁(t) и u_N+1(t) на фиг. 2), благодаря чему не будет допускаться прохождение шумов входных каскадов устройства на его выход и накопление шумов в бинарной ВОС во время формирования копий входного радиосигнала, о чем более подробно будет сказано ниже.

Рассмотрим сначала процесс управления последовательностью формируемых устройством копий при использовании для этих целей только первых N ВОК 8-1,. ..,8-N.

При размыкании j-го волоконно-оптического ключа ВОК 8-j из генеральной последовательности копий исчезнут первые 2^j-1 копий. Последующие 2^j-1 копий свободно пройдут на выход ДЗУ и т.д. Таким образом, если обозначить наличие копии на выходе устройства через "1", а отсутствие - через "0", то формируемую частную последовательность копий при размыкании только j-го волоконно-оптического ключа BOK_j можно представить в виде двоичного слова S_j длиной в 2^N разрядов:

Так, при размыкании только первого волоконно-оптического ключа ВОК 8-1 из генеральной последовательности копий останутся только копии с нечетными порядковыми номерами: 1, 3, 5,..., 2^N-1, то есть с временем задержки копий τ_зад, 3τ_зад, 5τ_зад,...,(2^N-1)τ_зад соответственно. Аналогично, при размыкании только второго ВОК 8-2 из всей последовательности копий останутся только копии с временами задержки

Наконец, при размыкании только N-го ключа ВОК 8-N частная последовательность формируемых копий будет содержать копии с временами задержки (2^N-1)τ_зад, (2^N-1+1)τ_зад,...,(2^N-1)τ_зад.
Временные последовательности копий, получаемых при размыкании одного из ключей в случае ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ, приведены на фиг.6б. Справа от каждой последовательности указан номер разомкнутого ключа. Первая последовательность соответствует случаю, когда все ключи замкнуты (генеральная последовательность).

Следует отметить, что при использовании для управления только первых N ВОК 8-1, ...,8-N в частных последовательностях формируемых копий всегда отсутствует нулевая и всегда присутствует последняя копии сигнала.

Если представлять формируемые на выходе ДЗУ последовательности копий в виде двоичных слов, то такие слова для ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ при размыкании соответствующего ВОК будут выглядеть следующим образом:
S₁ 0101010101010101
S₂ 0011001100110011
S₃ 0000111100001111
S₄ 0000000011111111
При одновременном размыкании двух и более ключей в бинарной ВОС вид формируемой частной последовательности легко можно получить путем поразрядного умножения двоичных слов, соответствующих размыканию каждого рассматриваемого ключа в отдельности. Так, при размыкании, например, первого ВОК 8-1 и второго ВОК 8-2 в ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ двоичное слово S₁₂ формируемой частной последовательности копий будет иметь вид
S₁ 0101010101010101
S₂ 0011001100110011
--------------------------
S₁₂=S₁•S₂ 0001000100010001
Варианты частных последовательностей копий при размыкании двух и трех ВОК для ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ показаны на фиг.6в и фиг.6г соответственно.

Следует отметить, что при использовании для управления только первых N ВОК 8-1, . . .,8-N размыкание каждого дополнительного ключа приводит к сокращению числа формируемых копий вдвое. В случае размыкания всех первых N ВОК 8-1,...,8-N в бинарной ВОС возможно формирование только одной копии входного сигнала - копии, которая проходит через все ВОЛЗ и имеет время задержки (2^N-1)τ_зад (см. фиг.6д).

Как видно из фиг. 6б-6д, управление копиями в ДЗУ с N ВОЛЗ и бинарной ВОС, при использовании для управления только первых N ВОК 8-1,...,8-N, позволяет:
1) увеличивать период следования копий в 2, 4, 8,...,2^N-1 раза;
2) формировать пакеты копий в количестве 2, 4, 8,...,2^N-1 импульсов;
3) изменять паузы между формируемыми копиями и пакетами копий (паузы эквивалентны временам формирования 2, 4, 8,...,2^N-1 импульсов);
4) формировать только одну копию с временем задержки (2^N-1)•τ_зад.
Число копий X_k, получаемых при одновременном размыкании k ключей (при использовании N ВОЛЗ), определяется выражением
X_k=2^N-k.

Количество вариантов сочетаний X_k,N одновременно разомкнутых ключей числом k при их общем числе N можно определить по формуле

Общее количество возможных сочетаний разомкнутых ключей при использовании для управления только первых N ВОК 8-1,...,8-N и, следовательно, вариантов последовательностей копий будет равно

В случае управления процессом формирования копий при использовании для управления только последних N ВОК 8-(N+1),...,8-2N выражение (3), соответствующее двоичному слову S_j' для разомкнутого (N+j)-го волоконно-оптического ключа ВОК_N+j, примет вид

При таком варианте управления в формируемых частных последовательностях копий будут всегда присутствовать нулевая и всегда отсутствовать последняя копии сигнала.

Если представлять формируемые на выходе ДЗУ последовательности копий в виде двоичных слов, то такие слова для ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ при размыкании соответствующего ВОК будут выглядеть следующим образом:
S_1' 1010101010101010
S_2' 1100110011001100
S_3' 1111000011110000
S_4' 1111111100000000
В остальном все рассуждения и способы получения частных последовательностей копий при размыкании нескольких ключей аналогичны приведенным выше.

Значительно более широкие возможности по управлению последовательностью формируемых копий будут получены, если использовать для этих целей все BOK 8-1,...,8-2N.

В этом случае заявляемое техническое решение имеет следующие преимущества:
1) за счет изменения сочетаний разомкнутых ВОК появляется возможность изменения относительного местоположения во времени (изменения номеров) формируемых копий сигнала при сохранении одного вида последовательности;
2) при одновременном размыкании j-го ВОК 8-j и (N+j)-го BOK 8-(N+j) формирование копий невозможно (происходит "выключение" ДЗУ без изменения режимов работы всех его основных модулей).

Все рассуждения, касающиеся получения вида частных последовательностей копий, формируемых при одновременном размыкании произвольных ключей, остаются в силе: необходимо произвести поразрядное умножение двоичных слов, соответствующих размыканию каждого рассматриваемого ключа в отдельности. Так, при размыкании одновременно первого ВОК 8-1, (N+2)-го BOK 8-(N+2), (N+3)-го ВОК 8-(N+3) и четвертого ВОК 8-4 двоичное слово S_12'3'4 формируемой частной последовательности для ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ (N=4) будет иметь вид
S₁ 0101010101010101
S_2' 1100110011001100
S_3' 1111000011110000
S₄ 0000000011111111
S_12'3'4=S₁•S_2'•S_3'•S₄0000000001000000
Различные сочетания разомкнутых ключей позволяют изменять относительные местоположения формируемых копий при одном и том же виде их последовательности. На фиг.7а показаны различные варианты, получаемые при размыкании первого, второго, (N+1)-го и (N+2)-го ВОК (для N=4). а на фиг.7б - при размыкании второго, четвертого, (N+2)-го и (N+4)-го ВОК (для N=4) для ДЗУ с четырьмя ВОЛЗ.

Интерес представляет изменение местоположения в случае формирования только одной копии - различные сочетания разомкнутых ключей позволяют получить копию с любым порядковым номером (см. фиг.7в).

Количество различных вариантов относительных местоположений формируемых последовательностей копий при k разомкнутых ключах с заданными номерами равно Y_k=2^k.

Общее число возможных вариантов получения различных последовательностей копий (с учетом различных местоположений) для ДЗУ с N ВОЛЗ определяется выражением

На фиг.8 показаны результаты проведенных по формулам (6) и (9) расчетов вариантов получаемых копий.

Например, для ДЗУ с управляемой бинарной ВОС при использовании трех ВОЛЗ (N= 3) возможно формирование 27 различных последовательностей копий. Все данные варианты последовательностей представлены на фиг.9.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет формировать временную последовательность из 2^N копий входного радиосигнала с периодом следования τ_зад, а также за счет возможности управления процессом тиражирования:
1) увеличивать период следования копий в 2, 4, 8,...,2 ^N-1 раза;
2) формировать пакеты копий в количестве 2, 4, 8,...,2^N-1 импульсов;
3) изменять паузы между формируемыми копиями и пакетами копий (паузы эквивалентны временам формирования 2, 4, 8,...,2^N-1 импульсов);
4) изменять относительное местоположение во времени (изменять номера) формируемых копий сигнала при сохранении одного и того же вида последовательности;
5) формировать одну копию с любым номером (временем задержки 0,...,τ_зад,2τ_зад,...,(2^N-1)•τ_зад).

Данные преимущества заявляемого объекта позволяют значительно расширить возможности управления процессом формирования последовательности копий по сравнению с прототипом (патент 5177488 США, МКИ G 01 S 007/40). Это доказывает наличие причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и техническим результатом в части значительного расширения возможности управления процессом формирования последовательности копий.

Для доказательства сохранения высокой идентичности копий составим сигнальную модель ДЗУ с бинарной ВОС.

Направленные волноводные ответвители, используемые в заявляемом объекте, конструктивно представляют собой два световода, имеющих участок соприкосновения сердцевин, за счет чего осуществляется ответвление части оптической энергии из одного ВС в другой.

Если на входной порт разделительного НВО Y-типа НВО 7 подать оптический сигнал j_{нво.7.вх}, то на его втором и третьем выходных портах будут действовать оптические сигналы с интенсивностями

Здесь коэффициенты ответвления К_нво.7.n определяют, какая часть интенсивности излучения поступает со входного порта в n-й порт в случае идеального НВО. Коэффициенты ответвления удовлетворяют условию К_нво.7.1= 1-К_нво.7.2.

В реальных ответвителях всегда присутствуют потери световой энергии, которые выражаются в том, что суммарная интенсивность излучения на выходных портах НВО не совпадает с интенсивностью входного излучения. Указанные потери учитываются в формулах (6) параметром γ_НВО.7.
При подаче на первый и второй входные порты k-го НВО Х-типа НВО 10-k оптических сигналов с интенсивностями J_{нво. 10-k.1} и J_{нво. 10-k.2} на его третьем и четвертом выходных портах появляются оптические излучения с интенсивностями

Здесь коэффициенты ответвления К_{нво .10-k.mn} определяют, какая часть интенсивности излучения поступает с m-порта в n-й порт в случае идеального НВО. Коэффициенты ответвления НВО Х-типа всегда удовлетворяют условию K_{нвo. 10-k.13}=1-К_{нво. 10-k.14} и К_{нво. 10-k.23}=1-К_{нво. 10-k.24}.

Суммирующий НВО Y-типа 11 описывается следующим уравнением:

Волоконно-оптические линии задержки, используемые в заявляемом объекте, представляют собой отрезки ВС, обеспечивающие задержку проходящего сигнала на заданное время. Учитывая, что типовое значение погонной задержки ВС составляет примерно 5 мкс/км, длина отрезка ВС для j-й ВОЛЗ 9-j в первом приближении составляет
L_волз.9-j[км] ≈ 0,1•2^jτ_зад[мкс]. (9)
Следует отметить, что преимуществом ДЗУ с бинарной ВОС над ДЗУ рециркуляционного типа является то, что все копии радиосигнала проходят через одинаковое количество портов НВО и соединений ВС, обеспечивая тем самым равные потери оптического излучения для всех копий. Неидентичность сформированных копий определяется лишь потерями, обусловленными различной длиной световодов, используемых в ВОЛЗ. Так, нулевая копия i=0 сигнала формируется без прохождения оптического излучения через какую-либо ВОЛЗ. Это обеспечивает минимальные потери сигнала. Последняя копия (i=M), напротив, должна пройти через все ВОЛЗ. Потери сигнала здесь будут наибольшими.

Общие потери радиосигнала в ДЗУ при формировании i-й копии
α_i[дБ] = α_pc[дБ]+α_преоб[дБ]+2α_вос.i[дБ] (10)
определяются потерями мощности радиосигнала α_pc в радиотракте, потерями в цикле преобразования радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал α_преоб и потерями интенсивности оптического излучения в ВОС α_вос.i. Множитель 2 при α_вос.i в формуле (10) учитывает тот факт, что электрическая мощность радиосигнала на выходе фотодетектора пропорциональна квадрату интенсивности оптического излучения.

Анализ структурной схемы ДЗУ с управляемой бинарной ВОС (фиг.1) показывает, что источниками потерь мощности СВЧ-сигнала в радиотракте являются СВЧ-разъемы α_{разъемы} и рассогласование импедансов α_{согл.вх} функциональных узлов во входном радиотракте.

В устройстве используется шесть СВЧ-разъемов: входные и выходные разъемы широкополосного усилителя ШУ 1 и делителя мощности ДМ 2, входной разъем ПОМ и выходной разъем фотодетектора. Типовое значение потерь радиосигнала на разъеме составляет 0,1 дБ. Таким образом, суммарные потери, вносимые СВЧ-разъемами, оцениваются в α_{разъемы} ≈ 0,6 дБ.
Последовательное соединение функциональных узлов проектируемого ДЗУ по СВЧ-сигналу для минимизации энергетических потерь требует выполнения условия согласования, при котором мощность источника сигнала полностью поглощается нагрузкой. Согласование обеспечивается равенством входных и выходных импедансов используемых СВЧ-модулей.

Потери мощности в случае рассогласования импедансов во входном радиотракте определяются соотношением
α_{согл.вх}[дБ] = -10lg[(1-Г₁Г₂)•(1-Г₃Г₄)],
где Г₁, Г₂, Г₃, Г₄ - коэффициенты отражения соответственно входного широкополосного усилителя ШУ 1 по выходу, делителя мощности ДМ 2 по входу, делителя мощности ДМ 2 по выходу, ПОМ по входу.

Коэффициенты отражения Г однозначно определяются приводимыми в технических характеристиках функциональных узлов значениями коэффициентов стоячей волны напряжения КСВН:

Коэффициентам КСВН широкополосного усилителя, делителя мощности и ПОМ, равным 2, соответствует коэффициент отражения Г=(2-1)/(2+l)=l/3. При этом потери мощности радиосигнала за счет рассогласования во входном радиотракте составят

Таким образом, общие потери мощности радиосигнала составляют
α_pc = α_{согл.вх}+α_{разъемы} ≈ 1,0+0,6 = 1,6 дБ.
Использование в ДЗУ волоконно-оптических линий задержки требует преобразования входного СВЧ-сигнала в оптическое излучение посредством модуляции излучения передающего оптического модуля по интенсивности радиосигналом.

Параметром, характеризующим преобразование радиосигнала в излучение оптического диапазона, является крутизна преобразования (дифференциальная квантовая эффективность источника излучения) S_ипл, определяемая в соответствии с ватт-амперной характеристикой излучателя и измеряемая в Вт/А.

Коэффициент преобразования интенсивности оптического излучения, падающей на фоточувствительную площадку фотодетектора J_фд, в фототoк I_фд (электрический сигнал) характеризуется токовой чувствительностью ε_фд фотодетектора, которая измеряется в А/Вт и обычно указывается в паспортных данных.

Потери на преобразование радиосигнала в оптическое излучение в передающем оптическом модуле со входным сопротивлением R_вх.пом и на преобразование оптического излучения в радиосигнал в фотоприемном модуле с сопротивлением нагрузки фотодетектора R_н.фд могут быть рассчитаны по формуле

При S_ипл= 75 мВт/А, ε_фд=0,35 А/Вт и R_н.пом=R_н.фд=50 Ом потери на преобразование радиосигнала в оптическое излучение составляют

Основными источниками потерь интенсивности оптического излучения являются:
- ввод оптического излучения лазера в волоконный световод;
- потери в замкнутых ВОК;
- потери сигнала, вносимые НВО;
- потери сигнала, возникающие за счет оптических соединений;
- распространение оптического излучения в волоконно-оптических линиях задержки;
- вывод оптического излучения из волоконного световода.

Обусловленные вводом в волоконный световод потери интенсивности оптического излучения составят

Отметим, что для модулей ПОМ-13, ПОМ-13М и ПОМ-19 в справочных данных дается введенная в волоконный световод интенсивность оптического излучения. В этом случае интенсивность

уже учитывает потери на ввод в волоконный световод оптического излучения лазера.

В качестве первого и (N+1)-го BOK в заявляемом устройстве необходимо использовать быстродействующие ключи, например, электрооптического типа. Остальные BOK могут быть и других типов. Механические BOK характеризуются низким уровнем оптических потерь α_{мех.вок} = 0,8...1 дБ, потребляемой мощностью в несколько милливатт и недостаточно высоким быстродействием (5...50 мс). Электрооптические переключатели на одномодовых световодах имеют оптические потери, включая потери на соединение с волоконными световодами, порядка α_эо.вок = 2...2,5 дБ, скорость переключения до 6 ГТц и управляющие напряжения 4...10 В.

Таким образом, суммарные потери в BOK α_вок при формировании любой копии сигнала будут равны
α_вок[дБ] = α_эо.вок[дБ]+(N-1)•α_{мех.вок}[дБ].
Собственные потери оптического излучения в световодах обусловлены технологией производства волоконных световодов и указываются в технических характеристиках. Минимальными собственными потерями интенсивности оптического излучения обладают одномодовые волоконные световоды типа кварц-кварц, рабочая длина волны которых составляет λ=1,55 мкм. Типичное значение погонного ослабления (потерь) оптического излучения для данного типа ВС отечественного производства составляет Г_вс=0,2 дБ/км.

Отрезок ВС для j-й ВОЛЗ 9-j длиной L_волз.9-j будет обладать потерями
α_волз.9-j[дБ] = Г_вс[дБ/км]•L_волз.9-j[км].
С учетом формулы (9) суммарные потери на распространение оптического излучения в волоконных световодах при формировании i-й копии радиосигнала определяются выражением

Заметим, что потери в бинарной ВОС зависят от текущего номера i формируемой копии радиосигнала при заданном количестве ВОЛЗ N.

Потери оптического излучения в НВО возникают из-за деления сигнала в разделительном НВО Y-типа 7, из-за деления сигнала в НВО Х-типа 10-1,..., 10-(N-1), а также потерь оптического сигнала на рассеивание при прохождении всех (N+1) НВО. В случае, когда коэффициенты деления во всех ответвителях X-типа и в разделительном ответвителе Y-типа одинаковы и равны К_нво=0,5(≈-3 дБ), а также потери γ_нво во всех ответвителях одинаковы, суммарные потери оптического излучения в НВО составят
γ_НВО[дБ] = -N•K_НВО[дБ]+(N+1)•γ_НВО[дБ]. (12)
Потери сигнала, возникающие за счет оптических соединений в ВОС, могут быть найдены по формуле
α_соед[дБ] = 4α_конн[дБ]+2(N+1)α_НВО-ВС[дБ], (13)
где α_конн - потери в одном разъемном оптическом коннекторе;
α_НВО-ВС - потери на соединение порта НВО с волоконным световодом ВОЛЗ или ВОК.

Следует отметить, что оптические соединения выхода ПОМ 3 с входом ВОУ 4, выхода ВОУ 4 с входным портом разделительного НВО Y-типа 7, выходного порта суммирующего НВО Y-типа 11 с входом фотодетектора ФД 5 выполняются разъемными с помощью оптических коннекторов с потерями на одном коннекторе α_конн, не превышающими 0,2...0,3 дБ.

Соединение волоконного световода ВОЛЗ или ВОК с портами НВО выполняются неразъемными (методами сплавлеиия или склеивания).

Конструктивные требования к волоконно-оптическим линиям задержки радиосигналов предполагают наматывание волоконного световода на катушку диаметром D_кат. Кольцевой изгиб волоконного световода вызывают дополнительные потери интенсивности оптического излучения в ВС.

Если потери на один виток составляют α_виток, то потери интенсивности оптического излучения в катушке j-й ВОЛЗ 9-j составят

Суммарные потери в кольцевых изгибах волоконных световодов при формировании i-й копии радиосигнала определяются выражением

Использование волоконного световода с относительно малым диаметром сердцевины по отношению к фоточувствительной площадке фотоприемника позволяет не учитывать потери интенсивности оптического излучения на вывод оптического излучения из бинарной волоконно-оптической структуры в фотодетектор.

Общие потери интенсивности оптического излучения при формировании i-й копии радиосигнала составляют

На фиг. 10 приведены данные о потерях оптического излучения α_вос.M для последней копии радиосигнала в зависимости от количества N используемых ВОЛЗ. Расчеты проведены по формулам (11)-(15) при следующих исходных данных: τ_зад = 100 нс, К_НВО = -3 дБ, γ_нво = 0,1 дБ, Г_ВС = 0,22 дБ/км, α_эо.вок = 2 дБ, α_{мех.вок} = 0,8 дБ, α_ввод = 4,3 дБ, D_КАТ = 250 мм, α_виток = 0,0001 дБ, α_конн = 0,2 дБ, α_нво-вс = 0,15 дБ.
Из фиг.10 видно, что при N<13 основной вклад в ослабление сигнала вносят потери в НВО α_нво, а при N>13 основными факторами ослабления сигнала становятся его затухание в ВС ВОЛЗ α_вс.M и потери в кольцевых изгибах волокна α_изг.M
Проведенный анализ показывает, что определяющими потерями в ДЗУ являются потери в цикле преобразования радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал α_преоб и потери интенсивности оптического излучения в ВОС α_вос.i при формировании i-й копии радиосигнала.

Пусть на вход ДЗУ (см. фиг.1) в момент времени t₀ воздействует одиночный широкополосный СВЧ-радиосигнал (2) длительностью τ_и. Напряжение на входе ПОМ u_вх.пом(t) связано с напряжением входного сигнала u_c(t) устройства соотношением
u_вх.пом(t)=К_шу.вхК_дм.1u_c(t)=U_вх.помm(t)cosФ(t),
где К_шу.вх - коэффициент усиления напряжения входного широкополосного усилителя ШУ 1 с учетом потерь радиосигнала на СВЧ-разъемах;
К_дм.1 - коэффициент передачи делителя мощности с входа на первый выход (см. фиг.1) с учетом потерь радиосигнала на СВЧ-разъемах.

Применение полупроводникового лазера (ИПЛ), излучающего на рабочей длине волны λ, допускает непосредственную модуляцию интенсивности оптического излучения J_пом (t) простым изменением тока накачки:
i_н(t)=u_вх.пом(t)/R_вх.пом=I_нm(t)cosФ(t).

Здесь R_вх.пом представляет реальную часть входного сопротивления ПОМ, а I_н= U_вх.пом/R_вх.пом - амплитуду тока накачки лазера в отсутствии амплитудной модуляции радиосигнала.

Характерной особенностью зависимости излучения инжекционного полупроводникового лазера J_ипл(t) от тока накачки i_н(t) является наличие порогового значения I_н.пор. При выборе постоянного тока смещения ПОМ I_н.см, удовлетворяющего условию
I_н.см-I_н.пор>I_н.макс,
справедливо соотношение
J_ипл(t)=J_ипл.0+J_ипл.с(t). (16)
Первое слагаемое в формуле (16) J_ипл.0=S_иплI_н.см представляет постоянную составляющую интенсивности оптического излучения лазера в отсутствии радиосигнала.

Информация о входном сигнале заключена во втором слагаемом формулы (16) J_ипл.с(t)=S_иплI_иm(t)cosФ(t).

Глубина модуляции интенсивности может быть рассчитана по формуле

Обусловленные вводом в ВС потери интенсивности оптического излучения равны α_ввод. При этом J_пом(t)[дБ] = J_ипл(t)[дБ]-α_ввод[дБ].
Следует отметить, что в общем случае в качестве фотодетектора ФД 5 может выступать фотоприемный модуль (ФПМ), состоящий из непосредственно фотодетектора какого-либо типа (pin-фотодиод, лавинный фотодиод, фототранзистор и т.п.) и встроенного широкополосного усилителя с коэффициентом усиления напряжения К_шу.фпм.

В соответствии с формулой (14) интенсивность сигнальной составляющей светового потока на фотодетекторе при формировании i-й копии радиосигнала равна

где К_воу - коэффициент передачи интенсивности оптического излучения волоконно-оптическим усилителем ВОУ 4.

Радиосигнал на выходе устройства (выходе фотоприемного модуля) определяется выражением
u_вых(t-iτ_зад) = ε_фдJ_фд.c(t-iτ_зад)R_н.фдK_шу.фпм, (17)
где К_шу.фпм - коэффициент усиления напряжения внутренним усилителем ФПМ.

Из соотношения (17) следует, что переменная составляющая напряжения на выходе ДЗУ в момент времени t∈[t₀+iτ_зад, t₀+τ_и+iτ_зад] повторяет по форме входной широкополосный радиосигнал (2) с задержкой по времени на величину iτ_зад.
Мощность радиосигнала (2) на входном сопротивлении R_вх.дзу ДЗУ (входном сопротивлении входного широкополосного усилителя ШУ 1 на фиг.1) равна
Р_с=U_c ²/2R_вx.дзy.

При расчете энергетических параметров ДЗУ из-за большого динамического диапазона изменений уровня входного радиосигнала удобно пользоваться логарифмическими единицами, переход к которым позволяет свести основные расчеты мощностей радиосигналов к операциям сложения и вычитания. В качестве нулевого уровня интенсивности (мощности) принято значение I₀=1 мВт (Р₀=1 мВт), которое примерно соответствует максимальной интенсивности оптического излучения полупроводникового лазера. Тогда текущей интенсивности I или мощности Р будет соответствовать уровень

Если на вход устройства в момент времени t∈[t₀, t₀+τ_и] воздействует радиосигнал (2) мощностью Р_с, то в момент времени t∈[t₀+iτ_зад, t₀+τ_и+iτ_зад] на выходе устройства будет присутствовать i-я копия (1) радиосигнала мощностью

где К_р.шу.вх, К_р.дм.1, К_{р.шу.фпм} - коэффициенты усиления мощности входного широкополосного усилителя ШУ 1, делителя мощности ДМ 2, усилительного каскада ФПМ соответственно.

Выражение (18) удобно представить в виде
P_i[дБ] = P_c[дБм]+K₀[дБ]-Δα_i[дБ],
где К₀ - коэффициент, равный отношению мощности Р₀ нулевой копии радиосигнала (принимаемой без задержки) к мощности P_c входного радиосигнала (2):

Ослабление мощности i-й копии относительно мощности нулевой копии радиосигнала оценивается выражением
Δα_i[дБ] = P₀[дБм]-P_i[дБм].
С учетом соотношений (10), (11), (14) и (15) находим

(19)
Вводимый параметр (19) может быть использован для характеристики неидентичности по мощности копий радиосигнала в пределах формируемой последовательности

Δα_M[дБ] = 2M•(α_вс.1[дБ]+α_изг.1[дБ]) = M•Δα₁. (20)
Здесь множитель 2 имеет тот же смысл, что и в формуле (10) при слагаемом α_вос.i.
Как следует из формулы (20), неидентичность М сформированных копий радиосигнала Δα_M в ДЗУ с бинарной ВОС может быть рассчитана через потери за счет затухания оптического излучения в световоде ВОЛЗ α_вс.1 и конструктивные потери на изгиб α_изг.1 во время генерации 1-й копии радиосигнала.

Графически зависимость (19) показана на фиг.11. Исходными данными для расчетов служили погонное затухание оптического излучения в ВС Г_вс=0,2 дБ/км, потери на один виток α_виток = 10^-4 дБ и диаметр D_кат=250 мм кольцевого изгиба волоконного световода в катушке. Значения временной задержки τ_зад изменялись в пределе от 50 до 200 нс с шагом в 50 нс.

В случае формирования 15-й копий с периодом задержки 100 нс (использование четырех ВОЛЗ) неидентичность копий составит
Δα₁₅ = 2•15•(0,004+0,0025)≈0,2 дБ.
Из фиг.11 можно заключить, что амплитуда сформированных копий монотонно убывает с увеличением номера копии. Мощность каждой последующей сформированной копии радиосигнала на выходе ДЗУ будет отличаться от предшествующей при τ_зад=100 нс на 0,013 дБ, а при τ_зад=200 нс на 0,026 дБ.

Проведенный анализ позволяет заключить, что главным преимуществом ДЗУ на бинарной ВОС является высокая идентичность копий. В случае формирования 15-ти копий (время задержки одной копии τ_зад=100 нс) разница в мощностях нулевой и последней копий радиосигнала составляет около 0,2 дБ.

Следует отметить, что прототип заявляемого объекта (патент 5177488 США, МКИ G 01 S 007/40) характеризуется такими же факторами, влияющими на идентичность формируемых копий.

Описанная сигнальная модель ДЗУ доказывает наличие причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом в части сохранения высокой идентичности формируемых копий.

Доказательство сохранения малого расхода волоконного световода в заявляемом объекте приводится ниже.

Рециркуляционные устройства волоконно-оптической памяти, описанные в патентах 4473270 США, МКИ G 02 B 005/172 (см. фиг.12) и 4479701 США, МКИ G 02 B 005/172 (см. фиг.13), обладают наименьшим расходом волоконного световода, определяемым периодом следования копий. Однако данные устройства характеризуются высоким затуханием сигнала от копии к копии в связи с последовательным выводом части энергии оптического излучения из процесса циркуляции. В результате при постоянном уровне шумов фотоприемника отношение сигнал/шум копий на выходе таких устройств быстро снижается, что в конечном итоге и обуславливает малое время хранения информации и высокую неидентичность копий.

Общая длина используемого световода в динамических устройствах памяти на основе многоотводных ВОЛЗ, описанных в патентах 4558920 США, МКИ G 02 B 005/172 (см. фиг.14) и 4557552 США, МКИ G 02 B 005/172 (см. фиг.15), как и в заявляемом объекте пропорциональна количеству формируемых копий.

Для формирования М копий входного сигнала с периодом следования τ_зад устройство, описанном в патенте 4128759 США, МКИ Н 04 В 009/00 (см. фиг.15), необходимо использование М световодов общей длиной порядка 0,5•М²•L, что в М/2 раз превышает длину используемого ВС в заявляемом объекте (где L - длина ВС, обеспечивающего задержку τ_зад).

В устройстве волоконно-оптической динамической памяти, описанном в патенте 4976518 США, МКИ G 02 B 006/26 (см. фиг.17), формирование М копий входного сигнала потребует применения ВС общей длиной порядка М•L•log₃М, что в log₃M раз превышает длину используемого ВС в заявляемом объекте (где L - длина ВС, обеспечивающего задержку τ_зад).

Программируемая ВОЛЗ (патент 5177488 США, МКИ G 01 S 007/40), предназначенная для использования в системах тестирования радиолокационных станций (см. фиг. 18), характеризуется такими же факторами, влияющими на расход ВС, что и заявляемый объект.

Проведенный анализ доказывает наличие причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом в части сохранения малого расхода волоконного световода.

Функциональные элементы динамического запоминающего устройства с управляемой бинарной волоконно-оптической структурой и устройство в целом (см. фиг.1) удовлетворяют критерию промышленного применения.

Применительно к элементам схемы ДЗУ 1-5, 7-11 (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 1,3... 1,55 мкм, мощность излучения 1 мВт, ширина огибающей спектра 0,01 им, скорость передачи информации 5 Гбит/с, одночастотный режим генерации.

Полоса пропускания современных одномодовых волоконных световодов достигает 100 ГТц•км н 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 К_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 λ=1530...1560 нм и обеспечивающий оптимальное усиление К_воу= 22...30 дБ, а коэффициент шума Ш_воу не превышает 4 дБ.

В настоящее время существуют различные типы волоконно-оптических ключей. Механические ВОК характеризуются низким уровнем оптических потерь (0,5...1 дБ), потребляемой мощностью в несколько милливатт и недостаточно высоким быстродействием (10. . .50 мс), что и является их основным недостатком. Волоконно-оптические переключатели на жидких кристаллах не имеют движущихся частей и потенциально более надежны механических. Оптические потери у данного типа ВОК составляют 1...2 дБ, потребляемая мощность 30...50 мкВт и скорость переключения 5. ..50 мс. Акусто- и магнитооптические ВОК на объемных элементах обеспечивают скорость переключения около 10^-6 с^-1 и имеют уровень оптических потерь 2...3 дБ. Электрооптические переключатели на одномодовых полосковых световодах имеют оптические потери, включая потери на соединение с волоконными световодами, порядка 2...3 дБ, скорость переключения до 6 ГГц и управляющие напряжения 4...10 В.

Фотоприемные устройства обычно представляют собой сочетание фотодиода и каскада предварительного усиления сигнала фотоответа. Максимальная полоса детектируемых сигналов серийных фотодиодов достигает 5...10 ГГц при чувствительности по интенсивности оптического излучения порядка -30 дБм, динамическом диапазоне 20...25 дБ и крутизне характеристик детектирования 0,5... 0,8 А/Вт 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 может быть увеличена не менее чем на 25...30 дБ при прямых потерях порядка 0,5...0,8 дБ.

В качестве широкополосных усилителей 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 5...30 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).

Все элементы БУ 6 также удовлетворяют критерию промышленного применения. Формирователи импульсов легко реализуются на основе, например, последовательного соединения дифференцирующей цепи, усилителя-ограничителя и (при необходимости) инвертора.

Claims (1)

1. Динамическое запоминающее устройство радиосигналов, содержащее передающий оптический модуль, N волоконно-оптических линий задержки, блок управления и фотодетектор, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены широкополосный усилитель, делитель мощности, волоконно-оптический усилитель, разделительный направленный ответвитель Y-типа, 2N волоконно-оптических ключей, N-1 направленных волоконных ответвителей Х-типа и суммирующий направленный волоконный ответвитель Y-типа, причем входом устройства является вход широкополосного усилителя, выход которого соединен с входом делителя мощности, первый выход которого соединен с электрическим входом передающего оптического модуля, оптический выход которого через волоконно-оптический усилитель соединен с входом разделительного направленного волоконного ответвителя Y-типа, первый выходной порт которого через первый волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту первого направленного волоконного ответвителя Х-типа, третий выходной порт которого через второй волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту второго направленного волоконного ответвителя Х-типа, третий выходной порт j-ro направленного волоконного ответвителя Х-типа через (j+1)-й волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту (j+1)-ro направленного волоконного ответвителя Х-типа, третий выходной порт последнего (N-1)-гo направленного волоконного ответвителя Х-типа через N-й волоконно-оптический ключ подключен к первому входному порту суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, выходной порт которого соосно соединен с оптическим входом фотодетектора, причем второй выходной порт разделительного направленного ответвителя Y-типа через последовательно соединенные (N+1)-й волоконно-оптический ключ и первую волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту первого направленного волоконного ответвителя Х-типа, четвертый выходной порт которого через последовательно соединенные (N+2)-й волоконно-оптический ключ и вторую волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту второго направленного волоконного ответвителя Х-типа, четвертый выходной порт j-гo направленного волоконного ответвителя Х-типа через последовательно соединенные (N+j+1)-й волоконно-оптический ключ и (j+1)-ю волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту (j+1)-гo направленного волоконного ответвителя Х-типа, четвертый выходной порт последнего (N-1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа через последовательно соединенные последний 2N-й волоконно-оптический ключ и последнюю N-ю волоконно-оптическую линию задержки подключен к второму входному порту суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, причем нулевая копия входного радиосигнала соответствует прямой передаче оптического излучения с входного порта разделительного направленного волоконного ответвителя Y-типа на выходной порт суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, минуя все волоконно-оптические линии задержки, а последняя копия входного радиосигнала проходит через все волоконно-оптические линии задержки, причем второй выход делителя мощности соединен с входом блока управления, выходы 1, 2, . . . , 2N которого подключены к управляющим входам первого, второго, . . . , 2N-ro волоконно-оптических ключей.

Images