СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ
METHOD FOR FORMING PULSES

Изобретение относится к области генерирования импульсных сигналов и может быть использовано при разработке средств формирования эталонных сигналов частоты.
Известен способ генерирования периодических сигналов, основанный на охвате активного элемента цепью положительной обратной связи, содержащей резонансный элемент, определяющий значение частоты формируемого сигнала. На этом принципе построены, в частности, кварцевые генераторы, получившие широкое распространение в радиотехнике в качестве простых по реализации автономных опорных генераторов, см., например, патенты: [1] - RU 2208901 (С2), Н03К 3/027, опубл. 20.07.2003; [2] - RU 2311730 (C1), Н03К 3/027, Н03В 5/36, опубл. 27.11.2007; [3] - RU 2354037 (С2), Н03В 5/32, опубл. 27.04.2009; [4] -RU 2450415 (C1), Н03В 5/32, опубл. 10.05.2012.
Главным недостатком способа генерирования периодических сигналов, основанного на охвате активного элемента цепью положительной обратной связи с резонансным элементом, является непостоянство частоты формируемого сигнала, проявляющееся при практической эксплуатации. Это непостоянство связано с изменениями физических свойств резонансного элемента, вызываемыми как действием текущих возмущающих факторов (температура, вибрация), так и постоянно действующими факторами, связанными с деградацией («старением») материала резонансного элемента.
Известным решением проблемы стабилизации частоты такого рода генераторов является их подстройка относительно более стабильных опорных сигналов, в качестве которых могут выступать, в частности, сигналы глобальных навигационных спутниковых систем, см., например, патент [5] - RU 2382491 (C1), H03L 7/06, опубл. 20.02.2010. Однако такое решение приводит к потере автономности генератора, что в ряде случаев недопустимо.
Повышение стабильности частоты генератора без потери его автономности может быть осуществлено путем подстройки частоты кварцевого генератора с использованием энергетических уровней атомов в качестве эталона частоты. Этот метод получил широкое распространение в квантовых стандартах частоты (рубидиевых, цезиевых, водородных), где в качестве средств, осуществляющих фиксацию отклонения текущей частоты генератора от номинального значения, используются квантовые дискриминаторы, см., например, книгу [6] - Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др., под ред. Б.П. Фатеева // М.: Сов. Радио, 1978, с. 5-7, рис.В.3.
Однако реализация метода формирования высокостабильных сигналов путем подстройки частоты кварцевого генератора с использованием энергетических уровней атомов в качестве эталона частоты весьма сложна, требует дорогостоящего оборудования, что ограничивает область применения. Метод имеет естественные ограничения, обусловленные реальными характеристиками управляемого объекта и средств, используемых в процессах преобразований сигналов, а именно ограничения, связанные с уровнем шумов, чувствительностью, видом дискриминационных характеристик и т.п. Кроме того, сами резонансные частоты атомных переходов рабочих веществ, используемых в квантовых дискриминаторах, претерпевают уходы, обусловленные их деградацией, вызываемой старением. Все это ограничивает возможности по повышению стабильности частоты формируемых сигналов.
Принципиально другой подход к решению технической проблемы формирования стабильных по частоте сигналов (без подстройки относительно более стабильного сигнала) применен в настоящем изобретении, в основу которого положена идея использования в процессе формировании импульсов одной из констант, а именно скорости распространения света в определенной светопроводящей среде.
В качестве прототипа выбран способ формирования импульсов, реализуемый в оптическом мультивибраторе, представленном в патенте [7] - RU 2050017 (C1), G06E 3/00, опубл. 10.12.1995, который совпадает с заявляемым способом по своему основному назначению - автономному формированию импульсов - и имеет общие признаки с заявляемым способом.
Способ формирования импульсов, выбранный в качестве прототипа, заключается в следующем.
Формируют постоянный во времени входной оптический сигнал с первым уровнем интенсивности света. Подают этот входной оптический сигнал через суммирующий участок замкнутого в кольцо светопроводящего канала определенной длины на вход оптически бистабильного элемента, закрытого при первом уровне интенсивности поступающего на его вход оптического сигнала. Отражают этот сигнал от закрытого входа оптически бистабильного элемента и пропускают его через проходной участок светопроводящего канала на участок суммирования, где суммируют с входным оптическим сигналом, повышая в результате интенсивность суммарного сигнала до второго уровня. Подают суммарный оптический сигнал на вход оптически бистабильного элемента, который открывается при данном уровне интенсивности, и начинают пропускать оптический сигнал на выход оптически бистабильного элемента, формируя тем самым начало выходного импульса и заканчивая формирование импульса отраженного сигнала. В результате пропадания в светопроводящем канале отраженного сигнала происходит снижение уровня сигнала на входе оптически бистабильного элемента до первоначального значения, при котором оптически бистабильный элемент закрывается, заканчивая тем самым формирование выходного светового импульса и начиная формирование нового импульса отраженного сигнала. Далее рассмотренный процесс циклически повторяют, формируя на выходе оптически бистабильного элемента последовательность выходных световых импульсов. При этом в светопроводящем канале образуется последовательность импульсов отраженного сигнала, которые на временной оси располагаются в промежутках между выходными импульсами. Параметры формируемых таким образом выходных импульсов определяются длиной светопроводящего канала и зависят от характеристик оптически бистабильного элемента (времени срабатывания, ширины гистерезисной характеристики).
Устройство, реализующее способ-прототип, содержит оптически бистабильный элемент, связанный по входу с замкнутым в кольцо светопроводящим каналом, выполненным, например, на оптическом волокне. Выход оптически бистабильного элемента образует выход устройства. Светопроводящий канал имеет проходной участок, предназначенный для прохождения импульсов отраженного сигнала, участок суммирования, предназначенный для суммирования импульсов отраженного сигнала с входным оптическим сигналом, и два функциональных ответвления, первое из которых предназначено для подачи входного оптического сигнала на участок суммирования, а второе - для передачи оптического сигнала с выхода участка суммирования на вход оптически бистабильного элемента и передачи отраженного от него сигнала в светопроводящий канал.
Недостатком способа-прототипа является невысокая стабильность частоты формируемых выходных импульсов, обусловленная действием значимых факторов внутренней нестабильности. Одним из таких значимых факторов является нестабильность характеристик оптически бистабильного элемента, другим - нестабильность переходных  процессов, возникающих в светопроводящем канале в результате прерывания отражения на входе оптически бистабильного элемента. Все это, а также необходимость использования постоянного источника света в процессе формирования импульсов сужает область возможного применения способа-прототипа.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является разработка простого в реализации способа, основанного, как и прототип, на использовании эффекта постоянства скорости распространения света в определенной светопроводящей среде, характеризующегося возможностью формирования более стабильных по частоте импульсов за счет уменьшения факторов внутренней нестабильности и обладающего расширенными возможностями по практическому применению.
Сущность изобретения заключается в следующем. В способе формирования импульсов, при котором осуществляют периодическое прохождение световых импульсов по светопроводящему каналу определенной длины, формируют первичный световой импульс, направляемый в светопроводящий канал, путем электронно-оптического преобразования внешнего запускающего электрического импульса, а последующие световые импульсы, направляемые в светопроводящий канал, формируют путем электронно-оптического преобразования электрических импульсов, получаемых в результате оптоэлектронного преобразования предыдущих световых импульсов, прошедших через светопроводящий канал, при этом длительность импульсов меньше времени прохождения ими светопроводящего канала.
Сущность изобретения и его осуществимость поясняются структурной схемой устройства, реализующего заявляемый способ в одном из возможных вариантов выполнения.
Устройство, реализующее заявляемый способ формирования импульсов, содержит светопроводящий канал 1 определенной длины, электронно-оптический преобразователь 2 и оптоэлектронный преобразователь 3. Вход светопроводящего канала 1 оптически связан с выходом электронно-оптического преобразователя 2, а выход оптически связан с входом оптоэлектронного преобразователя 3. Выход оптоэлектронного преобразователя 3, образующий электрический выход устройства, электрически связан с первым (сигнальным) входом электронно-оптического преобразователя 2, второй (запускающий) вход которого является входом для подачи внешнего запускающего электрического импульса.
Светопроводящий канал 1 может быть выполнен, например, в виде тонкого оптоволокна без защитной оболочки, намотанного на катушку, аналогично светопроводящему каналу в волоконном лазере, описанному в патенте [8] - RU 2540936 (С1), H01S 3/067, опубл. 10.02.2015.
Электронно-оптический преобразователь 2 и оптоэлектронный преобразователь 3 могут быть реализованы на серийно выпускаемых промышленностью высокочастотных фотоприемниках и фотодиодах для волоконно-оптических линий связи. При этом сигнальный и запускающий входы электронно-оптического преобразователя 2 могут быть реализованы с помощью развязывающей цепи на встречно включенных диодах, общая точка которых подключена к входу фотодиода электронно-оптического преобразователя 2, свободный вход одного из диодов образует сигнальный вход электронно-оптического преобразователя 2, а свободный вход другого диода - запускающий вход электронно-оптического преобразователя 2.
Формирование импульсов в соответствии с заявляемым способом на примере работы устройства, реализующего его, осуществляется следующим образом.
0
0
np
0
nр
им
0
им
0
На запускающий вход электронно-оптического преобразователя 2 подают однократный внешний запускающий электрический импульс определенной длительности. Из этого импульса путем электронно-оптического преобразования, осуществляемого в преобразователе 2, формируют первичный световой импульс, который направляют в светопроводящий канал 1. Время прохождения светового импульса через светопроводящий канал 1 зависит от его длины и составляет величину t. Прошедший через светопроводящий канал 1 световой импульс далее подают на вход оптоэлектронного преобразователя 3, где осуществляют его преобразование в электрический импульс. Электрический импульс подают на выход устройства, а также на сигнальный вход электронно-оптического преобразователя 2, где осуществляют его преобразование в световой импульс, который направляют в светопроводящий канал 1. Далее рассмотренные операции повторяют, то есть каждый последующий световой импульс, направляемый в светопроводящий канал 1, формируют путем электронно-оптического преобразования в преобразователе 2 электрических импульсов, получаемых в результате оптоэлектронного преобразования в преобразователе 3 предыдущего светового импульса, прошедшего через светопроводящий канал 1. В результате генерируются световые и электрические импульсы, длительность которых изначально задается длительностью внешнего запускающего импульса, а период следования определяется интервалом времени Т, который определяется временем t, затрачиваемым на прохождение световым импульсом светопроводящего канала 1 (это время зависит от длины светопроводящего канала 1), и временем t, затрачиваемым на преобразования импульса в оптоэлектронном и электронно-оптическом преобразователях 3 и 2, то есть Т=t+t. При этом выполняется условие, что длительность импульса t меньше времени t прохождения им светопроводящего канала 1, то есть t<t.
0
пр.
0
Осуществляемый таким образом способ обеспечивает высокую стабильность частоты следования формируемых импульсов. Эта стабильность определяется постоянством скорости распространения света в определенной светопроводящей среде, в рассматриваемом примере - в светопроводящей среде светопроводящего канала 1, и она тем выше, чем больше неравенство t>>t То есть стабильность частоты следования формируемых импульсов тем выше, чем большую часть в последовательности импульсов составляет стабильное время t, определяемое временем распространения света в светопроводящей среде светопроводящего канала 1, по отношению к нестабильной части, определяемой временем преобразования световых импульсов в электрические и обратно в активных элементах преобразователей 2 и 3.
0
пр
При современном уровне техники это неравенство легко выполняется. Например, при использовании светопроводящего канала 1 с длиной, как в устройстве [8], порядка одного километра период генерации импульсов можно приблизительно оценить как частное от деления длины линии на скорость света в воздухе (примерно 299792,5 км/с), что составляет 3,34 мкс. Поскольку современные средства оптоэлектронной и оптоволоконной техники легко обеспечивают передачу информации со скоростью 100 Мбит/с и более (длительность импульсов менее 5 не при скважности равной двум), то это позволяет выполнять указанное неравенство t>>t почти с тысячекратным запасом.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом проще в реализации, в нем отсутствуют такие значимые факторы внутренней нестабильности, как нестабильность характеристик оптически бистабильного элемента и нестабильный характер переходных процессов, вызываемых прерыванием отражения на входе оптически бистабильного элемента, также отсутствует необходимость иметь постоянный источник светового излучения.
Заявляемый способ не привязан к конкретному выполнению светопроводящего канала 1, он может быть реализован на оптоволокне, как в рассмотренном примере выполнения, может быть реализован на прямолинейных световодах с отражающими зеркалами, также может использоваться вакуумированный объем с системой множественного отражения, а также другие варианты организации светопроводящей среды. Для защиты от внешних дестабилизирующих факторов, таких как изменения температуры, могут использоваться различные схемы термостабилизации.
Разнообразие вариантов реализации заявляемого способа, возможность генерирования импульсов заданной длительности и частоты следования, возможность достижения высокой стабильности частоты, электрический вид представления выходных сигналов расширяют возможности по практическому применению заявляемого способа.
Рассмотренное показывает, что заявляемый способ формирования импульсов осуществим и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке простого в реализации способа, основанного на использовании эффекта постоянства скорости распространения света в определенной светопроводящей среде, характеризующегося возможностью формирования стабильных по частоте импульсов и обладающего расширенными возможностями по практическому применению
Источники информации
1. RU 2208901 (С2), Н03К 3/027, опубл. 20.07.2003.
2. RU 2311730 (C1), Н03К 3/027, Н03 В 5/36, опубл. 27.11.2007.
3. RU 2354037 (С2), Н03В 5/32, опубл. 27.04.2009.
4. RU 2450415 (C1), Н03В 5/32, опубл. 10.05.2012.
5. RU 2382491 (C1), H03L 7/06, опубл. 20.02.2010.
6. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др., под ред. Б.П. Фатеева // М.: Сов. Радио, 1978.
7. RU 2050017 (C1), G06E 3/00, опубл. 10.12.1995.
8. RU 2540936 (C1), H01S 3/067, опубл. 10.02.2015.