ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЛИНИЕЙ ПЕРЕДАЧИ
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER WITH LINEAR TRANSMISSION

Изобретение представляет собой устройство и относится к области цифроаналоговых преобразователей и синтезаторов, а также линий передачи аналоговых высокочастотных сигналов.
В технике часто возникает необходимость передачи аналоговой высокочастотной информации. Это может быть мультимедийная информация (звук и изображение), радиоимпульсные сигналы для радиолокационных комплексов и систем, другая информация.
Аналоговая информация на значительные расстояния может быть передана аналоговыми или цифровыми линиями передачи.
Наиболее широкополосными аналоговыми и быстродействующими цифровыми линиями связи являются волоконно-оптические линии (ВОЛС), использующие в качестве среды передачи оптические волокна.
В [1] представлена аналоговая ВОЛС со стабилизацией фазы передаваемых сигналов. ВОЛС состоит из последовательно установленных генераторов передаваемых сигналов, оптического передатчика, волоконно-оптического тракта, линейного фотоприемника и устройства стабилизации фазы сигнала.
Основным недостатком аналоговых линий волоконно-оптической связи является необходимость использования передающих и приемных оптоэлектронных модулей в аналоговом режиме. При этом рабочая точка полупроводниковых лазерных излучателей и фотодиодов должна находиться на линейном участке ваттамперной характеристики.
Если ваттамперная характеристика аналоговых фотоприемных модулей имеет достаточно протяженный линейный участок, то для лазерных диодов ваттамперная характеристика имеет резкий излом. До излома характеристика линейна и диод работает в светодиодном режиме, характеризующемся небольшой мощностью излучения. После излома ваттамперная характеристика крайне нелинейная, при этом мощность излучения лазерного диода резко возрастает.
В аналоговом режиме рабочую точку следует выбирать вблизи зоны перегиба, но это точка очень неустойчива и при изменении температуры может смещаться в нелинейную область.
Таким образом, в линейном режиме излучения имеем невысокую выходную оптическую мощность, в нелинейном режиме имеем достаточную выходную оптическую мощность, но при этом аналоговый сигнал подвергается нелинейным искажениям.
При невысокой выходной оптической мощности снижается отношение сигнал/шум, ограничивается длина ВОЛС.
Кроме того, шумы в линии зависят от полосы пропускания. Чем шире полоса пропускания, тем уровень шумов в линии выше, а отношение сигнал/шум ниже.
Для устранения недостатков аналоговых линий передачи (нелинейных искажений, низкого отношения сигнал/шум) используют цифровые линии передачи. При этом аналоговый сигнал преобразуется в цифровой вид путем дискретизации и квантования выборок.
В статье [2] описана цифровая ВОЛС, состоящая из последовательно включенных электронного и оптического мультиплексоров, эрбиевого оптического усилителя, волоконно-оптического тракта, второго эрбиевого оптического усилителя, оптического демультиплексора и электронного демультиплексора.
Для передачи аналоговых сигналов по цифровой ВОЛС эти сигналы должны быть предварительно оцифрованы при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и восстановлены на приемной стороне в первоначальный вид при помощи цифроаналогового преобразователя (ЦАП).
cp
д
cp
Для аналогового сигнала с ограниченным спектром применима теорема Котельникова-Найквиста, утверждающая, что сигнал, спектр которого ограничен частотой среза f, может быть восстановлен без потерь, если частота дискретизации составляет не менее f=2f.
В настоящее время максимальная частота дискретизации АЦП составляет 500 МГц [3], максимальная частота обновления данных современных быстродействующих ЦАП равна 800 МГц [4].
Из этого следует, что на современном уровне развития техники спектр аналоговых сигналов, которые можно без искажений передать по цифровой линии связи, может быть не шире 200-300 МГц.
Следует отметить, что скорость современных передающих и приемных оптоэлектронных модулей значительно выше и может составлять до 40 Гбит/с, при этом для передачи большого объема информации используют параллельные потоки, объединяемые электронными и оптическими мультиплексорами.
Таким образом, основным недостатком цифровых линий связи, предназначенных для передачи аналоговых сигналов, является ограниченный частотный спектр этих сигналов.
Причем, узкими местами, ограничивающими частотный спектр, являются узлы оцифровки и восстановления аналоговых сигналов.
Следует отметить, что форма аналоговых сигналов в некоторых случаях строго детерминирована. Это характерно для контрольно-измерительных комплексов, в которых вырабатываются тестовые сигналы для проверки работоспособности различных устройств, для радиолокационных комплексов, использующих радиоимпульсы с фиксированной частотой, других систем.
В случае детерминированности аналоговых сигналов эти сигналы могут быть синтезированы при помощи цифровой техники.
Обычно для синтеза аналоговых сигналов используют ЦАП.
Известна конструкция ЦАП, описанная в [5]. ЦАП содержит набор дифференциальных усилителей, работающих на общую нагрузку. Каждый дифференциальный усилитель имеет два входа, отличающихся весовыми коэффициентами.
Недостатком устройства является довольно большая емкость нагрузки, ограничивающая частотный диапазон преобразования цифровой информации в аналоговую.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому цифроаналоговому синтезатору аналоговых сигналов с линией передачи является ЦАП, описанный в [6].
ЦАП содержит последовательно установленные параллельный М разрядный регистр, блок из М согласующих усилителей, блок М передающих оптоэлектронных модулей на базе светодиодов, оптически связанных с объективом, оптически связанным с оптическим входом приемного аналогового оптоэлектронного модуля, выход которого подключен к входу аналогового усилителя.
Устройство работает следующим образом.
Восьмиразрядный код записывается в выходные буфера параллельного регистра. Выходы регистра подключены к входам согласующих усилителей, предназначенных для управления током накачки передающих оптоэлектронных модулей. Передающие оптоэлектронные модули преобразуют ток накачки в оптические сигналы, которые объединяются и передаются при помощи объектива на входной оптический полюс приемного аналогового оптоэлектронного модуля. Выход приемного оптоэлектронного модуля соединен с входом аналогового электронного усилителя, фильтрующего и усиливающего амплитуду аналогового сигнала. Расстояние, на которое передается синтезированный аналоговый сигнал, определяется параметрами объектива и может составлять несколько метров.
Недостатками рассмотренного ЦАП являются следующие:
- частота преобразования ограничена быстродействием параллельного регистра;
- рассматриваемое устройство не содержит широкополосной линии для передачи преобразованного сигнала на значительные расстояния (такая необходимость возникает в радиолокационных системах с фазированными антенными решетками для передачи сигналов на элементы антенны);
- наличие объектива предполагает ошибки преобразования, связанные с различием амплитуд отдельных оптических составляющих за счет аберраций и геометрических погрешностей поверхности объектива.
Предложенный цифроаналоговый преобразователь, объединенный с линией передачи, решает задачи повышения точности, увеличения быстродействия и обеспечения возможности передачи синтезированных высокочастотных аналоговых сигналов на значительные (до нескольких километров) расстояния.
Сущность изобретения заключается в том, что в цифроаналоговый преобразователь с линией передачи, содержащий М согласующих усилителей, выходы которых соединены с входами М цифровых передающих оптоэлектронных модулей, линию передачи между выходными оптическими полюсами цифровых передающих оптоэлектронных модулей и входным оптическим полюсом аналогового приемного оптоэлектронного модуля, выход которого связан с входом аналогового электронного усилителя, введены микроконтроллер, запоминающее устройство, имеющее N входов и М выходов, формирователь импульсов, М оптических модуляторов, М волоконно-оптических линий задержки, М оптических аттенюаторов, оптический объединитель, имеющий М входных оптических полюсов и один выходной оптический полюс, причем N выходов данных микроконтроллера соединены с N входами запоминающего устройства, выход синхронизации микроконтроллера подключен к входу формирователя импульсов, выход которого соединен с управляющими входами М оптических модуляторов, М выходов запоминающего устройства соединены с входами М согласующих усилителей, выходные оптические полюса М передающих оптоэлектронных модулей соединены с входными оптическими полюсами оптического объединителя через последовательно установленные М модуляторов, М волоконно-оптических линий задержки, М оптических аттенюаторов, а выходной оптический полюс оптического объединителя соединен с оптических входным полюсом аналогового приемного оптоэлектронного модуля через линию передачи, выполненную в виде волоконно-оптического тракта.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предложенное изобретение.
Устройство состоит из микроконтроллера 1, запоминающего устройства 2, имеющего N адресных входов и М выходов, формирователя импульсов 3, М согласующих усилителей 4, М передающих оптоэлектронных модулей 5, М оптических модуляторов 6, М волоконно-оптических линий задержки 7, М оптических аттенюаторов 8, оптического объединителя 9, имеющего М входных оптических полюсов и один выходной оптический полюс, волоконно-оптического тракта 10, аналогового приемного оптоэлектронного модуля 11, электронного усилителя 12.
Устройство работает следующим образом.
При включении питающих напряжений микроконтроллер 1 начинает выполнять инструкции, записанные в резидентной памяти программ. При этом микроконтроллер выдает последовательность кодов (N разрядные цифровые слова) на адресные входы запоминающего устройства (ЗУ), в которое предварительно заносятся данные для синтеза аналогового сигнала заданной формы, одновременно от микроконтроллера на вход формирователя импульсов подаются сигналы синхронизации, сопровождающие генерируемые N разрядные цифровые слова.
Количество входных адресных линий N ЗУ зависит от формы синтезируемого сигнала. Количество выходных линий М ЗУ зависит от требуемого динамического диапазона значений синтезируемого аналогового сигнала и коэффициента ускорения преобразования по отношению к частоте синхронизации V. Причем справедлива формула
M=B·V.
Коэффициент В определяет динамический диапазон W значений синтезируемого аналогового сигнала. При равнозначности (одинаковых весовых коэффициента отдельных разрядов) приращений амплитуды синтезируемого сигнала динамический диапазон W в дБ можно найти по формуле
1
В
W=20lg(2°+2+…+2).
В таблице приведены значения динамического диапазона, рассчитанные для некоторых значений коэффициента В.
Таблица
Значения динамического диапазона W при различных В
В
4
5
6
7
8
12
16
W (дБ)
24,1
30,1
36,1
42,1
48,2
72,2
96,3
Принцип действия рассматриваемого устройства рассмотрим на конкретном примере. Рассмотрим устройство, у которого используется всего одна ячейка ЗУ (N=1). ЗУ имеет 32-разрядную организацию М=32 (при этом B=4, V=8).
Эпюры сигналов в различных точках рассматриваемого устройства представлены на фиг.2.
В рассматриваемом примере вместо 32-разрядного ЗУ можно использовать параллельно включенные шестнадцатиразрядные или восьмиразрядные ЗУ. Ячейка ЗУ (в рассматриваемом примере) содержит следующее число в двоичном формате 0010 0000 0111 0000 1111 1000 1111 1100 b (шестнадцатиразрядном формате: 2070F8FC h).
Так как используется всего одна ячейка, то данные на выходе ЗУ повторяются с частотой следования синхроимпульсов.
u
На эпюре 1 представлены сигналы на выходных линиях ЗУ. На эпюре 2 - сигналы синхронизации. Обозначим частоту следования сигналов синхронизации через F. Сигналы синхронизации с выхода микроконтроллера направляются на вход формирователя импульсов, который по фронту сигналов синхронизации формирует импульсы длительностью t (эпюра 3). Длительность импульсов, вырабатываемых формирователем импульсов, определяется по формуле
Сигналы на выходных линиях ЗУ через согласующие усилители 4 подаются на управляющие входы передающих оптоэлектронных модулей 5. Быстродействие этих модулей должно соответствовать частоте синхронизации F. Длина волны излучения модулей может быть одной и той же. Выходное оптическое излучение модулей 5 направляется через волоконно-оптические цепи на входные полюса оптических модуляторов 6. Управляющие входы модуляторов 6 подключены к выходу формирователя импульсов 3. Модуляторы 6 работают в ключевом режиме. Модуляторы открываются для оптического излучения при подаче на управляющие входы импульсов, вырабатываемых формирователем импульсов 3, или закрываются при отсутствии управляющего напряжения.
На эпюре 4 представлены оптические сигналы на выходных оптических полюсах модуляторов 6. Эти сигналы направляются в волоконно-оптические линии задержки 7. Линии задержки делятся на группы. Количество групп равно коэффициенту В (для рассматриваемого примера имеем 4 группы по 8 линий задержки в каждой группе). Первая задержка из каждой группы волоконно-оптических линий задержки имеет минимальное значение задержки (будем считать, что они имеют нулевую задержку). Каждая последующая линия задержки в группе обеспечивает задержку на время Δt, которое можно определить по формуле
i
u
Δt=(i-1)t,
где i - порядковый номер волоконно-оптической линии задержки в группе (i=1…8).
Форма задержанных оптических сигналов для всех 32-х волоконно-оптических линий задержки представлены на эпюрах 5-8 (см. фиг.2).
Оптические сигналы, пройдя линии задержки, выравниваются по амплитуде при помощи оптических аттенюаторов 8 и суммируются на выходе оптического объединителя 9.
Для повышения разрешающей способности и точности преобразования можно использовать методы нелинейного двоичного кодирования. Они основаны на методах компандерного расширения динамического диапазона при передаче по каналу связи с ограниченным динамическим диапазоном. В них на входе системы сигнал сжимается с помощью компрессора до уровня, приемлемого для передачи по каналу связи, а на выходе из канала связи сигнал с помощью эспандера (осуществляющего расширение или обратное преобразование) восстанавливается.
Объединенный оптический сигнал направляется через волоконно-оптический тракт 10 на оптический вход приемного аналогового оптоэлектронного модуля 11. Форма сигнала на входном оптическом полюсе модуля 11 представлена на эпюре 9. Выходной сигнал модуля 11 усиливается электронным усилителем 12, который одновременно выполняет функции усредняющего (интегрирующего) фильтра. Форма аналогового синтезированного сигнала на выходе усилителя 12 представлена на эпюре 10.
Как было показано выше, предлагаемое изобретение решает следующие задачи:
- повышения точности преобразования;
- увеличения быстродействия;
- обеспечения возможности передачи синтезированных высокочастотных аналоговых сигналов на значительные (до нескольких километров) расстояния.
В устройстве, являющемся аналогом, синтезируемый аналоговый сигнал складывается из оптических составляющих от отдельных светоизлучающих диодов. Суммирование составляющих производится фотоприемным устройством. Лучи от светодиодов передаются на активную область фотоприемного устройства при помощи линзового объектива.
Известно, что лучи, проходящие через края линзы, преломляются сильнее, чем те, которые проходят вблизи оптической оси. Происходит перераспределение освещенности в изображении проектируемых областей. За счет погрешностей линзового объектива разброс мощности отдельных оптических составляющих может составлять до 30-40% [7].
В предлагаемом устройстве неравномерность отдельных оптических составляющих, связанная с неидентичностью характеристик передающих оптоэлектронных модулей, оптических модуляторов, каналов оптического объединителя, устраняется при помощи М оптических аттенюаторов. Следует заметить, что при использовании методов нелинейного кодирования (отдельным группам присваиваются разные весовые коэффициенты приращений синтезируемого сигнала), точность преобразования и разрешающую способность ЦАП можно существенно увеличить (разрешение будет определяться весом младшего разряда).
В устройстве-прототипе быстродействие преобразователя в основном определяется быстродействием электронного входного регистра.
Запоминающее устройство предлагаемого устройства в общем случае также может состоять из регистров (регистровое ЗУ). По сравнению с устройством-прототипом обеспечивается увеличение скорости преобразования в V раз (для рассмотренного примера частота преобразования превышает частоту синхронизации ЗУ в 8 раз).
При использовании регистровой памяти фирмы Philips Semiconductors типа SSTUB32865, имеющей 28 выходных линий, поддерживающей скорость синхронизации до 450 МГц [8], можно получить скорость преобразования, равную 3,15 ГГц (при условии, что будет сформировано 4 группы, B=4, V=7).
В этом случае передающие оптоэлектронные модули должны обеспечивать передачу данных со скоростью не менее 450 МГц. Такую скорость обеспечивают цифровые передающие оптоэлектронные модули на скорость 622 Мбит/с, производимые отечественными фирмами «Телаз», «ФТИ-оптроник» и другими [9].
В качестве модуляторов можно использовать макетные образцы электрооптических модуляторов фирм «ИРЭ-Полюс», «Оптолинк» или промышленные образцы фирмы NTT типа LNK 5С5ЕВКА [10].
В качестве аналогового приемного оптоэлектронного модуля может быть использован модуль типа ДФДМШ 70- 06 фирмы «Дилаз» [11] с полосой пропускания до 7 ГГц.
Передача синтезированного сигнала обеспечивается волоконно-оптическим трактом. Так как все составляющие оптического сигнала формируются на одной длине волны, то дисперсия оптического волокна не влияет на длину тракта и длина волоконно-оптического тракта определяется в основном затуханием сигналов в оптическом волокне.
Если использовать стандартное одномодовое волокно, имеющее коэффициент затухания на длине волны оптического излучения 1,55 мкм около 0,2 дБ/км, то длина тракта может составлять 50 и более км.
Таким образом, достигается цель изобретения - повышается точность преобразования, увеличивается быстродействие, обеспечивается возможность передачи синтезированных высокочастотных аналоговых сигналов на значительные (до нескольких километров) расстояния.
Источники информации
1. Патент на изобретение РФ №2119719. Устройство для стабилизации фазы передаваемого по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала.
2. Буров В.Н., Седых Д.И., Шапошников А.Ю. Основные оптические параметры DWDM систем передачи и предъявляемые к ним требования. Необходимость их контроля. Фотон-экспресс, №1, февраль 2004 г., с.10-11.
3. Руднев П.И., Дорофеев П.Г. Быстродействующие АЦП с большим динамическим диапазоном. Электроника: наука, технология, бизнес. №4, 2006 г.
4. Беляев А. Современные устройства цифровой обработки сигналов. Вместе или врозь? Электроника: наука, технология, бизнес. №1, 2009, с.28-35.
5. Патент на изобретение РФ №2360359. Цифроаналоговый преобразователь.
6. Патент на изобретение РФ №2275740. Цифроаналоговый преобразователь.
7. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986 г.
8. Информация с сайта http://www.futureelectronics.com.
9. Информация с сайта http://www.fti-optronic.com.
10. Информация с сайта http://www.ntt-electronics.com.
11. Информация с сайта http://www.dilas.ru.