АНАЛОГОВАЯ ФАЗОСТАБИЛЬНАЯ ВОЛС
ANALOGUE PHASE-STABLE FIBRE-OPTIC LINK

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а более конкретно к устройствам для передачи высокочастотного аналогового сигнала со стабильной фазой по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) в системах фазовой синхронизации удаленных объектов. Техническим результатом является увеличение фазовой стабильности передаваемого по ВОЛС высокочастотного сигнала.
Такие системы применяются, например, в линейных ускорителях, детекторах гравитации, космической навигации, радарах с фазированной антенной решеткой, фазовой интерферометрии [1-3].
Известно устройство "Компенсатор задержки в волоконно-оптическом кабеле", включающее оптический передатчик, оптические приемники, разветвители, световоды [1]. В известном устройстве сигнал высокостабильного опорного генератора (водородного мазера) с нормированным фазовым шумом и высоким отношением сигнал/шум на выходе подменяется сигналом генератора управляемого напряжением (ГУН) с ненормированными фазовыми шумами и значением сигнал/шум. Еще один недостаток известного устройства заключается в необходимости обратной передачи отраженного от конца оптического кабеля сигнала к оптическому передатчику для последующего сравнения по фазе с входным сигналом.
Такое решение резко снижает энергетический потенциал, отношение сигнал/шум, увеличивает фазовый шум и уменьшает точность фазовой синхронизации. Кроме того, в этом устройстве необходимо применять высококачественные оптические изоляторы и ответвители, малейшее ухудшение работы которых может привести к сильным избыточным шумам лазера оптического передатчика из-за вредного влияния оптической обратной связи, что приведет к нарушению работы всего устройства.
Известно устройство "Система фазовой коррекции", включающее оптический передатчик, оптические изоляторы, волоконно-оптический модулятор, оптические разветвители, оптический детектор, фазовый детектор, усилитель, световод и оптический приемник [2]. В известном устройстве оптический сигнал, прошедший через всю длину оптической линии, отражается зеркалом обратно для последующего сравнения по фазе с входным сигналом. Такое решение резко снижает энергетический потенциал, отношение сигнал/шум, увеличивает фазовый шум и уменьшает точность фазовой синхронизации. Кроме того, в известном устройстве необходимо применять высококачественные оптические изоляторы и ответвители, малейшее нарушение работы которых приведет к появлению сильных избыточных шумов лазера оптического передатчика из-за вредного влияния оптической обратной связи, что ведет к нарушению работы всего устройства.
Еще один недостаток заключается в использовании в качестве фазовращателя волоконно-оптического модулятора, вносящего в оптический сигнал значительные дополнительные потери, которые еще больше сокращают энергетический потенциал устройства. В известном устройстве из-за особенностей работы волоконно-оптического модулятора ограничен также предел компенсации фазового дрейфа в световоде (оптическом кабеле) величиной порядка ±45 град. фазы, следовательно, ограничена длина фазостабилизированной оптической линии, частота передаваемого по ней опорного сигнала и (или) диапазон компенсированного колебания температуры и механических нагрузок световода.
Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение, - повышение стабильности при передаче от прецизионного источника к потребителям высокочастотного аналогового сигнала при небольших материальных затратах.
Сущность изобретения заключается в одновременной передаче по одному оптическому волокну (ОВ) вместе с опорным еще трех сигналов разной частоты, синхронизированных с ним по дрейфу фазы. Один из них, благодаря выбору достаточно низкой частоты, имеет заведомо большую, по сравнению с реально необходимой для практических применений, стабильность фазы на выходе ОВ. Частота другого сигнала выбирается таким образом, чтобы уход его фазы в любом случае заведомо не превышал пределы рабочего диапазона фазового детектора. Третий является сигналом гетеродина для смесителя фотоприемного устройства, его частота выбирается таким образом, чтобы разность частот между вторым и третьим сигналами была равна частоте первого.
Единый научно-технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
а) повышении фазовой стабильности и точности при передаче по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала;
б) повышении надежности работы устройства за счет исключения ложных сигналов в системе стабилизации фазы на приемном конце ВОЛС;
в) упрощении устройства, снижении уровня энергопотребления на удаленном приемном конце ВОЛС;
г) снижении уровня радиоизлучений на приемном конце ВОЛС и улучшении электромагнитной совместимости (ЭМС).
2
3
4
4
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по сравнению с известным [3], являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: радиочастотный генератор опорного высокочастотного сигнала, радиочастотные генераторы вспомогательных сигналов с частотами f и f, соединенные через радиочастотный объединитель с входом оптического передатчика, ОВ, соединенное с фотоприемником, радиочастотный делитель, фильтр верхних частот, первый и второй узкополосные фильтры, первый и второй преобразователи, гетеродин, первый и второй фильтры промежуточной частоты, фазовый детектор, масштабирующий усилитель и управляемый фазовращатель, введен третий, синхронизированный с опорным, вспомогательный радиочастотный генератор с частотой f, радиочастотный делитель, третий узкополосный фильтр, подстроечный фазовращатель и управляемый аттенюатор, а гетеродин, второй преобразователь и второй фильтр промежуточной частоты исключены, причем выход третьего вспомогательного радиочастотного генератора с частотой f, соединен со входом радиочастотного объединителя, третий узкополосный фильтр соединен с одним из выходов радиочастотного делителя, к выходу которого подключен вход подстроечного фазовращателя, соединенного своим выходом с одним из входов фазового детектора.
4
Благодаря введению третьего вспомогательного радиочастотного генератора с частотой f (гетеродина) удалось отказаться от гетеродина на удаленном приемном конце ВОЛС, который работал на два смесителя.
В предыдущем устройстве [3], при нестабильности частоты гетеродина в сигналах на входах фазового детектора появлялась дифференциальная разность фаз, которая после детектирования выступала как ложный сигнал компенсации фазового дрейфа в ВОЛС, который после усиления масштабирующим усилителем подавался на управляемый фазовращатель.
В предлагаемом устройстве гетеродин в приемной части устройства отсутствует, при этом исключается один из основных источников фазовой нестабильности.
Благодаря ведению подстроечного фазовращателя компенсируется неизбежная начальная разность фаз на входах фазового детектора из-за не идентичности каналов.
При этом начальный управляющий сигнал фазовой ошибки можно оптимизировать, например, установив его равным нулю.
Это позволяет установить рабочую точку на регулировочной характеристике основного управляемого фазовращателя в оптимальном (например, в симметричном) положении, повысив тем самым точность поддержания фазы опорного сигнала и расширить диапазон регулирования фазы.
Введение управляемого аттенюатора между подстроечным фазовращателем и фазовым детектором обеспечивает оптимальные условия работы фазового детектора за счет выравнивания не только начальных фаз, но и амплитуд сигналов на его входах. Такое выравнивание необходимо, так как всегда существует не идентичность каналов по коэффициенту передачи, в том числе из-за включения в один из каналов устройства преобразователя частоты, который, как правило, имеет малый коэффициент передачи.
Например, в фазометрах выравнивание дифференциальных амплитуд сигналов на входах от нескольких раз до приблизительного их равенства дает пятикратное увеличение точности измерения относительной фазы сигнала [4, 5]. Благодаря этому достигается значительно большая точность фазового детектирования. Тем самым на вход управляемого фазовращателя поступает сигнал, обеспечивающий более точную фазовую компенсацию изменения фазы в ВОЛС.
Таким образом, повышается общая фазовая стабильность аналоговой ВОЛС.
Достигаемое, в связи с этим, уменьшение габаритов, массы, стоимости, энергопотребления и облегчение решения задачи ЭМС на приемном конце, особенно важно в многоканальных системах разводки фазостабильного сигнала по ВОЛС, например, для фазированных антенных решеток (ФАР) и активных фазированных антенных решеток (АФАР) с числом излучателей до тысячи и более.
Предлагаемое изобретение представлено на фиг.1, оно содержит: генератор опорных сигналов 1, генераторы сигналов 2, 3 и 4, радиочастотный объединитель сигналов 5, оптический передатчик 6, ОВ 7, оптический приемник 8, радиочастотный делитель (1:2) 9, радиочастотный делитель (1:3) 10, фильтр верхних частот 11, управляемый фазовращатель 12, узкополосные фильтры 13, 14, преобразователь 16, фильтры промежуточной частоты 15 и 17, подстроечный фазовращатель 18, управляемый аттенюатор 19, фазовый детектор 20, масштабирующий усилитель 21.
1
2
3
4
Предлагаемая аналоговая фазостабильная ВОЛС работает следующим образом: опорный высокочастотный (ВЧ) сигнал генератора 1 с частотой f вместе с сигналами генераторов 2, 3 и 4, с частотами f, f и f соответственно, поступает на объединитель сигналов 5, а с него на вход линейного оптического передатчика 6 и модулирует его.
Промодулированный ими оптический сигнал поступает на вход одномодового ОВ 7 и принимается линейным фотоприемником 8. С выхода оптического приемника, через радиочастотный делитель 9, отфильтрованный фильтром верхних частот 11, опорный ВЧ-сигнал поступает на вход фазовращателя 12.
2
4
3
Сигналы генераторов 2, 3 и 4 через радиочастотные делители 9, 10 и узкополосные фильтры 13, 14 поступают на преобразователь 16, причем сигнал с частотой f через фильтр 13 поступает на вход преобразователя 16, а сигнал с частотой f через фильтр 14 поступает на гетеродинный вход преобразователя 16, а сигнал с частотой f, совпадающей с промежуточной, через фильтр 15, подстроечный фазовращатель 18 и управляемый аттенюатор 19 поступает на один из входов фазового детектора 20, на другой вход которого поступает через фильтр 17 сигнал промежуточной частоты с выхода преобразователя 16, с выхода фазового детектора сигнал, зависящий от разности фаз входных сигналов на его входах, через масштабирующий усилитель 21 поступает на управляющий вход фазовращателя 12, который компенсирует уход фазы опорного ВЧ- или СВЧ-сигнала.
2
3
Устройство работает следующим образом: в статическом режиме, т.е. при нормальной (калибровочной) температуре среды окружающей одномодовое ОВ, и в отсутствие механических нагрузок на него, разность фаз сигналов с частотой f и f практически равна нулю. Следовательно, напряжение на выходе фазового детектора также будет практически равно нулю, и управляемый фазовращатель будет иметь только начальный сдвиг фазы опорного сигнала.
o
Таким образом, опорный сигнал генератора на выходе ВОЛС будет иметь начальный сдвиг фазы φ.
2
3
4
Частоты второго, третьего и четвертого генераторов f, f и f выбираются из соотношений:
Tf2
σf2
max{Δφ, Δφ}<90 град. фазы; (1)
Tf3
σf3
0
max{Δφ, Δφ}<<Δφ град. фазы; (2)
Tf4
σf4
0
max{Δφ, Δφ}<<Δφ град. фазы; (3)
Tf2
Tf3
σf2
σf3
Tf4
σf4
2
3
4
4
2
3
0
где Δφ, Δφ, Δφ, Δφ, Δφ, Δφ - изменения набега фазы в ВОЛС при колебаниях температуры и механической нагрузки на частотах f, f и f соответственно, причем f=f-f, Δφ - требуемая точность фазовой синхронизации.
Коэффициент усиления масштабирующего усилителя равен:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><mi>m</mi><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext>  (4)</mtext></mrow>
где m - коэффициент масштабирования.
1,2
1,2
Начальный сдвиг фазы Δφ и разность уровней сигналов ΔA на входах фазового детектора (20) должны быть равны нулю:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>2</mn></mrow></msub><mtext> и </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>Α</mi><mrow><mtext>1,2</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>  (5)</mtext></mrow>
1,
При выполнении условий (1)-(5) обеспечивается повышенная точность, требуемая для компенсации фазовращателем 12 изменений набега фазы на частоте опорного генератора f обусловленных изменениями температуры ΔT и механического напряжения Δσ в оптическом волокне, и повышенная фазовая стабильность ВОЛС в целом.
2
4
3
Если выбрать частоты генераторов f и f достаточно близкими, т.е. низкую промежуточную частоту f, то разность набега фаз будет минимальной и, следовательно, линия передачи будет сохранять высокую точность в широком диапазоне температур и механических нагрузок.
Наличие генераторов относительно низкочастотных сигналов, имеющих с опорным генератором одинаковое направление фазового дрейфа, не связано со значительными дополнительными аппаратными затратами, т.к. три сигнальные частоты из четырех, примененных в устройстве, являются стандартными на выходах всех генераторов - стандартов частоты, обычно являющихся задающими для генераторов опорных сигналов [4].
Таким образом, предлагаемая система передачи может передавать фазостабильный ВЧ- или СВЧ-сигнал с высокой точностью на значительные расстояния, не используя оптическую обратную связь и гетеродин в приемной части, что значительно повышает ее качество и надежность работы, а также снижает ее радиоизлучение и стоимость.
Источники информации
1. Primas L.Е. Cable delay compensator for microwave signal distribution over optical fibers // Microwave Journ. - 1990. - V.33, №. 12 - P.81-92.
2. Smith P., Phase stabisation of reference signals in analog fiber - optic links // Electron. Letters. - 1997. - V.33, №13. - P.1164-1165.
3. Устройство для стабилизации фазы передаваемого по ВОЛС высокочастотного аналогового сигнала: Патент России. 2119719/ Д.Ф. Зайцев - №97119141; Заявл. 27.11.1997; Опубл. 27.09.98 // Описания Российских изобретений. - 1998 - Ч.2.
4. Измерения в радиоэлектронике. Справочник под ред. В.А. Кузнецова - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 286 с.
5. Измеритель разности фаз и отношения уровней ФК2-33. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1.405.007 ТО.