УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области генерирования импульсных сигналов и может быть использована при разработке средств формирования эталонных сигналов частоты.
Известны генераторы периодических сигналов, основанные на охвате активного элемента цепью положительной обратной связи, содержащей резонансный элемент, определяющий значение частоты формируемого сигнала. К этому классу генераторов относятся, в частности, кварцевые генераторы, получившие широкое распространение в радиотехнике в качестве простых по реализации малогабаритных автономных опорных генераторов, см., например, патенты: [1] - RU 2311730 (C1), Н03К 3/027, Н03В 5/36, опубл. 27.11.2007; [2] - RU 2354037 (С2), Н03В 5/32, опубл. 27.04.2009; [3] - RU 2450415 (C1), Н03В 5/32, опубл. 10.05.2012.
Основным недостатком таких устройств является непостоянство частоты формируемого сигнала, проявляющееся при практической эксплуатации. Это непостоянство связано с изменениями параметров резонансной цепи, вызываемых как действием внешних дестабилизирующих факторов (температура, вибрация), так и внутренними дестабилизирующими факторами (деградацией материала резонансного элемента, шумами активных элементов и т.п.).
Уменьшение влияния внешних дестабилизирующих факторов на стабильность параметров генерируемых сигналов в определенной мере обеспечивается методами термокомпенсации и термостабилизации, применяемыми либо ко всему генератору, либо к его наиболее чувствительным элементам, как это осуществлено, например, в кварцевых генераторах, представленных в патентах: [4] - RU 2207704 (С2), Н03В 5/32, опубл. 27.06.2003; [5] - RU 2311726 (C1), Н03В 5/32, опубл. 27.11.2007; [6] - RU 2503122 (C1), Н03В 5/32, опубл. 27.12.2013.
Известным методом уменьшения нестабильности частоты генератора является его подстройка относительно более стабильных внешних опорных сигналов, в качестве которых могут выступать, в частности, сигналы глобальных навигационных спутниковых систем, см., например, патент [7] - RU 2382491 (C1), H03L 7/06, опубл. 20.02.2010. Однако такое решение, требующее введения дополнительных приемных и синхронизирующих средств, существенно усложняет генератор и ограничивает область его возможного применения. Кроме этого, 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 с использованием энергетических уровней атомов в качестве эталона частоты. Однако такое решение переводит генерирующее устройство в другой класс по уровню сложности, а именно, в класс квантовых стандартов частоты, см., например, книгу [8] - 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.
Принципиально другой подход к решению технической проблемы формирования стабильных по частоте сигналов с использованием простых по реализации устройств, не требующих подстройки относительно внешнего опорного сигнала, заключается в переходе на оптоволоконную и оптоэлектронную технику, позволяющую существенно уменьшить влияние внутренних дестабилизирующих факторов по сравнению с генераторами традиционного выполнения.
Примером устройства формирования импульсов, использующего оптоволоконную и оптоэлектронную технику, является оптический мультивибратор, представленный в патенте [9] - RU 2050017 (C1), G06E 3/00, опубл. 10.12.1995. Это устройство принято в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит светопроводящий канал определенной длины, выполненный, например, на оптическом волокне, два ответвителя и оптически бистабильный элемент. Первый ответвитель имеет два однонаправленных входа и один однонаправленный выход. Второй ответвитель имеет однонаправленный вход, однонаправленный выход и двунаправленный выход-вход. Первый вход первого ответвителя образует оптический вход устройства, его второй вход связан с выходом светопроводящего канала, а выход - с входом второго ответвителя. Однонаправленный выход второго ответвителя связан с входом светопроводящего канала, а двунаправленный выход-вход второго ответвителя связан с входом оптически бистабильного элемента.
Устройство-прототип работает следующим образом. На оптический вход устройства, образованный первым входом первого ответвителя, подается постоянный входной оптический сигнал с первым уровнем интенсивности света. Этот сигнал проходит на выход первого ответвителя, далее поступает на вход второго ответвителя, проходит через него на двунаправленный выход-вход и подается на вход оптически бистабильного элемента. Оптически бистабильный элемент при первом уровне интенсивности света находится в закрытом состоянии. В этом состоянии происходит отражение входного сигнала от входа оптически бистабильного элемента. Отраженный сигнал возвращается на второй ответвитель через двунаправленный выход-вход и проходит на его выход, связанный с входом светопроводящего канала. Пройдя далее через светопроводящий канал отраженный сигнал поступает на второй вход первого ответвителя, проходит через него и складывается на выходе с постоянным входным сигналом. В результате этого сложения интенсивность сигнала, поступающего на вход оптически бистабильного элемента, повышается до второго уровня, при котором оптически бистабильный элемент открывается, начиная пропускать оптический сигнал на свой выход, 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 повторяется, в результате чего на выходе оптически бистабильного элемента формируется последовательность выходных световых импульсов, а в светопроводящем канале образуется последовательность импульсов отраженного сигнала, которые на временной оси располагаются в промежутках между выходными импульсами.
Частота формируемых таким образом выходных импульсов зависит от времени, затрачиваемого светом на прохождение светопроводящего канала. Поскольку скорость распространения света в определенной светопроводящей среде постоянна, то при отсутствии внешних возмущающих факторов время, необходимое для прохождения светом светопроводящего канала определенной длины, является величиной постоянной, что определяет потенциально возможную стабильность частоты следования формируемых импульсов.
При этом реально достигаемая стабильность имеет ограничения, определяемые наличием постоянно действующих факторов внутренней нестабильности. Во-первых, это нестабильность характеристик оптически бистабильного элемента, во-вторых, это нестабильность переходных процессов, возникающих в светопроводящем канале в результате прерывания отражения на входе оптически бистабильного элемента.
Наличие этих значимых факторов внутренней нестабильности, влияющих на стабильность частоты формируемых импульсов, а также необходимость использования постоянного источника света в процессе формирования импульсов сужает область возможного применения способа-прототипа.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является создание устройства формирования импульсов, использующего эффект постоянства скорости распространения света в определенной светопроводящей среде, характеризующегося сниженным фактором внутренней нестабильности, что позволяет решать проблему формирования стабильных по частоте сигналов с помощью простых по реализации технических средств.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем. Устройство формирования импульсов содержит светопроводящий канал определенной длины, выполненный на оптическом волокне, и первый и второй ответвители, причем первый вход первого ответвителя образует оптический вход устройства, второй вход первого ответвителя связан с выходом светопроводящего канала, а выход второго ответвителя связан с входом светопроводящего канала. В отличие от прототипа, устройство содержит оптический усилитель, вход которого связан с выходом первого ответвителя, а выход - с входом второго ответвителя, второй выход которого образует оптический выход устройства.
В преимущественных вариантах выполнения устройства вход оптического усилителя связан с выходом первого ответвителя через оптический аттенюатор.
Сущность полезной модели и ее осуществимость поясняются структурной схемой устройства в наиболее простом варианте реализации.
Устройство формирования импульсов в рассматриваемом примере реализации содержит светопроводящий канал 1 определенной длины, оптический усилитель 2, первый ответвитель 3, второй ответвитель 4 и оптический аттенюатор 5. Первый вход ответвителя 3 образует оптический вход устройства. Второй вход ответвителя 3 связан с выходом светопроводящего канала 1. Выход ответвителя 3 через оптический аттенюатор 5 связан с входом оптического усилителя 2. Выход оптического усилителя 2 связан с входом оптического ответвителя 4. Первый выход оптического ответвителя 4 связан с входом светопроводящего канала 1. Второй выход оптического ответвителя 4 образует оптический выход устройства.
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 [10] - RU 2540936 (С1), H01S 3/067, опубл. 10.02.2015. Длина оптоволокна определяется частотой формируемых импульсов - чем ниже частота, тем длиннее должно быть оптоволокно. Например, километровые длины оптоволокна позволяют формировать импульсы с частотами в сотни килогерц, стометровые длины позволяют формировать импульсы с частотами в единицы мегагерц.
Для уменьшения влияния на оптоволокно температурных дестабилизирующих факторов катушка оптоволокна может быть размещена в термостабилизированном объеме (на структурной схеме не показано). В этом же объеме могут размещаться разветвители 3, 4 и оптический усилитель 2 с оптическим аттенюатором 5. При работе в наиболее распространенном для опорных генераторов мегагерцовом диапазоне частот, реализуемом при длине оптоволокна не превышающем единиц сотен метров, необходимые для термостабилизации средства имеют сравнительно небольшие габариты, что позволяет реализовать устройство в настольном выполнении.
В качестве оптического усилителя 2 может использоваться полупроводниковый лазерный усилитель, например, из номенклатуры продукции компании «МСС». Полупроводниковый лазерный усилитель основан на принципе индуцированного монохроматического излучения, аналогичного лазерам, и обеспечивает внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в электрическую форму, см., например, статью «Оптические усилители» (раздел 4, рис. 4.13), представленную на электронном ресурсе [11]: http://www.fiberman.ru/articles/elektro-component/amplifier/. Мощность такого оптического усилителя достаточна для передачи оптического сигнала без регенерации по волоконной линии длиной в тысячи метров, а его быстродействие обеспечивает передачу импульсов по волоконной линии со скоростью 100 мб/сек и более (длительность импульсов менее 5 нс при скважности равной двум).
Оптический аттенюатор 5 представляет собой стандартное, изготавливаемое промышленностью устройство, обеспечивающее фиксированное снижение мощности сигнала перед оптическим приемником, что позволяет отсекать на входе оптического усилителя 2 возможные нежелательные шумы и отраженные сигналы, возникающие как помехи в светопроводящем канале 1 при прохождении световых импульсов. При практической реализации устройства в качестве оптического аттенюатора может быть использован аттенюатор из номенклатуры продукции группы компаний «Проинтех», см. электронный ресурс [12]: http://www.prointech.ru/catalog/passive/opticheskie-attenyuatory.html.
Заявляемое устройство работает следующим образом. На вход устройства, то есть на первый вход первого ответвителя 3, подается однократный внешний запускающий (первичный) световой импульс определенной мощности и длительности. Этот импульс проходит на выход ответвителя 3 и далее через оптический аттенюатор 5 поступает на вход оптического усилителя 2. С выхода оптического усилителя 2 усиленный первичный световой импульс поступает на вход второго ответвителя 4, где раздваивается по мощности, при этом одна часть поступает через первый выход ответвителя 4 на вход светопроводящего канала 1, а вторая часть через второй выход ответвителя 4 - на выход устройства.
0
Пройдя светопроводящий канал 1, что занимает определенный промежуток времени t, зависящий от длины и материала светопроводящей среды светопроводящего канала 1, световой импульс поступает на второй вход ответвителя 3, проходит на его выход и далее через оптический аттенюатор 5 поступает на вход оптического усилителя 2. С выхода оптического усилителя 2 усиленный световой импульс поступает на вход ответвителя 4, где раздваивается, поступая на вход светопроводящего канала 1 и на выход устройства.
Этот процесс циклически повторяется. То есть, каждый последующий световой импульс, поступающий на выход устройства и на вход светопроводящего канала 1, формируется путем усиления в оптическом усилителе 2 предыдущего светового импульса, прошедшего через светопроводящий канал 1. При этом выбираются максимально возможные характеристики ослабления сигнала оптическим аттенюатором 5, при которых обеспечивается незатухающий процесс циркуляции импульсов по светопроводящему каналу 1. Это позволяет максимально избавиться от шумов и паразитных отражений, возникающих в светопроводящем канале 1.
им
0
доп
yc
0
доп
yc
им
0
им
0
0
yc
доп
В результате заявляемое устройство формирует на своем выходе последовательность световых импульсов, длительность которых изначально задается длительностью t внешнего запускающего светового импульса, а период следования определяется интервалом времени Т, который определяется временем t, затрачиваемым на прохождение импульсом светопроводящего канала 1, временем t, затрачиваемым на прохождение импульсом ответвителей 3, 4 и оптического аттенюатора 5, и временем t, затрачиваемым на прохождение оптического усилителя 2, то есть Τ=t+t+t. При этом выполняется условие, что задаваемая длительность t импульсов формируемой последовательности меньше времени t, то есть t<t, a t>>t+t.
0
yc
0
доп
Стабильность формируемых таким образом импульсов определяется постоянством скорости распространения света в определенной светопроводящей среде, в рассматриваемом примере - в пассивной 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 пассивной светопроводящей среде светопроводящего канала 1, по отношению к условно менее стабильной части, определяемой временем прохождения импульса через активную среду оптического усилителя 2 (влияние времени t здесь не рассматривается ввиду его незначительности).
0
yc
0
yc
Рассматриваемое неравенство t>>t легко выполняется при использовании современных средств оптоволоконной и оптоэлектронной техники. Например, при использовании светопроводящего канала 1 с длиной как в устройстве [10] порядка одного километра, период генерации импульсов можно приблизительно оценить как частное от деления длины линии на скорость света в воздухе (примерно 299792,5 км/сек), что составляет 3,34 мкс. Поскольку примененный оптический усилитель позволяет осуществлять передачу информации по волоконной линии связи со скоростью 100 мб/сек и более (длительность импульсов менее 5 нс при скважности равной двум), то это обеспечивает возможность выполнения указанного неравенства t>>t почти с тысячекратным запасом.
Заявляемое устройство, по сравнению с прототипом, проще в реализации, а его факторы внутренней нестабильности сводятся практически к нестабильности одного оптического усилителя, которые могут быть нивелированы за счет выбора достаточно протяженного светопроводящего канала 1, что позволяет повысить стабильностью частоты формируемых импульсов. Это, а также отсутствие необходимости иметь постоянный источник светового излучения, расширяет область возможного применения устройства в качестве простого по реализации стабильного автономного опорного генератора.
В случае необходимости выходной сигнал заявляемого устройства может быть преобразован в электрический вид с помощью соответствующего оптоэлектронного преобразователя, а необходимый запускающий световой импульс может быть сформирован путем электронно-оптического преобразования соответствующего электрического импульса (в рамках настоящей заявки эти средства не рассматриваются как не относящиеся к сущности полезной модели).
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства формирования импульсов, использующего эффект постоянства скорости распространения света в определенной светопроводящей среде, характеризующегося сниженным фактором внутренней нестабильности, что позволяет решать проблему формирования стабильных по частоте сигналов с помощью простых по реализации технических средств.
Источники информации
1. RU 2311730 (C1), Н03К 3/027, Н03В 5/36, опубл. 27.11.2007.
2. RU 2354037 (С2), Н03В 5/32, опубл. 27.04.2009.
3. RU 2450415 (C1), Н03В 5/32, опубл. 10.05.2012.
4. RU 2207704 (С2), Н03В 5/32, опубл. 27.06.2003.
5. RU 2311726 (C1), Н03В 5/32, опубл. 27.11.2007.
6. RU 2503122 (C1), Н03В 5/32, опубл. 27.12. 2013.
7. RU 2382491 (C1), H03L 7/06, опубл. 20.02.2010.
8. 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.
9. RU 2050017 (C1), G06E 3/00, опубл. 10.12.1995.
10. RU 2540936 (C1), H01S 3/067, опубл. 10.02.2015.
11. http://www.fiberman.ru/articles/elektro-component/amplifer/.
12. http://www.prointech.ru/catalog/passive/opticheskie-attenyatory.html.