Со времен седой древности процесс рециркуляции ассоциировался у человечества с бесконечной повторяемостью — восход солнца, смена времен года и т. д. Имея перед глазами постоянные примеры бесконечной повторяемости, человечество хотело его воспроизвести в своих интересах. Например, первые прототипы вечного двигателя были основаны на эффекте рециркуляции. В настоящее время, пожалуй, трудно найти области человеческой деятельности, где в той или иной степени не использовался бы процесс рециркуляции.
С началом 20-го века, т. е. с момента изобретения и практического использования радио, принцип рециркуляции нашел новое применение. Развитие науки и техники, постоянное совершенствование элементной базы, давали новые толчки к использованию для решения тех или иных задач принципа рециркуляции. Накопители и запоминающие устройства для импульсных сигналов, фильтры, генераторы, анализаторы спектра, устройства осуществляющие компрессию сигналов и т. д. — вот области применения принципа рециркуляции в настоящее время. Весьма условно устройства, основанные на использовании принципа рециркуляции можно разбить на две группы: в первую входят генераторы, а во вторую рециркуляторы, т. е. устройства осуществляющие функциональные преобразования над внешним полезным сигналом на основе использования принципа рециркуляции. Важнейшим параметром рециркуляторов было и остается количество циклов рециркуляции, при которых параметры сообщения, находящегося в рециркуляторе еще эквивалентны с параметрами сообщения, которое было введено в рециркулятор.
В простейшем случае рециркулятор состоит из линии задержки охваченной петлей обратной связи. При подаче на вход рециркулятора какого-либо сигнала он появляется на его выходе спустя некоторое время. Можно говорить, что линия задержки в течении времени 1:3 хранит этот сигнал в своей «памяти» [1]. Следовательно, рециркуляторы можно называть еще и запоминающими устройствами. Учитывая, что запоминаемая информация появляется на выходе периодически, то такие устройства можно еще называть динамическими.
Рассмотрим некоторые области практического применения динамических запоминающих устройств (ДЗУ) на основе рециркуляторов. В [1] описано использование рециркуляторов для создания динамического запоминающего устройства с длительной памятью для запоминания информации в аналоговой форме. В первом случае, применяя стабилизацию величины фактора обратной связи и компенсацию искажений сигнала в линии задержки, удалось построить запоминающие устройства, в которых информация в аналоговой форме сохранялась в течении 200 циркуляций. Во втором случае информация циркулирует в запоминающем устройстве в виде фазы радиочастотного заполнения импульсов и, тем самым, накопление амплитуд заменяется накоплением отклонений фазы радиоимпульсов от фазы опорного генератора. Число рециркуляций импульсов в такой системе достигало 2000. Там же в [1], описано использование запоминающих устройств на основе рециркуляторов для решения задач временной компрессии сигнала. Под временной компрессией, или сжатием во времени, сигнала понимают такой процесс, при котором длительность сигнала сокращается в несколько раз без потери информации, переносимой этим сигналом. Сокращение длительности сигнала приводит к расширению его спектра, и поэтому одно из применений временные компенсаторы нашли в анализаторах спектра.
Еще одной областью использования динамических запоминающих устройств являются анализаторы спектра интерференционного типа или анализаторы спектра рециркуляционного типа [11, 14]. Здесь полоса анализа определяется запаздыванием в линии задержки рециркуляционной структуры, а разрешающая способность и число точек преобразования зависят от числа рециркуляций обрабатываемого радиосигнала.
В [1,34,35,36−39 и др.] рассмотрены основные принципы построения накопителей импульсных сигналов, в том числе и на основе рециркуляционных структур, и получены соответствующие соотношения для устройств данного класса. В [35] указано, что для получения максимально возможного выигрыша в случае последовательностей, состоящих из большого числа импульсов, необходимо увеличить коэффициент обратной связи до значений весьма близких к единице. Практически это вызывает трудности, так как вследствие нестабильности параметров возникает самовозбуждение рециркулятора. Поэтому величина коэффициента обратной связи в аналоговом рециркуляторе (без устройств стабилизации коэффициента обратной связи) не может быть сделана больше 0,9 — 0,95, ввиду чего в накопителе аналоговых импульсных сигналов нельзя накопить больше 20−40 импульсов, даже если число импульсов на входе гораздо больше.
Таким образом, информационный анализ источников показал, что одним из основных требований, предъявляемым к рециркуляционным структурам динамических запоминающих устройств является количество рециркуляций в течении которых информация, заключенная в рециркулирующем сигнале (выборках сигнала), эквивалентна информации, заключенной в обрабатываемом входном сигнале. Кроме указанного параметра можно также выделить следующие количественные характеристики, определяющие работу ДЗУ :
— диапазон рабочих частот;
— величина динамического диапазона.
— время задержки одной копии сигнала.
Рассмотрим более детально использование динамических запоминающих устройств импульсных аналоговых радиосигналов, в качестве памяти СВЧ сигналов, в системах радиоэлектронного противодействия (РЭП) (рис.1) [2,3]. По способу сохранения информации о параметрах зондирующего сигнала антагонистической стороны для формирования помех, существующие системы РЭП можно условно разделить на два вида — цифровые (рис.1) и аналоговые (рис.2). Цифровая система РЭП работает следующим образом. Матричные коммутационные интегральные схемы подключают любую входную цепь к различным видам приемников: детекторному с измерителем мгновенной частоты и амплитуды, анализатору спектра, узкополосному супергетеродинному приемнику с двойным преобразованием частоты. Выходные сигналы приемников поступают на подсистему памяти СВЧ сигналов, где в цифровом виде записывается закон модуляции. Центральный процессор анализирует выходные сигналы приемников и вырабатывает управляющие коды на аппаратуру формирования сигналов РЭП. Усилитель мощности усиливает сигналы РЭП. Характеристики подсистемы памяти можно разделить на две группы — точность воспроизведения сигнала и эффективность (возможность перепрограммирования запоминающего устройства), надежность и цена.
1/.
УМ 1 ъ.
От гетеродина.
Рис. 1. Структура системы РЭП, использующей память СВЧ сигналов ВЦ — входная цепь, настроенная на определенный частотный диапазонМКматричный коммутаторШПП — широкополосный приемникАС — анализатор спектраУП — узкополосный приемникИМЧ — измеритель мгновенной частотыИАизмеритель амплитудыЦП — центральный процессорПП СВЧ — подсистема памяти СВЧ сигналовУМ — усилитель мощности.
До момента широкого внедрения в системы РЭП достижений цифровой вычислительной техники, в частности цифровых запоминающих устройств, в системах РЭП использовались аналоговые схемы запоминания информации о параметрах зондирующего сигнала антагонистической стороны [4,5,6]. На рис. 2, например, приведена простейшая схема станции постановки многократных ответных помех. Сигнал от подавляемого РЭС, принятый станцией помех, поступает одновременно в схему запоминания частоты и в приемник станции помех. Схема запоминания частоты запоминает несущую частоту подавляемой РЛС на заданное время. С выхода приемника сигнал подается в схему задержки, обеспечивающую задержку (или опережение) принятого сигнала на время Ц. Модулятор формирует серию пачку) импульсов, которые модулируют колебания усилителя высокой частоты (УВЧ). После усиления в УВЧ и в оконечном усилителе серия импульсов излучается передающей антенной., V.
Схема запоминания частоты.
УВЧ.
Приемник.
Оконечный усилитель.
Схема задержки.
Модулятор
Рис. 2. Структурная схема передатчика ответных помех.
Структурное построение систем РЭП, использующих аналоговые запоминающие устройств СВЧ сигналов, для постановки, например, имитирующих помех, во многом совпадают со структурной схемой, приведенной на рис. 1.
В настоящее время среди основных направлений, по которым идет развитие средств РЭБ [3] можно выделить следующие:
1. Улучшение тактико-технических показателей, в частности: увеличение числа одновременно подавляемых объектов, повышение энергоинформационного потенциала, снижение массогабаритных показателей и т. д.
2. Создание малогабаритных ложных целей, с высокой степенью правдоподобия имитирующих летательные аппараты, а также создание передатчиков помех одноразового использования, способных самостоятельно выбирать РЭС для подавления, оптимально формировать сигналы помех, взаимодействовать с другими передатчиками помех.
Несмотря на целый ряд неоспоримых преимуществ, которые дает использование цифровых запоминающих устройств радиосигналов, и на бурное развитие цифровой вычислительной техники, следует отметить [3], что объем памяти и быстродействие вычислителей по-прежнему будут оставаться одним из ограничений, определяющих пропускную способность систем и их быстродействие. Также следует отметить, что использование цифровой памяти радиосигналов, например СВЧ сигналов, в настоящее время возможно только в тракте промежуточной частоты (ПЧ), а процесс преобразования частоты обрабатываемого сигнала может внести дополнительные искажения в спектр сигнала. Названные ограничения вновь возродили интерес к аналоговым устройствам запоминания сигналов, которые имеют, в некоторых приложениях, преимущества по быстродействию, полосе обрабатываемых частот, стоимости и потребляемой мощности, а также могут применятся в высокочастотном тракте, без использования процесса преобразования частоты.
В динамических запоминающих устройствах на основе рециркуляционых структур используются различные линии задержек — коаксиальные, волноводные, акустооптические, линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и магнитострикционных волнах (МСВ).
Практически все существующие виды ДЗУ обладают существенными недостаткамибольшое погонное затухание и большие массогабаритные показатели (коаксиальные и волноводные), незначительная полоса обрабатываемых частот и зависимость потерь от частоты обрабатываемого сигнала (акустооптические и приборы на ПАВ). Таким образом решение проблемы создания ДЗУ импульсных аналоговых сигналов с использованием, традиционными способами вызывает некоторые трудности, обусловленные техническими характеристиками узлов, используемой элементной базы.
Современный этап развития техники высокоскоростного формирования и обработки сложных широкополосных радиосигналов характеризуется повышенным интересом к использованию оптических методов обработки информации, в том числе использование для этих целей волоконно-оптической элементной базы (ВОЭБ). Использование ВОЭБ обусловлено уникальными свойствами и рекордно высокими техническими показателями волоконных световодов (ВС). Среди них: предельно низкие потери мощности световых сигналов (меньше чем 0,2 дБ/км), широкая погонная полоса пропускания (свыше 500 ГГцхкм), полная электромагнитная совместимость с любым электрои радиооборудованием и идеальная гальваническая развязка от него, высокая помехозащищенность и скрытность передачи световых сигналов, малые массогабаритные показатели и топологическая гибкость. Такие высокие технические характеристики ВС делают актуальным использование элементов ВОЭБ для создания ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов.
В состав простейшей схемы волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) (рис.3) входят: лазер 2 с внутренней модуляцией (или внешней модуляцией в модуляторе 3), волоконный тракт 4 заданной длины, определяющий величину задержки сигнала, и фотодетектор 5. 1.
Г~ 1 11 т, г.
Г Г — •.
I I к.
13″ .
ВОЛЗ.
Рис. 3. Простейшая схема ВОЛЗ.
В основе работы фотодетекторов на основе р-ьп-фотодиодов и лавинных диодов лежит обратносмещенный р-п-переход. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода описывается экспоненциальной зависимостью [75]. Однако при освещении перехода светом, имеющим длину волны меньше пороговой, характеристика сдвигается на величину 1ф. Фототок 1ф возрастает линейно с ростом мощности (интенсивности)оптического излучения.
43,65,66,75, 86 и др.] (см. Главу 5). Следовательно фотодетектор, в первом приближении, можно рассматривать как устройство имеющее линейную передаточную характеристику. Волоконные световоды, до пороговых значений оптической мощности [78], введенной в волокно, также представляют собой устройства имеющие линейную передаточную характеристику. Инжекционно-полупроводниковых лазеров (ИПЛ) имеют практически линейные ватт-амперные характеристики при токе выше порогового до максимальной мощности в непрерывном режиме «20 мВт и импульсном «100 мВт и более [61−67,75,76]. Следовательно ИПЛ, в первом приближении, также можно рассматривать как устройство имеющее линейную передаточную характеристику.
Таким образом объектом дальнейшего исследования будут являться ДЗУ на основе волоконно-оптической элементной базы, как линейные оптоэлектронные устройства, обеспечивающие хранение информации на заданном интервале времени и работающих в условиях наличия на входе информационного потока подчиняющегося распределению Пуассона [7], при условии поступления импульсного сигнала на вход ДЗУ с длительностью меньшей, чем длительность задержки ЛЗ ДЗУ.
Однако, первоначально необходимо выяснить преимущества использования ВОЭБ перед традиционно используемыми элементными базами и провести информационный анализ 8 научных источников по разработанным устройствам на ВОЭБ. После этого можно будет наметить план дальнейших исследований по разработке и исследованию ДЗУ на основе волоконно-оптической элементной базы.
Помимо преимуществ, обусловленных использованием оптоволоконной элементной базы, таких как малые потери, широкая полоса, высокое отношение сигнал/шум, большая температурная стабильность, малые габаритные размеры и масса, волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) обладает еще двумя свойствами, выгодно отличающими их от линий задержки на основе акустооптической (АО) и радиоэлектронной (РЭ) элементных баз. Это малые потери на единицу времени задержки и большая величина произведения времени задержки 1−3 на полосы обрабатываемых частот Втах (Ц мтах) [8].
В таблице 1, для одинаковых условиях проведения измерений, приведены [9] значения потерь на единицу времени задержки радиосигнала на частотах от 0,01 до 10 ГГц для АО, коаксиальных, волноводных и ВОЛЗ.
Видно, что на частотах менее 1 ГГц минимальные потери в акустооптических линиях задержки (АОЛЗ), а на более высоких частотах потери в ВОЛЗ оказываются на три порядка меньше. Потери в коаксиальных и волноводных ЛЗ наибольшие среди всех видов ЛЗ, что делает их неконкурентоспособными уже на частотах 10. 100 МГц. Из таблицы также следует, что потери мощности радиосигнала в ВОЛЗ не зависят от частоты радиосигнала.
Таблица I.
Потери на единицу времени задержки радиосигнала, дБ/мкс.
Тип линии задержки 1 астота радиосигнала, ГГц.
0,01 од 1,0 10.
Акустооптическая Ю-4 10″ 2 1 100.
Коаксиальная — 14 35 >500.
Волноводная — - - 30.
Волоконно-оптическая 0,4 0,4 0,4 0,4.
Поскольку при увеличении длины ВОЛЗ пропорционально растет дисперсия и уменьшается полоса пропускания, а время задержки ВОЛЗ прямо пропорционально ее длине, то произведение 1:3 Втах для ВОЛЗ заданной длины оказывается постоянной величиной, определяемой исключительно шириной спектральной линии излучения источника. По оценкам [12] максимальный верхний предел этого произведения для ВОЛЗ с ОаАэ инжекционным лазером (ИЛ) в качестве источника с шириной линии АХ&-2 нм, составляет 104. Применение современных одномодовых одночастотных ИЛ позволяет повысить это произведение до 10б, что на три порядка превышает аналогичную величину характерную для АО и РЭ линий задержки. На рис. 4 показаны зависимости Втах (X) для некоторых типов ЛЗ радиосигналов:
1- ЛЗ на приборах с зарядовой связью (ПЗС), 2 — акустооптическая ЛЗ, 3-многомодовая ВОЛЗ, 4-одномодовая ВОЛЗ. Штриховые наклонные линии соответствуют постоянным значениям произведенияв. Для ЛЗ на ПЗС это произведение одного порядка не превышает 103 [9].
Выигрыш на порядок достигается при использовании многомодовых ВОЛЗ и почти на два порядка одномодовых ВОЛЗ. Ограничение по полосе сверху (горизонтальный участок кривых), при реализации малых задержек, определяется исключительно частотными свойствами модулятора или преобразователя. так ю.
7 О*.
— г.
70 70'.
V Ч > с N ЧЧ Ч Чуч ч N ч 2 Ч’ч ч ч\ \.
V N V4. ч ч.
— е.
— 4.
— 2.
Ю° 707 гз,.
Рис. 4. Зависимость полосы Втах от времени задержки 1:3.
Возможности применения ВС в устройствах формирования и обработки радиосигналов были выявлены, когда последние стали рассматриваться как ключевой элемент ВОЛЗ оптических сигналов [10,12,13]. Было показано, что потенциально ВС, как оптические ЛЗ световых сигналов с радиочастотной модуляцией, находятся вне конкуренции по сравнению с известными в радиотехнике и физике устройствами запаздывания по таким важнейшим для ЛЗ параметрам, как нормированное на время задержки ослабление модулированного светового сигнала (рис. 5, а) и произведение информационной полосы ВС на время его задержки (рис. 5,6). Это стимулировало разработку конфигураций волоконно-оптических структур (ВОС) для ВОЛЗ и схем разнообразных по назначению, перспективных устройств формирования и обработки радиосигналов на основе ВОЛЗ. На рис. 5 использованы следующие обозначения: 1 — радиочастотный коаксиальный кабель РК-50−7-12, 2 — радиочастотный коаксиальный кабель РК-75−7-110, 3 и 4 — упругая продольная волна в кварце У — и Ъ — среза соответственно- 5 — в ниобате лития (1лМ>03) Уг-среза, 6 продольная волна в 1л№)03, распространяющаяся по оси Ъ, 1 — продольная волна в сапфире, 8 — одномодовый волоконный световод (затухание 0,2 Дб/км на длине волны света 1,3 мкм, полоса пропускания 100 ГГцхкм). ана, дб/мке 100.
0,1 0,0{.
РК50−7-12 ~ РН~ 75- 7−110 иыво3 V.
Ае2о3 /ее.
107 10е 109 ЮТ0 1011*, Гц.
Г, Гц.
5.а.
5.6.
Рис. 5. Сравнение волоконных световодов как линий задержки модулированных оптических сигналов с другими типами устройств запаздывания радиосигналов.
Акустоэлектронные приборы, в которых информация передается акустическими волнами, распространяющимися в поверхностном слое пьезоэлектрика, в настоящее время широко применяются в радиотехнических системах. Широкая полоса, жесткость конструкции,.
10 надежность, небольшие габариты стимулируют построение на их основе различных устройств формирования и обработки сигналов [14]. Предельные возможности акустоэлектронных приборов (рис. 6.) предопределены скоростью распространения ПАВ, которая составляет tt «//¿-Г.
Г/У -3 г Г/7 7/7.
Рис. 6. Предельно достижимые характеристики приборов с зарядовой связью, приборов на ПАВ и МСВ примерно 1.10 км/с (типичная скорость ПАВ 3 км/с), а также ограничениями на длину кристаллов и разрешающую способность существующих методов фотолитографии. Первое из ограничений определяет предельную задержку, а второе — рабочую частоту и полосу акустоэлектронных приборов. К недостаткам акустоэлектронных приборов следует отнести большой уровень вносимых потерь, наличие ложных откликов, связанных с многократными переотражениями акустических волн, и температурную нестабильность, обусловленную свойствами материала подложки.
Большое затухание и ограниченные возможности фотолитографии микронной технологии (на частоте 1 ГГц требуется разрешение 1 мкм) затрудняют создание акустоэлектронных приборов на частотах более 1.2 ГГц. Эти причины, а также появление высококачественных эпитаксиальных пленок железоиттриевого граната обусловили интерес к исследованию МСВ и созданию на их основе компактных устройств обработки сигналов СВЧ диапазона в диапазоне частот 1.40 ГГц. Возможность построения более широкополосных приборов на МСВ объясняется как меньшим затуханием МСВ по сравнению с ПАВ, так и с большей скоростью распространения (до 103 км/с), что в значительной степени снижает требования к методам фотолитографии (например, на частоте 12 ГГЦ необходимое разрешение составляет 10 мкм).
Проведенный информационный анализ позволяет утверждать, что ВОЛЗ имеют значительные преимущества при обработке СВЧ сигналов по сравнению с ЛЗ на основе коаксиальных линий, волноводов, АОЛЗ, ЛЗ на ПЗС и ЛЗ на ПАВ. Приборы на магнитострикционных волнах при решении конкретных задач безусловно могут составить значительную конкуренцию устройствам, основанных на использовании ВОЭБ. Однако не следует утверждать, что приборы на МСВ могут вытеснить устройства на ВОЭБ из всех областей прикладной радиотехники. Поэтому, несмотря на то, что характеристики приборов на МСВ и приборов на основе ВОЭБ в чем-то могут совпадать, исследования путей построения, предельных характеристик приборов на основе ВОЭБ и других вопросов, связанных с использованием данной элементной базы, являются в настоящее время необходимыми и актуальными.
На основе простейшей схемы рис. 3 созданы более сложные ВОЛЗ (рис.7) с переменной задержкой [15], в которых для дискретного изменения длины волокон используется интегрально-оптические (ИО) переключатели. В этой ВОЛЗ выводы соседних.
11 элементов решетки ИО переключателей 4, изготовленных на отдельной подложке 3, соединены волокнами разной длины. Состояние каждого переключателя определяет, какое из последующих волокон передаст сигнал на следующий переключатель. При использовании в этой схеме N переключателей 2×2 можно получить 2 м дискретных задержек, которые могут переключаться со скоростью примерно 1 не. На рис. 7 использованы следующие обозначения: 1 — входной радиосигнал- 2 — лазер- 3 — подложка- 4 — электрооптический переключатель- 5 — ИО волноводы- 6 — отрезки волокон- 7 — бобины с волокном- 8 — фотодетектор- 9 — выходной задержанный сигнал.
На основании описанного принципа в [16] предложены ВОЛЗ, имеющие 64 дискретно управляемые линии задержки, которые создаются не только при прямом прохождении сигнала в волокне, но и при отражении сигнала от шлифованного торца волокна на заданном расстоянии от места ввода излучения. Для снижения потерь при вводе и выводе излучения любой из 64 задержек свет лишь дважды вводится из подложки в волокно и выводится обратно, т. е. имеются как бы два переключающих элемента, соединенных волокнами, но каждый из них содержит по два электрооптических переключателя 1×8 и 8×1. На рис. 8 эти переключатели схематически изображены в виде разветвлений. Две группы волокон по восемь в каждой дважды по входу и выходу соединены с ИО волноводами переключателей на подложке. Соответствующие переключающие элементы, с электрически адресуемым управлением, обеспечивают соединение в единую линию одного волокна определенной длины из первой группы и одного волокна со своей задержкой из второй, и задержки соединенных волокон складываются. Если в первой группе N волокон, а во второйМ, то можно получитьМ различных задержек. гь0.
Рис. 7. ВОЛЗ с дискретно управляемой задержкой.
Длины волокон в первой группе Ьи ([ =1,2,., 14) отличаются на, А Ц, при этом Ьи = + (/-1)Л£,. Аналогично во второй группе волокон/, = Ь2] + (/-1)Д£, ]=1,2,., М, а АЦ — постоянная разность длин волокон второй группы. При соединении ¡—го волокна первой группы и ] - го волокна второй группы создается временная задержка t3j. = + Ь2])Д .р, где угр — групповая скорость. Дискрет временной задержки при переключении соседних волокон первой группы = и второй Atn = А?2/1-гр •.
Существенного упрощения приведенной на рис. 8 ВОЛЗ можно добиться в структуре, использующей два каскада, каждый из которых содержит один переключатель, работающий в прямом (1×8) и обратном (8×1) направлениях, и две группы волокон, выходные торцы которых покрыты пленкой с высокой отражающей способностью. Однако в такой структуре необходимы два 3 дБ направленных ответвителя, которые добавляют 12 дБ оптических потерь по сравнению со схемой рис. 8.
12 5.
Рис. 8. Управляемые ВОЛЗ с 64 дискретами проходного типа: 1- входной радиосигнал, 2 — лазер, 3 — одномодовое волокно, 4 — Si-подложка с Y-образными канавками, 5 — электрооптический переключатель 8 xl, 6 — фотодетектор, 7 -выходной радиосигнал.
Широкое применение получили многоотводные ВОЛЗ, состоящие из одномодовых волокон с отводами вдоль его длины [9] или из группы одномодовых волокон с прогрессивно возрастающей длиной [15]. Сигналы суммируются либо в оптическом виде до фотодетектора при использовании некогерентной оптической несущей, либо после фотодетектора в электрическом виде при использовании когерентной оптической несущей.
Введение
в многоотводные ВОЛЗ рассмотренных секций с переменной задержкой позволяет по заданной программе управлять местом подключения отводов. Использование электрооптических модуляторов [17−18], осуществляющих частотный сдвиг проходящего оптического сигнала, и электрооптических переключателей [19] позволяет получить программируемый трансверсальный фильтр для обработки широкополосных сигналов с быстрым переключением как весовых функций, так и места подключения отводов.
Широкое распространение также получили ВОЛЗ с оптической и оптоэлектронной рециркуляцией входного сигнала [8]. В рециркуляционных ВОЛЗ с оптической обратной связью (ОС) (рис. 9, а) оптическое волокно свернуто в кольцо, причем имеется область взаимодействия с длиной 10, где две сердцевины идут параллельно на расстоянии d. Входной сигнал, введенный в такую ВОЛЗ, многократно циркулирует в петле ОС, с заданной задержкой появляясь на выходе после каждой рециркуляции. Канал ОС рециркуляционной ВОЛЗ может быть и оптоэлектронным (рис. 9,6). При этом, рециркулируемый сигнал после фотодетектора суммируется с входным модулирующим радиосигналом на радиочастоте и вновь вводится в оптическое волокно.
С начала 80-х годов совокупность радиоэлектронных устройств формирования и обработки сигналов на основе ВС стала пополняться различными устройствами запоминания информации, работа которых основана на способности ВС задерживать весьма широкополосные световые сигналы с информационной полосой в на достаточно большое время t3 [20]. а> б).
Рис. 9. ВОЛЗ с оптической (а) и оптоэлектронной (б) рециркуляцией сигнала: 1 — входной радиосигнал, 2 — область оптического взаимодействия, 3 — волоконный световод, 4 — выходной радиосигнал, ПОМ — передающий оптический модуль, ФПМприемный оптический модуль, У — усилитель, Е — сумматор радиосигналов.
Анализ публикаций показывает [20], что основные усилия разработчиков устройств динамической памяти на основе ВОЛЗ были направлены на обеспечение малого затухания информации световых импульсов, возникающего при многократном прохождении их кодовых последовательностей по протяженному ВС. В [21] получена задержка Ц «1 мс (втах «1 ГГц, звтах № 1хЮб) ПРИ циркуляции импульсов в кольцевой ВОЛЗ с ОВС длиной порядка 5,5 км и аналоговым ретранслятором импульсов для компенсации их затухания. Задержка дискретных аналоговых сигналов с временем задержки одной копии 1:3 «2 не на время 1- «0,5 мс была осуществлена в петле циркуляции, являющейся кольцевой ВОЛЗ на одномодовом световоде (ОВС) с длиной 20,4 км и аналоговым электронным ретранслятором сигналов [22]. В [23] были предложены: оптический ретранслятор с дихроичным входным зеркалом, который восстанавливал световые импульсы по амплитуде, и схема запоминания в ВОЛЗ информации аналогового или цифрового типа, в которой запоминаемая информация циркулировала по кольцевой ВОЛЗ, на длине волны света, отличающейся от рабочей длине волны. В [24] запатентована схема волоконно-оптического усилителя со световодной накачкой и легированным ВС в качестве активной среды, позволяющая компенсировать потери мощности световых импульсов без использования электронного ретранслятора импульсов. Другой способ построения активных устройств, с помощью которых можно поддерживать неизменной энергию световых импульсов в ВС, основан на введении в разрыв ВС твердотельного оптического усилителя. Этот способ рассмотрен в [25]. Возможность построения активных, т. е. с усилением светового сигнала, кольцевых ВОЛЗ без аналогового ретранслятора, путем использования рамановского усиления световых импульсов в протяженных (длина примерно 1 км) ОВС была впервые показана и обоснована в [26,27].
Время хранения информации, в перечисленных выше устройствах задержки, определяется дисперсионными свойствами ВС и отношением сигнал/шум в линии. В них не предпринято каких-либо мер по сохранению основных качественных характеристик сигналов в некоторых допустимых пределах искажений. Свободный от указанного недостатка принцип построения запоминающих устройств на основе схемы кольцевой ВОЛЗ с электронным ретранслятором (рис.10), содержащим цифровой регенератор электрических импульсов, был впервые предложен в [28] и затем развит в [29−31].
На рис. 10 [20] приведена базовая схема построенного по данному принципу ДЗУ на основе кольцевой ВОЛЗ. Здесь подлежащая запоминанию кодовая последовательность электрических импульсов, или информационный кадр, подается через электронный коммутатор, срабатывающий синхронно с тактовой частотой, на вход модулятора тока лазерного диода (ЛД). Выходные информационные импульсы кольцевой ВОЛЗ, исказившиеся и задержанные относительно ее входных импульсов, полностью восстанавливаются в.
14 цифровом регенераторе, т. е. становятся идентичными входным импульсам по форме, амплитуде и позиции в такте, что дает возможность запоминать сигналы на время 1: хр, многократно превышающее время распространения светового сигнала по ВС X. Динамическая память при этом становится цифровой. Общая длительность запоминаемой кодовой последовательности кадра такова, что к моменту появления на выходе регенератора первого восстановленного импульса ввод данных в ВОЛЗ заканчивается. Коммутациями в коммутаторе можно стирать и вводить в запоминающее устройство (ЗУ) новые данные. Синхронизация тактовой частоты входных импульсов с частотой коммутации и регенерации ^ в таком ЗУ может осуществляться стабильным местным генератором или тактовыми импульсами, выделенными из входного информационного сигнала.
ВС.
Г" о.
ЛАП мд.
Тг ппл 1 р г ппл вых. ппл.
Рис. 10. Волоконно-оптическое динамическое запоминающее устройство: ЛД — лазерный диодМД — модуляторФД — фотодиодРГ — регенератор импульсовВС — волоконный световодК — коммутатор. В [31] исследована, перспективная для целого ряда приложений, разновидность динамического цифрового ЗУ на ВС — ЗУ с малошумящим оптическим транслятором на основе лазерного диода, работающего как в режиме излучения, так и приема оптических импульсов.
Время хранения информации в ЗУ (см. рис.10) находится из формулы [30]:
Р=?игр К/с, а объем памяти в битах, равный числу импульсов, циркулирующих в контуре, — из соотношения [30]:
Убшп = ?ИррЛ/с, где г^р — групповой показатель преломления световедущей жилы ВС, зависящей от длины волны оптического излучения лазерного диода, с — скорость света, N — число циклов циркуляции в ЗУ, Ь — длина ВС.
Величина I определяется допустимым уровнем дополнительной ошибки В накопленной при N циклах. В [30] дана оценка для ^ при величине Вп = 1×1, совпадающий по смыслу с коэффициентом ошибок (ВЕК), который в теории цифровых систем передачи информации характеризует вероятность ложного решения о приеме сигнала гауссова шума (в отсутствии межсимвольной помехи). Показано, что в этом случае можно получить на практике N=1×105 -ИхЮ9, что соответствует ^ от нескольких минут до десятков часов при.
Ь = 0,2. 200 км. В макете ЗУ, реализованном в [28] на основе градиентного ВС длиной 5 км, было получено I =10 ч при объеме памяти V = 1 Кбит.
Поскольку время записи (считывания) данных в схеме рис. 10, примерно равное длительности задержки в ВС, на два — три порядка меньше, чем время записи и считывания того же объема информации в лучших современных цифровых ЗУ, динамические ЗУ на ВС можно применять в качестве быстродействующей буферной памяти при обработке аналоговых сигналов с преобразованием временных масштабов записываемой и считываемой информации [28] или как телевизионную кадровую память [30].
В приемопередающей аппаратуре на основе ВОЛЗ могут выполняться такие каскады, как высокостабильные автогенераторы, регенеративные усилители и синтезаторы радиочастоты, полосовые фильтры, частотные дискриминаторы и фильтры нижних частот, высокостабильные триггеры, формирователи импульсов, частотные манипуляторы, генераторы кодовых последовательностей и импульсные декодирующие устройства [8]. В устройствах обработки сигналов современных РЛС для запоминания отраженных сигналов, их по импульсного вычитания и согласованной фильтрации находят применение корреляторы, трансверсальные фильтры для согласованной фильтрации, выполненные на основе ВОЛЗ.
Наиболее ярко преимущества использования волоконно-оптической элементной базы могут проявиться при решении задач обработки сверхширокополосных сигналов (СШП), используемых в настоящее время в РЛС различного применения. Это обусловлено тем, что внедрение СШП сигналов требует существенного изменения принципов построения аппаратуры РЛС [32]. Непригодными оказываются большинство элементов и узлов узкополосной техники, используемых для формирования и приема сигналов, т.к., как правило, невозможно преобразование частоты используемых СШП сигналов.
Анализ современного состояния вопросов использования устройств, созданных на основе ВОЭБ для решения задач обработки и формирования радиосигналов показывает, что спектр использования данных устройств очень широк — от обычных линий задержек, до высокостабильных генераторов. При решении отдельных задач, таких как например формирование последовательности копий радиосигналов, устройства на основе ВОЭБ (при выполнении определенных требований или условий) практически не испытывают конкуренции. Проведенный информационный анализ научных источников показал, что в вопросах относящихся к ДЗУ импульсных радиосигналов на основе ВОЭБ проведенные исследования не всегда дают ответы на вопросы, возникающие при разработке и практическом использовании данных устройств, так, например, не всегда определены количественные и качественные характеристики (в том числе и предельные) данных устройств. Это делает актуальным проведение теоретических и практических исследований ДЗУ на основе ВОЭБ.
Программа исследований ДЗУ на основе ВОЭБ будет включать в себя решение следующих задач:
— разработку сигнальной модели устройства;
— моделирование прохождения через устройство шумовых компонент;
— выявление особенностей обработки потоков сигнальных и шумовых компонент;
— математическое описание процесса обработки радиосигналов в ДЗУ;
— оптимизация параметров ДЗУ.
— количественная оценка параметров устройства;
— разработка методики проектирования ДЗУ.
5.8. Основные выводы.
Анализ современного состояния элементной базы ПОМ и внешних оптических модуляторов позволил сделать вывод о необходимости использования в устройствах для обработки аналоговых радиосигналов одночастотных РОС и РБО лазеров, обеспечивающих в настоящее время возможность обработки аналоговых сигналов вплоть до частот 12−20 ГГц. При этом критериями для выбора ПОМ используемого, в устройстве обработки аналоговых сигналов будут являться:
— частота релаксационного резонанса;
— равномерность модуляционной характеристики;
— минимально возможное значение порогового тока;
— максимально возможная выходная мощность (мощность вводимая в волоконный световод);
— минимальное значение мощности шумов интенсивности (RIN);
— время когерентности ПОМ.
Диссертантом получено соотношение позволяющее оценить влияние процесса интерференции световых полей внутри волоконного световода на процесс формирования копий радиосигнала. Сделан вывод о том, что для исключения влияния эффекта интерференции световых полей в волоконно-оптических трактах ДЗУ длина когерентности ПОМ должна быть много меньше чем длительность задержки одной копии сигнала в ДЗУ.
Проведенные изыскания показали, что в настоящее время ЛФД значительно уступают по полосе обрабатываемых частот p-i-n фотодиодам и величине максимальной оптической мощности, не приводящей к насыщению. Поэтому в устройствах ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов целесообразно использовать p-i-n фотодиоды, обеспечивающие, в настоящее время возможность обработки аналоговых сигналов вплоть до 10 ГГц.
Анализ характеристик различных типов оптических усилителей позволяет сделать вывод о целесообразности использования в ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов в качестве ОПУ полупроводниковых усилителей бегущей волны, так как они имеют достаточно большой коэффициент усиления, высокий уровень насыщения на выходе, возможность интегрального исполнения и возможность управления (модуляции) коэффициента усиления путем изменения тока смещения. Однако использование в ДЗУ полупроводникового усилителя бегущей волны потребует использования одномодовых ВС, сохраняющих поляризацию оптического излучения, или обычных одномодовых световодов в комплексе с поляризационными контроллерами. Учитывая, что хотя в общем случае коэффициенты отражения торцов ОПУ отличны от нуля, при вводе в ОПУ внешнего модулированного излучения, для постоянного значения тока накачки, влиянием внешних паразитных элементов можно пренебречь, а коэффициент передачи ОПУ на частотах меньших, чем частота релаксационного резонанса, можно считать равным единице K{w) — 1.
В результате анализа технических характеристик ВС сделан вывод о необходимости использования в ДЗУ широкополосных импульсных радиосигналов только одномодовых волоконных световодов с минимально возможными показателями дисперсии, в т. ч. световодов с нулевой дисперсией. Причем, учитывая поляризационную чувствительность коэффициента усиления оптического усилителя бегущей волны, в ДЗУ с ОПУ в ВОРС обычное одномодовое волокно можно использовать только при наличии поляризационных контроллеров (см. [71,77]), что приведет к ухудшению массогабаритных параметров ДЗУ и усложнит алгоритмы управления узлами ДЗУ. В то же время в ДЗУ с радиочастотной обратной связью и ДЗУ с ВОРС можно использовать обычные одномодовые волокна, так как в их состав не входят устройства обладающие поляризационной чувствительностью. В процессе проведенных исследований сделан вывод, что в ДЗУ с ОПУ в ВОРС необходимо использовать только одномодовое волокно сохраняющее поляризации оптического излучения (например «панда»). При этом, целесообразно проведение контроля за совпадением поляризации вводимого излучения ПОМ с быстрой или медленной осью ВС при сборке (изготовлении) ДЗУ.
Проведенные исследования влияния дисперсии в ВС на время хранения на параметры ДЗУ, а точнее на время хранения информации в ДЗУ позволили сделать вывод о том, что время хранение информации в ДЗУ (количество формируемых копий сигнала) ограничено с одной стороны наперед заданным минимально возможным (пороговым) отношением сигнал/шум для 11-й копии входного сигнала, а с другой — влиянием дисперсии ВС. Дисперсия в ВС приводит к тому, что для обрабатываемого в ДЗУ импульсного радиосигнала волоконный световод можно рассматривать как ФНЧ с частотой среза, уменьшающейся по мере увеличения длины ВС по которому проходит оптическое излучение, в том числе при рециркуляции в ВОРС. В этом случае для некоторой копии обрабатываемого ДЗУ импульсного радиосигнала верхняя частота в спектре сигнала может оказаться больше, чем частота среза ВС, образованного каскадным соединением ВС, обеспечивающего задержку сигнала в ВОРС. Диссертантом получены выражения позволяющие задать требования к ВС используемому в ДЗУ для формирования N копий входного импульсного радиосигнала.
Диссертантом получено соотношение позволяющее оценить влияние изменения температуры окружающей среды на стабильность задержки копии входного импульсного радиосигнала формируемой ДЗУ. Графики приведенные на рис. 5.2 могут оказаться полезными при разработке ДЗУ для первоначального определения необходимости использования температурной стабилизации ВС, используемого в качестве линии задержки.
В результате изучения вопроса влияния нелинейно-оптических эффектов связанных с эффектами вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) на параметры ДЗУ диссертантом был сделан вывод, что влиянием ВКР можно пренебречь, а влияние ВРМБ в до пороговой области мощности оптического излучения в ВС (10 мВт) можно не учитывать.
В процессе изучения вопроса технической реализации в ДЗУ неразъемных соединений и разъемных соединителей (ВС-ВС, ВС-ПОМ, ВС-ФПМ и т. д.) было установлено, что в настоящее время возможности технологии позволяют получить потери на стыковке на уровне 0,1. 0,2 дБ (неразъемные соединения) и для многомодовых и одномодовых оптических волокон и 0,5. 1 дБ (разъемные соединители). При оптимизации параметров одномодовых канальных ОВ по отношению к параметрам стыкуемых одномодовых ВС и применения иммерсии эффективность согласования оптических структур составляет свыше 90% (потери на стыковке — менее 0,5 дБ). Для изготовления неразъемных соединений целесообразно использовать процесс сварки.
В результате изучения вопроса технической реализации НВО, используемых в ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов было установлено, что в целом все способы изготовления оптических ответвителей обеспечивают относительно малые потери и заданные коэффициенты распределения. Проблема минимизации шумов в ДЗУ делает сомнительной целесообразность применения в них любых элементов со свободным распространением излучения. С этой точки зрения лучшими параметрами обладают ответвители, изготавливаемые методами сплавления или химического травления волоконных световодов.
В результате изучения вопроса практической реализации ключевых схем, используемых в ДЗУ, на основе волоконно-оптической элементной базы, сделан вывод о целесообразности использования в ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов в качестве ключевых элементов (переключателей) электрооптических переключателей на одномодовых полосковых световодах.
Заключение
.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания динамических запоминающих устройств импульсных аналоговых радиосигналов на основе волоконно-оптической элементной базы.
Основные научно-технические результаты работы состоят в следующем:
1. Дана оценка влияния оптических эффектов (интерференция, дисперсия оптического излучения в волоконном световоде и т. д.) на параметры ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов. Сформулированы условия, при которых влиянием интерференции оптических полей, вынужденного комбинационного рассеяния, вынужденного рассеяния Манделылтама-Брюллиэна можно пренебречь. На основе анализа технических характеристик устройств, используемых в волоконной оптике, предложены критерии выбора волоконно-оптических компонентов для динамических запоминающих устройств, позволяющих формировать наибольшее количество копий входного радиосигнала при заданном пороговом отношении сигнал/шум на выходе ДЗУ. Выявлено, что ДЗУ импульсных аналоговых радиосигналов на основе волоконно-оптической элементной базы могут обрабатывать радиосигналы в полосе частот вплоть до 10 ГТЦ. Динамическое запоминающее устройство импульсных аналоговых радиосигналов обладает малыми массо-габаритными показателями, так например линия задержки на 7 мкс, представляющая собой отрезок ВС длиной 1,4 км.
1 з занимает ооъем 1 дм .
2. Изготовлен и испытан экспериментальный образец динамического запоминающего устройства на основе волоконно-оптической рециркуляционной структуры. Разработанный экспериментальный образец позволяет сформировать 10−15 копий входного сигнала в условиях отсутствия информации о моменте прихода сигнала на вход ДЗУ (на входе ДЗУ отсутствует пороговое устройство).
3. Получены соотношения, описывающие шумовую модель линейного тракта ДЗУ с радиочастотной обратной связью, которые позволяют произвести количественную оценку уровня внутренних флуктуационных шумов ДЗУ. Проведенный анализ зависимостей мощности внутреннего флуктуациоиного шума ДЗУ от мощности излучения ПОМ показывает, что при мощности оптического излучения Рпом > -10 дБм, поступающего на светочувствительную площадку ФПМ, в выражении для расчета суммарной мощности флуктуационных шумов ДЗУ должны учитываться все составляющие шумового процесса. В то же время при Рпом <-Ю дБм, возможно пренебрежение шумовыми составляющими, имеющими оптическую природу происхождения — амплитудный шум ПОМ и дробовый шум фотодиода. Основным способом снижения мощности внутренних шумов ДЗУ будет являться использование в усилительных каскадах ФПМ и оконечного усилителя активных элементов с минимально возможным коэффициентом шума или использование данных устройств совместно с криогенным охлаждением усилительных каскадов.
В ходе проведенных исследований шумовой модели ДЗУ с ОПУ диссертантом получены соотношения, описывающие шумовую модель линейного тракта, которые позволяют произвести количественную оценку внутренних флуктуационных шумов ДЗУ. Проведенный анализ зависимости мощности внутреннего флуктуационного шума ДЗУ от мощности излучения ПОМ показал, что при мощности оптического излучения, поступающего на нашшн^-¦—светочувствительную площадку ФПМ Рпом > -Ю дБм, в выражении для расчета суммарной мощности флуктуационных шумов ДЗУ должны учитываться все составляющие шумового процесса. При мощности излучения Рпом < -10 дБм амплитудным шумом ПОМ можно пренебречь. Установлено, что наибольший вклад в суммарный шум ДЗУ с ОПУ дают электронные структурные элементы — ПУ, ФПМ и У, в частности тепловые шумы данных устройств. Проведенный анализ зависимостей мощности внутреннего флуктуационного шума ДЗУ от мощности излучения ПОМ показывает, что оптический усилитель целесообразно включать перед ВС.
4. Сформулирована и решена задача формирования последовательности копий входного радиосигнала динамическим запоминающим устройством импульсных широкополосных радиосигналов с использованием элементов волоконно-оптической элементной базы, суть которого состоит в использовании коэффициента передачи в петле обратной связи больше или равного единице. Предложена обобщенная структурная схема ДЗУ, реализующая данный способ формирования последовательности копий входного импульсного радиосигнала. Определен оптимальный режим работы ключевых схем ДЗУ, при котором максимизируется количество формируемых ДЗУ копий входного импульсного сигнала. Для ДЗУ с радиочастотной обратной связью использование режима работы с коэффициентом передачи в петле обратной связи большего или равного единице позволяет сформировать в 150 — 250 раз больше копий импульсного аналогового радиосигнала, по сравнению с режимом работы ДЗУ, при котором коэффициент передачи в петле обратной связи меньше единицы. Показано, что основными факторами, ограничивающими количество формируемых ДЗУ копий входного импульсного сигнала, является процесс накопления шумов (внешних и собственных), величина динамического диапазона ДЗУ и воздействие дисперсионных явлений в волоконном световоде на АЧХ входного сигнала.
5. Проведены исследования ДЗУ с радиочастотной обратной связью и ДЗУ с оптическим усилителем в петле обратной связи. Предложены методики расчета данных видов ДЗУ. Проведенные расчеты показали, что при одинаковых начальных условиях (параметры сигнала, шума, узлов ДЗУ) динамическое запоминающие устройство с оптическим усилителем в петле обратной связи позволяет сформировать в 103 — 104 раз больше копий входного импульсного сигнала. Это связано со значительно меньшим уровнем собственного шума ДЗУ, накапливаемого в течение одной рециркуляции.
Предложен подход для оценки верности (точности) воспроизведения запоминаемого ДЗУ импульсного радиосигнала, основанный на понятии эпсилон-энтропии сообщения, заключенного в запоминаемом (тиражируемом) ДЗУ входном импульсном радиосигнале. Полученные результаты и соотношения, основанные на материалах источников [83−86], позволяют оценить верность воспроизведения импульсного радиосигнала при комплексном использовании двух критериев: порогового отношения сигнал/шум для N-й копии радиосигнала на выходе ДЗУ и допустимого искажения частотной характеристики обрабатываемого радиосигнала.
Сравнение требований предъявляемых к частотной характеристике динамического запоминающего устройства в случае ДЗУ с радиочастотной обратной связью и ДЗУ с оптическим усилителем в петле ВОРС показало, что верность (правильность) воспроизведения частотной характеристики входного импульсного радиосигнала для N-й копии этого сигнала.
162 на выходе ДЗУ с оптическим усилителем будет значительно выше, чем для ДЗУ с радиочастотной обратной связью. Таким образом, наиболее эффективным для использования в процессе формирования последовательности копий входного импульсного сигнала следует считать ДЗУ с оптическим усилителем в петле обратной связи волоконно-оптической рециркуляционной структуры.
6. Проведено исследование работы ДЗУ с оптическим усилителем в петле волоконно-оптической рециркуляционной структуры в условиях, когда длительность входного радиосигнала больше чем длительность задержки в линии задержки ДЗУ. Для критерия обеспечения заданного порогового отношения сигнал/шум для №й копии входного импульсного сигнала на выходе ДЗУ и критерия не превышения некоторого уровня мощности внутри динамического диапазона ДЗУ в процессе формирования N копий получены выражения, определяющие количество формируемых ДЗУ не разрушенных копий сигнала до момента размыкания ключа в петле ВОРС и максимально возможную длительность импульса радиосигнала, поступающего на вход ДЗУ, при которой может быть сформировано требуемое количество не разрушенных копий сигнала.
7. Предложены варианты построения динамических запоминающих устройств, предназначенных для решения некоторых задач конфликтной радиолокации в условиях отсутствия информации о моменте прихода сигнала на вход ДЗУ (на входе ДЗУ отсутствует пороговое устройство) и при известном моменте прихода радиосигнала на вход ДЗУ (на входе ДЗУ используется пороговое устройство).
