А.А. Белоусов, А.А. Дубровская
ОАО «Центральное конструкторское бюро автоматики»
644027, г. Омск, Космический пр. 24а
E-mail: ckba @ omsknet.ru
ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНАЛОГОВАЯ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ
В статье приведены расчеты аналоговой линии передачи. В качестве информационного канала для передачи аналогового сигнала выбрана волоконно-оптическая линия связи. Определены параметры волоконно-оптической линии.
В настоящее время появилась потребность в передаче аналоговых сигналов на удаленное расстояние до 100 и более метров. При использовании классического коаксиального кабеля невозможно достичь передачи СВЧ сигнала более 50 м на частотах более 18 ГГц из-за больших потерь в кабеле. Передача СВЧ сигналов на большое расстояние (более 50 м) без существенных потерь возможна при помощи волоконно-оптической линии связи (ВОЛС).
ВОЛС – это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием “оптическое волокно”.
Области практического применения ВОЛС чрезвычайно широки. В зависимости от протяженности они условно делятся на объектовые протяженностью от 1 до 100 м (внутриобъектовые), городские протяженностью до 50-100 км (межгородские протяженностью до 200-300 км, зоновые) и магистральные протяженностью свыше 300 км [1].
Передача информации по ВОЛС имеет ряд достоинств перед передачей по медному кабелю, таких как:
широкая полоса пропускания от 10 МГц до 110 ГГц;
невосприимчивость к электрическим помехам;
низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 0,2-3,8 дБ/км (для коаксиального кабеля MHJ 311A фирмы «Rosenberger» MICRO-COAX [2] потери составляют порядка 0,66 дБ на 1 м при частоте 18 ГГц, на 50 м в СВЧ кабеле потери составляют 33 дБ);
не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях;
увеличение дальности передачи до 70 км (при применении оптического кабеля со смещенной ненулевой дисперсией длина может достигать 150 км без использования усилителей);
высокое качество передаваемого сигнала;
длительный срок эксплуатации, более 25 лет;
малый вес и объем;
взрыво- и пожаробезопасность;
экономичность (в настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносятся как 2:5).
Недостатками передачи сигналов по ВОЛС на сегодняшний день являются следующие:
подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;
дороговизна приемопередающего оборудования для ВОЛС;
необходимость специального оборудования и инструмента для монтажа разъемов и сращивания кабеля;
требования специальной защиты волокна.
Преимущества от применения ВОЛС настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна эти линии связи все шире используются для передачи информации.
Один из способов передачи СВЧ сигнала по ВОЛС представлен на рис. 1 (прямая модуляция − с использованием лазера с прямой модуляцией).
Рис. 1 ВОЛС для передачи СВЧ сигнала с прямой модуляцией: 1 – модуль электрооптический
передающий; 2 – модуль оптоэлектронный приемный; 3 – волоконно-оптический кабель
с оптическими соединителями
На вход модуля электрооптического передающего поступает СВЧ сигнал, который преобразуется в оптический сигнал и по оптоволоконной линии передается на модуль оптоэлектронный приемный. Модуль оптоэлектронный приемный преобразует полученный оптический сигнал в СВЧ сигнал.
В качестве примера ВОЛС с прямой модуляцией можно привести серийно производимую ВОЛС ООО НПФ “Дилаз”, г. Москва. Результаты экспериментальных исследований данной ВОЛС приведены в [3], из чего можно сделать следующие выводы:
АЧХ ВОЛС в диапазоне 10-12 000 МГц имеет малую неравномерность (4 дБ, не более);
потери в линии практически не зависят от длины оптоволоконного кабеля, а складываются в основном из-за потерь преобразования в передающем и приемном оптических модулях и потерь в оптических соединителях (на каждом соединении теряется 1,5-2 дБ);
динамические характеристики ведут себя линейно вплоть до уровня входной мощности в 2 мВт (дальнейшее увеличение мощности входного сигнала производителями исследуемой ВОЛС не рекомендуется, поэтому точку компрессии определить не удалось);
динамический диапазон данной ВОЛС превышает 50 дБ;
ВОЛС имеет высокий коэффициент шума (более 40 дБ);
коэффициент шума ВОЛС (до 40 дБ и более) практически не влияет на величину тангенциальной чувствительности;
чувствительность может быть достигнута за счет применения малошумящих широкополосных усилителей на входе ВОЛС;
ВОЛС с прямой модуляцией может использоваться для передачи аналогового сигнала на большие расстояния (более 50 м) в диапазоне частот 0,1-12 ГГц (на данный момент неизвестны ВОЛС с прямой модуляцией в диапазоне от 0 до 40 ГГц).
ВОЛС с прямой модуляцией имеют два основных недостатка:
ограниченная полоса пропускания [4];
значительные нелинейные искажения, вызванные непосредственным поступлением сигнала на лазер [5].
Во избежание вышеуказанных недостатков рекомендуется использовать ВОЛС с внешней модуляцией, условная схема которой приведена на рис. 2.
Рис. 2 ВОЛС для передачи СВЧ сигнала с внешней модуляцией: 1 – лазерный модуль; 2 – модулятор электрооптический; 3 – модуль оптоэлектронный приемный; 4 – волоконно-оптический кабель
с оптическими соединителями
В качестве опорного оптического источника служит полупроводниковый лазерный модуль 1, оптический сигнал с которого подается на модулятор 2 и модулируется СВЧ сигналом, далее оптический сигнал по оптоволоконной линии 4 передается на модуль оптоэлектронный приемный 3. Модуль оптоэлектронный приемный преобразует полученный оптический сигнал в СВЧ сигнал.
В статье приведены результаты расчетов электрических параметров (коэффициент шума и пороговая чувствительность) СВЧ тракта ВОЛС с диапазоном рабочих частот от 0,3 до 40 ГГц для сверхширокополосной измерительной системы (СИС).
Данная СИС разрабатывается в рамках одной из перспективных работ нашего предприятия и предназначена для применения в области пассивной радиолокации с технологиями передачи радиочастотных сигналов по аналоговым ВОЛС на большое расстояние и в широком диапазоне частот с использованием средств микроволновой фотоники. Применение этой технологии позволит решить проблему передачи сигналов между удаленными СВЧ блоками и антеннами без потерь.
В качестве примера ВОЛС с внешней модуляцией можно привести ВОЛС зарубежной фирмы « Photonic Systems» [6], АЧХ которой представлена на рис. 3.
Рис. 3 АЧХ ВОЛС с внешней модуляцией зарубежной фирмы « Photonic Systems»
Известно, что коэффициент шума имеет линейную зависимость от коэффициента передачи, следовательно, имея частотную зависимость Кр и частотную зависимость Кш на частоте 20 ГГц, определим методом пролонгирования частотную зависимость Кш данной ВОЛС в полосе рабочих частот. Полученные значения Кш данной ВОЛС приведены на рис. 4.
Рис. 4 Коэффициент шума ВОЛС с внешней модуляцией зарубежной фирмы « Photonic Systems»
Вышеупомянутая ВОЛС взята за основу построения СВЧ тракта ВОЛС СИС, структурная схема которой приведена на рис. 5.
Рис. 5 Структурная схема СВЧ тракта ВОЛС СИС: 1 – широкополосный малошумящий усилитель;
2 – модуль электрооптический передающий; 3 – лазерный модуль; 4 – волоконно-оптический кабель
с оптическими соединителями; 5 – модуль оптоэлектронный приемный; 6 – измерительный приемник
Принимаемый СВЧ сигнал поступает на широкополосный малошумящий усилитель 1, далее усиленный СВЧ сигнал поступает на оптический модулятор 2 и модулирует световой луч по интенсивности излучения, поступающий с лазерного модуля 3. С модулятора 2 модулированный оптический сигнал по оптоволоконной линии 4 передается на модуль оптоэлектронный приемный 5, в котором происходит обратное преобразование светового сигнала в СВЧ сигнал с минимальными искажениями. Далее преобразованный СВЧ сигнал поступает на измерительный приемник 6 для дальнейшей обработки.
Основным показателем качества СИС в условиях эксплуатации является − высокая чувствительность на входе приемного устройства составляет 1 мкВ, не менее, в рабочем диапазоне частот (0,3-40 ГГц). Следовательно, пороговая чувствительность (Рпор) для случая волнового сопротивления Zв=50 Ом составит минус 137 дБ/Вт (Вт).
Оценим возможность изготовления вышеуказанной СИС с заданным параметром чувствительности, исходя из имеющейся информации о параметрах анализаторов спектра ВОЛС с прямой модуляцией и малошумящих усилителей СВЧ.
Все расчеты проведены на верхнюю границу диапазона рабочих частот 40 ГГц.
В качестве измерительного прибора предполагается использовать анализатор спектра ESIB40, спектральная чувствительность которого составляет минус 146 дБ/Вт на частоте 40 ГГц, минимальная полоса приема 10 Гц. Определим коэффициент шума анализатора спектра (Кш.ас, раз) по формуле
, (1)
где Pпор – пороговая чувствительность анализатора спектра, Вт; k – постоянная Больцмана, Дж/К; Т – температура окружающей среды, К; – полоса приема анализатора спектра, Гц.
Таким образом, Кш анализатора спектра ESIB40 на частоте 40 ГГц составит 48 дБ.
Оценим по рис. 3, 4 эталонную ВОЛС с внешней модуляцией. Из имеющихся графиков видно, что потери данной ВОЛС на 40 ГГц составляют минус 28 дБ, а коэффициент шума 44 дБ.
Для построения СВЧ тракта ВОЛС СИС предполагается использовать широкополосный (0-40 ГГц) малошумящий (3 дБ) усилитель зарубежной фирмы B&Z Technologies [7]. Использование широкополосного малошумящего усилителя необходимо для компенсации коэффициента шума ВОЛС.
Исходя из имеющихся данных, определим зависимость Кш, раз, тандема СВЧ тракт ВОЛС СИС + анализатор спектра от коэффициента усиления усилительного тракта СИС по формуле
, (2)
где Кш1 – коэффициент шума СВЧ тракта ВОЛС СИС, раз; Кш2 – коэффициент шума анализатора спектра, раз; Ку1 – коэффициент усиления СВЧ тракта ВОЛС СИС, раз;
Далее рассчитаем зависимость пороговой чувствительности Рпор, Вт, тандема СВЧ тракт ВОЛС СИС + анализатор спектра от коэффициента усиления усилительного СВЧ тракта ВОЛС СИС для различных значений ширины полосы приема анализатора спектра, по формуле:
, (3)
где k – постоянная Больцмана, Дж/К; Т – температура окружающей среды, К; – полоса приема измерительного приемника, Гц; Кш – коэффициент шума определенный по формуле (2), раз.
Полученные результаты приведены на рис. 6.
Рис. 6 Зависимость пороговой чувствительности тандема СВЧ тракт ВОЛС СИС + анализатор спектра
от Ку усилительного СВЧ тракта ВОЛС СИС на 40 ГГц при различных Кш СВЧ тракта ВОЛС СИС
(от 2 до 14 дБ) и различных полос приема анализатора спектра: 1 – полоса приема 1 кГц; 2 – полоса
приема 10 кГц; 3 – полоса приема 100 кГц; 4 – полоса приема 1 МГц; 5 – опорный уровень
Аналогичные расчеты были проведены для частот 0,3 ГГц и 18 ГГц, полученные результаты приведены на рис. 7, 8.
Рис. 7 Зависимость пороговой чувствительности тандема СВЧ тракт ВОЛС СИС + анализатор спектра
от Ку усилительного СВЧ тракта ВОЛС СИС на 0,3 ГГц при различных Кш СВЧ тракта ВОЛС СИС
(от 2 до 14 дБ) и различных полос приема анализатора спектра: 1 – полоса приема 1кГц; 2 – полоса
приема 10кГц; 3 – полоса приема 100кГц; 4 – полоса приема 1МГц; 5 – опорный уровень
Рис. 8 Зависимость пороговой чувствительности тандема СВЧ тракт ВОЛС СИС + анализатор спектра
от Ку усилительного СВЧ тракта ВОЛС СИС на 18 ГГц при различных Кш СВЧ тракта ВОЛС СИС
(от 2 до 14 дБ) и различных полос приема анализатора спектра: 1 – полоса приема 1кГц; 2 – полоса
приема 10кГц; 3 – полоса приема 100кГц; 4 – полоса приема 1МГц; 5 – опорный уровень.
Из полученных графиков можно сделать вывод, что требуемая чувствительность достигается при реализуемых Ку усилительного СВЧ тракта ВОЛС СИС.
Приведенные выше расчеты и полученные в [1] результаты определили выбор схемных и технических решений построения СВЧ тракта ВОЛС СИС.
В настоящее время ведется изготовление СИС. Физическая реализация СИС планируется в ближайшее время.
Хочется отметить следующее:
- использование методов микроволновой фотоники позволяет производить сверхширокополосные линии передачи СВЧ сигналов в виде ВОЛС, которые в ближайшие годы будут широко востребованы на рынке радиоэлектроники;
- использование данных ВОЛС позволит, как минимум, снизить массу наших изделий, а как максимум, создать новые изделия с качественно более высокими электрическими параметрами и новыми функциональными возможностями;
- рекомендуется провести поисковые работы по исследованию возможности применения данных ВОЛС не только в качестве отдельных конструкционно и функционально законченных изделий, которые могут быть предложены для коммерческой реализации на рынке, но и в качестве составных частей других СВЧ изделий: например, сверхширокополосных линий задержки в устройствах мгновенного определения частоты.
Литература:
1. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику. − М.: Высшая школа. − 1991. − 140 с.
2. http://www.rmcoax.com/
3. http://radioseminar.omsu.ru/ Омский научный семинар «Современные проблемы радиофизики и радиотехники»/ Микроволновая фотоника: экспериментальное определение электрических параметров волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) в диапазоне СВЧ. − 2011.
4. http://porto.polito.it/1400870/1/1400870.pdf
5. http://ndo.sibsutis.ru/magistr/courses_work/vosp_work/lec4.htm
6. http://www.photonicsinc.com/2600_20L_series.html
7. http://www.bnztech.com
|
