Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Зачиняев Ю.В. 1

---

1 ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

В статье приведены результаты исследования формирователя наносекундных линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур. В частности, определена методика проектирования и определения структуры устройства формирования ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности по таким параметрам, как длительность формируемого сигнала, требуемая девиация частоты, центральная частота требуемого сигнала, выходная мощность и отношение сигнал/шум на выходе формирователя. На основе значений данных параметров с использованием ряда аналитических выражений можно синтезировать структурную схему формирователя и определить параметры узлов, входящих в его состав. Приведен пример проектирования формирователя, моделирование которого в пакете MATLAB подтвердило эффективность предложенной методики. Полученные результаты позволяют подготовить научную основу для промышленного изготовления формирователей ЛЧМ-сигналов на основе БВОС.

Статья в формате PDF

836 KB

проектирование

ЛЧМ-сигналы

бинарные волоконно-оптические структуры

оптическое волокно

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с.

2. Зачиняев Ю.В. Анализ сигнальной и шумовой моделей формирователя ЛЧМ-сигналов на основе волоконно-оптических структур // Теор. и методологические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем: сборник трудов Всероссийской научной конференции (Таганрог, 1 ноября 2013 г.). – Таганрог, 2013. – С. 122–129.

3. Зачиняев Ю.В. Моделирование формирователя ЛЧМ-радиосигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур // Фотоника и информационная оптика: сборник трудов III Всероссийской конференции (Москва, 29–31 января 2014 г.). – М., 2014. – С. 91–92.

4. Зачиняев Ю.В., Румянцев К.Е., Кукуяшный А.В. Формирование наносекундных ЛЧМ-радиосигналов на волоконно-оптических структурах // Электротехнические и информационные системы и комплексы. – 2011. – T. 7, № 3. – С. 32–38.

5. Кукуяшный А.В. Особенности формирования ЛЧМ сигналов с использованием волоконно-оптических структур // Информационное противодействие терроризму. – 2007. – № 9. – С. 75–88.

В [4] предложены структура устройства и метод формирования линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов наносекундной длительности на основе бинарных волоконно-оптических структур (БВОС). Формирователь включает в себя совокупность последовательно соединенных источника оптического излучения в виде передающего оптического модуля (ПОМ), волоконного разветвителя (ВОР) и сумматора (ВОС), особо сконфигурированных волоконно-оптических компонентов (БВОС), волоконно-оптических линий задержки (ВОЛЗ), оптического усилителя (ОУ), приемного оптического модуля (ПРОМ), полосового фильтра (ПФ) для выделения первой гармоники спектра, электронного усилителя (ЭУ) и фильтра низких частот (ФНЧ) (рис. 1).

При этом структура непосредственно БВОС включает в себя разделительные и суммирующие направленные волоконные ответвители (НВО) и ВОЛЗ и приведена на рис. 2.

В зависимости от требуемых параметров выходных сигналов, в частности значения длительности сигнала, девиации частоты, центральной частоты сигнала, схема формирователя на БВОС и структура самих БВОС изменяется.

Для промышленного изготовления формирователя ЛЧМ-cигналов на БВОС необходимо в первую очередь для заданных параметров выходных сигналов определить структуру формирователя, поэтому задача синтеза алгоритма проектирования данного устройства является актуальной.

Целью исследования является разработка научной основы для промышленного изготовления формирователей ЛЧМ-сигналов на основе, а также уточнение требований к узлам формирователя и подтверждение реализуемости устройства.

Рис. 1. Структурная схема формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС

Рис. 2. Структурная схема БВОС

Материал и методы исследования

Исходными данными для проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов являются длительность формируемого сигнала τ_ЛЧМ, центральная частота ЛЧМ-сигнала fc, девиация частоты ЛЧМ-сигнала Δf, требуемая мощность выходного сигнала Pвых, средняя мощность оптического излучения ПОМ , отношение сигнал/шум на выходе формирователя SNR [3].

Алгоритм проектирования формирователя, предлагаемый автором, состоит из следующих основных этапов: синтез структуры формирователя ЛЧМ-сигналов; выбор параметров функциональных элементов формирователя ЛЧМ-сигналов; произведение расчетов потерь мощности сигнала в узлах формирователя; уточнение выходных параметров формирователя в соответствии с полученной структурой.

Рассмотрим подробнее этап синтеза структуры формирователя. Определение структуры формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС включает в себя выполнение следующих расчетов с помощью соответствующих формул:

1. Определение числа копий, формируемых БВОС [5]:

(1)

2. Расчет числа БВОС [5]:

(2)

3. Определение числа НВО X-типа:

X = (log₂K – 1). (3)

4. Определение числа дополнительных ВОЛЗ:

Q = log K. (4)

5. Определение числа ВОЛЗ формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС:

N′ = N – 1. (5)

6. Определение числа выводов волоконно-оптического разделителя и волоконно-оптического сумматора:

N* ≥ N, (6)

Выбор параметров структурных элементов формирователя ЛЧМ-сигналов осуществляется в процессе выполнения следующих операций.

1. Определение длительности импульса ПОМ [4, 5]:

(7)

2. Определение времени задержки j-й дополнительной ВОЛЗ в составе i-й БВОС [4,5]

(8)

3. Определение времени задержки ВОЛЗ формирователя [4, 5]

(9)

4. Определение потерь в оптической части формирователя [2]

(10)

где α_ввод рассчитывается согласно таблице,

γ_нво = 0,1 дБ, kотв = 3 дБ, α_вв.ВОС = 0,3 дБ, Г_ов = 0,2 дБ,

α _нво-ов = α _{ПОМ-ВОР} = α _вос-ос = α _ос-оу = α _{оу-пром} = α_пром = 0,1 дБ, D_кат = 0,05 м, α_виток = 0,00005 дБ.

5. Определение потерь в СВЧ-тракте формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС осуществляется согласно спецификациям компонентов. Для формирователя при стандартной конфигурации функциональных узлов (полосовой фильтр, ФНЧ, соединения)

6. Для определения мощности оптического излучения на входе ПРОМ по заданному отношению сигнал/шум SNR учтем результаты исследования шумовых свойств формирователя, проведенного ранее [2]. Было показано, что отношение сигнал/шум на выходе формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС в большой степени определяется мощностью ОИ на входе ПРОМ. Таким образом, можно рассчитать необходимую мощность ОИ на входе ПРОМ при требуемом отношении сигнал/шум на выходе формирователя по формуле [2]:

(11)

где RIN = –165 дБ, Т = 300 К, Ш_ЭУ = 4,5 дБ, ε_фд = 0,7 А/Вт, λ = 1550 нм, Δλ_оу = 30 нм, G = 24 дБ, n_a = 3,6, ν = 1,93•10¹⁴ Гц, η = 0,1, df = 6,6•10⁹ Гц, Pимп.ПоМ = Jср/(Tпом•80•10⁶), kБ = 1,38•10^–23 Дж/К, h = 1,0546•10^–34 Дж•с.

7. Определение коэффициента усиления оптического усилителя:

(12)

8. Определение коэффициента усиления электронного усилителя:

(13)

При этом мощность на выходе ПРОМ Pв.ПРОМ определяется формулой

(14)

где Uвых.ПРОМ – выходное напряжение ПРОМ (Uвых.ПРОМ = 0,7–0,9 В для большинства ПРОМ).

9. Определение порядка ПФ z осуществляется путем нахождения коэффициента прямоугольности Kп по формуле [1]:

(15)

после чего определяется значение z, при котором используется форма АЧХ для ФНЧ [5]:

, (16)

удовлетворяет требованию по коэффициенту прямоугольности.

10. Уточнение параметров формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС.

Для этого последовательно рассчитываются:

– ширина спектра ЛЧМ-сигнала [5]:

(17)

– центральная частота спектра ЛЧМ-сигнала [5]:

(18)

– длительность результирующего импульса [5]:

(19)

Результаты исследования и их обсуждение

C учетом полученных аналитических выражений произведено проектирование формирователя ЛЧМ-сигналов с длительностью формируемого сигнала τ_ЛЧМ = 2,2 нс, центральной частотой ЛЧМ-сигнала fc = 10 ГГц, девиацией частоты ЛЧМ-сигнала Δf = 5,7 ГГц, требуемой мощностью выходного сигнала Pвых = 100 мВт, средней мощностью оптического излучения ПОМ Jср = 10 мкВт и отношением сигнал/шум на выходе формирователя SNR = 50 дБ.

1. Определено число копий, формируемых БВОС, по формуле (1):

2. Рассчитано число БВОС по формуле (2):

3. Определено число направленных волоконных ответвителей X-типа по формуле (3):

X = (log 4 – 1) = 1.

4. Рассчитано число дополнительных ВОЛЗ по формуле (4):

Q = log24 = 2.

5. Определено число ВОЛЗ формирователя ЛЧМ-сигналов по формуле (5):

N′ = 6 – 1 = 5.

6. Рассчитано число выводов волоконно-оптического разделителя и волоконно-оптического сумматора по формуле (6):

N* = 2^P ≥ 6 = 8.

На основе проведенных расчетов синтезирована структурная схема формирователя ЛЧМ-сигналов длительностью τ_ЛЧМ = 2,2 нс при центральной частоте fc = 10 ГГц и девиации частоты ЛЧМ-сигнала Δf = 5,7 ГГц (рис. 3).

При этом БВОС можно представить в виде, изображенном на рис. 4.

Рис. 3. Структура формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС (τ_ЛЧМ = 2,2 нс, Δf = 5,7 ГГц)

Рис. 4. Структура БВОС формирователя ЛЧМ-сигналов (τ_ЛЧМ = 2,2 нс, Δf = 5,7 ГГц)

В рамках выбора параметров структурных элементов формирователя ЛЧМ-сигналов:

1. Определена длительность оптического импульса ПОМ по формуле (7):

T_ПОМ ≥ 41 пс.

2. Рассчитано время задержки j-й дополнительной ВОЛЗ в составе i-й БВОС на основе формулы (8). Результаты расчета τ_задi1 и τ_задi2 сведены в таблице.

3. Определено время задержки ВОЛЗ τ_задi формирователя на основе формулы (9). Результаты расчета сведены в таблице.

Значения времени задержки для различных доп. ВОЛЗ

4. Произведена оценка потери в оптической части формирователя согласно формуле (10):

α_опт = 10,5 + 0,2 + 6 + 0,4 + 0,8 + 0,08•10^–3 + 0,01•10^–3 + 0,15•10^–3 = 17,9 дБ.

Рассчитан уровень потерь в СВЧ-тракте формирователя согласно таблице:

5. Определена мощность оптического излучения на входе ПРОМ по заданному соотношению сигнал/шум SNR = 50 дБ по формуле (11)

PПРОМ = 3,161 мВт = 5 дБм.

6. Найден коэффициент усиления оптического усилителя по формуле (12)

KОУ = 5 дБм – 4,9 дБм + 17,9 дБ = 18 дБ.

7. Определен коэффициент усиления электронного усилителя по формуле (13)

KЭУ = 20 дБм – 2 дБм + 2,5 дБ = 21,5 дБ.

8. Вычислен порядок ПФ при требуемом коэффициенте прямоугольности, который при заданных исходных условиях, находится по формулам (15)–(16)

Тогда из

где fср = Δf/2, z = 7 (при измерении коэффициента прямоугольности по уровню минус 60 дБ).

9. Уточнены параметры формирователя ЛЧМ-сигнала на основе БВОС

Ширина спектра результирующего ЛЧМ-сигнала определяется выражением (17) и составляет при заданных параметрах проектирования Δf′ = 5,89 ГГц. Центральная частота спектра ЛЧМ-сигнала определяется выражением (18) и составляет при заданных параметрах проектирования f_c′ = 10,1 ГГц. Длительность результирующего импульса определяется выражением (19) и составляет при заданных параметрах проектирования

На основе полученных данных была синтезирована модель формирователя ЛЧМ-сигналов и произведено моделирование в среде MATLAB. Форма выходного сигнала и его амплитудный спектр приведены на рис. 5.

Рис. 5. Форма выходного сигнала (а) и его амплитудный спектр (б)

Выводы

В статье сформулирована методика проектирования и определения структуры устройства формирования ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности по таким параметрам, как длительность формируемого сигнала, требуемая девиация частоты, центральная частота требуемого сигнала, выходная мощность и отношение сигнал/шум на выходе формирователя. Приведен пример проектирования формирователя, моделирование которого в пакете MATLAB подтвердило эффективность предложенной методики. Так, синтезирована структура и определены основные параметры формирователя ЛЧМ-сигналов, позволяющие уменьшить длительность ЛЧМ-сигнала до значения 2,2 нс при девиации частоты ЛЧМ-сигнала Δf = 5,7 ГГц, центральной частоте fc = 10 ГГц, мощности выходного сигнала P_вых = 100 мВт, средней мощности оптического излучения ПОМ и отношении сигнал/шум на выходе формирователя SNR = 50 дБ. При этом требуемая длительность импульса ПОМ не превышает значения 41 пс, а общие потери мощности сигнала в формирователе не превышают 20,3 дБ.

Измеренная по результатам моделирования длительность сформированного сигнала по уровню –3 дБ составила 2,1 нс, что на 4,5 % отличается от значения, предусмотренного проектированием. Мощность выходного сигнала Pвых = 0,103 Вт, что на 2,9 % отличается от значения, предусмотренного проектированием.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ высшим учебным заведениям в части проведения научно-исследовательских работ. Тема № 213.01-11/2014-9.

Рецензенты:

Румянцев К.Е., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ИБТКС, Южный федеральный университет, г. Таганрог;

Веселов Г.Е., д.т.н., доцент, директор института компьютерных технологий и информационной безопасности, Южный федеральный университет, г. Таганрог.

Работа поступила в редакцию 10.10.2014.

Библиографическая ссылка