Введение к работе
Актуальность темы. Настоящая диссертационная работа выполнена на стыке СВЧ адиоэлектроники и волоконно-оптической связи. Первая представляет собой уже формировавшуюся область с глубоко разработанными научными подходами, моделями и іетодами расчета, вторая - переживает этап бурного развития, в процессе которого постоянно ткрываются новые направления. Одним из наиболее перспективным среди них считается ередача многоканального оптического сигнала на ВЧ и СВЧ поднесущих, которая, как жидается, в первой половине 21 века станет основной формой информационного обмена в азветвленных городских информационных сетях с одновременной двусторонней передачей по этическому волокну аналоговых и цифровых сигналов вещательного телевидения, телефонной, ;окументальной и других видов связи. В особенности это касается абонентского уровня, на отором таким способом можно создать универсальную информационную шину для единого іомового ввода (вывода) телефона, телефакса, кабельного и спутникового телевидения, іадиотрансляции, пожарной и охранной сигнализации и т.д.. Принцип передачи с частотным >азделением каналов (ЧРК) на СВЧ поднесущих также перспективен в системах военного и осмического назначений, например, для передачи и распределения управляющих и інформационньїх сигналов на полотне фазированной антенной решетки.
Попытки осуществить передачу многоканального сигнала с ЧРК в оптическом диапазоне іелались с самого начала возникновения волоконно-оптической связи, однако период фактических исследований и начальной реализации систем наступил только в конце 80-х годов 10СЛЭ того, как были созданы сверхширокополосные световоды с потерями на 2 порядка меньше, 4ем у коаксиального кабеля, высокочувствительные фотодиоды с полосой пропускания , троеглирающейся до верхней части СВЧ диапазона, высокоскоростные одночастогные "юлупроводниковые лазеры с высокой линейностью характеристики электро-оптического преобразования, оптические устройства стыковки, одновременно обеспечивающие аффективный авод излучения лазера в одномодовый световод и высокую развязку (до 50 дБ) с волоконно-оптическим трактом. Общий теоретический анализ и моделирование систем не проводились из-за несовместимых принципов моделирования входящих в состав волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) с ВЧ и СВЧ поднесущими оптоэлектронных (лазеров, фотодиодов) и оптических (изоляторов) компонентов и традиционных активных (биполярных и полевых транзисторов, диодов с барьером Шоттки и т.д.) и пассивных (микрополосковых и коаксиальных линий, фильтров, трансформаторов и т.д.) элементов радиотехнических схем СВЧ диапазона.
Основополагающей идеей данной работы является использование для анализа оптоэлектронных и оптических элементов и модулей аппарата исследования, принятого для радиотехнических цепей СВЧ диапазона, а также учет особенностей работы в СВЧ диапазоне при моделировании и анализе оптоэлектронных элементов, устройств и волоконно-оптических систем. Такой подход позволяет устранить вышеуказанную несовместимость и создать единую инженерную методику расчета многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.
Кроме того, для построения широкомасштабных разветвленных информационных сетей с интеграцией услуг в работе предложены, проанализированы и исследованы экономичные устройства на основе широкополосной схемы фазовой синхронизации (СФС), предназначенные
для прямой ретрансляции и регенерации аналоговых и цифровых сигналов в диапазоне поднесущих частот, а также для простого сопряжения волоконно-оптических линий и линий передачи СВЧ диапазона, например, радиорелейных линий. Хотя теория и принципы работы в различных режимах систем фазовой синхронизации достаточно исследованы и описаны в большом числе статей и монографий, вопрос применения СФС в режиме усиления, рєтрансляці и регенерации широкополосных сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов изучен недостаточно. В частности, анализ публикаций показывает, что при моделировании одного из основных узлоа СФС: фазового детектора — не принимаются во внимание параметры, связанные с его работой СВЧ диапазоне, что вносит существенную погрешность в расчеты. Также слабо исследованы шумы и искажения, вносимые широкополосной нелинейной СФС в передаваемые аналоговые и цифровые сигналы СБЧ диапазона и отсутствуют аналитические критерии для сопоставления с другими типами СВЧ усилителей.
Задачи исследования. В соответствии с вышеизложенным в настоящей диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
анализ многоканальной оптической системы передачи с ВЧ и СВЧ поднесущими и определение требований к параметрам критических элементов и узлов конкретных ВОСП (лазерного излучателя, фотодиодного модуля, передающего и приемного оптоэлектронных модулей);
разработка уточненных моделей принципиальных структурных элементов устройств (лазера, фотодиода, фазового детектора) с учетом особенностей их работы в СВЧ диапазоне;
моделирование и анализ оптического передающего устройства, фотоприемного устройства, усилителя, ретранслятора и регенератора аналоговых и цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией, входящих в состав блока обработки информации, и устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов для сопряжения радиорелейных и волоконно-оптических линий передачи;
разработка и исследование специализированных лазерного и фотодиодного модулей,
разработка и исследование специализированных передающего и приемного оптоэлектронных модулей;
разработка и исследование усилителя и ретранслятора СВЧ сигналов с угловой модуляцией v переходного устройства для сопряжения СВЧ и оптических линий передачи;
разработка и исследование многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими для наиболее перспективных областей применения: фазированных антенных решеток, кабельного и спутникового телевидения.
Методы исследования. Для исследования, как оптических, оптоэлектронных, так и СВЧ радиотехнических элементов, узлов и устройств систем применяются классические методы анализа линейных и нелинейных цепей, принятые в СВЧ радиотехнике. В частности, линейные модели фотодиода, оптического изолятора, усилителя приемного оптоэлектронного модуля, пассивных цепей согласования, усилителя на основе схемы фазовой синхронизации исследуются спектральным методом, а в нелинейных бесструктурных моделях лазера, СВЧ фазового детектора и регенератора цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией схема разбивается на линейную инерционную и нелинейную безынерционную части, которые
наследуются соответственно спектральным и численным методами с последующим сшиванием граничных параметров, например, с помощью итерационных методов.
В диссертации при анализе многоканальных ВОСП учитывались только потери и отражения волоконно-оптического тракта, не принимая во внимание ограничения полосы передачи и дополнительные шумы вследствие дисперсии. В данном случае эти допущения не приводят к существенной погрешности расчетов, поскольку ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, как правило, работают в спектральном диапазоне 1,3 мкм вблизи от минимума дисперсии кварцевого волокна, и в них используются одномодовые или одночастотные лазерные излучатели и одномодовые волоконные световоды, что гакжэ уменьшает дисперсию.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Используя единый подход, основанный на применении методов анализа СВЧ
радиотехнических цепей, развита теория работы всех принципиальных элементов, узлов и
устройств многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.
-
Разработаны специализированные модели и алгоритмы расчета по ним основных характеристик полупроводникового лазерного излучателя, оптического изолятора, фотодиода, передающего и приемного оптоэлектронных модулей.
-
Основываясь на них, получены уточненные выражения для коэффициента передачи, отношения сигнал/шум, вносимых интермодуляционных искажений при передаче на поднесущих многоканальных ВЧ и СВЧ сигналов с различными видами модуляции.
-
При исследовании конкретных узлов и устройств ВОСП обнаружены и подтверждены экспериментом не предсказуемые с помощью известных моделей специфические эффекты и возможности, позволившие увеличить коэффициент передачи и отношение сигнал/шум системы и уточнить требования к их критическим параметрам.
-
Предложенные в работе модели лазерного излучателя, оптического изолятора, фотодиода также корректны для анализа высокоскоростных цифровых ВОСП со скоростью передачи выше 1 Гбит/с.
2. Развита теория работы широкополосной схемы фазовой синхронизации СВЧ диапазона в
качестве когерентного усилителя мощности, ретранслятора и регенератора передаваемых в СВЧ
диапазоне аналоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией.
-
Для данной схемы разработаны бесструктурная модель диодного балансного фазового детектора СВЧ диапазона и алгоритм расчета по ней амплитудно-фазовой характеристики в режиме большого сигнала..
-
Разработаны математическая модель и алгоритм расчета по ней основных характеристик схемы фазовой синхронизации традиционной структуры, предназначенной для усиления и прямой ретрансляции в СВЧ диапазоне аналоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией. Получе.чы выражения для полосы усиления и коэффициента шума и проведено аналитическое сравнение с другими типарии СВЧ усилителей аналогичного назначения.
-
Разработана математическая модель и алгоритм расчета по ней основных характеристик предложенной в работе широкополосной схемы фазовой синхронизации, в которой обеспечивается полная регенерация в СВЧ диапазоне высокоскоростного двухпозиционного цифрового сигнала с фазовой модуляцией. При исследовании с помощью модели качества и
характеристик передачи цифрового сигнала установлены офаничения скорости переключения фазы и определены требования к параметрам элементов схемы.
2.4. Данные модели и результаты исследования пригодны не только для описания работы предложенных и рассмотренных в диссертации экономичных блока обработки информации фотоприемного устройства и оптических ретрансляционных устройств ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущиыи, но и для описания работы аналогичных устройств при разработке системы радиосвязи СВЧ диапазона, например, системы радиорелейной или спутниковой связи.
Практическая ценность работы состоит в следующем. 1. Разработаны общие принципы построения и расчета многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.
Разработана обобщенная структурная схема ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. Предложена экономичная схема оптического ретранслятора аналоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией.
Разработана простая методика оценочного расчета параметров и характеристик многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими с учетом вносимых лазерным излучателем шумов и нелинейных искажений.
По результатам расчета количественно определены требования к параметрам принципиальных элементов и узлов конкретных многоканальных ВОСП с модуляцией гюднесущих методом АМ-ОБП и угловыми методами и проведена сравнительная оценка этих двух типов систем.
2. Разработана и исследована специальная оптическая и оптоэлектронная элементная база, t Разработан и исследован простой в эксплуатации широкополосный фотодиодный модуль патентоспособной конструкции с верхней частотой полосы пропускания в СВЧ диапазоне. Предложен доступный дпя разработчиков ВОСП способ измерения частотной характеристики фотодиода.
Показан путь доработки серийного лазерного излучателя. Исследованы его критически
характеристики, определена область оптимального режима работы в ВОСП с ВЧ и СВ1
поднесущими.
» Разработан и исследован ряд экономичных оптических изоляторов для оптимизации уровня развязки в различных типах многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. 3'. Разработаны и исследованы специализированные узлы аппаратуры:
лазерный модуль со встроенными оптическим изолятором и защищенным авторским свидетельством эффективным вводом в световод;
передающий и приемный оптоэлектронные модули, обеспечивающие за счет недиссилативного согласования в рабочей полосе существенный выифыш по коэффициенту передачи и отношению сигнал/шум;
эффективный узел термостатирования лазера, позволяющий повысить стабильность его работы, уменьшить нелинейные искажения и шумы вследствие перескока спектральных мод;
когерентный СВЧ усилитель, предназначенный для работы в составе фотоприемного устройства и прямой ретрансляции аналоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией в СВЧ диапазоне.
4. Разработаны и исследованы специализированные устройства для передачи, приема и
ретрансляции сигналов и сопряжения с пиниями СВЧ диапазона.
Разработаны и исследованы оптические передающие и приемные устройства для систем конкретного назначения.
Предложено и проанализировано устройство на основе СВЧ схемы фазовой синхронизации, осуществляющее полную регенерацию двухпозиционнсго цифрового сигнала с фазовой модуляцией.
Предложены и описаны схемы многоканального и многоствольного оптических ретрансляторов, содержащие защищенное авторским свидетельством многоканальное устройство регенерации на основе гетеродинной схемы фазовой синхронизации.
Разработано и исследовано оригинальное устройство сопряжения цифровых СВЧ и волоконно-оптических линий передачи.
5. Разработаны и испытаны системы для конкретных областей применения многоканальных
ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими:
четырехствольная ВОСП сантиметрового диапазона для фазированных антенных решеток;
4-канальная и 8-канальная ВОСП с ЧРЮЧМ для супермагистральных и магистральных линий распределительной сети кабельного телевидения, параметры которых соответствуют требованиям отечественных стандартов;
15-канальная ВОСП с ЧРК/АМ-ОБП для магистральных и субмагистрапьных линий распределительной сети кабельного телевидения, параметры которой соответствуют отечественному стандарту;
» два варианта иногоканальных ВОСП для распределительной сети систем коллективного приема сигналов непосредственного спутникового телевизионного вещания, основные параметры которых соответствуют рекомендациям МККР для перспективных систем спутникового телевидения с приемными установками II класса.
Автор выносит на защиту следущие положения:
метод оценочного расчета параметров и характеристик многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими;
модель полупроводникового лазерного излучателя;
модель фотодиода с полосой пропускания в СВЧ диапазоне;
модель фазового детектора СВЧ диапазона;
модель оптического изолятора;
модель когерентного усилителя на основе СВЧ схемы фазовой синхронизации;
» модель устройства регенерации цифровых СВЧ сигналов с фазовой модуляцией на основе схемы фазовой синхронизации;
метод аналитического сравнения СВЧ усилителя на основе схемы фазовой синхронизации с другими типами усилителей СВЧ диапазона;
способ измерения амплитудно-частотной характеристики фотодиода;
результаты разработки и исследования фотодиодного модуля;
резулі тэты разработки и исследования оптического изолятора;
результаты разработки и исследования лазерного модуля с встроенными оптическим изолятором и узлом ввода в световод;
результаты разработки и исследования когерентного СВЧ усилителя и ретранслятора аналоговых и цифровых сигналов на основе схемы фазовой синхронизации;
результаты разработки и исследования передающего и приемного олтоэлектронных модулей;
результаты разработки и исследования устройства сопряжения СВЧ и волоконно-оптических линий;
результаты разработки и исследования ряда многоканальных волоконно-оптических систем передачи для фазированных антенных решеток, кабельного и спутникового телевидения.
Реализация работы. Развитая теория и проведенные исследования и разработки элементов, узлов и устройств были применены в выполненных под руководством автора научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках, в результате которых были реализованы и испытаны многоканальные ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими различного назначения: чегырехствольная ВОСП сантиметрового диапазона волн для передачи и распределения на полотне фазированной антенной решетки набора опорных и информационных сигналов; 4-канальная и 8-канальная ВОСП с ЧРК/ЧМ в верхней части дециметрового диапазона для супермагистральных и магистральных линий распределительной сети кабельного телевидения; 15-канальная ВОСП с ЧРК/АМ-ОБП в метровом диапазоне для магистральных и субмагисгральных линий распределительном сети кабельного телевидения; 20-канальная волоконно-оптическая система коллективного приема сигналов спутникового телевещания с распределением в диапазоне первой ПЧ; 8-канальная волоконно-оптическая система коллективного приема сигналов спутникового телевещания с распределением в метровом диапазоне.
Разработанная аппаратура демонстрировалась на выставке Второй Крымской конференции 'СВЧ техника и спутниковый прием" в 1992 г. в г. Севастополе, на международной выставке "Связь 93" в Москве, на выставке АО "Телеком" в Москве в 1993 г., на выставке правительства Москвы "Наука, техника, город - 94", на международной выставке-ярмарке "Говорит и показывает Сибирь - 94" в Новосибирске, на международной выставке "Связь - Экспокоы - 95" в Москве и международной выставке "Телеком - 95" в Женеве.
Результаты исследований использованы при выполнении НИР и ОКР на предприятиях: ЦНИТИ, г. Москва, НИИРФ им. акад. Расплетина, г. Москва, ЦНИИС, г. Москва, что подтверждено соответствующими актами.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили автору впервые в стране разработать многоканальные ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими для распределения сигналов на полотне антенной решетки и в сетях кабельного и спутникового телевидения.
Для внедрения разработок автором создано научно-производственное предприятие, занявшее в настоящее время прочное положение в стране в области разработки и производства аппаратуры для волоконно-оптических распределительных сетей кабельного телевидения.
Аппробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
-
Всесоюзном научно-техническом семинаре "Элементы и узлы полноводных трактов радиорелейных линий".-Таллин, септ. 1983г.
-
IV Всесоюзной научно-технической конференции "Саеговодные системы связи и передачи информации". - Москва, май 1984 г.
-
XI, Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, май 1985 г.
-
Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств". - Горький, сент. 1985 г.
-
Всесоюзном научно-техническом совещании " Совершенствование средств связи на основе внедрения светозолоконной и микропроцессорной техники". - Кишинев, февр. 198S г.
-
XLII Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, май 1987 г.
-
Всесоюзной научно-технической конференции" Проблемы развития цифровых систем передачи городских и сельских сетей связи на основе электрических и волоконно-оптических кабелей". - Новосибирск, окт. 1987 г.
-
Всесоюзной научно-технической конференции "Оптическая коммуникация и оптические сети связи". - Суздаль, янв.1990 г.
-
Научно-техническом семинаре" Актуальные вопросы разработки и производства средств приема спутникового телевидения". - Севастополь, авг. 1990 г.
10.1 Всесоюзной научно-технической конференции" Физические проблемы оптической связи и обработки информации". -Севастополь, окт. 1990 г.
-
Всесоюзной научно-технической конференции " Совершенствование технических средств связи для решения проблем информатизации общества в новых условиях хозяйствования". -Ленинград, март 1992 г.
-
II Всесоюзной научно-технической конференции " Физические проблемы оптической связи и обработки информации". - Севастополь, сент. 1991 г.
-
International' 92 Geneva Conference. Signals and Systems. - Geneva, march 1992.
-
International ISFOC 92 Conference. -St.Peterburg,apr.1992.
-
Научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МЭИС в 1982,1983. 1985 и 1987гг.
-
Постоянном семинаре по волоконно-оптическим линиям связи в ИРЭ АН в февр. 1985 г.
-
Всесоюзном семинаре "Элементы и узлы радиоприемных устройств" НТО РЭС им. А.С.Попова в мае 1986 г.
-
Секции НТС ЦНИИС "Цифровые сети связи и оптические системы передачи" в мае 1988 г.
-
XXXIX Научно-технической конференции МИРЭА в мае 1990 г.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 13 статьях в научных журналах и сборниках, 17 сообщениях в тезисах и трудах всесоюзных и международных научно-технических конференций и семинаров, 1 книге и 3 описаниях авторских сеидетельств на изобретение. Кроме того, материалы диссертации вошли в отчеты следующих предприятий: ЦНИИС, ЛОНИИР, МИС, ВНИИОФИ, ЦНИТИ.
4 9»
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключена и приложения. Работа содержит 381 с, в том числе 195 с. основного текста, 131 с. рисунков и фото, 41 с.приложений, 2 с. списка основных сокращений, 12 с. библиографии из 153 наименований.
