Microwave photonics polyharmonic systems for instantaneous frequency measuring of radiosignals

Full Text

1. Введение Лучшее на сегодняшний день структурное решение для радиофотонных систем (РФС) измерения мгновенной частоты радиосигналов (ИМЧР) получено на основе измерительного преобразования «частота-амплитуда» в волоконных брэгговских решетках (ВБР) [1-3], что позволяет реализовать низкочастотное фотодетектирование и значительно снизить стоимость РФС в целом. Основные недостатки РФС ИМЧР с ВБР - монотонность характеристик измерительного преобразования в области центральной длины волны и высокий уровень отклика решеток на температуру и деформации. На преодоление аналогичных ограничений в сенсорных и телекоммуникационных системах направлено применение специальных структур ВБР, например, с фазовым -сдвигом, и полигармонических методов зондирования ВБР с анализом параметров их огибающей на разностной частоте для контроля положения центральной длины волны ВБР или измерения с ее помощью температуры [4-7]. Дополнительные негативные факторы для РФС ИМЧР вносит характер модуляционного преобразования оптической несущей. При реализации амплитудной или фазовой модуляции ширина полосы частот, определяемая боковыми полосами, как правило, в два или четыре раза больше измеряемой частоты. Это приводит к необходимости использования «широкополосных» ВБР до 1 нм, которые, как правило, имеют невысокий коэффициент отражения, более монотонный характер огибающей в области резонанса, в ряде случаев потребуется применение более широкополосного фотоприемника, стоимость которого значительно увеличивается с ростом полосы измеряемых частот. Рассмотрение современного состояния работ по созданию РФС ИМЧР с преобразованием «частота-амплитуда» в ВБР показало, что малое количество публикаций, в которых решены лишь частные вопросы, посвященные указанной тематике, не позволяет обоснованно подойти к выбору путей устранения указанных выше недостатков, а созданные на их основе РФС ИМЧР не удовлетворяют пользователей по требуемым характеристикам. Поэтому базовым стал подход к разработке РФС ИМЧР с преобразованием «частота-амплитуда» в ВБР как к «узкополосным» системам, требующим минимизации полосы частот для измерений, формируемой при модуляционном преобразовании, минимизации зон монотонности огибающих ВБР, минимизации уровня шумов при оптико-электронном преобразовании и минимизации всей структуры с целью уменьшения влияния изменяющихся температур на параметры рабочих режимов измерительного преобразования и на погрешность ИМЧР в целом. Проведенный анализ позволил сформировать основные требования к проектированию РФС ИМЧР, которые заключаются в необходимости использования в его структуре только одного лазера, как минимум одного модулятора, одной ВБР и по возможности только одного фотоприемника, причем узкополосного [8-12]. Для метрологических характеристик РФС ИМЧР сформированы следующие требования: диапазон по частоте  до 40 ГГц, диапазон по амплитуде  до 50 дБ, погрешность  до 0,2 ГГц. Общие требования к каналам мониторинга рабочих режимов определяются необходимостью применения симметричного двухчастотного излучения для контроля положения центральной длины волны ВБР и контроля положения рабочей точки амплитудных модуляторов [13, 14]. Оба канала должны быть построены с использованием универсальных для РФС элементов, в том числе узкополосных фотоприемников, чтобы не повышать стоимость системы в целом. В дальнейших разделах статьи представлены обоснования и разработанные структуры РФС ИМЧР на основе полигармонических подходов с доказательством возможности расширения диапазона измеряемых частот (раздел 2), повышения разрешающей способности измерений в области «низких» частот (раздел 3) и чувствительности измерений в области «высоких» частот (раздел 4). 2. Расширение диапазона измеряемых частот Представим краткое теоретическое обоснование способа ИМЧР с расширением диапазона измерительного преобразования по частоте в два раза. Структурная схема для его реализации показана на рис. 1,а, пояснения к принципу работы на рис. 1,б, а полученная измерительная характеристика на рис. 1,в. Оптическая несущая с лазерного диода ЛД на частоте поступает на блок модуляторов БМ, где модулируется неизвестным по частоте и амплитуде СВЧ-сигналом, а затем разделяется на два канала в оптическом разветвителе ОР. БМ состоит из амплитудного модулятора Маха-Цендера (ММЦ) и фазового модулятора (ФМ), реализующих амплитудно-фазовое модуляционное преобразование (АФМП) оптической несущей в симметричное двухчастотное излучение по методу Ильина-Морозова [4-7]. Выходное излучение БМ представляет собой двухчастотное на частотах и с подавленной несущей и равными амплитудами и . Отметим, что получение разностной частоты , в два раза меньшей, чем при классических модуляционных преобразованиях, стало возможным благодаря использованию метода Ильина-Морозова. а) б) в) Рис. 1. К теоретическому обоснованию способа расширения диапазона измеряемых частот: а - структурная схема; б - спектральное представление; в - измерительная характеристика По первому каналу излучение через вход циркулятора Ц поступает на ВБР, отражается от нее и с выхода Ц подается на первый фотоприемник ФД1. Второй канал с ФД2 используется как опорный. Находя в микроконтроллере МК определения параметров неизвестного СВЧ-сигнала отношение амплитуд сигналов на выходе ФД1 и ФД2 получаем функцию сравнения амплитуд (ФСА), которая однозначно зависит от частоты СВЧ-сигнала и не зависит от мощности излучения лазера. Амплитуды составляющих равны и и определяются значениями функций Бесселя первого рода. Ток на выходе ФД2 в опорном канале пропорционален , (1) а мощность при детектировании по постоянному току при . (2) Для измерительного преобразования «частота-амплитуда» выберем классическую ВБР с гауссовым профилем огибающей центральной частотой f_B, которая характеризуется различным коэффициентом отражения для различных частот (рис. 1,б), определяемых зависимостью R(f_RF )=R_B exp[-4ln2[((f_RF-f_B ))⁄(Δf_B )]^2 ], (3) где - коэффициент отражения на ,Δf_B - полная ширина ВБР на полувысоте. Таким образом, при настройке центральной частоты ВБР на частоту оптической несущей, составляющие двухчастотного излучения, отраженные от ВБР, в зависимости от частоты будут иметь амплитуду , (4) а мощность на выходе ФД1 в измерительном канале . (5) Определив частотно-зависимую функцию отношения мощностей как , получим . (6) На рис. 1,в показана однозначная зависимость между и , рассчитанная в пакете MatLab 7.1.0, которая не зависит от мощности излучения лазера и мощности СВЧ-сигнала. Таким образом, зная только отношение мощностей , мы можем определить мгновенную частоту неизвестного СВЧ-сигнала . Амплитуда неизвестного СВЧ-сигнала определяется по выходному сигналу ФД2 при калиброванной мощности DFB-лазера и известных характеристиках модуляционного преобразования в БМ. Разностная частота между составляющими двухчастотного сигнала равна измеряемой частоте, что позволяет в два раза расширить диапазон измеряемых частот по сравнению с классическими методами ИМЧР при заданной полной ширине ВБР на полувысоте. 3. Повышение разрешающей способности измерений в области «низких» частот Рассмотрим способ ИМЧР с повышением разрешающей способности измерений в области «низких» измеряемых частот. При использовании классической ВБР в зоне «низких» частот наблюдается монотонность ее огибающей (рис. 1,б), что приводит к снижению разрешающей способности измерений. Для ее повышения была использована ВБР с фазовым π-сдвигом и со специальной формой АЧХ, имеющая окно прозрачности в области «низких» частот, что позволило создать двухдиапазонную установку, структурная схема которой представлена на рис. 2,а, пояснения к принципу работы на рис. 2,б, а полученная измерительная характеристика на рис. 2,в. а) б) в) г) Рис. 2. К теоретическому обоснованию способа повышения разрешающей способности измерений в области «низких» измеряемых частот: а - структурная схема; б - спектральное представление; в - измерительная характеристика; г - контур заграждающей ВБР2 Для разделения диапазонов была использована заграждающая ВБР2 прямоугольной формой (рис. 2,г) в диапазоне частот от до (± 4 ГГц) для организации двух каналов до и выше 4 ГГц и специальный алгоритм коммутации последних в МК. При наличии измеряемых частот в диапазоне свыше 4 ГГц работает канал с ФД1.1, канал с ФД1.2 блокируется МК. При измерении частот до 4 ГГц канал с ФД1.2 включается с МК, поскольку уровень сигнала в канале с ФД1.1 ниже заданного порогового. Результаты численных расчетов в пакете MatLab 7.1.0, подтвердившие возможность повышения разрешающей способности в области «низких» частотдо уровня разрешающей способности в области «средних» и «высоких» частот 0,8-1 ГГц/дБ, показаны на рис. 2,в. 4. Повышение чувствительности измерений в области «высоких» частот На основе анализа шумовых характеристик РФС, реализующих различные варианты приема двухчастотного излучения (в полосе измеряемых частот и на постоянной составляющей) был предложен способ расщепления составляющих двухчастотного излучения на фиксированную разностную частоту =100 МГц, лежащую в области минимальных шумов фотоприемника (рис. 3,а). а) б) в) Рис. 3. К теоретическому обоснованию способа повышения чувствительности измерений в области «высоких» измеряемых частот: а - спектральное представление; б - структурная схема приемной части; в - структурная схема передающей части Это обеспечило узкополосный прием измеряемых составляющих и регистрацию их амплитуды по огибающей расщепленных составляющих (рис. 3,б) на при фильтрации в блоках частотной селекции БЧС (узкополосный фильтр с центральной частотой 100 МГц и минимальной полосой, определяемой шириной излучения лазера). Повышение чувствительности измерений по сравнению с методом прямого детектирования в полосе частот составило 3-6 раз, причем было снижено влияние фликкер-шумов фотоприемников на точность амплитудных измерений. Структурная схема разработанной РФС ИМЧР на уровне модуляционного преобразования показана на рис. 3,в и отличается от представленной на рис. 1,а наличием второго амплитудного ММЦ, работающего в режиме подавления несущей частоты в «нулевой» точке. Проведено имитационное моделирование разработанных способов, выполненное в пакете прикладных программ OptiSystem 7.0. Вставленные в схему двухдиапазонная ВБР 1.1 и заграждающая ВБР 1.2 моделировалась в пакете OptiGrating 4.2. Были подтверждены результаты теоретических исследований и разработана обобщенная схема РФС ИМЧР, учитывающая преимущества всех разработанных способов. 5. Практические рекомендации по построению РФС ИМЧР С точки зрения конструктивной простоты для использования в РФС ИМЧР рекомендованы поляризационные модуляторы (ПМ) фирмы Versawave Inc., обладающие рядом преимуществ перед классическими ММЦ и позволяющие реализовать АФМП в диапазоне частот до 50 ГГц, при температурах до +70 С. Варианты выполнения структурного требования к РФС ИМЧР о реализации модуляционного преобразования только на одном модуляторе заключаются в использовании сдвоенных двухпортовых ММЦ или ПМ. Для решения задач импортозамещения и максимального приближения к реализации АФМП рекомендовано обратить внимание на ЭОМ интегрального типа производства ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (г. Пермь). Для построения РФС ИМЧР, использующих двухчастотные способы измерительного преобразования «частота-амплитуда», требуются ВБР c фазовым -сдвигом и коэффициентом пропускания окна прозрачности 95-99%, полуширина которого может изменяться в диапазоне 0,01…0,02 нм. Данные решетки также могут использоваться как заграждающий фильтр для ослабления не до конца подавленной несущей при модуляционном преобразовании. Разработка способов записи указанных решеток при внесении неоднородности между фазовой маской и волокном диаметром до 2 мкм позволила создать ВБР специального типа. АЧХ решетки, зарегистрированная на анализаторе спектра FTB 5240-S с разрешением 2 пм, показал наличие в нем окна прозрачности шириной 100 пм (12 ГГц), расположенным на центральной длине волны 1552,6 нм и разделяет ВБР на две с полной шириной 200 пм ( 24 ГГц). Полученный тип решетки позволил реализовать РФС ИМЧР с двумя диапазонами измерений. Преобразование «частота-амплитуда» проводилось в окне прозрачности для частот диапазона от 0,3 до 12 ГГц и в полосе отражения для частот от 12-24 ГГц. Измерения мгновенной частоты радиосигнала СВЧ-диапазона проводились на экспериментальной макетной установке с использованием модуляторов JDSU APE Microwave Analog и JDSU APE Phase. Для двухдиапазонного измерительного преобразования использовалась ВБР со специальной формой АЧХ. В качестве элемента для оптико-электронного преобразования использовался фотодиод FDI с полосой пропускания 1,5 ГГц, реализовывалось прямое детектирование по постоянному току. На рис. 4 показаны измерительные характеристики для диапазона 5-10 ГГц, на рис. 5 - 0,3-5 ГГц. Как видно из рис. 4-5 наблюдается некоторая нелинейность на концах диапазона. Максимальная погрешность измерения в обоих диапазонах составила на краях диапазонов 200 МГц. Отсутствие на рис. 6 данных для частот в области 5 ГГц вызвано неточностью изготовления заграждающей ВБР с прямоугольной формой АЧХ и некоторым наклоном ее фронтов. Крутизна наклона характеристики в диапазоне частот 0,3-5 ГГц составила 0,2 ГГц/мВ, а в диапазоне частот 5-10 ГГц - 0,5 ГГц/мВ, что определялось крутизной склонов используемой измерительной решетки. Метод расщепления спектральных составляющих на данной макетной установке для ИМЧР не реализовывался. Оценочный расчет технико-экономических показателей при реализации РФС ИМЧР с АФМП показал, что по сравнению с существующими системами стоимость такой реализации может быть в 3-4 раза меньше стоимости типовой широкополосной системы. При поиске путей создания интегральных узлов и модулей РФС ИМЧР, предназначенных для комплексного уменьшения влияния внешних условий эксплуатации на их характеристики, перспективным может быть создание интегральных модулей следующих типов: «антенна-ММЦ» в размерах ММЦ, преобразования «частота-амплитуда» на основе кольцевых резонаторов, мониторинга положения рабочей точки ММЦ с учетом спектральных процедур оценивания величины и знака ее ухода [15]. При этом опорные значения для процедур регулирования могут быть взяты со схем контроллера температуры ЛД, позволяющих определять и поддерживать температуру в пределах ±0,1 С. Рис. 5. Измерительная характеристика РФС ИМЧР в диапазоне 5-10 ГГц (двухдиапазонная решетка) Рис. 6. Измерительная характеристика РФС ИМЧР в диапазоне 0,3-5ГГц (двухдиапазонная решетка) 6. Заключение По результатам анализа особенностей амплитудно-фазового модуляционного преобразования оптической несущей в симметричное двухчастотное излучение по методу Ильина-Морозова, расщепления его составляющих на фиксированную разностную частоту, лежащую в области минимальных шумов фотоприемника, их двухдиапазонного измерительного преобразования «частота-амплитуда» в ВБР со специальной формой АЧХ и оптико-электронного преобразования в узкополосном фотоприемнике разработаны и реализованы радиофотонные способы для расширения диапазона ИМЧР в 2 раза, повышения разрешающей способности измерений в области «низких» частот до уровня среднего по системе 0,8-1 ГГц/дБ, повышения чувствительности измерений в 3-6 раз по сравнению с широкополосным фотодетектированием и снижением влияния низкочастотных флуктуации на точность измерений по амплитуде. При этом стоимость типовой реализации РФС ИМЧР на их основе может быть в 3-4 раза меньше стоимости типовой широкополосной системы. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках проектной части государственного задания, выполняемого Казанским национальным исследовательским техническим университетом им. А.Н.Туполева-КАИ на кафедре радиофотоники и микроволновых технологий и в научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем (программа «Радиофотоника», З.1962.2014/К).

About the authors

O. G Morozov

G. A Morozov

M. R Nurgazizov

A. A Talipov

A. A Ivanov

D. S Dmitriev

References

Supplementary files