Динамические запоминающие устройства импульсных радиосигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур

Современный этап развития радиотехнических систем в связи со стремительным увеличением информационных потоков характеризуется повышенным интересом к использованию сверхширокополосных (СШП) радиосигналов. К сверхширокополосным относятся сигналы, для которых относительная полоса частот rj = (fwpK-fHUM)/(W+W превышает 0,25 (fBcpx и f1IILK — верхняя и нижняя граничные частоты спектра сигнала соответственно).

Невозможность применения традиционных методов для высокоскоростного формирования и обработки СШП радиосигналов приводит к необходимости использования оптических методов обработки информации, в том числе применению для этих целей волоконно-оптических структур (ВОС). Целесообразность использования таких структур обусловлена свойствами волоконных световодов (ВС), такими как широкая погонная полоса пропускания, высокая помехозащищенность, предельно низкие потери мощности световых сигналов, малые массо-габаритные показатели.

Преимущества использования волоконно-оптической элементной базы наиболее ярко проявляются при построении радиотехнических процессоров (РТП), работа которых основана на способности ВС задерживать световые сигналы с широкой информационной полосой на достаточно большое время. К таким устройствам относятся и динамические запоминающие устройства. (ДЗУ), которые предназначены для формирования копий импульсного радиосигнала.

Если на вход ДЗУ подать радиосигнал амплитудой Uc и длительностью т&bdquoс амплитудной mc (t) и/или угловой Oc (t) модуляциями

0 npHtt0 +тиuc (t)4

Ucmc (t)cos[Oc (t)] при t0 т = 0. М, (В.2) где кит — коэффициент передачи m-й-копии сигнала на выход устройства.

Выбор периода следования (времени задержки) копий тзад>тн исключает возможность временного перекрытия^отдельных копий.

Динамические запоминающие устройства являются важным функциональным элементом радиотехнических систем. В частности, ДЗУ используются в системах радиоприема и обработки сигналов в составе оптимальных фильтров последовательности импульсных сигналов [131]- в системах радиоизмерения — для создания из одиночных импульсных сигналов псевдопериодической последовательностив радиолокации как средство настройки и тестирования радаров [35], а также для учебно-тренировочных целейв конфликтной радиолокациидля постановки активных импульсных помех [13, 14]. Управляемые ДЗУ могут быть рассмотрены как линии задержки с изменяемым временем задержки. Такие устройства могут применяться в системах обработки сигналов в составе корреляторов, трансверсальных фильтров и др.

Эффективность, например, систем радиоэлектронного противодействия зависит от качества формируемых копий радиолокационного сигнала — активных имитационных помех. Поэтому наиболее важным свойством используемых устройств памяти радиосигналов является максимальное сохранение структуры сигнала.

Традиционные запоминающие устройства, используемые в системах радиоэлектронного противодействия, предназначены в основном для запоминания только несущей частоты подавляемой радиолокационной станции как основного параметра узкополосного радиосигнала. К таким устройствам относятся [105]:

— рециркуляторы радиоимпульсов, обеспечивающие запоминание непосредственно несущей частоты радиосигнала;

— потенциалоскопы, работающие, как правило, на промежуточной частоте;

— устройства на основе приборов с зарядовой связью;

— генераторы гармонических или шумовых колебаний, настраиваемые по частоте принятого радиолокационного сигнала.

В настоящее время перспективными являются устройства цифровой памяти радиосигналов. Однако быстродействие цифровых ДЗУ остается одним из ограничивающих их применение факторов. Также необходимо: заметить, что использование цифровой памяти GB4 сигналов в настоящее время возможно только в тракте промежуточной частоты, а процессы преобразования частоты обрабатываемого сигнала при запоминании и восстановлении сигнала вносят дополнительные искажения в спектр сигнала [13, 105].

Динамические запоминающие устройства аналогового типа с сохранением структуры сигнала на основе неоптических средств задержки радиосигналов (коаксиальные, волноводные линии задержки и приборы на поверхностных акустических волнах) также обладают существенными недостатками (большим погонным затуханием, незначительной полосой обрабатываемых частот и зависимостью потерь от частоты обрабатываемого сигнала), что делает их непригодными для обработки СШП радиосигналов:

Использование ДЗУ на основе ВОС позволяет тиражировать импульсный СШП радиосигнал, полностью сохраняя структуру сигнала (огибающую, внут-риимпульсную модуляцию и др.). Это достигается благодаря способности BG задерживать оптические сигналы с очень широкой погонной полосой пропускания, а также благодаря линейным характеристикам преобразования передающих и приемных оптических модулей в широком частотном диапазоне модулирующих радиосигналов. Поэтому, при учете рассмотренных далее допущений, можно считать, что основной характеристикой идентичности формируемых копий в ДЗУ на основе ВОС является ослабление мощности копий радиосигнала в процессе их формирования.

Повышение идентичности копий соответствует увеличению количества формируемых копий, которые отвечают заданным требованиям на ослабление их мощности. Чем более высокой идентичностью формирования копий обладает ДЗУ, тем большее число копий возможно сформировать в нем. Увеличение числа формируемых в ДЗУ копий позволяет значительно улучшить характеристики некоторых радиотехнических систем. Например, увеличение числа обрабатываемых копий в оптимальных фильтрах последовательностей импульсов позволяет значительно увеличить выигрыш в отношении сигнал-шум при использовании данных фильтров для выделения импульсных сигналов (по сравнению с оптимальными фильтрами для одиночных импульсов), который определяется выражением [131]: в=ШИкт)М)2' (вз) где кт — коэффициент, характеризующий ослабление мощности каждой последующей копии относительно предыдущей (коэффициент передачи по петле обратной связи для рециркулятора);

М — количество обрабатываемых копий.

Если в качестве формирователя копий используется рециркулятор, то для обеспечения его устойчивой работы и недопущения самовозбуждения коэффициент передачи в цепи обратной-связи km не превышает 0,95. Бинарная ВОС является нерециркуляционной структурой, поэтому ее самовозбуждение принципиально невозможно.

На рис. В.1 показана зависимость выигрыша в отношении сигнал-шум (В.З) от числа обрабатываемых копий М для km=0,95 (типовое значение для ре-циркуляторов) — km=0,998 (использование ДЗУ на основе типовой бинарной ВОС) — km=0,9997 (ДЗУ с бинарной ВОС, выполненной на основе метода повышения идентичности копий (см. главу 3)).

Ограничение кривых выигрыша на некотором уровне с ростом числа копий объясняется снижением мощности копий. Например, мощность 60-й копии на выходе рециркулятора с km=0,95 составит всего 4,6% от мощности входного сигнала. Выигрыш в отношении сигнал шум при использовании рециркулятора с km=0,95 не превышает 16 дБ.

Из рис. В.1 видно, что" применение в оптимальных фильтрах последовательности импульсных сигналов ДЗУ на основе бинарной ВОС позволяет достичь выигрыша в отношении сигнал-шум порядка 30 дБ при количестве обрабатываемых копий около 2000 (что соответствует улучшению данного показателя на 14 дБ или в 25 раз по сравнению с использованием рециркулятора). Использование технического решения ДЗУ с бинарной ВОС, разработанного на основе метода повышения идентичности копий, позволит достичь выигрыша в отношении сигнал-шум порядка 36 дБ при количестве обрабатываемых копий 4096 (что соответствует улучшению данного показателя на 20 дБ или в 100 раз по сравнению с рециркулятором). Повышение отношения сигнал-шум в системах обработки радиосигналов будет способствовать повышению помехоустойчивости радиосвязи с использованием импульсных сигналов. в, дБ 35

10 5

М 10 000

Рис. В. 1 — Зависимость выигрыша В[дБ] в отношении сигнал-шум от количества обрабатываемых копий М для различных значений коэффициента km

Также следует отметить, что повышение идентичности формирования копий позволит, например, снизить погрешность измерений при использовании ДЗУ в системах радиоизмерения и при использовании его в качестве средства тестирования и настройки радиолокационных станций.

Высокая идентичность формируемых копий при использовании ДЗУ в конфликтной радиолокации затрудняет принятие правильного решения в системах распознавания цели.

Проведенные патентные исследования показали, что известные технические решения ДЗУ на основе ВОС (многоотводные волоконно-оптические линии задержки (ВОЛЗ), рециркуляционные структуры [15−37]) характеризуются быстрым затуханием формируемых копий на выходе устройства, следовательно, не обеспечивают высокой идентичности копий.

Ряд технических решений ДЗУ на основе ВОС (группа параллельно соединенных ВС, разветвляющееся соединение ответвителей [15−37]) обладают высокой идентичностью формируемых копий, однако характеризуются чрезмерно высоким расходом ВС, особенно при большом количестве формируемых копий (для ДЗУ на основе группы параллельно соединенных ВС общая длина используемого волокна пропорциональна периоду следования копий и квадрату числа формируемых копий).

Также важным свойством ДЗУ, особенно при использовании в конфликтной радиолокации, является возможность управления процессом тиражирования сигнала (изменение периода следования копий, вида последовательности формируемых копий). Известные технические решения ДЗУ на основе ВОС [15−37] не имеют средств для управления процессом формирования копий.

Проведенные исследования позволяют заключить, что повышение идентичности, формирования копий импульсного радиосигнала при обеспечении управления процессом тиражирования радиосигнала является актуальной научной задачей.

В работах [106−109] описаны устройства задержки радиосигналов на основе структуры с двоичным соотношением времен отдельных линий задержки. Волоконно-оптическая структура, в которой длительность задержки каждой последующей BOJ13 увеличивается в два раза по сравнению с предыдущей, получила название «бинарной» ВОС [106]. Данная структура обладает высокой идентичностью формирования копйй, а также минимальными потерями оптического излучения и минимальным расходом ВС среди ВОС нерециркуляционного типа [13, 106]. Это делает более выгодным ее использование в ДЗУ по сравнению с другими типами ВОС. Однако проведенный анализ научных источников [106−109] показал, что в вопросах, относящихся к ДЗУ импульсных радиосигналов на основе бинарных ВОС, проведенные ранее исследования не дают ответы на вопросы, возникающие при разработке и практическом использовании данных устройств.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование нового класса ДЗУ на основе бинарных ВОС для повышения идентичности формируемых копий импульсного радиосигнала при обеспечении управления процессом формированием копий.

Объектом^исследования является-ДЗУ на основе бинарной ВОС.

Предметом исследования, является формирование копий сверхширокополосного импульсного СВЧ радиосигнала.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

— анализ существующих методов обеспечения-задержки радиосигнала;

— разработка методики и проведение сравнительного анализа ДЗУ различных типов;

— создание сигнальной и шумовой моделей функционирования ДЗУ на основе бинарной ВОС, выявление особенностей обработки сигнальных и шумовых компонент и получение количественной оценки параметров устройства;

— разработка метода управления процессом формирования копий в бинарной ВОС;

— разработка метода повышения идентичности формирования копий в бинарной ВОС;

— проведение экспериментальных исследований основных узлов ДЗУ на ВОС и определение требований к используемой элементной базе.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы теории радиоприема, численные методы и методы математического моделирования с применением ЭВМ, а также экспериментальные исследования.

Наиболее существенные научные положения, выдвигаемые для защиты:

— повышение идентичности формирования копий радиосигнала при обеспечении управления процессом тиражирования достижимо применением нового класса ДЗУ на основе бинарных ВОС;

— значительное повышение идентичности копий в ДЗУ с бинарной ВОС, основанное на компенсации потерь оптического излучения в BOJI3 различной длины без применения активных компонентов, достижимо путем применения в бинарной ВОС направленных волоконных ответвителей с заданными коэффициентами ответвления;

— значительное расширение функциональных возможностей ДЗУ с бинарной ВОС, основанное на изменении возможных путей прохождения оптического излучения, может быть получено за счет установки в ВОС оптических ключей и их коммутации.

К наиболее существенным новым результатам, выдвигаемым для защиты, также относятся:

— впервые полученные аналитические выражения для разработанных сигнальной и шумовой моделей ДЗУ, позволяющие провести энергетический расчет и определить чувствительность устройства;

— техническое решение ДЗУ, защищенное патентом 2 210 121 РФ, отличающееся от известных высокой идентичностью формирования копий, достигаемой за счет использования бинарной ВОС;

— техническое решение управляемого ДЗУ на основе модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 213 421 РФ, отличающееся от известных расширением функциональных возможностей устройства за счет введения оптических ключей при сохранении высокой идентичности формирования копий;

— техническое решение ДЗУ на основе модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 255 426 РФ, обеспечивающее повышение идентичности формируемых копий за счет использования направленных волоконных ответвителей с заданными коэффициентами ответвления.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана методика и проведен сравнительный анализ ДЗУ на основе ВОС различного типа, основанный на введении в рассмотрение таких параметров, как количество формируемых устройством копий, удовлетворяющих заданным требования на ослабление оптического излучения в ВОС, и количество копий, удовлетворяющих заданным требованиям на идентичность копийдоказана целесообразность применения бинарной ВОС в ДЗУ для тиражирования радиосигнала;

-.впервые получены аналитические выражения для описания сигнальной и шумовой моделей функционирования ДЗУ с бинарной ВОС, что позволило выявить особенности обработки шумовых компонент в устройстве;

— разработан метод управления процессом формирования копий в бинарной ВОС, основанный на изменении возможных путей прохождения оптического излучения путем установки в ВОС оптических ключей и их коммутации, что позволило значительно расширить функциональные возможности устройства;

— разработан метод повышения идентичности копий для бинарной ВОС, основанный на компенсации потерь оптического излучения в BOJ13 различной длины путем применения направленных волоконных ответвителей с заданными коэффициентами ответвления, что позволило значительно снизить неидентичность копий без применения активных элементов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработано ДЗУ с бинарной ВОС, защищенное патентом 2 210 121 РФ, обеспечивающее среди ДЗУ нерециркуляционного типа лучшую идентичность копий (при формировании 128 копий с периодом следования 100 не неидентичность копий составляет 1 дБ);

— доказано, что при использовании оптических усилителей возможно достижение коэффициента шума, который будет определяться только входным усилительным модулем;

— разработано ДЗУ с модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 255 426 РФ, позволяющее за счет использования направленных волоконных ответвителей с заданными коэффициентами ответвления повысить идентичность копий без применения активных элементов (при выполнении коэффициентов ответвления с точностью 0,01 и формировании 4096 копий с периодом следования 100 не неидентичность формируемых копий составит 1 дБ вместо 33,6 дБ), либо значительно увеличить количество формируемых копий при заданной неидентичности (при выполнении коэффициентов ответвления с точностью 0,01 и неидентичности 1 дБ возможно формирование 4096 копий вместо 128 при том же периоде следования);

— разработано управляемое ДЗУ с модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 213 421 РФ, позволяющее благодаря введению оптических ключей управлять процессом тиражирования радиосигнала, что значительно расширяет функциональные возможности устройства (для бинарной ВОС с N BOJ13 число вариантов формируемых копий составит 3N);

— проведены экспериментальные исследования основных узлов ДЗУ на основе ВОС на макете волоконно-оптической линии задержки СВЧ радиосигналов, результаты которых позволяют уточнить требования, предъявляемые к основным узлам ДЗУ с бинарной ВОС.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались в госбюджетной НИР 11 351/ЮРГУЭС-1.00Ф «Топология и моделирование некоторых задач нелинейного функционального анализа, дифференциальных уравнений и их приложение к проблемам радиоэлектроники и механики» [63] (гос. per. 01.200.203 175), в госбюджетной НИР Г-30.1.МР «Разработка и исследование элементов радиотехнических систем и средств сервиса» [58] (гос. per. 01.200.116 399), в госбюджетной НИР 16 450 «Радиоэлектронные технологии информационной безопасности телекоммуникационных систем .в образовательном процессе и научных исследованиях» (гос. per. 01.200.216 567), в ОКР «Разработка СВЧ линии задержки» [66] (шифр «Задержка», номер темы 491/2620/16 301) по государственному оборонному заказу № 42−14.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались^ обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

— VI Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (г.Рязань, 2001 г.);

— VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г.Таганрог, 2002 г.);

— Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г.Пенза, 2003 г.);

— Международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» (г.Таганрог, 2004 г.);

— IX научно-технической конференции ТРТУ (г.Таганрог, 2004 г.);

— ежегодных научно-методических конференциях ТРТУ (г.Таганрог, 20 012 007 гг.);

— ежегодных научно-методических конференциях ЮРГУЭС (г.Шахты, 2000;2004 гг.)

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 24 печатных работах [54,58−63,66,77,78,88−91,96−99,112,122−126], из них 6 статей опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК для изложения основных научных результатов: «Радиотехника» (2002 г.), «Известия вузов России. Радиоэлектроника» (2006 г.), «Известия вузов. Сев.-Кав. регион. Технические науки» (две статьи в 2002 г.), «Известия ТРТУ» (две статьи в 2004 г.). К опубликованным работам, отражающим основные научные результаты диссертации, также приравниваются 2 работы, опубликованные в сборниках материалов всероссийских и международных конференций: «Сб. статей Всеросс. научн.-техн. конф. «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2003) и «Материалы международной научн. конф. «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» (г. Таганрог, 2004). Работы [77,78,88,96,97] написаны лично, работы [54,59,60,62,89−91,98,112, 122,124,126] в соавторстве только с научным руководителем. По материалам работы получены 3 патента Российской Федерации на изобретения (2 210 121 РФ [61], 2 213 421 РФ [99], 2 255 426 РФ [112]).

Структура диссертационной, работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 188 страниц, включая 66 иллюстраций и 23 таблицы, список литературы состоит из 138 наименований на 10 листах, в том числе 24 работы автора, отражающие материалы диссертации.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработана методика и проведен сравнительный анализ ДЗУ на основе ВОС различного типа, основанный на введении в рассмотрение таких параметров, как количество формируемых устройством копий, удовлетворяющих заданным требования на ослабление оптического излучения в ВОС, и количество копий, удовлетворяющих заданным требованиям на идентичность копий. Результаты проведенного анализ доказали целесообразность применения бинарной ВОС в ДЗУ для тиражирования радиосигнала.

2. Впервые получены аналитические выражения для описания сигнальной и шумовой моделей функционирования ДЗУ с бинарной ВОС, а также выявлены особенности обработки шумовых компонент в устройстве. При этом доказано, что использование оптических усилителей дает возможность достичь значения коэффициента шума устройства, которое будет определяться только входным усилительным модулем.

3. Разработано ДЗУ с бинарной ВОС, защищенное патентом 2 210 121 РФ, обеспечивающее среди ДЗУ нерециркуляционного типа лучшую идентичность копий (при формировании 128 копий с периодом следования 100 не неидентичность копий составляет 1 дБ).

4. Разработан метод управления процессом тиражирования радиосигнала для бинарной ВОС, основанный на изменении возможных путей прохождения оптического излучения путем установки в ВОС оптических ключей и их коммутации. На основе данного метода разработано управляемое ДЗУ с модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 213 421 РФ, позволяющее значительно расширить функциональные возможности устройства (для бинарной ВОС с N ВОЛЗ число вариантов формируемых копий составит 3N);

5. Разработан метод повышения идентичности копий для бинарной ВОС, основанный на компенсации потерь оптического излучения в ВОЛЗ различной длины путем применения НВО с заданными коэффициентами ответвления. На основе данного метода разработано ДЗУ с модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 255 426 РФ, позволяющее либо значительно повысить идентичность формирования копий (при выполнении коэффициентов ответвления с точностью 0,01 и формировании 4096 копий с периодом следования 100 не неидентичность формируемых копий составит 1 дБ вместо 33,6 дБ), либо значительно увеличить количество формируемых копий при заданной неидентичности (при выполнении коэффициентов ответвления с точностью 0,01 и неидентичности 1 дБ возможно формирование 4096 копий вместо 128 при том же периоде следования).

6. Проведены экспериментальные исследования основных узлов ДЗУ на основе ВОС на макете волоконно-оптической линии задержки СВЧ радиосигналов. Полученные результаты позволяют сформулировать уточненные требования, предъявляемые к элементам ДЗУ на основе бинарных ВОС.

Таким образом, полученные результаты обеспечили достижение поставленной цели исследования, которая состояла в разработке и исследовании нового класса ДЗУ на основе бинарных ВОС для повышения идентичности формируемых копий импульсного радиосигнала при обеспечении управления процессом формирования копий.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается строгостью применяемого математического аппарата, использованием многократно проверенных математических моделей, проведёнными теоретическими исследованиями и физическим экспериментом, широким обсуждением результатов на научно-технических конференциях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной научной задачи повышения идентичности формирования копий импульсного радиосигнала при обеспечении управления процессом тиражирования радиосигнала.

Основными элементами ДЗУ, обеспечивающими формирование копий радиосигнала, являются линии задержки. Проведенный анализ существующих методов обеспечения задержки радиосигналов показал, что наиболее перспективными в настоящее время являются ВОЛЗ, представляющие собой отрезки ВС заданной длины [38−41]. Волоконные световоды как ЛЗ оптических сигналов с радиочастотной модуляцией находятся вне конкуренции по сравнению с известными в радиотехнике устройствами задержки по таким важнейшим параметрам, как потерями на единицу времени задержки модулированного светового сигнала и произведение информационной полосы ВС на время задержки [3, 6]. Для наиболее распространенного кварцевого волокна задержка радиосигнала, которым модулируется оптическая несущая, приближенно составляет 4,88 мкс/км [6, 38, 40]. Погонное затухание стандартного одномодового ВС на длине волны 1550 нм составляет около 0,2 дБ/км.

Следует отметить, что в настоящее время большое распространение получили ДЗУ с цифровой памятью СВЧ радиосигналов [105]. Однако устройства данного типа обладают весьма сложной структурой. Кроме того, быстродействие цифровых ДЗУ по-прежнему остается одним из ограничивающих их применение факторов. Также необходимо заметить, что использование цифровой памяти СВЧ сигналов в настоящее время возможно только в тракте промежуточной частоты, а процессы преобразования частоты обрабатываемого сигнала при запоминании и восстановлении сигнала вносят дополнительные искажения в спектр сигнала [13, 105]. Наличие названных ограничений определяют перспективность аналоговых устройств запоминания сигналов, которые имеют в некоторых приложениях преимущества по быстродействию, полосе обрабатываемых частот, стоимости и потребляемой мощности. Также преимуществом аналоговых ДЗУ является возможность использования непосредственно в высокочастотном тракте без процесса преобразования частоты, что позволяет добиться меньших искажений сигнала.

Построение ДЗУ на основе ВОС позволяет тиражировать импульсный радиосигнал, полностью сохраняя структуру сигнала (огибающую, внутриим-пульсную модуляцию и др.). При проведении исследований принято, что все структурные элементы ДЗУ на основе ВОС обладают линейными передаточными характеристиками, а также полоса пропускания, общее время задержки и тип используемого ВС выбраны таким образом, что дисперсионными искажениями сигнала в ВС и нелинейными оптическими эффектами можно пренебречь. При соблюдении данных допущений сохранение формы и фазовой структуры импульса радиосигнала обеспечивается применением волоконно-оптического тракта для формирования копий. При этом основной характеристикой идентичности копий в ДЗУ на основе ВОС становится ослабление мощности копий радиосигнала на выходе устройства в процессе их формирования.

Проведенный на основе разработанной методики сравнительный анализ ДЗУ на основе ВОС различных типов показал, что ДЗУ, разработанное с использованием бинарной ВОС будет обладать минимальными потерями оптического излучения в ВОС и наиболее высокой идентичностью копий. Также ДЗУ на основе бинарной ВОС характеризуется минимальным среди нерециркуляционных ДЗУ расходом ВС. Неидентичность копий в ДЗУ на основе бинарной ВОС, как и в случае ДЗУ на основе группы параллельно соединенных волокон и ДЗУ на основе разветвляющегося соединения НВО, будет определяться только различием общей длины ВОЛЗ, участвующих в формировании той или иной копии. Расход ВС в ДЗУ на основе бинарной ВОС, как и в случае ДЗУ на основе многоотводных ВОЛЗ, будет определяться только длиной ВС, необходимого для формирования последней копии. Такое сочетание в бинарной ВОС преимуществ ВОС различных типов без присущих им недостатков делает более выгодным использование в ДЗУ именно бинарной ВОС.

Повышение идентичности копий соответствует увеличению количества формируемых копий, отвечаемых заданным требованиям на ослабление их мощности. Чем более высокой идентичностью формирования копий обладает ДЗУ, тем большее число копий возможно сформировать в нем. Увеличение числа формируемых в ДЗУ копий позволяет значительно улучшить характеристики некоторых систем обработки сигналов. Например, увеличение числа обрабатываемых копий в оптимальных фильтрах последовательностей импульсов позволяет значительно увеличить выигрыш в отношении сигнал-шум при использовании данных фильтров для выделения импульсных сигналов (по сравнению с оптимальными фильтрами для одиночных импульсов). Например, применение в оптимальных фильтрах последовательности импульсных сигналов ДЗУ на основе бинарной ВОС позволит достичь выигрыша в отношении сигнал-шум порядка 30 дБ при количестве обрабатываемых копий около 2000 (что соответствует увеличению выигрыша на 14 дБ или в 25 раз по сравнению с использованием рецир-кулятора). Использование технического решения ДЗУ с бинарной ВОС, разработанного на основе метода повышения идентичности копий, позволит достичь выигрыша в отношении сигнал-шум порядка 36 дБ при количестве обрабатываемых копий 4096 (что соответствует выигрышу на 20 дБ или в 100 раз по сравнению с рециркулятором).

Также следует отметить, что повышение идентичности формирования копий позволит, например, снизить погрешность измерений при использовании ДЗУ в системах радиоизмерения и при использовании его в качестве средства для тестирования и настройки радиолокационных станций. Высокая идентичность формируемых копий при использовании ДЗУ в конфликтной радиолокации затрудняет принятие правильного решения в системах распознавания цели.

Также важным свойством ДЗУ, особенно при использовании в конфликтной радиолокации, является возможность управления процессом тиражирования сигнала (изменение периода следования копий, вида последовательности формируемых копий). Известные технические решения ДЗУ на основе ВОС [15−37] не имеют средств для управления процессом формирования копий.

Таким образом, можно заключить, что повышение идентичности формирования копий импульсного радиосигнала при обеспечении управления процессом тиражирования радиосигнала является актуальной научной задачей.

В ходе анализа потерь в ДЗУ с бинарной ВОС выделены и исследованы источники потерь мощности радиосигнала: СВЧ разъемы, несогласование входных и выходных импедансов модулей, преобразование радиосигнала в оптическое излучение и обратноа также источники потерь мощности оптического сигнала: ввод и вывод оптического излучения в ВС и из него, ослабление сигнала за счет деления сигнала в НВО и потери на рассеивание оптического излучения в НВО, соединения ВС и НВО, затухание при распространение оптического излучения в ВОЛЗ. Получены аналитические выражения, характеризующие потери мощности радиосигнала и потери мощности оптического излучения в ДЗУ на основе бинарной ВОС. Проведенный анализ показывает, что преобладающим видом потерь в бинарной ВОС является ослабление сигнала за счет деления в НВО. При числе каскадов N>10 существенную роль также играют потери, вызванные затуханием оптического излучения в ВС.

Количественная оценка потерь показала, что общие потери мощности радиосигнала в СВЧ разъемах и за счет рассогласования импедансов модулей составляют 2,6 дБпотери в цикле преобразования «радиосигнал—оптическое излучение—радиосигнал» — около 17,5 дБпри числе каскадов N=7 (формирование 128-копий) потери на оптические соединения составляют 1,3 дБпотери, возникающие за счет деления сигнала в НВО, —21,8 дБпотери за счет затухания излучения в ВС при периоде следования копий 100 не — около 0,5 дБ. Общие потери мощности радиосигнала в ДЗУ с бинарной ВОС при N=7 составляют 67,3 дБ.

В работе составлена сигнальная модель ДЗУ на основе бинарной ВОС и получены соотношения, позволяющие провести энергетический расчет устройства. Проведенный анализ подтвердил, что преимуществом ДЗУ на бинарной ВОС является высокая идентичность копий. В случае формирования 128-ти копий с периодом следования тзад=100 не отличие в мощностях нулевой и последней копий радиосигнала составляет около 1 дБ.

Также в работе составлена шумовая модель ДЗУ на основе бинарной ВОС и исследованы шумовые свойства устройства. Проанализированы тепловые шумы усилительных модулей, шумы темнового тока фотодиода, амплитудные и дробовые шумы оптического излучения. Описаны эффекты накопления в бинарной ВОС постоянной составляющей излучения лазера и шумов входного СВЧ усилителя. Количественная оценка спектральных плотностей мощности различных источников шума показала, что основной вклад в общие шумы ДЗУ вносят амплитудные и дробовые шумы оптического излучения.

Получены соотношения, позволяющие определять коэффициент шума устройства и отношение сигнал-шум для копий радиосигнала на выходе устройства. При N=7 коэффициент шума оценивается в 47 дБ. При мощности входного радиосигнала Рс= -27 дБм и полосе пропускания П=2,7 ГГц отношение сигнал-шум для последней копии радиосигнала на выходе устройства составит 6,2 дБ. При работе в более узкой мгновенной полосе частот, например, при П=0,3 ГГц, для тех же исходных данных отношение сигнал-шум составит уже 16,2 дБ.

Для устранения эффектов накопления шумов между выходом ПОМ и входом бинарной ВОС необходимо установить оптический ключ, который должен замыкать цепь только на время действия входного радиосигнала и держать цепь разомкнутой до момента поступления сигнала t0 и после момента окончания его действия t0+T". При устранении эффектов накопления коэффициент шума ДЗУ при N=7 составит 28 дБ. При дополнении бинарной ВОС оптическим усилителем с коэффициентом передачи порядка 20 дБ коэффициент шума ДЗУ составит около 8 дБ. Проведенный анализ показал, что в ДЗУ с бинарной ВОС возможно достижение коэффициента шума, который будет определяться коэффициентом шума входного СВЧ усилителя

Анализ обеспечения требуемой полосы пропускания и динамического диапазона ДЗУ на основе бинарной ВОС показал, что современные ПОМ, ФПМ, СВЧ усилители обладают линейными амплитудными характеристики в диапазоне мощностей радиосигналов до значений порядка +20 дБм и верхними граничными частотами до 40 ГГц. Динамический диапазон сверху ограничен максимальной мощностью входного радиосигнала, при котором все элементы ДЗУ работают в линейном режиме, снизу — минимальной мощностью входного радиосигнала, при которой обеспечивается заданное отношение сигнал-шум на выходе устройства. При N=7 и устранении эффектов накопления динамический диапазон устройства оценивается в 39 дБ при отношении сигнал-шум не хуже 6 дБ.

Основным фактором, ограничивающим диапазон частот модулирующего радиосигнала в бинарной ВОС при формировании копий с большим временем задержки, является дисперсия оптического излучения в ВС. Проведенные расчеты показали, что в при использовании в ДЗУ одномодового волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF и лазеров со спектральной полосой излучения АА,~0,1 нм возможно не учитывать хроматическую и поляризационную модовую дисперсии при формировании копий входного радиосигнала с общем временем задержки копий до 420 мкс. Кроме того, применение лазеров со значением мощности выходного оптического излучения порядка 10 мВт позволяет не учитывать нелинейные оптические эффекты в волокне.

Разработанное схемотехническое решение динамического запоминающего устройства на основе типовой бинарной волоконно-оптической структуры защищено патентом 2 210 121 РФ.

С целью повышения функциональных возможностей устройства разработан метод управления процессом формирования копий, который основан на изменении возможных путей прохождения оптического излучения в ВОС путем установки ОК и их коммутации. При использовании предлагаемого метода управления возможен предварительный выбор одного из возможных вариантов формируемой последовательности копий.

Для ДЗУ с бинарной ВОС общее число вариантов формируемой последовательности копий составит 3N. По сравнению с типовой бинарной ВОС, данный метод позволит:

— увеличивать период следования копий в 2, 4, 8, ., 2N1 раза при уменьшении числа формируемых копий в 2, 4, 8, ., 2N1 раза;

— формировать пакеты копий в количестве 2, 4, 8, ., 2N1 импульсов;

— изменять паузы между формируемыми копиями и пакетами копий (паузы эквивалентны временам формирования 1, 2, 4, 8, ., 2 импульсов);

— изменять относительное местоположения во времени (изменять номера) формируемых копий сигнала при сохранении одного и того же вида последовательности;

— формировать одну копию с любым номером 0, 1, 2, ., 2N-1 (с временем задержки 0, тзад, 2тзад, ., (2 -1)хтзад),

Разработанный метод управления процессом формирования копий в бинарной ВОС позволяет также снизить описанные ранее эффекты накопления шумов в ВОС. Исключение той или иной части бинарной ВОС из процесса формирования копий приводит к тому, что данная часть ВОС не будет также участвовать и в процессе накопления шумов. В случае применения предлагаемого метода для формирования одной копии с любым порядковым номером эффекты накопления шумов будут исключены полностью.

Управление процессом формирования копий в ДЗУ с бинарной ВОС значительно расширит возможности устройства при его использовании, например, в системах конфликтной радиолокации.

С целью улучшения характеристик ДЗУ на основе бинарной ВОС разработан метод повышения идентичности копий, который основан на компенсации потерь оптического излучения в ВОЛЗ различной длины путем применения НВО с заданными коэффициентами ответвления. При этом оптическое излучение будет перераспределено в ВОС таким образом, чтобы в ВОЛЗ с большими потерями ответвлялась большая часть оптического излучения, что позволит без применения активных элементов повысить идентичность формирования копий.

Построение бинарной ВОС на основе разработанного метода позволит либо значительно повысить идентичность формирования копий (при выполнении коэффициентов НВО с точностью 0,01 и формировании 4096 копий с периодом следования 100 не неидентичность формируемых копий составит 1 дБ вместо 33,6 дБ), либо значительно увеличить количество формируемых копий при заданной неидентичности (при выполнении коэффициентов НВО с точностью 0,01 и неидентичности 1 дБ возможно формирование 4096 копий вместо 128 при том же периоде следования).

Кроме того, впервые получены выражения, позволяющие проводить моделирование процесса тиражирования входного сигнала в ДЗУ с бинарной ВОС с целью определения основных характеристик формируемой последовательности копий.

На основе предложенного метода управления процессом формирования копий разработано техническое решение управляемого ДЗУ с бинарной ВОС, защищенное патентом 2 213 421 РФ [99]. На основе предложенного метода повышения идентичности копий разработано ДЗУ с модифицированной бинарной ВОС, защищенное патентом 2 255 426 РФ [112]. Предложенные методы повышения идентичности и управления процессом формирования копий в ДЗУ на основе бинарных ВОС не исключают друг друга и могут быть оба применены в одном устройстве.

С целью формулировки и уточнения требований, предъявляемых к используемой элементной базе в ДЗУ с бинарной ВОС проведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований макета волоконно-оптической линии задержки СВЧ радиосигналов.

Программа экспериментальных исследований макета линии задержки радиосигналов включала в себя следующее [66]:

— снятие экспериментальных калибровочных характеристик измерительной аппаратуры для снижения инструментальных погрешностей дальнейших измерений;

— исследования тракта преобразования «радиосигнал — оптическое излучение — радиосигнал» (снятие амплитудных и амплитудно-частотных характеристик, определение коэффициента передачи);

— исследования СВЧ усилителей (снятие амплитудных и амплитудно-частотных характеристик, определение коэффициента передачи);

— испытание макета ВОЛЗ СВЧ радиосигналов (снятие амплитудных и амплитудно-частотных характеристик, определение коэффициента передачи, чувствительности, динамического диапазона).

Проведенные экспериментальные исследования основных узлов ДЗУ на основе ВОС позволяют сделать следующие выводы.

Коэффициент передачи преобразователя «радиосигнал — оптическое излучение— радиосигнал», образованного последовательным соединением ПОМ-19-lb и ПРОМ-0112, равен —24±2 дБ, неравномерность АЧХ преобразователя в частотном диапазоне 1200. 1750 МГц не превышает 2,2 дБ, амплитудная характеристика до уровня мощности входного сигнала -30 дБВт (паспортное максимальное значение мощности входного сигнала) — линейная, мощность собственных шумов ПОМ-19-lb, пересчитанных на его вход, составляет 1,5×10−9 Вт или -88 дБВт, собственные шумы ПРОМ-0112 заметного влияния на результаты измерений не оказали. Установка ВОЛЗ между ПОМ и ПРОМ приводит только к уменьшению коэффициента передачи (по сравнению со случаем непосредственного соединения выхода ПОМ со входом ПРОМ) и не сказывается на форме амплитудной и амплитудно-частотной характеристиках макета.

Максимальный уровень входного сигнала макета ВОЛЗ СВЧ радиосигналов определяется переходом СВЧ усилителя в нелинейный режим работы и составляет порядка -50 дБВт. Минимальный уровень входного сигнала определяется шумовыми характеристиками первого модуля макета и составляет -110 дБВт при отношении сигнал-шум на выходе устройства порядка 6 дБ. Необходимо заметить, что мощность шумов измерялась во всей полосе пропускания макета линии задержки и блока ваттметра, то есть в полосе пропускания шириной порядка 2.3 ГГц. Это говорит о том, что при ограничении полосы пропускания до 1 ГГц мощность шумов должна уменьшиться в 2.3 раза.

Таким образом, экспериментально определенный динамический диапазон макета линии задержки СВЧ сигналов составляет не менее 60 дБ (при отношении сигнал-шум на выходе не хуже 6 дБ). Такое значение величины динамического диапазона не согласуется с указываемым в справочных данных ПРОМ-ОП2 динамическим диапазоном работы 25 дБ. Причиной этого может являться разный подход к определению значения динамического диапазона.

Также в ходе экспериментальных исследований установлено, что при некачественной обработке торцов оптических коннекторов (либо при ухудшении их качества в процессе эксплуатации) уровень обратного отражения оптического излучения оказывается достаточно велик, что может приводить к нарушению режима работы лазера ПОМ и появлению различного рода помех. Для устранения этого явления оказалось необходимым применение дополнительного оптического изолятора, устанавливаемого на выходе ПОМ. Учет данного обстоятельство является особенно важным при проектировании и изготовлении ДЗУ на основе бинарной ВОС, так как такая структура имеет большое количество соединений ВС (разъемных или неразъемных), от которых происходит отражение оптического излучения.

Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить характеристики макета линии задержки СВЧ радиосигналов на основе ВОЛЗ, узлы которого являются основными элементами ДЗУ с ВОС.

Полученные результаты позволили уточнить требования, предъявляемые к элементам проектируемых ДЗУ на основе бинарных ВОС. В качестве усилителей СВЧ радиосигнала целесообразно использовать транзисторные малошумящие СВЧ усилителиисточником ОИ может являться ПОМ с лазерным одночастот-ным диодом с распределенной обратной связью и встроенным оптическим изоляторомв качестве ФПМ целесообразно использовать pin-фотодиодв качестве оптических усилителей — волоконно-оптические усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA). В ДЗУ необходимо использовать одномодовые ВС со смещенной ненулевой дисперсиейНВО должны обладать малыми вносимыми потерями, иметь заданные коэффициенты передачи и малый уровень обратного отраженияоптические соединения должны обладать малыми потерями и малым I обратным отражениемв качестве оптических ключей могут быть использованы механические ОК или электрооптические переключатели.