eng
Выпуск #6/2019
С. М. Конторов, А. В. Шипулин, Ф. Кюпперс, В. В. Валуев
Многоканальный радиофотонный приемный тракт
Многоканальный радиофотонный приемный тракт
Просмотры: 5323
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.6.584.593
Рассмотрены структурные схемы построения радиофотонного приемного канала. Предложена схема многоканального радиофотонного приемного тракта на основе лазеров с прямой модуляцией, увеличения количества каналов благодаря использованию дополнительного способа уплотнения на основе вортексов и преобразования входных высокочастотных сигналов на разностную частоту с использованием опорного электрооптического модулятора. Также предложен способ формирования радиофотонного АЦП в спектральной области с использованием комб-генератора на основе электрооптического модулятора Маха-Цандера в режиме перемодуляции. Для входных сигналов с ограниченной спектральной шириной может быть применен метод разделения сигнала на спектральные полосы с последующей обработкой в собственном канале, где ширина полосы подстраивается при помощи электронного АЦП, использующегося для оцифровки. В большинстве случаев выходной сигнал электронного АЦП позволяет получить необходимую информацию о входном сигнале без совместной обработки выходных сигналов со всех каналов; в противном случае к выходным сигналам со всех каналов может быть применено преобразование Фурье, и затем спектры выходных сигналов могут быть объединены для получения необходимого полного спектра широкополосного входного СВЧ сигнала. Для реализации данного метода может быть использован непрерывный лазер совместно с рядом электрооптических модуляторов, фильтров и других пассивных оптических компонентов. Использование амплитудных модуляторов совместно с фазовыми в сильно нелинейном режиме при достаточно высокой входной мощности СВЧ сигнала (перемодуляции) делает возможным создание комб-генератора с десятками равноудаленных в спектральной области частот с малой амплитудной неравномерностью, менее 1 дБ. Оценены эффективность метода радиофотонного АЦП с использованием спектральных интервалов. Получены оптимальные параметры системы. Показана возможность достижения 8–10 эффективных бит в цифровом сигнале для современных оптических элементов.
Рассмотрены структурные схемы построения радиофотонного приемного канала. Предложена схема многоканального радиофотонного приемного тракта на основе лазеров с прямой модуляцией, увеличения количества каналов благодаря использованию дополнительного способа уплотнения на основе вортексов и преобразования входных высокочастотных сигналов на разностную частоту с использованием опорного электрооптического модулятора. Также предложен способ формирования радиофотонного АЦП в спектральной области с использованием комб-генератора на основе электрооптического модулятора Маха-Цандера в режиме перемодуляции. Для входных сигналов с ограниченной спектральной шириной может быть применен метод разделения сигнала на спектральные полосы с последующей обработкой в собственном канале, где ширина полосы подстраивается при помощи электронного АЦП, использующегося для оцифровки. В большинстве случаев выходной сигнал электронного АЦП позволяет получить необходимую информацию о входном сигнале без совместной обработки выходных сигналов со всех каналов; в противном случае к выходным сигналам со всех каналов может быть применено преобразование Фурье, и затем спектры выходных сигналов могут быть объединены для получения необходимого полного спектра широкополосного входного СВЧ сигнала. Для реализации данного метода может быть использован непрерывный лазер совместно с рядом электрооптических модуляторов, фильтров и других пассивных оптических компонентов. Использование амплитудных модуляторов совместно с фазовыми в сильно нелинейном режиме при достаточно высокой входной мощности СВЧ сигнала (перемодуляции) делает возможным создание комб-генератора с десятками равноудаленных в спектральной области частот с малой амплитудной неравномерностью, менее 1 дБ. Оценены эффективность метода радиофотонного АЦП с использованием спектральных интервалов. Получены оптимальные параметры системы. Показана возможность достижения 8–10 эффективных бит в цифровом сигнале для современных оптических элементов.
Теги: amplitude modulators fast photonic adc microwave photonics microwave photonics filters narrow band optical filters phase modulators vcsel vortex. амплитудные модуляторы быстрый радиофотонный ацп вортексы лазер с прямой модуляцией радиофотоника радиофотонные фильтры фазовые модуляторы
Многоканальный радиофотонный приемный тракт
С. М. Конторов 1, 2, *, А. В. Шипулин 1, Ф. Кюпперс 1, В. В. Валуев 2
Сколковский институт науки и технологий, Московская область, Россия
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва, Россия
s.kontorov@skoltech.ru
Рассмотрены структурные схемы построения радиофотонного приемного канала. Предложена схема многоканального радиофотонного приемного тракта на основе лазеров с прямой модуляцией, увеличения количества каналов благодаря использованию дополнительного способа уплотнения на основе вортексов и преобразования входных высокочастотных сигналов на разностную частоту с использованием опорного электрооптического модулятора. Также предложен способ формирования радиофотонного АЦП в спектральной области с использованием комб-генератора на основе электрооптического модулятора Маха-Цандера в режиме перемодуляции. Для входных сигналов с ограниченной спектральной шириной может быть применен метод разделения сигнала на спектральные полосы с последующей обработкой в собственном канале, где ширина полосы подстраивается при помощи электронного АЦП, использующегося для оцифровки. В большинстве случаев выходной сигнал электронного АЦП позволяет получить необходимую информацию о входном сигнале без совместной обработки выходных сигналов со всех каналов; в противном случае к выходным сигналам со всех каналов может быть применено преобразование Фурье, и затем спектры выходных сигналов могут быть объединены для получения необходимого полного спектра широкополосного входного СВЧ сигнала. Для реализации данного метода может быть использован непрерывный лазер совместно с рядом электрооптических модуляторов, фильтров и других пассивных оптических компонентов. Использование амплитудных модуляторов совместно с фазовыми в сильно нелинейном режиме при достаточно высокой входной мощности СВЧ сигнала (перемодуляции) делает возможным создание комб-генератора с десятками равноудаленных в спектральной области частот с малой амплитудной неравномерностью, менее 1 дБ. Оценены эффективность метода радиофотонного АЦП с использованием спектральных интервалов. Получены оптимальные параметры системы. Показана возможность достижения 8–10 эффективных бит в цифровом сигнале для современных оптических элементов.
Статья получена: 16.04. 2019. Принята к публикации: 29.04.2019.
Multi-channel Radio Photon Receiving Path
I. Введение
Радиофотоника [1–3] (в зарубежной литературе − микроволновая фотоника) изучает взаимодействие между оптическими и радиочастотными электромагнитными полями в различных нелинейных средах и устройствах для создания новых методов генерации, управления, приема, обработки и анализа СВЧ‑сигналов средствами фотоники (рис. 1).
Важное место занимают исследования новых приемных устройств, построенных на принципах радиофотоники, которые развиваются быстрыми темпами и имеют широкие перспективы. Очевидные преимущества радиофотонных приемников СВЧ‑сигналов – чрезвычайно широкая полоса, которая может составлять 100 ГГц и более, возможность программного управления режимами работы, гибкость формирования новых устройств, выполняющих те или иные функции, защищенность от электромагнитных помех, массогабаритные характеристики и низкая стоимость при массовом производстве.
II. Радиофотонный приемный канал на основе оптического гетеродинирования
Одним из решений при создании радиофотонного приемного канала является использование метода оптического гетеродинирования [4]. В этом случае (рис. 2) источник оптического излучения (лазер) формирует непрерывный сигнал, который поступает на оптический вход модулятора. С другой стороны на электрический вход модулятора поступает СВЧ‑сигнал (с частотой f1) с выхода антенны, проходя через малошумящий усилитель (МШУ), и преобразуется в оптическую область. Далее этот сигнал поступает на вход второго модулятора, на электрический вход которого поступает опорный СВЧ‑сигнал с частотой f2. С выхода второго модулятора промодулированный СВЧ оптический сигнал дополнительно усиливается, фильтруется (с целью выделения необходимых частот f1 и f2) и поступает на фотодетектор (ФД), где преобразуется в низкочастотный электрический сигнал на промежуточной частоте (f1 – f2), который далее может быть оцифрован стандартным электронным АЦП.
Стоит отметить, что возможны как последовательная, так и параллельная схемы расположения модуляторов [5], позволяющие оптимальным образом сформировать архитектуру радиофотонного приемного канала и улучшить технические характеристики.
Так, например, использование последовательной схемы возможно в дискретном исполнении радиофотонных компонентов, однако при этом возникают дополнительные нелинейные искажения из-за двойной перемодуляции СВЧ‑сигналов на втором опорном модуляторе, что, в свою очередь, значительно снижает динамический диапазон всей системы. Параллельное расположение модуляторов позволяет избежать этой проблемы, однако для реализации этой схемы необходимо интегральное исполнение модуляторов, т. к. при сложении сигналов с их оптических выходов в дискретном варианте любые (температурные, вибрационные и др.) внешние воздействия на оптическое волокно вызывают смещение фазы оптических сигналов, что, в свою очередь, приводит к значительному (до 20 дБ и более) изменению амплитуды выходного РЧ сигнала. Выбор рабочей точки модуляторов также оказывает значимый эффект на выходные характеристики радиофотонного устройства. Так, например, перемещение рабочей точки в минимум передаточной характеристики модулятора позволяет дополнительно подавить оптическую несущую (до 30 дБ и более) и увеличить динамический диапазон всего устройства до 120 дБ ∙ Гц 2 / 3 и более [6,7].
При построении многоканальных приемных трактов (например, в фазированных антенных решетках – ФАР) помимо преобразования СВЧ‑сигнала в низкочастотную область для облегчения электронной обработки необходимо осуществить диаграммообразование (например, вместо физического перемещения антенны). Существующие электрические фазовращатели позволяют качественно работать с узкополосными сигналами (в противном случае возникает расширение диаграммы направленности и ухудшение качества сигналов). Решением этой проблемы может являться применение радиофотонного диаграммообразующего устройства на основе линий задержек, что позволяет управлять широкополосными СВЧ‑сигналами в оптическом диапазоне и значительно снизить требования к вычислительной электронной аппаратуре на выходе фотодетекторов [8,9].
В работе [10] предложена и реализована схема 16–ти канального радиофотонного приемного тракта в интегральном исполнении на основе одного лазера и множества модуляторов (рис. 3), а в работе [21] впервые коммерчески реализовано радиофотонное диаграммоообразующее устройства в интегральном исполнении для сетей 5G нового поколения.
Дальнейшее увеличение количества модуляторов, усилителей, линий задержек и других элементов приводит к значительным потерям, нелинейностям и шумам и, соответственно, ухудшает параметры всей системы в целом (динамический диапазон, отношение сигнал / шум и т. д.). В реальных ФАР и активных ФАР возможно одновременное использование сотен и тысяч каналов, что вызывает некоторые трудности даже при применении существующих радиофотонных технологий:
наиболее распространен оптический диапазон С (1 530–1 565 нм) –
С. М. Конторов 1, 2, *, А. В. Шипулин 1, Ф. Кюпперс 1, В. В. Валуев 2
Сколковский институт науки и технологий, Московская область, Россия
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва, Россия
s.kontorov@skoltech.ru
Рассмотрены структурные схемы построения радиофотонного приемного канала. Предложена схема многоканального радиофотонного приемного тракта на основе лазеров с прямой модуляцией, увеличения количества каналов благодаря использованию дополнительного способа уплотнения на основе вортексов и преобразования входных высокочастотных сигналов на разностную частоту с использованием опорного электрооптического модулятора. Также предложен способ формирования радиофотонного АЦП в спектральной области с использованием комб-генератора на основе электрооптического модулятора Маха-Цандера в режиме перемодуляции. Для входных сигналов с ограниченной спектральной шириной может быть применен метод разделения сигнала на спектральные полосы с последующей обработкой в собственном канале, где ширина полосы подстраивается при помощи электронного АЦП, использующегося для оцифровки. В большинстве случаев выходной сигнал электронного АЦП позволяет получить необходимую информацию о входном сигнале без совместной обработки выходных сигналов со всех каналов; в противном случае к выходным сигналам со всех каналов может быть применено преобразование Фурье, и затем спектры выходных сигналов могут быть объединены для получения необходимого полного спектра широкополосного входного СВЧ сигнала. Для реализации данного метода может быть использован непрерывный лазер совместно с рядом электрооптических модуляторов, фильтров и других пассивных оптических компонентов. Использование амплитудных модуляторов совместно с фазовыми в сильно нелинейном режиме при достаточно высокой входной мощности СВЧ сигнала (перемодуляции) делает возможным создание комб-генератора с десятками равноудаленных в спектральной области частот с малой амплитудной неравномерностью, менее 1 дБ. Оценены эффективность метода радиофотонного АЦП с использованием спектральных интервалов. Получены оптимальные параметры системы. Показана возможность достижения 8–10 эффективных бит в цифровом сигнале для современных оптических элементов.
Статья получена: 16.04. 2019. Принята к публикации: 29.04.2019.
Multi-channel Radio Photon Receiving Path
I. Введение
Радиофотоника [1–3] (в зарубежной литературе − микроволновая фотоника) изучает взаимодействие между оптическими и радиочастотными электромагнитными полями в различных нелинейных средах и устройствах для создания новых методов генерации, управления, приема, обработки и анализа СВЧ‑сигналов средствами фотоники (рис. 1).
Важное место занимают исследования новых приемных устройств, построенных на принципах радиофотоники, которые развиваются быстрыми темпами и имеют широкие перспективы. Очевидные преимущества радиофотонных приемников СВЧ‑сигналов – чрезвычайно широкая полоса, которая может составлять 100 ГГц и более, возможность программного управления режимами работы, гибкость формирования новых устройств, выполняющих те или иные функции, защищенность от электромагнитных помех, массогабаритные характеристики и низкая стоимость при массовом производстве.
II. Радиофотонный приемный канал на основе оптического гетеродинирования
Одним из решений при создании радиофотонного приемного канала является использование метода оптического гетеродинирования [4]. В этом случае (рис. 2) источник оптического излучения (лазер) формирует непрерывный сигнал, который поступает на оптический вход модулятора. С другой стороны на электрический вход модулятора поступает СВЧ‑сигнал (с частотой f1) с выхода антенны, проходя через малошумящий усилитель (МШУ), и преобразуется в оптическую область. Далее этот сигнал поступает на вход второго модулятора, на электрический вход которого поступает опорный СВЧ‑сигнал с частотой f2. С выхода второго модулятора промодулированный СВЧ оптический сигнал дополнительно усиливается, фильтруется (с целью выделения необходимых частот f1 и f2) и поступает на фотодетектор (ФД), где преобразуется в низкочастотный электрический сигнал на промежуточной частоте (f1 – f2), который далее может быть оцифрован стандартным электронным АЦП.
Стоит отметить, что возможны как последовательная, так и параллельная схемы расположения модуляторов [5], позволяющие оптимальным образом сформировать архитектуру радиофотонного приемного канала и улучшить технические характеристики.
Так, например, использование последовательной схемы возможно в дискретном исполнении радиофотонных компонентов, однако при этом возникают дополнительные нелинейные искажения из-за двойной перемодуляции СВЧ‑сигналов на втором опорном модуляторе, что, в свою очередь, значительно снижает динамический диапазон всей системы. Параллельное расположение модуляторов позволяет избежать этой проблемы, однако для реализации этой схемы необходимо интегральное исполнение модуляторов, т. к. при сложении сигналов с их оптических выходов в дискретном варианте любые (температурные, вибрационные и др.) внешние воздействия на оптическое волокно вызывают смещение фазы оптических сигналов, что, в свою очередь, приводит к значительному (до 20 дБ и более) изменению амплитуды выходного РЧ сигнала. Выбор рабочей точки модуляторов также оказывает значимый эффект на выходные характеристики радиофотонного устройства. Так, например, перемещение рабочей точки в минимум передаточной характеристики модулятора позволяет дополнительно подавить оптическую несущую (до 30 дБ и более) и увеличить динамический диапазон всего устройства до 120 дБ ∙ Гц 2 / 3 и более [6,7].
При построении многоканальных приемных трактов (например, в фазированных антенных решетках – ФАР) помимо преобразования СВЧ‑сигнала в низкочастотную область для облегчения электронной обработки необходимо осуществить диаграммообразование (например, вместо физического перемещения антенны). Существующие электрические фазовращатели позволяют качественно работать с узкополосными сигналами (в противном случае возникает расширение диаграммы направленности и ухудшение качества сигналов). Решением этой проблемы может являться применение радиофотонного диаграммообразующего устройства на основе линий задержек, что позволяет управлять широкополосными СВЧ‑сигналами в оптическом диапазоне и значительно снизить требования к вычислительной электронной аппаратуре на выходе фотодетекторов [8,9].
В работе [10] предложена и реализована схема 16–ти канального радиофотонного приемного тракта в интегральном исполнении на основе одного лазера и множества модуляторов (рис. 3), а в работе [21] впервые коммерчески реализовано радиофотонное диаграммоообразующее устройства в интегральном исполнении для сетей 5G нового поколения.
Дальнейшее увеличение количества модуляторов, усилителей, линий задержек и других элементов приводит к значительным потерям, нелинейностям и шумам и, соответственно, ухудшает параметры всей системы в целом (динамический диапазон, отношение сигнал / шум и т. д.). В реальных ФАР и активных ФАР возможно одновременное использование сотен и тысяч каналов, что вызывает некоторые трудности даже при применении существующих радиофотонных технологий:
- суммирование в подсистемы в СВЧ‑диапазоне – в перспективе переход на полностью радиофотонные системы в интегральном исполнении;
- использование одного лазера (даже в интегральном исполнении) – много других компонентов – большие потери – много усилителей – большие шумы – низкое качество сигналов;
- использование множества лазеров и модуляторов – технологически сложно и дорого;
- желательно уплотнение всех каналов в одно волокно – применение вращающегося сочленения, использование одного опорного модулятора, повышение стабильности;
- ключевая проблема – ограничение по количеству каналов – длин волн;
наиболее распространен оптический диапазон С (1 530–1 565 нм) –