Формирование наносекундных линейно-частотно-модулированных сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур
На правах рукописи
Зачиняев Юрий Владимирович
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСЕКУНДНЫХ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ БИНАРНЫХ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Специальность: 05.12.04
Радиотехника, в том числе и системы и устройства телевидения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог – 2012
Работа выполнена на кафедре информационной безопасности телекоммуникационных систем факультета информационной безопасности федерального государственного образовательного автономного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Румянцев Константин Евгеньевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Федосов Валентин Петрович, заведующий кафедрой теоретических основ радиотехники радиотехнического факультета ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет;
доктор технических наук, профессор
Безуглов Дмитрий Анатольевич, заведующий кафедрой информационных технологий в сервисе Ростовского технологического института сервиса и туризма ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»
Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Таганрогский научно-исследовательский институт связи»
Защита состоится "13" декабря 2012 г. в 16 часов 10 минут на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Южном федеральном университете в аудитории Д-406 по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП-17, г. Таганрог, Ростовская область.
С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, Ростовская область.
Автореферат разослан “ ” ноября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.208.20:
кандидат технических наук, доцент
Савельев В. В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Особое место в радиотехнике занимают сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Благодаря гребенчатой форме функции неопределенности ЛЧМ-сигналов доплеровские расстройки частоты мало сказываются на амплитуде выходного сигнала приемника, что обусловило их использование в следящих радиолокационных станциях.
Применение ЛЧМ-сигналов не ограничено радиолокацией. ЛЧМ-сигналы используются в защищенной связи, наблюдении в плотных средах, медицине и гидролокации. Кроме того, в литературе рассмотрены аспекты применения ЛЧМ-сигналов в геологической разведке, радиотомографии, системах ближней радиолокации.
Более широкое использование ЛЧМ-сигналов затруднено ограничением существующих методов формирования по длительности сигналов снизу, при этом в областях, связанных с высокой скоростью обработки информации и не требующих высокой дальности действия радиолокатора - системы дистанционного зондирования Земли, системы геофизического мониторинга и ближней радиолокации, радиотомографии - целесообразным видится применение коротких ЛЧМ-сигналов.
Существующие формирователи ЛЧМ-сигналов не позволяют генерировать сигналы длительностью менее 100 нс. Кроме того, значения девиации частоты сигнала ряда формирователей не позволяют достичь высокой разрешающей способности по дальности устройства.
Невозможность применения традиционных методов для высокоскоростного формирования и обработки ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности приводит к необходимости использования оптических методов обработки информации, в том числе применению для этих целей волоконно-оптических структур (ВОС).
Анализ показал, что в работах, посвященных формированию ЛЧМ-сигналов, недостаточно исследованы аспекты применения волоконной оптики в целом, и бинарных волоконно-оптических структур (БВОС) в частности. Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, направленной на создание методов и устройств формирования и обработки радиосигналов на волоконно-оптических структурах, позволяющих решить актуальные проблемы развития радиотехнических систем различного назначения.
В связи с этим, общую научную задачу диссертационного исследования можно сформулировать как развитие теории формирования сложных сигналов на основе волоконно-оптических структур.
Целью работы является уменьшение длительности формируемых ЛЧМ-сигналов в диапазоне частот 13 ГГц при девиации частоты сигнала порядка 6 ГГц.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих частных задач:
- анализ существующих методов формирования сложных сигналов с ЛЧМ и проведение их сравнительного анализа для обоснования актуальности исследования в области формирования наносекундных сигналов с линейной частотной-модуляцией на основе БВОС;
- уточнение структуры формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС и ее анализ;
- разработка сигнальной и шумовой моделей функционирования формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС для выявления особенностей обработки сигнальных и шумовых компонент, получения количественной оценки параметров устройства и предъявления требований к отдельным функциональным узлам устройства;
- анализ влияния физических факторов на качество формирования ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности в диапазоне частот порядка 13 ГГц с целью уточнения требований к узлам формирователя, подтверждения реализуемости устройства, определения граничных условий применимости устройства;
- проведение моделирования и экспериментальных исследований основных узлов формирователя на ВОС для подтверждения работоспособности синтезированной структуры, сопоставления полученных теоретических выкладок с практическим результатом и уточнения требований к используемой волоконно-оптической и электронной элементной базе.
Объектом исследования является формирователь ЛЧМ-сигнала.
Предметом исследования является структура формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- проведен сравнительный анализ формирователей ЛЧМ-сигналов различного типа по таким критериям, как длительность формируемых сигналов, скорость изменения частоты формируемых сигналов, требования к электропитанию устройства; обоснована целесообразность применения формирователя на основе ВОС для увеличения скорости изменения частоты и сокращения длительности формируемых радиоимпульсов;
- впервые получены аналитические выражения для описания сигнальной и шумовой моделей функционирования формирователя ЛЧМ-сигналов на бинарной ВОС, что позволило выявить особенности обработки шумовых компонент в устройстве;
- уточнена и проанализирована структура и метод формирования ЛЧМ-сигнала, основанный на использовании бинарных волоконно-оптических структур;
- впервые дана оценка влияния точности изготовления ВОЛЗ, температуры окружающей среды, неидентичности формирования копий БВОС на корреляционные свойства формируемых ЛЧМ-радиосигналов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- уточнена и проанализирована структура формирователя ЛЧМ-сигналов, обеспечивающая среди формирователей ЛЧМ-сигналов наименьшую длительность формируемых сигналов порядка 2 нс при центральной частоте 10 ГГц и девиации до 6 ГГц;
- разработана методика проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов, позволяющая при заданных параметрах требуемого радиосигнала синтезировать структуру формирователя, обеспечивающего уменьшение длительности ЛЧМ-сигнала до 2,2 нс при девиации частоты порядка 6 ГГц, и сформулировать требования к параметрам его оптических и электронных узлов;
- предложена модель формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС, позволяющего уменьшить длительность ЛЧМ-сигнала до 2,2 нс при девиации частоты порядка 6 ГГц, учитывающая допуск на изготовление ВОЛЗ, изменение температуры окружающей среды и шумовые свойства функциональных узлов, использование которой позволяет заменить экспериментальные исследования дорогостоящих узлов.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты, результаты патентных исследований, аналитические выражения для описания составленных сигнальной и шумовой моделей формирователя ЛЧМ-сигналов на основе бинарной ВОС, количественная оценка параметров устройства, машинное моделирование процесса формирования сигнала, анализ результатов моделирования и формулировка требований к элементной базе формирователя ЛЧМ-сигналов на основе бинарной ВОС, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Результаты диссертационной работы использовались в НИР «Формирование наносекундных линейно-частотно-модулированных сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур», выполнявшейся кафедрой ИБТКС для НКБ «МИУС». Использование результатов НИР позволяет сократить длительность ЛЧМ-сигналов до 2,2 нс при уровне боковых лепестков АКФ не более минус 13,2 дБ при максимальном значении девиации частоты сигнала 5,9 ГГц, точности изготовления ВОЛЗ не хуже 0,1 мм, спектральной ширине излучения передающего оптического модуля - не более 0,1 нм и пиковой мощности оптических импульсов передающего оптического модуля не более 1 Вт. Кроме того, результаты диссертационного исследования использованы в г/б НИР 301.40.01.52 “Разработка и исследование технологий эффективной защиты данных Интернет, персональных и сетевых геоинформационных систем”, а также в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях: Х Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (г. Таганрог, 2010 г.); ХV Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке» (г. Харьков, 2011 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2011 г.); Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем» (г. Таганрог, 2011); Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «ХI Королёвские чтения» (г. Самара, 2011 г.); Восьмой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Таганрог, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 статьи – в изданиях, включенных в Перечень ВАК, 4 тезиса докладов – в трудах Международных и Всероссийских научно-технических конференций и научных сессий, из них 1 доклад опубликован полностью. Кроме того, подано две заявки на объекты интеллектуальной собственности (заявка на изобретение № 2012104485/08, заявка на полезную модель № 2012109937/08), опубликован патент на полезную модель № 121672.
Положения, выносимые на защиту:
- известные методы формирования радиосигналов с линейной частотной модуляцией не обеспечивают длительность формируемых сигналов менее 100 нс, в связи с чем развитие теории формирования сложных сигналов на основе волоконно-оптических структур, применение которых позволяет достичь уменьшения длительности формируемых сигналов, является актуальной научной задачей, решение которой имеет существенное значение для расширения сфер применения сигналов с линейной частотной модуляцией;
- добиться сокращения длительности ЛЧМ-сигналов при значении девиации частоты порядка 6 ГГц сигнала в диапазоне частот порядка 13 ГГц возможно с использованием формирователя на основе бинарных волоконно-оптических структур, позволяющих по сравнению с другими волоконно-оптическими структурами минимизировать затраты оптического волокна, соединений и повысить равномерность амплитуды выходного сигнала;
- формирование наносекундных ЛЧМ-сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур возможно при выполнении ряда граничных условий: девиация частоты не должна превышать половину значения центральной частоты формируемого ЛЧМ-сигнала, спектральная ширина излучения передающего оптического модуля - не более 0,1 нм, пиковая мощность оптических импульсов передающего оптического модуля - не более 1 Вт, а точность изготовления ВОЛЗ не хуже 0,2 мм.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем работы 247 страниц, в том числе 88 рисунков, 41 таблица, библиография 109 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель диссертации, отмечается научная новизна и практическая ценность, приводятся положения, выносимые на защиту, дается краткая аннотация по главам.
Первая глава содержит сравнительный анализ современного состояния разработок и исследований различных типов формирователей ЛЧМ-сигналов и их классификацию. Дан обобщенный анализ их основных характеристик и определены основные недостатки каждого типа формирователей. Сделан вывод, что существующие устройства не способны обеспечить формирование ЛЧМ-сигнала длительностью менее 100…500 нс при высоких значениях девиации частоты сигнала, существенно ограничивая область применения ЛЧМ-сигналов.
В связи с этим востребованной является разработка устройства, способного формировать ЛЧМ-импульсы наносекундной длительности с девиацией порядка 6 ГГц и выше в диапазоне частот порядка 13 ГГц. По совокупности характеристик целесообразным представляется формирование ЛЧМ-сигналов на волоконно-оптических структурах.
Таким образом, развитие теории формирования сложных сигналов на основе волоконно-оптических структур, применение которых позволяет достичь уменьшения длительности формируемых сигналов до значений порядка единиц наносекунд, является актуальной научной задачей, решение которой имеет существенное значение для расширения сфер применения сигналов с линейной частотной модуляцией.
С учетом предполагаемой сферы применения коротких ЛЧМ-сигналов основными параметрами, по которым целесообразно сравнивать формирователи ЛЧМ-сигналов различных типов, являются длительность сигнала и девиация частоты. В качестве критерия качества ЛЧМ-сигнала для использования в высокоскоростной защищенной связи, системах ближней радиолокации, подповерхностном зондировании и радиотомографии выбран критерий минимума уровня боковых лепестков автокорреляционной функции (АКФ) ЛЧМ-сигнала.
Во второй главе производится анализ и уточнение структуры формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС. Прежде всего, обосновывается правомерность аппроксимации линейной частотной модуляции линейно-ступенчатой модуляцией. В результате делается вывод, что при определенных условиях сигналы с линейно-ступенчатой модуляцией обладают уровнем боковых лепестков АКФ не хуже, чем классические ЛЧМ-сигналы, а их амплитудный спектр приближается к прямоугольному виду.
На основе принципа ударного возбуждения обратного фильтра уточнена структура формирователя ЛЧМ-сигнала на БВОС (рисунок 1), отличающаяся тем, что основана на волоконно-оптической элементной базе, обладающей широкой полосой пропускания. Это позволяет сократить длительность формируемых ЛЧМ-сигналов и увеличить значение девиации частоты сигнала.
С целью формирования единичного импульса для ударного возбуждения обратного фильтра в схему вводится передающий оптический модуль (ПОМ), работающий в импульсном режиме и формирующий короткий оптический импульс с энергией 
и длительностью 
. При этом 
, где 
- длительность ЛЧМ-сигнала. Выбор бинарных волоконно-оптических структур (рисунок 2) обусловлен тем, что именно эти структуры обеспечивают максимальную равномерность амплитуды выходного сигнала при минимальных затратах оптического волокна и соединительных элементов.
Для подачи ударного возбуждающего импульса одновременно на все N БВОС в схему введен волоконно-оптический разветвитель на N выходов. В волоконно-оптическом разветвителе оптический импульс разделяется на 
оптических импульсов длительностью 
и энергией 
, которые одновременно появляются на 
выходах волоконно-оптического разветвителя.
С 
-го выхода волоконно-оптического разветвителя, импульс подается на вход 
-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС, формирующей 
копий входного оптического импульса длительностью 
и энергией копий 
.
C выхода первой бинарной волоконно-оптической структуры БВОС последовательность импульсов подается на волоконно-оптический сумматор, с выхода остальных бинарных волоконно-оптических структур БВОС копии подаются на волоконно-оптический сумматор соответственно через волоконно-оптические линии задержки.
В волоконно-оптическом сумматоре пачки импульсов, сформированные всеми 
бинарными волоконно-оптическими структурами БВОС, объединяются в единую последовательность.
Так как формирование сигналов и обработка в приемнике обычно осуществляются в радиодиапазоне, а бинарные волоконно-оптические структуры работают в оптическом диапазоне, то схема (рисунок 2) должна быть дополнена фотодетектором и полосовым фильтром для выделения спектра ЛЧМ-сигнала. Для компенсации потерь в оптическом тракте и СВЧ-тракте в формирователь необходимо ввести соответственно оптический и электронный усилитель.
При этом условием реализуемости формирователя ЛЧМ-сигналов является выполнение неравенства
.
Для уменьшения уровня боковых лепестков сигнала на выходе согласованного фильтра приемника используется амплитудное взвешивание. По причине дискретной структуры БВОС и использования линейно-ступенчатой модуляции в качестве весовой функции целесообразно использовать ступенчатую дискретную весовую функцию. При этом для реализации амплитудного взвешивания в соответствии с ступенчатой весовой функцией, достаточно ввести коэффициенты в структуру БВОС согласно схеме, представленной на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структура БВОС, минимизирующая уровень боковых лепестков АКФ
Применение амплитудного взвешивание позволило уменьшить уровень боковых лепестков АКФ до значения минус 26,6 дБ при расширении главного лепестка не более 2%.
С учетом структуры формирователя и полученных аналитических выражений разработана энергетическая модель выходного сигнала формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС, учитывающая потери в функциональных узлах формирователя и соединениях между ними, а также усиление сигнала в оптическом усилителе (ОУ) и электронном усилителе (ЭУ).
В результате анализа энергетической модели выходного сигнала формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС получены аналитические выражения для описания процесса формирования копий импульса передающего оптического модуля (ПОМ) в функциональных узлах формирователя. Кроме того, определены максимальные значения числа БВОС формирователя и числа копий, формируемых каждой из БВОС, что позволяет численно оценить потери мощности сигнала в функциональных узлах формирователя.
Оценены потери в узлах формирователя. Наибольшие потери приходятся на направленные волоконные ответвители – до 28 дБ при числе копий БВОС K=512, на волоконно-оптический разветвитель – до 20,4 дБ при N=40 (деление мощности оптического излучения). Максимальный уровень общих потерь в формирователе составляет 43,6 дБ при числе копий БВОС K=512, числе БВОС N более 4.
Получено соотношение для оценки неидентичности формирования копий пикосекундного импульса ПОМ на выходе волоконно-оптического сумматора.
Предложена шумовая модель формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС, учитывающая амплитудные шумы ПОМ, шумы ОУ и ЭУ, дробовой, тепловой и темновой шумы приемного оптического модуля (ПРОМ) (рисунок 4).
Рисунок 4 - Шумовая модель формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС
В результате анализа шумовой модели формирователя ЛЧМ-сигналов выявлено, что основными шумовыми компонентами в устройстве являются дробовой и тепловой шумы ПРОМ. При этом установлена зависимость отношения сигнал/шум на выходе формирователя от мощности оптического излучения на входе ПРОМ и девиации частоты формируемого ЛЧМ-сигнала.
Для повышения отношения сигнал/шум на выходе формирователя ЛЧМ-сигналов целесообразно выбирать ПРОМ с более высоким значением крутизны детекторной характеристики ПРОМ и увеличивать мощность оптического излучения на входе ПРОМ путем выбора оптимального коэффициента усиления ОУ и мощности излучения ПОМ.
В третьей главе проведен анализ влияния физических факторов на свойства формирователя ЛЧМ-радиосигналов на волоконно-оптических структурах. В рамках главы проанализировано влияние таких явлений, как дисперсия, автомодуляция и рассеивание Бриллюэна. Кроме того, проведен анализ влияния изменений температуры окружающей среды и неточности изготовления ВОЛЗ на функционирование формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС.
Показано, что при длительности импульса ПОМ свыше 38 пс (минимальная длительность импульса ПОМ) и максимальной длине ОВ в формирователе 37 м эффектами хроматической дисперсии и поляризационной модовой дисперсии при рассмотрении свойств формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС можно пренебречь.
Анализ нелинейных явлений ОВ показал, что влиянием нелинейных явлений ОВ (автомодуляция и рассеивание Бриллюэна) на функционирование формирователя ЛЧМ-сигналов можно пренебречь при выполнении следующих условий: пиковая мощность оптического импульса ПРОМ не должна превышать 1 Вт, а ширина спектральной линии излучения должна быть не менее 0,1 нм.
В ходе исследования воздействия установлена зависимость уровня боковых лепестков АКФ формируемого сигнала от изменения температуры окружающей среды при различных значениях длительности сигнала.
Проведенный анализ зависимости свойств ЛЧМ-сигнала, формируемого на основе БВОС, от точности отреза ОВ для изготовления ВОЛЗ позволил заключить, что с уменьшением длительности ЛЧМ-сигнала зависимость уровня боковых лепестков АКФ ЛЧМ-сигнала от значения неточности изготовления АКФ уменьшается. При неточности 
до 0,1 мм значение величины боковых лепестков при различных значениях длительности сигнала находится в пределах минус 13,3 дБ.
В четвертой главе формулируются требования к узлам формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС. Это позволило оценить техническую реализуемость устройства, а также создать основу для моделирования узлов формирователя.
В качестве ПОМ необходимо использовать лазерный диод, работающий в импульсно-периодическом режиме с рабочей длиной волны 1,55 мкм, длительностью генерируемого импульса от 37 пс, спектральной шириной излучения более 0,1 нм, относительным шумом интенсивности 165 дБ/Гц.
При потерях в оптической части формирователя 
, коэффициенте оптического усиления 
и чувствительности фотодиода ПРОМ как минимальной оптической мощности на входе ПРОМ 
значение средней мощности излучения ПОМ должно удовлетворять следующему условию:
.
Для формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС чувствительность ПРОМ определяется средней мощностью излучения ПОМ, потерями в волоконно-оптическом тракте формирователя и коэффициентом усиления оптического усилителя:
.
Коэффициент усиления ОУ в формирователе ЛЧМ-сигналов на БВОС определяется средней мощностью излучения ПОМ, уровнем потерь мощности оптического излучения в волоконно-оптическом тракте, чувствительностью ПРОМ:
.
В качестве ОВ целесообразно использовать одномодовое ОВ с несмещенной дисперсией (SF), погонной полосой пропускания не менее 1,08 ГГцкм, коэффициентом погонного затухания не более 0,2 дБ/км, коэффициентом удельной дисперсии менее 0,06 пс/км-1, удельной хроматической дисперсией менее 18 пс/(нм·км).
Оптические соединители должны обладать потерями стыковки не более 0,1 дБ и развязкой по входу не менее 60 дБ.
Направленные волоконные ответвители должны обладать переходным затуханием минус 3 дБ, рабочей длиной волны оптического излучения 1,55 мкм, избыточными потерями не более 0,1 дБ, развязкой не менее 50 дБ.
Волоконно-оптический разветвитель должен обладать переходным затуханием (включая потери) не более 7,2; 10,5; 13,8; 17,1; 20,4 дБ (при числе выходов 4; 8; 16; 32; 64) соответственно, рабочей длиной волны оптического излучения 1,55 мкм, избыточными потерями не более 0,1 дБ, развязкой не менее 55 дБ.
Требования к волоконно-оптическому сумматору заключаются в следующем: рабочая длина волны оптического излучения 1,55 мкм, избыточные потери не более 0,3 дБ, развязка не менее 55 дБ.
ПФ должен иметь центральную частоту до 10 ГГц, относительную ширину полосы пропускания до 50 %, вносимое затухание не более 1 дБ, коэффициент прямоугольности до 1,1, уровень ослабления в полосе затухания не менее 50 дБ.
Для ЭУ необходимо выполнение условий: рабочий диапазон частот до 13,3 ГГц, коэффициент шума не более 4 дБ.
Коэффициент усиления мощности ЭУ формирователя ЛЧМ-сигналов определяется мощностью сигнала на входе ЭУ и требуемой выходной мощностью устройства. Эта зависимость в формирователе ЛЧМ-сигналов на БВОС имеет вид
,
где 
- требуемая выходная мощность формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС; 
- мощность сигнала на выходе ПРОМ; 
- потери в СВЧ-тракте.
Для всех узлов приведены конкретные модели-аналоги, выпускаемые промышленностью.
В пятой главе предлагается методика проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС, производится моделирование работы формирователя с использование пакета MATLAB, статистический анализ полученных данных, а также экспериментальное исследования узла БВОС формирователя ЛЧМ-сигналов.
Исходными данными для проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС являются длительность формируемого сигнала, центральная частота ЛЧМ-сигнала, девиация частоты ЛЧМ-сигнала, требуемая мощность выходного сигнала, средняя мощность оптического излучения ПОМ, отношение сигнал/шум на выходе формирователя.
Для иллюстрации предложенной методики был рассмотрен проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов длительностью 2,1 нс, центральной частотой 10 ГГц, девиацией частоты 5,7 ГГц, мощностью выходного сигнала 100 мВт, средней мощностью оптического излучения ПОМ 10 мкВт, отношением сигнал/шум на выходе формирователя 50 дБ. Полученная структура формирователя приведена на рисунке 5.
С учетом дискретной структуры БВОС, пересчитанные параметры девиации частоты результирующего ЛЧМ-сигнала составляет при заданных параметрах проектирования 
=5,89 ГГц, центральная частота ЛЧМ-сигнала 
=10,1 ГГц, длительность ЛЧМ-сигнала составляет при заданных параметрах проектирования 
=2,2 нс. На основе требований к узлам формирователя ЛЧМ-сигналов, сформулированных в главе 4, а также моделей узлов формирователя предложена модель формирователя ЛЧМ-сигналов на БВОС, учитывающая шумы устройства, изменения температуры окружающей среды и неточность изготовления ВОЛЗ.
Моделирование работы формирователя проведено в пакете MATLAB. Измеренная по результатам моделирования длительность сформированного сигнала по уровню -3дБ составила 2,2 нс, что на 4,5 % отличается от значения, предусмотренного проектированием. Мощность выходного сигнала составила 0,103 Вт, что на 2,9% отличается значения, предусмотренного проектированием. Учитывая погрешность измерения, данные неточности можно считать приемлемыми.
На основе полученной модели проведен анализ зависимости корреляционных свойств формируемого ЛЧМ-сигнала от различных факторов.
Анализ зависимости изменения температуры окружающей среды на параметры ЛЧМ-сигнала формирователя на основе БВОС при нулевой погрешности изготовления ВОЛЗ производился при нулевой погрешность изготовления ВОЛЗ и значениях изменения температуры окружающей среды dT от -60 до 60 °C с шагом 5 °C. В графическом виде полученные зависимости для формирователя без амплитудного взвешивания (а) и с амплитудным взвешиванием (б) представлены на рисунке 6.
Рисунок 6 - Вид зависимости уровня боковых лепестков огибающей АКФ от изменения температуры окружающей среды при нулевой погрешности изготовления ВОЛЗ
Проведен анализ зависимости погрешности изготовления ВОЛЗ на параметры ЛЧМ-сигнала формирователя на основе БВОС при фиксированной температуре окружающей среды при фиксированной температуре окружающей среды и погрешность изготовления ВОЛЗ 
от -1 до 1 мм с переменным шагом. В графическом виде полученные зависимости представлены на рисунке 7 для случая без амплитудного взвешивания (а) и с амплитудным взвешиванием (б).
Рисунок 7 - Вид зависимости уровня боковых лепестков огибающей АКФ от неточности изготовления ВОЛЗ
Поскольку в реальных условиях неточность изготовления ВОЛЗ – случайная величина, подчиняющаяся нормальному закону распределения, целесообразным является проведение статистического анализа зависимости уровня боковых лепестков АКФ ЛЧМ-сигнала от нормально распределенной неточности изготовления ВОЛЗ. Графики зависимости статистических параметров распределения значений уровня боковых лепестков огибающей АКФ при заданном среднем значении неточности изготовления ВОЛЗ приведены на рисунке 8.
Рисунок 8 - Зависимость математического ожидания (а) и дисперсии значений уровня боковых лепестков огибающей АКФ (б) от неточности изготовления ВОЛЗ
Из полученных данных можно сделать вывод, что с увеличением значения неточности изготовления ВОЛЗ происходит плавное увеличение математического ожидания уровня боковых лепестков АКФ и рост дисперсии. При этом распределение уровня боковых лепестков АКФ стремится к логистическому закону. Согласно данным анализа модели формирователя с амплитудным взвешиванием при увеличении неточности изготовления ВОЛЗ, мат. ожидание и дисперсия изменяются аналогично случаю без амплитудного взвешивания. При этом уровень боковых лепестков ограничен значением 20,1 дБ, что на 6 дБ меньше значения при изготовлении ВОЛЗ без погрешности.
В качестве характеристик БВОС, анализируемых в ходе экспериментального исследования, был выбран параметр неидентичности формирования копий БВОС, а также уровень обратного отражения в БВОС.
В результате экспериментальных измерений были получены значения неидентичности формирования копий однокаскадной БВОС, а также уровень обратного отражения в БВОС. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что для обеспечения высокого уровня идентичности формирования копий в БВОС необходимо предъявлять высокие требования к точности разветвления мощности оптического излучения в направленных волоконных ответвителях. Для этого целесообразно использовать последние, выполненные по планарной технологии и обеспечивающие максимально точное разветвление оптического сигнала.
С точки зрения результатов измерения уровня обратного отражения в БВОС можно заключить, что достаточно высокий уровень обратного отражения в исследованной БВОС можно объяснить отсутствием оптического изолятора в используемом измерителе уровня обратного отражения, присутствующем в типовых ПОМ, и позволяющего снизить уровень обратного отражения до приемлемых значений.
В заключении формулируются основные результаты работы, выводы и рекомендации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
- Проведен сравнительный анализ формирователей ЛЧМ-сигналов различного типа по таким параметрам, как длительность формируемых импульсов, значение девиации частоты, скорость изменения частоты. Результаты проведенного анализа доказали целесообразность разработки и применения устройства на БВОС для формирования ЛЧМ-радиосигнала. С учетом предполагаемой сферы применения (системы высокоскоростной защищенной связи, системы ближней радиолокации, подповерхностное зондирование, радиотомография) основными параметрами, по которым целесообразно сравнивать формирователи ЛЧМ-сигналов различных типов являются длительность сигнала и девиация частоты. В качестве критерия качества ЛЧМ-сигнала для использования в высокоскоростной защищенной связи, системах ближней радиолокации, подповерхностном зондировании и радиотомографии выбран критерий минимума боковых лепестков АКФ.
- На основе принципа ударного возбуждения обратного уточнена и проанализирована структура формирователя ЛЧМ-сигнала на БВОС, позволяющего уменьшить длительность ЛЧМ-сигнала до 2,2 нс в диапазоне частот порядка 13 ГГц с девиацией частоты сигнала порядка 6 ГГц с уровнем боковых лепестков АКФ, не превышающим минус 13,4 дБ без амплитудного взвешивания и минус 26,6 дБ с амплитудными взвешиванием.
- Обоснована возможность уменьшения длительности сигнала в формирователе ЛЧМ-сигналов на БВОС с учетом воздействия физических явлений в ОВ. Доказано, что явлениями хроматической и поляризационной модовой дисперсии в формирователе ЛЧМ-сигналов можно пренебречь. Кроме того, произведена оценка влияния изменения температуры окружающей среды и неточности изготовления ОВ на параметры формируемого сигнала.
- Предложена методика проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов, позволяющая синтезировать структуру формирователя ЛЧМ-сигналов с известными значениями длительности формируемого сигнала, центральной частоты ЛЧМ-сигнала, девиации частоты ЛЧМ-сигнала, требуемой мощности выходного сигнала, средняя мощность оптического излучения ПОМ и отношения сигнал/шум на выходе формирователя.
На основе предложенной методики синтезирована структура и определены основные параметры формирователя ЛЧМ-сигналов, позволяющая уменьшить длительность ЛЧМ-сигнала до значения 2,2 нс при девиации частоты ЛЧМ-сигнала 5,7 ГГц, начально частоте, мощности выходного сигнала 100 мВт, средней мощности оптического излучения ПОМ 10 мкВт и отношении сигнал/шум на выходе формирователя 50 дБ.
- Синтезирована модель формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС с учетом моделей функциональных узлов, разработанных в главе 4, позволяющая осуществить моделирование формирования ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности на основе БВОС с учетом потерь при формировании в узлах и соединениях формирователя, температурных флуктуаций, шумовых явлений в узлах формирователя, а также неточности изготовления ВОЛЗ. Кроме того, определены значения параметров узлов модели формирователя для проведения моделирования в MATLAB Simulink.
Проанализированы результаты моделирования формирования наносекундного ЛЧМ-сигнала на основе БВОС. Измеренная по результатам моделирования длительность сформированного сигнала по уровню минус 3дБ составила 2,2 нс, мощность выходного сигнала Pвых = 103 мкВт.
Получены зависимости уровня боковых лепестков от различных внешних факторов для случая с амплитудным взвешиванием и без амплитудного взвешивания.
Полученные результаты обеспечили достижение поставленной цели исследования – уменьшение длительности ЛЧМ-сигнала (с 100 нс для формирователей на МСВ и ПАВ) до 2,2 нс при центральной частоте порядка 10 ГГц и девиации частоты сигнала порядка 6 ГГц, таким образом, удалось добиться уменьшения длительности ЛЧМ-сигналов в 45 раз.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается строгостью применяемого математического аппарата, использованием многократно проверенных математических моделей, проведёнными теоретическими исследованиями и физическим моделированием узла БВОС.
Публикации по теме диссертации
- Зачиняев Ю. В. Перспективы применения волоконной оптики для формирования ЛЧМ-радиосигналов. Электронная техника и технологии: сб. матер. 15-го Юбилейного Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», 18-20 апреля 2011 г. Харьков: Иннов.-маркет. Отдел ХНУРЭ, 2011. Т. 3. С. 212-215.
- Зачиняев Ю. В., Румянцев К. Е., Кукуяшный А. В. Формирование наносекундных ЛЧМ-радиосигналов на волоконно-оптических структурах // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. T.7, №3. С. 32-38.
- Зачиняев Ю. В. Возможность формирования наносекундных ЛЧМ-сигналов на основе волоконной оптики. Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники», 5-6 мая 2011 г. Красноярск: Изд. ИИФИР СФУ, 2011. Т. 2. С. 124-125.
- Зачиняев Ю. В. Разработка и исследование формирователя ЛЧМ-сигналов на основе волоконной оптики. Сборник трудов Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем», 1 ноября 2011 г. Таганрог: 2011. С. 181-191.
- Зачиняев Ю. В. Исследование формирователя наносекундных ЛЧМ-сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур. Материалы Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием ХI Королёвские чтения, Самара, 4 - 6 октября 2011 г. Самара: Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета, 2011. С. 197-199.
- Зачиняев Ю. В. Анализ и классификация формирователей линейно-частотно-модулированных радиосигналов c точки зрения уменьшения длительности формируемых сигналов // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 5. URL: http://www.science-education.ru/105-7173 (дата обращения: 16.10.2012).
- Пат. на полезную модель № 121672, Российская Федерация, МПК H03C3/00. Устройство формирования линейно-частотно-модулированных сигналов / К. Е. Румянцев, А. В. Кукуяшный, Ю. В. Зачиняев; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет». № 2012109937/08; заявл. 14.03.2012; опубл. 27.10.12, Бюл. № 30. 2 с.
Подписано к печати 02.11.2012 г.
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная.
Усл. п.л. - 1,0. Заказ № 267. Тираж 100 экз.
Типография ТТИ ЮФУ в г. Таганроге
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
