基于光纖傳輸的延時(shí)系統設計

發(fā)布時(shí)間：2013-11-12 10:41    發(fā)布者：cup400
關(guān)鍵詞： 光纖傳輸 , 延時(shí)系統
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摘要: 延時(shí)系統或稱(chēng)為延遲線(xiàn)在雷達、導航和通信等領(lǐng)域的應用非常廣泛。文中介紹了一種基于先纖傳輸的延時(shí)系統的研制，克服了傳統延遲系統在實(shí)現手段方面的瓶頸，滿(mǎn)足了雷達、導航、通信等電子設備中對電信號的長(cháng)延遲需求。 ...



延時(shí)系統或稱(chēng)為延遲線(xiàn)在雷達、導航和通信等領(lǐng)域的應用非常廣泛。文中介紹了一種基于先纖傳輸的延時(shí)系統的研制，克服了傳統延遲系統在實(shí)現手段方面的瓶頸，滿(mǎn)足了雷達、導航、通信等電子設備中對電信號的長(cháng)延遲需求。


在雷達、通信電子設備的設計中經(jīng)常需要對電信號進(jìn)行長(cháng)延時(shí)，電延遲線(xiàn)由于材料尺寸限制很難實(shí)現長(cháng)延時(shí)，雖然，近年來(lái)聲表面波延遲線(xiàn)由于結構簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)在雷達、通信等電子系統中能夠取代電纜延遲線(xiàn)，但是由于其頻帶太窄、溫度影響大的缺點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足雷達、通信設備中復雜調制信號的帶寬需求，并且比較難實(shí)現穩定的長(cháng)延時(shí)。光纖傳輸技術(shù)是自20世紀80年代發(fā)展并廣泛應用的信號傳輸延時(shí)技術(shù)，目前應用已經(jīng)非常成熟。因其具有信號傳輸不受電磁環(huán)境干擾、頻帶寬、延時(shí)范圍大、溫度變化率小的特點(diǎn)，逐漸成為射頻、中頻段延遲信號的更理想的選擇。

1光纖延時(shí)原理

光纖延時(shí)技術(shù)的基本原理是利用光信號經(jīng)過(guò)一定長(cháng)度的光纖傳輸后所產(chǎn)生的時(shí)間延遲。光信號在石英介質(zhì)中傳輸時(shí)速度相對低于真空中的傳播速度，光在真空中傳播時(shí)的折射率為1，而在光纖中傳播時(shí)的折射率約為1.47（對于常用的G.652單模光纖，在1.550 nm波長(cháng)下，常取n=1.467）。光信號在光纖中的傳輸延時(shí)公式如下：t=Lxn/v （1）

式中t為傳輸時(shí)間，L為光纖長(cháng)度，n為介質(zhì)折射率，v為光在真空中傳播的速度。

光纖延時(shí)技術(shù)利用了光傳輸的特性，具有較高抗干擾能力；帶寬高，最高帶寬可達到10 Gb/s；延時(shí)范圍大；隨溫度變化率小，常用G.522光纖延時(shí)溫度系數約為0.05 ns（km.℃），基本上不會(huì )對應用產(chǎn)生影響。

2延時(shí)系統設計

一個(gè)完整的延時(shí)系統包括電信號的延時(shí)和功率控制功能，基于光纖傳輸的延時(shí)系統包括輸入衰減器、延時(shí)光路、輸出衰減器和控制模塊，系統框圖如圖1所示。


2.1功率控制模塊設計

延時(shí)系統的功率控制模塊由輸入衰減器和輸出衰減器組成。由于延時(shí)光路中，進(jìn)行電-光轉換的直調激光器的輸入功率范圍較小，最大不超過(guò)15 dBm，且在0 dBm功率時(shí)的性能達到最佳。而雷達、通信應用中射頻電信號的功率一般比較大，需要前置同軸衰減器來(lái)減小輸入功率，將其控制在直調激光器的輸入范圍內并靠近0 dBm.在延時(shí)系統前端加輸入衰減器的作用，還能夠減小輸入功率對光纖延時(shí)精度影響。因為所有材料的折射率都隨著(zhù)光強的增大而增加，而通過(guò)輸入衰減器將入射信號的功率保持在0 dBm，則可避免光纖的非線(xiàn)性折射率效應對延時(shí)精度的影響。

在雷達系統的設計中，經(jīng)常要求延時(shí)系統能夠模擬電磁波信號在空間中的傳播損耗，公式為：W=30log（1/R）dB.W為傳波損耗，R為電磁波傳播距離，單位為m.光纖傳輸的損耗約為0.2 dB/km，因此，在延時(shí)系統的輸出端，需要采用可調同軸衰減器，實(shí)現功率控制功能。由于同軸衰減器采用同種介質(zhì)制作，信號經(jīng)過(guò)不同衰減的路程相同，所以信號延時(shí)的一致性較好。

2.2控制模塊設計

延時(shí)系統的控制模塊主要實(shí)現延時(shí)量的改變，程控衰減器的控制，狀態(tài)指示以及人機交互（或者上位機通訊）。典型電路采用LM89C51單片機芯片設計實(shí)現上述功能，控制模塊電路原理框圖及控制程序流程圖如圖2所示。


此典型電路既可通過(guò)MAX232串行通訊接口接收命令也可以通過(guò)面板按鍵接收命令，利用LM89C51芯片的I/O口以及相應的驅動(dòng)電路實(shí)現對光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)控制，以完成不同模擬距離的切換，通過(guò)控制程控衰減器實(shí)現延時(shí)系統衰減量的改變，采用0802A液晶顯示器進(jìn)行延時(shí)和衰減的狀態(tài)指示。

2.3延時(shí)光路設計

延時(shí)光路是基于光纖傳輸的延時(shí)系統的核心部分，設計時(shí)必須考慮衰減、色散、溫度對系統性能的影響，并為使延時(shí)系統能適應不同的應用，將它設計成延時(shí)量可變的系統。如圖3所示。


以50 m（延時(shí)為0.167μs）為步進(jìn)、最大延遲距離為16 500 m（延時(shí)為55μs）的設計要求，研制雷達應用中的延時(shí)系統為例：要實(shí)現步進(jìn)量為50 m的模擬距離，根據公式（1）對應的最小光纖環(huán)的長(cháng)度為68.2 m，如圖3所示，隨后的每個(gè)光開(kāi)關(guān)所連接的光纖環(huán)長(cháng)度分別為68.2x21 m、68.2x22 m、68.2x23 m、68.2x24 m、68.2x25 m、68.2x26 m、68.2x27 m及68.2x28 m；這樣的設計可以實(shí)現步進(jìn)量為50 m，范圍為0-16 500 m的延遲距離，其中共有512個(gè)延遲距離可供選擇。
我們選用2x2光開(kāi)關(guān)，并采用差分結構設計實(shí)現不同延時(shí)量的切換，此類(lèi)光開(kāi)關(guān)的平均插入損耗約為0.8 dB，并且由于采用了差分結構每種延時(shí)通路經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)的通路次數相同，損耗一致性較好，常用的G.652光纖損耗約為0.2dB/km，照以上參數計算，整個(gè)光路的損耗由四部分決定：直調激光器的電光轉換效率，光纖通路損耗，光電探測器的電光轉換效率，以及輸入輸出阻抗比；可由（2）式表示：


ηTX為直調激光器的電光轉換效率，根據測試得到的ηTX為0.075.ηRX為光電探測器的光電轉換效率，根據測試得到的ηRX為0.65.Lop為光纖通路的損耗，包括以下幾部分：光纖自身的傳輸損耗，光開(kāi)關(guān)的插入損耗和各個(gè)光連接頭的損耗；按最長(cháng)光纖長(cháng)度為22 495 m計算，最大的光纖傳輸損耗為4.5 dB（標準單模光纖的損耗系數為0.2 dB/km）；每個(gè)光開(kāi)關(guān)的插入損耗為0.8 dB，共有10個(gè)光開(kāi)關(guān)，因此光開(kāi)關(guān)的總插入損耗為8 dB；每個(gè)光連接頭的插入損耗為0.2 dB；光鏈路需經(jīng)過(guò)的光連接頭共有20個(gè)，因此光連接頭引入的損耗為4 dB；這樣整個(gè)光鏈路的損耗Lopt為4.5+8+4=16.5 dB.Rin和Rout分別為輸入匹配阻抗和輸出匹配阻抗，均為50Ω。根據以上分析，按照（2）式所計算的通過(guò)光路的射頻信號的增益GdB為-42.7 dB.模擬雷達的回波信號的延遲衰減量LdB與模擬距離H的關(guān)系滿(mǎn)足式（3）：


這樣對于最低模擬距離50 m，延遲衰減量為-51 dB；對于最高模擬距離16 500 m，延遲衰減量為-126.5 dB；對雷達回波的模擬所需的延時(shí)衰減量范圍為-51～-126.5 dB.此系統能夠滿(mǎn)足-51dB的最大衰減量的需求，并且可以通過(guò)同軸可調衰減器使得最終的輸出射頻信號衰減量可以在-48～-129.5 dB之間進(jìn)行調節。

對于需求更小損耗的延時(shí)系統我們可以在光電探測器前增加一個(gè)光放大器，光放大器的輸入功率選擇一般為-25～-10 dBm，而光路損耗為16.5 dB，完全可以滿(mǎn)足要求，且有一定富余量。為了降低光放大器的噪聲系數，可在放大器內部增加ASE濾波器，從而將輸出波長(cháng)鎖定在激光器的波長(cháng)上。在系統傳輸的是模擬信號時(shí)，光放大器的輸出光功率最好能保持在0 dBm以上，以使光接收機有較好的解調效果。放大器的輸出既可以接光接收機，也可以與下一級設備級聯(lián)。為了實(shí)現更小的損耗還可以在光電探測器后串聯(lián)射頻放大器。

對于長(cháng)延時(shí)系統的研制，還需要考慮色散的影響，光傳輸的色度色散限制帶寬可由以下公式（4）計算，其中Bc為色度色散限制帶寬，△λ（nm）為譜線(xiàn)寬度，C（λ）（ps/nm.km）為光纖色度色散系數，對于L（km）為光纖長(cháng)度。


由式（4）可知，為降低影響，要求激光器譜線(xiàn)（FWHM）盡量窄，光纖得色度色散系數盡量小。目前市面上有的激光器FWHM達到10MHz（8x10-5nm）。在光纖的選擇上，比較常用的G.652光纖色散系數約為20ps/nm.km.據此可以算出波長(cháng)為1550 nm的光信號在G.652光纖上傳輸165 km的色度色散限制帶寬為：Bc=0.44x106/△λ。C（A）。L =0.44x106/8x10-5x20x165 （5）

=1.26x106 MHz因此，只要選擇合適的激光器，則光纖色散不會(huì )對系統的性能指標造成影響。

在實(shí)際的延時(shí)系統研制過(guò)程中，我們還需要考慮由光-電轉換，電-光轉換以及信號輸入和輸出衰減器等組件帶來(lái)的電信號延時(shí)，系統存在延遲零點(diǎn)H0（經(jīng)測試該零點(diǎn)小于50 m）。則在此類(lèi)延時(shí)系統的研制時(shí)，可以通過(guò)調整直調激光器和1x2光開(kāi)關(guān)之間的光纖長(cháng)度將該零點(diǎn)校準到50 m，其余光纖長(cháng)度不變。這樣調整之后，采用零點(diǎn)作為第一個(gè)延遲距離（即50 m），以后模擬距離均可達到精確模擬各整數距離點(diǎn)的技術(shù)要求。在具體的研制時(shí)，還應該注意，2x2光開(kāi)關(guān)差分結構的延時(shí)為兩個(gè)通路的差值，裁剪光纖時(shí)光纖環(huán)的長(cháng)度L=L0+68.2 m，L0為短路通路的光纖長(cháng)度。

信號在光纖中的傳輸模式主要由射線(xiàn)的入射角的差異來(lái)決定的，而射線(xiàn)的入射角往往由于光纖發(fā)生彎曲而發(fā)生改變，從而使射線(xiàn)的傳輸模式發(fā)生了變化。射線(xiàn)在光纖出現嚴重彎曲的時(shí)候，甚至會(huì )透出光纖造成能量的損失。一般來(lái)說(shuō)光纖彎曲的半徑越小，而發(fā)生的損耗則越大，反之耗損則會(huì )減小。在設計光纖環(huán)以及固定光纖接頭時(shí)應盡量增大光纖的彎曲半徑（一般不應小于3 cm）。

3系統驗證

采用示波器法（選用美國TEK的DP070604示波器）對此延時(shí)系統的脈沖信號延時(shí)進(jìn)行了驗證，測試數據如表1所示。


選取1 000m點(diǎn)，測試10次，對系統的重復性進(jìn)行了測試，數據如下：3 333.35 ns，3 333.34 ns，3 333.35ns，3 333.35 ns，3 333.34 ns，3 333.35 ns，3 333.34 ns，3333.34 ns，3 333.35 ns，3 333.34 ns由貝塞爾公式可得瀏量結果重復性：

對應的模擬距離的重復性為5x10-4m.由表1數據可以看出由于工藝技術(shù)原因我們不能每次都得到想要的整數的模擬距離，但是由重復性測試數據可以看出，基于光纖傳輸的延時(shí)系統具有可靠性高和穩定性高的特點(diǎn)。4結束

語(yǔ)文中利用光纖傳輸延時(shí)技術(shù)，通過(guò)合理的設計實(shí)現了雷達、通信中應用的復雜調試信號的長(cháng)延時(shí)系統，并且此延時(shí)系統具有高抗干擾性和高可靠性、延時(shí)范圍大、帶寬大，穩定性高的特點(diǎn)，大大降低了雷達、通信系統相關(guān)試驗、驗證、仿真的成本和時(shí)間。隨著(zhù)光纖技術(shù)的快速發(fā)展和工藝的逐漸成熟，基于光纖傳輸的延時(shí)系統應用將越來(lái)越廣泛和實(shí)用。

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