CC BY
25
20 декабря 2011 г. 12:13
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Подход к реализации модуляционного метода при обеспечении коэффициентов оптического фильтра сигналов радиодиапазона
Для оптических фильтров сигналов радиодиапазона (ОФСРД) остается открытым вопрос — едким образом обеспечивать требуемое число коэффициентов и их отрицательность, и как строить устройство преобразования одночастатного излучения в многочастагное, задающее число коэффициентов фильтра, которые в свою очередь определяют полосу пропускания и вносимое затухание в полосе задержки. Представлена реализация метода получения многокомпонентного сигнала для задач оптической фильтрации сигналов радиодиапазона на основе двухпортового модулятора Маха-Цандвра (ММЦ).
Морозов ГА,
директор НИЦ ПРЭ, д.т.н.,
профессор каф. РТС НИУ КГТУ им А.Н. Туполева
Морозов О.Г.,
профессор, дт.н. зав. каф. ТМС НИУ КГТУ им АН. Туполева Садеев Т.С.,
аспирант, ассистент коф. ТМС НИУ КГТУ им АН. Туполева Арбатов ДЛ.,
старший преподаватель каф. ТМС НИУ КГТУ им АН. Туполева
Введение
Принцип действия оптического фильтра сигналов родиодиапа-зона во многом аналогичен принципу действия цифрового фильтра, но реализуется на элементной базе волоконной оптики. Входным сигма лом такой системы будет являться колебание радиодиапазона, подлежащее обработке, но работа ведется в диапазоне оптических длин волн и обработке подвергаются оптические гармоники. Обработка включает в себя задержку, суммирование с задонными коэффициентами:
»•(/) = ^Ькх{1 - кТ)
(1)
где, N — количество отсчетов, Ьк — коэффициент ^-отсчета, Т— задержка ^-отсчета относительно £-1 — отсчета. Период фильтра определяется по формуле (2)
0 = 1
Т
(2)
Комплексная частотная характеристика фильтра определяется по формуле (3):
(3)
Таким образом вид частотной характеристики фильтра определяется Ы, коэффициентами Ь^, временной задержкой Т. Изменяя эти параметры можно синтезировать фильтры с разл^ными ЧХ. Из теории цифровой фильтрации известно, что если коэффициенты все положительные, то фильтр является фильтром низких чостот (ФНЧ) [ 1 ].
Развитие технологий фильтрации сигналов радиодиапазона с применением волоконно-оптической элементной базы ставит зада-
чу поиска более совершенных методов построения устройств, выполняющих данные функции и обладающих стабильными характеристиками и параметрами. Большинство методов построения реализуют фильтры некогерентного типа с ограниченным числом синтезируемых передаточных функций (амплитудно-частотных характеристик, АЧХ), в основном низкочастотных, в которых манипуляциям подвергаются только "положительные" компоненты — составляющие интенсивности оптического сигнала, модулированные радиочастотой. Их недостаток заключается в невозможности реализации полосовых и высокочастотных фильтров, для синтеза которых является необходимым получение и обработка "отрицательных" компонент оптического излучения — компонент с начальной "отрицательной" фазой тс. После проведенного анализа работ [2-7], посвященных данной проблеме, мы пришли к выводу о преимуществе модуляционных методов как методов обеспечения заданного числа коэффициентов и знака, а также возможности их динамического изменения, для реализации перестраиваемого фильтра со стабильными параметрами. Также проведенный анализ показал на недостаточное внимание авторов [2-7] к данному подходу, требующего рассмотрения.
Постановка задачи исследования
Среди рассмотренных вариантов построения оптических фильтров сигналов радиодиапазона наиболее простым в реализации решением является система, содержащая один источник излучения, но при этом обеспечивающая требуемое количество обрабатываемых коэффициентов. Данное требование можно удовлетворить с помощью того или иного вида модуляции исходного сигнала, в результате которой получим многочостотный сигнал с управляемыми по амплитуде и фазе гармониками. Однако, насколько известно авторам, исследования в этой облости носят характер решения частных вопросов, что не позволяет обосновано подойти к решению комплексной задачи обеспечения перестраиваем ости ОФСРД У авторов есть достаточные основания полагать, что решение данной задачи позволит значительно расширить функциональные возможности ОФСР и упростить его структуру.
При использовании электроогггических устройств преобразующих одночостотное излучение в многочостотное решается проблема числа оптических компонент. Преимуществом использования данного метода состоит в возможности получения требуемого числа оптических несущих, стабильность которых определяется:
1) стабильностью управляющего сигнала;
2) стабильность положения рабочей точки ЭОМ.
Более того данный метод позволяет осуществлять управление параметрами выходного многочостатного сигнала — число, ампли-
68
Т-Сотт, #8-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Таблица 1
Представлены зависимости амплитуд составляющих спектра многочастотного сигнала, состоящего из нечетных при подавленной несущей, от параметров модуляции
Дзухчастотиый режим Четырехчастотный режим Шестнчастотный режим Восьмичастотный режим
(VVJ. 1.84 3,054 5,31 7,9
JiKvv^t] 0,582 0,319 -0,346 0.22
Jj[(VVJ«] 0,105 0.319 0,302 -0,289
J-tCVVjnl 4,76* 10-3 0,046 0,3 0.21
9,95 «10-! 2.86» 10-’ 0.073 0,314
туда и фаза гармоник и частотный разнос.
Нами был исследован модуляционный метод получения оптических компонент — стабильных и с управляемым разносом на основе двухпортового модулятора Маха-Цандера [8], [9]. Рассмотрим более подробно в задаче его применения в структуре фильтра.
Обобщенная блок-схема ОФСРД представлена на рис. 1.
В качестве источника оптического излученкя 1 используются лазерные диоды (ЯД), светоизлучающие диоды (СИД), моссивы ЯД и СИД широкополосные источники излучения. Источник подлежащего обработке радиосигнала может представлять из себя антенну базовой станции, генератор гармонических колебаний радиочастоты и тд.). 3 — электрооптический модулятор (фазовый, интенсивности, может использоваться непосредственная модуляция источника излучения током накачки), блок обработки оптических сигналов содержит в себе дисперсионные устройства, аттенюаторы, усилители и др. устройства, осуществляющие дискретизацию сигнала во временной области, изменяющие его мощность, осуществляющие задержку и операцию суммирования. Фотоприемник 5 детектирует задержанный и взвешенный оптический сигнал.
В настоящей работе представлен подход к реализации метода получения многокомпонентного сигнала для задач оптической фильтрации ситалов родиодиапазона на основе двухпортового модулятора Махо-Цандера (ММЦ).
Модуляционный метод в задаче обеспечения
коэффициентов фильтра, реализованный
с помощью двухпортового ММЦ
Напряженность поля сигнала на выходе модулятора описывается выражением (4)
£ш//<'> = 7£ш1''фСл«,1<'>Х схр('л«>; I' > 1 «р(/Д«^ ('>)
(4)
Рис 1. Ьлок схслла ОФСРД: 1 - источюм оптического изпуче**«,2 — источник радиосигналов, 3 — модулятор оптического излучения, 4 — блок оптической обработки, 5 — фотофиемник
где Лф,(1) and A<p2(t) — фазовые сдвиги в первом и втором плечах модулятора, Eri — амплитуда входного оптического сигнала, <0С — чостота входного оптического си тал а. Фазовый сдвиг определяется воздействием модулирующего сигнала и заданной рабочей точкой на склоне модуляционной характеристики модулятора (см равенство (5)):
(5)
Л*,<',=Т^(у/</) + ГАк111) / = 1.2
где — полуволновое напряжение, V, (♦) и у2(г) - модулирующие сигналы, У^ , и 2 ~ напряжения смещения, приложенные к 1 и 2 плечам соответственно. Найдем передаточную функцию через отношение выходного сигнала к входному (см.выражение (6)):
~С<“(зЗГ^1<,) >4(0)|
Положив V, (»)= -у2(0 для устранения фазового чирпа модулятора, получим выражение (7) и (8):
(7)
,4р| *
2 J *■
(81
где V — амплитуда модулирующего сигнала и (% — его частота, Д<р — разность фаз между модулирующими сигналами, тогда из выражения (5) получим выражение (9):
+ 81П
. я I' (
. =------МП ----- I
где -V
j с —hOL% ^ hius ^ biasl ^ hias2 ■у я
Условие подавления несущей и формирования двухкомпонентного сигнала выводится из уравнения (6), при япУ= 1, тогда получим равенство (10):
л ДГ,_
или А1'ы„ =Г, (Ю)
bias
После элементарных математических преобразований принимая во внимание соотношение (6) получим выражение (11), содержащее функции Бесселя 1 -го рода и (21с* 1 )-порадка:
T-Comm, #8-2011
69
a
192.9 Т 193 Т 192.9 Т 193 Т
Fr«iu*ncv fH»1 I¥»n^v fH»1
Г
: о.-
§г
! Л<
8'
|8v
; о.'
hJjiiiiiL
1925 Т 193 Т 192 9 Т 193 Т
Frequency (Hz) Frequency (Hz)
FV«c Z Моделирование рсш*1чных режимов работы двухпортового мод/пятора а - двухчастотный сижал при (V/Vn)я = 1,84; б - четырехчастотный сигнал при (V/V7r)7r = 3,054; в - шеаичастотный сигнал при (V/Vk)ji = 5,31; г — восьмичастотный сигнал при (V/Vn)jr - 7,9
Приняв Дф = К, полупим (12У
X = (JlV)A*. (12)
ini
Из (8) видно, что несущая подавлена и сигнал состоит из двух симметричных полос на частотах ((0Q+{2k+1 ) и (<о0 - (2к+1 )(0RF).
Покажем что управляя параметрами модуляции, можно получить
Таблица 2
Представлены зависимости амплитуд составляющих спектра многочастотного сигнала, состоящего из четных гармоники несущей, от параметров модуляции
Одночастотный режим Трехчастотный режим Пятичастотный режим Семи частотный режим
(V Yi)* 0 1,828 4.22 6.59
ЫЛ’У*).-,] 1 0,3237 -0,3737 0.27
0 0,3237 0,32 -0.31
J4[(VVJ«] 0 0,025 0.32 0.27
JflVYM 0 0 0,06 0.31
70 T-Comm, #8-2011
Еом = «* vj/ъм Cv )sul^< + ')*RF' )=
= Ц' Jos$)n + wR|; )) co>$>0 - mr|.)%
♦ V,+.V»Rc))-cos^)() >mR|.))(-
+ £0y5Cvi«t>b + ?WR,:))-C"S(^I) - ^>R[, )J-...
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
многочастотный сигнал с различным спектральным составом. Результаты численного моделирования сведены в табл. 1.
Результаты моделирования в пакете Ор1ву£ет 7.0 представлены на рис. 2,0-г.
Прите апУ * 0 в выражении (6) и выполнив аналогичные математические преобразования можно показать возможность генерации трех-, пяти-, семи компонентного сигнала. Результаты численною (табл. 2) и имитационного моделирования (рис. 3) данного частного случая представлены ниже. При данных параметрах модуляции получили спектр, состоящий из несущего колебания и двух симметричных полос на четных гармониках, т е. на ((00+ 2к(0рр) и ((0^ - 2к(0рр).
Таким образом, ноли было показано, что модуляционный метод реализованный на основе двухпортового модулятора Махо-Цандера, обеспечивает коэффициенты фильтра. Нормировка зно-чений, приведенных в табл. 1 и 2 сформирует их ряд
Анализ полученных результатов
На основе данных из таблицы 2 и с учетом выражения (6) для случая генерации трех-,пяти-,семикомпонентного сигнала был получен рад коэффициентов:
1) фильтра №1 (-1; 1; -1)
2) фильтра №2 (0,86; -0,86; -1; -0,86; 0,86)
3) фильтра №2 (-1; 0,87; 1; 0,87; 1; 0,87; 1)
Идеальная частотная характеристика фильтров №1-3 изображены на рис.4 для случая трех-, пяти- и семичастотного режима.
Анализ рис.4 покозывоет, что на основе представленного метода представляется возможным реализовать полосовой фильтр (№Ц а также фильтры с гребенчатой чостотной характеристикой (№2, №3).
Заключение
В данной работе показано применение модуляционного метода
для построения полосовых и гребенчатых фильтров. Дальнейшие исследования направлены на получение частотных характеристик с учетом дисперсии волокна, а также на изучение других модуля*юнных методов для реализаш*1 их в функциональных частях фильтра, отвечающих за обеспечение требуемого числа компонент и их знака.
Литература
1. X Сартагту, В. Ortega and D. Pastor. "A tutorial on microwave photonic filters’, J. Lightwave Technol., vol. 24, pp. 201-229, 2006.
2.1 Capmany, D. Pastor, A Martnea, B. Ortega and S. Sale*. Microwave photonics filters winegative coefficients based on phase inversion in an electrooptic modulator//Opt Lett. 28, 1415-1417(2003).
3 EH. W. Chei aid R. A Minaacw “Novel all-optical RF notch fillers with Equivalent Negative Tap Response,’ IEEE. Photon Technol. Lett. 16, 1370-1372 (2004).
4 F. Zeng, J. Yoa All optical bandpass microwave filter based on electro-oplic phase modulator // Optics Express. 2004. — V.12. — №16. — R3814-3819.
5 B. VVial, X L Coral, J. Marl All-optical WDM multi-tap microwave fiber vrth fiat bandpass // Optics Express. 2006.-V14-№2. - P581 -586.
6. A Mara, A OlgoichBlandv J- Capmany, D. Fa*or. 'Tunable microwave photonic filers free from basebond and carrier suppression effect not requiring single sideband modulation using a Mach-Zehnder configuration// Optics Express. 2006. - VI4. - № 17. - R 7960-7965.
7 Jut Wcng. A tunable photonic maowave nofch filter based on alopticol mixing," IEEE Photon Technol Lett, vol. 18, no. 2, pp. 382384, Januory 2006.
8. T. Sakamoto, T. Kawanishi and M Izutsu. 'Optoelectronic osalator using a UNb03 phase modulator for sef-oscVating frequency comb generation" Opt. Lett . 31, pp. 811-813, (2006).
9 ДЛАйбагаа, О.Г.Морозов, Т.ССодввв. Преобразование спектра оптического излучения в двухханальном модуляторе МахоЦендера и ROF-фильтр на его основе // Нелинейный мир, 2010, №5. Т.8. — С.302-309.
72
T-Comm, #8-2011
