基于光纖傳輸?shù)难訒r(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：延時(shí)系統(tǒng)或稱為延遲線在雷達(dá)、導(dǎo)航和通信等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。文中介紹了一種基于先纖傳輸?shù)难訒r(shí)系統(tǒng)的研制，克服了傳統(tǒng)延遲系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)手段方面的瓶頸，滿足了雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等電子設(shè)備中對(duì)電信號(hào)的長(zhǎng)延遲需求。
關(guān)鍵詞：光纖傳輸；延時(shí)系統(tǒng)；光開關(guān)；衰減器

    在雷達(dá)、通信電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)延時(shí)，電延遲線由于材料尺寸限制很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延時(shí)，雖然，近年來聲表面波延遲線由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)在雷達(dá)、通信等電子系統(tǒng)中能夠取代電纜延遲線，但是由于其頻帶太窄、溫度影響大的缺點(diǎn)無法滿足雷達(dá)、通信設(shè)備中復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的帶寬需求，并且比較難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長(zhǎng)延時(shí)。光纖傳輸技術(shù)是自20世紀(jì)80年代發(fā)展并廣泛應(yīng)用的信號(hào)傳輸延時(shí)技術(shù)，目前應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。因其具有信號(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)過一定長(zhǎng)度的光纖傳輸后所產(chǎn)生的時(shí)間延遲。光信號(hào)在石英介質(zhì)中傳輸時(shí)速度相對(duì)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(duì)于常用的G．652單模光纖，在1．550 nm波長(zhǎng)下，常取n=1．467)。光信號(hào)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(zhǎng)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?shù)奶匦?，具有較高抗干擾能力；帶寬高，最高帶寬可達(dá)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(shù)約為0．05 ns(km·℃)，基本上不會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生影響。

2 延時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    一個(gè)完整的延時(shí)系統(tǒng)包括電信號(hào)的延時(shí)和功率控制功能，基于光纖傳輸?shù)难訒r(shí)系統(tǒng)包括輸入衰減器、延時(shí)光路、輸出衰減器和控制模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2．1 功率控制模塊設(shè)計(jì)
    延時(shí)系統(tǒng)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(zhuǎn)換的直調(diào)激光器的輸入功率范圍較小，最大不超過15 dBm，且在0 dBm功率時(shí)的性能達(dá)到最佳。而雷達(dá)、通信應(yīng)用中射頻電信號(hào)的功率一般比較大，需要前置同軸衰減器來減小輸入功率，將其控制在直調(diào)激光器的輸入范圍內(nèi)并靠近0 dBm。在延時(shí)系統(tǒng)前端加輸入衰減器的作用，還能夠減小輸入功率對(duì)光纖延時(shí)精度影響。因?yàn)樗胁牧系恼凵渎识茧S著光強(qiáng)的增大而增加，而通過輸入衰減器將入射信號(hào)的功率保持在0 dBm，則可避免光纖的非線性折射率效應(yīng)對(duì)延時(shí)精度的影響。
    在雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要求延時(shí)系統(tǒng)能夠模擬電磁波信號(hào)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?shù)膿p耗約為0．2 dB／km，因此，在延時(shí)系統(tǒng)的輸出端，需要采用可調(diào)同軸衰減器，實(shí)現(xiàn)功率控制功能。由于同軸衰減器采用同種介質(zhì)制作，信號(hào)經(jīng)過不同衰減的路程相同，所以信號(hào)延時(shí)的一致性較好。
2．2 控制模塊設(shè)計(jì)
    延時(shí)系統(tǒng)的控制模塊主要實(shí)現(xiàn)延時(shí)量的改變，程控衰減器的控制，狀態(tài)指示以及人機(jī)交互(或者上位機(jī)通訊)。典型電路采用LM89C51單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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MAX232串行通訊接口接收命令也可以通過面板按鍵接收命令，利用LM89C51芯片的I／O口以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光開關(guān)的狀態(tài)控制，以完成不同模擬距離的切換，通過控制程控衰減器實(shí)現(xiàn)延時(shí)系統(tǒng)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(shè)計(jì)
    延時(shí)光路是基于光纖傳輸?shù)难訒r(shí)系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮衰減、色散、溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并為使延時(shí)系統(tǒng)能適應(yīng)不同的應(yīng)用，將它設(shè)計(jì)成延時(shí)量可變的系統(tǒng)。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(shè)計(jì)要求，研制雷達(dá)應(yīng)用中的延時(shí)系統(tǒng)為例：
    要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)量為50 m的模擬距離，根據(jù)公式(1)對(duì)應(yīng)的最小光纖環(huán)的長(zhǎng)度為68．2 m，如圖3所示，隨后的每個(gè)光開關(guān)所連接的光纖環(huán)長(zhǎng)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(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)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光開關(guān)，并采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同延時(shí)量的切換，此類光開關(guān)的平均插入損耗約為0．8 dB，并且由于采用了差分結(jié)構(gòu)每種延時(shí)通路經(jīng)過光開關(guān)的通路次數(shù)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(shù)計(jì)算，整個(gè)光路的損耗由四部分決定：直調(diào)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，光纖通路損耗，光電探測(cè)器的電光轉(zhuǎn)換效率，以及輸入輸出阻抗比；可由(2)式表示：
   
    ηTX為直調(diào)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)測(cè)試得到的ηTX為0．075。ηRX為光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)測(cè)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，光開關(guān)的插入損耗和各個(gè)光連接頭的損耗；按最長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度為22 495 m計(jì)算，最大的光纖傳輸損耗為4．5 dB(標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的損耗系數(shù)為0．2 dB／km)；每個(gè)光開關(guān)的插入損耗為0．8 dB，共有10個(gè)光開關(guān)，因此光開關(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(jù)以上分析，按照(2)式所計(jì)算的通過光路的射頻信號(hào)的增益GdB為-42．7 dB。
    模擬雷達(dá)的回波信號(hào)的延遲衰減量LdB與模擬距離H的關(guān)系滿足式(3)：
   
    這樣對(duì)于最低模擬距離50 m，延遲衰減量為-51 dB；對(duì)于最高模擬距離16 500 m，延遲衰減量為-126．5 dB；對(duì)雷達(dá)回波的模擬所需的延時(shí)衰減量范圍為-51～-126．5 dB。此系統(tǒng)能夠滿足-51dB的最大衰減量的需求，并且可以通過同軸可調(diào)衰減器使得最終的輸出射頻信號(hào)衰減量可以在-48～-129．5 dB之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。
    對(duì)于需求更小損耗的延時(shí)系統(tǒng)我們可以在光電探測(cè)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，完全可以滿足要求，且有一定富余量。為了降低光放大器的噪聲系數(shù)，可在放大器內(nèi)部增加ASE濾波器，從而將輸出波長(zhǎng)鎖定在激光器的波長(zhǎng)上。在系統(tǒng)傳輸?shù)氖悄M信號(hào)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(jī)有較好的解調(diào)效果。放大器的輸出既可以接光接收機(jī)，也可以與下一級(jí)設(shè)備級(jí)聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)更小的損耗還可以在光電探測(cè)器后串聯(lián)射頻放大器。
    對(duì)于長(zhǎng)延時(shí)系統(tǒng)的研制，還需要考慮色散的影響，光傳輸?shù)纳壬⑾拗茙捒捎梢韵鹿?4)計(jì)算，其中Bc為色度色散限制帶寬，△λ(nm)為譜線寬度，C(λ)(ps／nm·km)為光纖色度色散系數(shù)，對(duì)于L(km)為光纖長(zhǎng)度。
   
    由式(4)可知，為降低影響，要求激光器譜線(FWHM)盡量窄，光纖得色度色散系數(shù)盡量小。目前市面上有的激光器FWHM達(dá)到10MHz(8x10-5nm)。在光纖的選擇上，比較常用的G．652光纖色散系數(shù)約為20ps／nm·km。
    據(jù)此可以算出波長(zhǎng)為1550 nm的光信號(hào)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(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)造成影響。
    在實(shí)際的延時(shí)系統(tǒng)研制過程中，我們還需要考慮由光-電轉(zhuǎn)換，電-光轉(zhuǎn)換以及信號(hào)輸入和輸出衰減器等組件帶來的電信號(hào)延時(shí)，系統(tǒng)存在延遲零點(diǎn)H0(經(jīng)測(cè)試該零點(diǎn)小于50 m)。則在此類延時(shí)系統(tǒng)的研制時(shí)，可以通過調(diào)整直調(diào)激光器和1x2光開關(guān)之間的光纖長(zhǎng)度將該零點(diǎn)校準(zhǔn)到50 m，其余光纖長(zhǎng)度不變。這樣調(diào)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(dá)到精確模擬各整數(shù)距離點(diǎn)的技術(shù)要求。在具體的研制時(shí)，還應(yīng)該注意，2x2光開關(guān)差分結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度L=L0+68．2 m，L0為短路通路的光纖長(zhǎng)度。
    信號(hào)在光纖中的傳輸模式主要由射線的入射角的差異來決定的，而射線的入射角往往由于光纖發(fā)生彎曲而發(fā)生改變，從而使射線的傳輸模式發(fā)生了變化。射線在光纖出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲的時(shí)候，甚至?xí)赋龉饫w造成能量的損失。一般來說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(shè)計(jì)光纖環(huán)以及固定光纖接頭時(shí)應(yīng)盡量增大光纖的彎曲半徑(一般不應(yīng)小于3 cm)。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證
    采用示波器法(選用美國(guó)TEK的DP070604示波器)對(duì)此延時(shí)系統(tǒng)的脈沖信號(hào)延時(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

    選取1 000m點(diǎn)，測(cè)試10次，對(duì)系統(tǒng)的重復(fù)性進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)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(jié)果重復(fù)性：
   
    對(duì)應(yīng)的模擬距離的重復(fù)性為5x10-4m。
    由表1數(shù)據(jù)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(shù)的模擬距離，但是由重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，基于光纖傳輸?shù)难訒r(shí)系統(tǒng)具有可靠性高和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語
    文中利用光纖傳輸延時(shí)技術(shù)，通過合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)、通信中應(yīng)用的復(fù)雜調(diào)試信號(hào)的長(zhǎng)延時(shí)系統(tǒng)，并且此延時(shí)系統(tǒng)具有高抗干擾性和高可靠性、延時(shí)范圍大、帶寬大，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，大大降低了雷達(dá)、通信系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)、驗(yàn)證、仿真的成本和時(shí)間。隨著光纖技術(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(tǒng)應(yīng)用將越來越廣泛和實(shí)用。