eng
Выпуск #1/2016
В.Мораренко
Радиофотонные системы связи: измерения параметров и характеризация вч/свч компонентов
Радиофотонные системы связи: измерения параметров и характеризация вч/свч компонентов
Просмотры: 2692
В последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем передач наблюдается замещение электронных систем на фотонные
Теги: measurement of rf/microwave components radiophotonic communication systems измерение параметров вч/свч компонентов радиофотонные системы связи
Что такое радиофотоника
Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении – радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и промышленного производства.
Другими словами, радиофотоника ‒ новое научно-техническое и технологическое направление, изучающее взаимодействие оптического излучения и СВЧ-радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Направление связано с использованием методов и средств фотоники совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами радиодиапазонов.
Радиофотоника нашла свое применение в таких областях, как передача с минимальными потерями сигналов спутниковой связи, распределение сигналов на удаленные антенны, линии передачи СВЧ-сигналов внутри крупных объектов, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), оптические линии задержки и обработки сигналов, системы калибровки радаров и РЛС, фазированные антенные решетки (ФАР).
В английской литературе данное направление получило название radio over fiber (ROF) или radio over glass (ROG). Суть этих технологий заключается в передаче радиосигнала (на соответствующей несущей, с определенным форматом модуляции, или импульсным сигналом, с ЛЧМ и т.д.) по оптоволоконному кабелю с помощью двух ключевых элементов: передатчика (TX – transmitter) и приемника (RX – receiver). В основном качество такой системы и определяется этими главными (активными) электрооптическим и оптоэлектронным компонентами.
Основные преимущества радиофотонных систем: сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0,2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц); сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50 ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше); низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения); высокая фазовая стабильность оптического волокна; невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи; гальваническая развязка фотонных схем; малая масса и размеры оптического волокна; механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).
Типы компонентов
радиофотонных систем
Итак, основные компоненты радиофотонной системы – передатчик и приемник. Конечно, это общие названия. На практике передатчик является более сложным устройством, содержащим источник лазерного излучения и модулятор, не считая электронные схемы управления, например, микропроцессор. В качестве приемников используются различные фотодиоды или фотодетекторы, а при необходимости детектирования фазы оптического сигнала – когерентные фотодетекторы со смешением с опорным сигналом.
Конечно, роль пассивных оптических компонентов также высока, и использование качественных оптоволоконных кабелей – залог передачи сигнала с минимальными потерями. Для некоторых типов сигналов и форматов модуляции критичным становится сохранение состояния поляризации по всей длине волокна.
Немало зарубежных компаний предлагают сегодня радиочастотные волоконно-оптические компоненты различного назначения и различных принципов действия. Сейчас важным направлением развития и сохранения обороноспособности и научного потенциала России является разработка отечественной компонентной базы. Именно при разработках, исследованиях, опытно-конструкторских работах и производстве компоненты необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне.
Метод измерения параметров компонентов – "оптические" S-параметры
Как было сказано выше, компоненты радиофотонных систем необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне. Такую информацию несут, как известно, S-параметры для ВЧ/СВЧ-устройств. В оптических системах передачи данных и связи активные компоненты также можно охарактеризовать в зависимости от соотношений между выходным и входным сигналом и типа этих сигналов. Для оптических компонентов S-параметры несут определенный смысл, отличающийся от S-параметров ВЧ/СВЧ-устройств. Например, частота отсечки модулирующего сигнала, абсолютная чувствительность, потери на отражение и т.д. К тому же невозможно измерение параметра S12, ввиду невозможности обратного преобразования сигнала в таких компонентах.
Итак, измерение параметров оптоэлектронного приемника состоит из определения отношения силы тока выходного электрического модулированного сигнала к уровню мощности входного оптического модулирующего сигнала. Чувствительность оптоэлектронных устройств описывает, как изменение уровня оптической мощности приводит к изменению электрического тока. Графически это показано на рис.1.
Прибор должен измерять уровень мощности входного оптического модулирующего сигнала, силу тока выходного электрического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в А/Вт.
Процесс измерения параметров электрооптических устройств во многом аналогичен измерению оптоэлектронных устройств. Анализ электрооптического передатчика включает измерение силы тока входного электрического сигнала модуляции и уровня мощности выходного оптического модулированного сигнала. Крутизна характеристики или чувствительность (Responsivity Rs (W/A)) используется для описания того, как изменение силы тока на входе приводит к изменению уровня мощности на выходе. Графически это показано на рис.2.
Прибор должен измерять силу тока входного электрического модулирующего сигнала, уровень мощности выходного оптического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в Вт/А в линейном масштабе или децибелах.
Таким образом, используя приведенные методы измерений параметров и характеризации для тестирования компонентов систем передачи радиосигнала по оптическому каналу, а именно электрооптических, оптоэлектронных устройств, компанией Keysight Technologies предложен инновационный прибор – анализатор оптических компонентов (lightwave component analyzer – LCA), построенный на базе векторного анализатора цепей. Концептуальная диаграмма метода анализа оптических компонентов, реализованного на базе векторного анализатора цепей и преобразования радиосигнала в оптический и наоборот, представлена на рис.3.
Концептуальная схема реализуется с помощью так называемой "оптической" приставки (рис.4), в которой происходит преобразование, то есть в ней интегрированы оптический передатчик и оптический приемник, а система фазостабильных кабелей используется для передачи сигналов на векторный анализатор цепей, откалиброванный в плоскости входных каналов последнего. Такое оборудование позволяет определять "оптические" S-параметры в диапазоне частот до 67 ГГц.
Сейчас линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies состоит из четырех приборов: N4373D, N4375D, N4376D, N4374B (см. таблицу). В каждой модели опционально можно выбрать необходимый частотный диапазон, конфигурацию векторного анализатора цепей, конфигурацию оптической приставки (например, использование встроенного лазерного излучателя или внешнего – на пользовательской длине волны).
Управление прибором осуществляется с помощью надстройки к стандартному пользовательскому интерфейсу анализаторов цепей Keysight. С помощью данной надстройки выбирается длина волны источника излучения, мощность оптического излучения, рабочая точка встроенного лазерного излучателя. Таким образом, работа с прибором такого высокого класса интуитивно понятна и не составляет труда, в том числе процесс калибровки и коррекции предыскажений (рис.5).
Так же анализатор оптических компонентов (при использовании 4-портовой конфигурации анализатора цепей) позволяет проводить балансные измерения устройств с дифференциальными входами или выходами (рис.6). Как и тестирование ВЧ/СВЧ-устройств, радиофотонные компоненты можно тестировать на подложке или плате с помощью зондовой станции и специальных пробников (рис.7).
Еще одним преимуществом метода характеризации оптоэлектронных и электрооптических компонентов ВЧ/СВЧ в частотной области с помощью S-параметров является их интеграция с системами автоматизированного проектирования (САПР). Так, для моделирования радиофотонной системы можно использовать измеренные на анализаторе оптических компонентов S-параметры передатчика или приемника, загрузить их в соответствующую модель, например, в САПР для моделирования на системном уровне Keysight SystemVue, и модель системы построить на основе реальных параметров, обеспечивая этим полное соответствие и правдоподобность модели (рис.8).
Таким образом, предложен метод измерений параметров и характеризации оптоэлектронных и электрооптических компонентов ВЧ/СВЧ в частотном диапазоне до 67 ГГц и решение для его реализации на базе векторных анализаторов цепей компании Keysight серий ENA и PNA.
ЛИТЕРАТУРА
1.Derickson D. Fiber optic test and measurement. ISBN 0-13-534330-5. Hewlett-Packard Professional books. – New Jersey: Prentice Hall PTR, 1998.
2.Xavier N.F. Radio over Fiber for Wireless Communications: From Fundamentals to Advanced Topics (Wiley - IEEE). - Hoboken (New Jersey): Wiley, 1st Edition, 2014.
3.Gomes N.J., Monteiro P.P., Gameiro A.
Next Generation Wireless Communications Using Radio over Fiber. – Hoboken (New Jersey): Wiley, 2012.
4.Khawaja B.A.M. Millimetre-Wave Radio-Over-Fiber Systems Using Mode-Locked Lasers. – Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013.
5.Lightwave Catalog Volume 2: Optical-Electrical / Polarization /
Complex Modulation. -Keysight Technologies, Inc., 2015.
Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении – радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и промышленного производства.
Другими словами, радиофотоника ‒ новое научно-техническое и технологическое направление, изучающее взаимодействие оптического излучения и СВЧ-радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Направление связано с использованием методов и средств фотоники совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами радиодиапазонов.
Радиофотоника нашла свое применение в таких областях, как передача с минимальными потерями сигналов спутниковой связи, распределение сигналов на удаленные антенны, линии передачи СВЧ-сигналов внутри крупных объектов, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), оптические линии задержки и обработки сигналов, системы калибровки радаров и РЛС, фазированные антенные решетки (ФАР).
В английской литературе данное направление получило название radio over fiber (ROF) или radio over glass (ROG). Суть этих технологий заключается в передаче радиосигнала (на соответствующей несущей, с определенным форматом модуляции, или импульсным сигналом, с ЛЧМ и т.д.) по оптоволоконному кабелю с помощью двух ключевых элементов: передатчика (TX – transmitter) и приемника (RX – receiver). В основном качество такой системы и определяется этими главными (активными) электрооптическим и оптоэлектронным компонентами.
Основные преимущества радиофотонных систем: сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0,2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц); сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50 ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше); низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения); высокая фазовая стабильность оптического волокна; невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи; гальваническая развязка фотонных схем; малая масса и размеры оптического волокна; механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).
Типы компонентов
радиофотонных систем
Итак, основные компоненты радиофотонной системы – передатчик и приемник. Конечно, это общие названия. На практике передатчик является более сложным устройством, содержащим источник лазерного излучения и модулятор, не считая электронные схемы управления, например, микропроцессор. В качестве приемников используются различные фотодиоды или фотодетекторы, а при необходимости детектирования фазы оптического сигнала – когерентные фотодетекторы со смешением с опорным сигналом.
Конечно, роль пассивных оптических компонентов также высока, и использование качественных оптоволоконных кабелей – залог передачи сигнала с минимальными потерями. Для некоторых типов сигналов и форматов модуляции критичным становится сохранение состояния поляризации по всей длине волокна.
Немало зарубежных компаний предлагают сегодня радиочастотные волоконно-оптические компоненты различного назначения и различных принципов действия. Сейчас важным направлением развития и сохранения обороноспособности и научного потенциала России является разработка отечественной компонентной базы. Именно при разработках, исследованиях, опытно-конструкторских работах и производстве компоненты необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне.
Метод измерения параметров компонентов – "оптические" S-параметры
Как было сказано выше, компоненты радиофотонных систем необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне. Такую информацию несут, как известно, S-параметры для ВЧ/СВЧ-устройств. В оптических системах передачи данных и связи активные компоненты также можно охарактеризовать в зависимости от соотношений между выходным и входным сигналом и типа этих сигналов. Для оптических компонентов S-параметры несут определенный смысл, отличающийся от S-параметров ВЧ/СВЧ-устройств. Например, частота отсечки модулирующего сигнала, абсолютная чувствительность, потери на отражение и т.д. К тому же невозможно измерение параметра S12, ввиду невозможности обратного преобразования сигнала в таких компонентах.
Итак, измерение параметров оптоэлектронного приемника состоит из определения отношения силы тока выходного электрического модулированного сигнала к уровню мощности входного оптического модулирующего сигнала. Чувствительность оптоэлектронных устройств описывает, как изменение уровня оптической мощности приводит к изменению электрического тока. Графически это показано на рис.1.
Прибор должен измерять уровень мощности входного оптического модулирующего сигнала, силу тока выходного электрического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в А/Вт.
Процесс измерения параметров электрооптических устройств во многом аналогичен измерению оптоэлектронных устройств. Анализ электрооптического передатчика включает измерение силы тока входного электрического сигнала модуляции и уровня мощности выходного оптического модулированного сигнала. Крутизна характеристики или чувствительность (Responsivity Rs (W/A)) используется для описания того, как изменение силы тока на входе приводит к изменению уровня мощности на выходе. Графически это показано на рис.2.
Прибор должен измерять силу тока входного электрического модулирующего сигнала, уровень мощности выходного оптического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в Вт/А в линейном масштабе или децибелах.
Таким образом, используя приведенные методы измерений параметров и характеризации для тестирования компонентов систем передачи радиосигнала по оптическому каналу, а именно электрооптических, оптоэлектронных устройств, компанией Keysight Technologies предложен инновационный прибор – анализатор оптических компонентов (lightwave component analyzer – LCA), построенный на базе векторного анализатора цепей. Концептуальная диаграмма метода анализа оптических компонентов, реализованного на базе векторного анализатора цепей и преобразования радиосигнала в оптический и наоборот, представлена на рис.3.
Концептуальная схема реализуется с помощью так называемой "оптической" приставки (рис.4), в которой происходит преобразование, то есть в ней интегрированы оптический передатчик и оптический приемник, а система фазостабильных кабелей используется для передачи сигналов на векторный анализатор цепей, откалиброванный в плоскости входных каналов последнего. Такое оборудование позволяет определять "оптические" S-параметры в диапазоне частот до 67 ГГц.
Сейчас линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies состоит из четырех приборов: N4373D, N4375D, N4376D, N4374B (см. таблицу). В каждой модели опционально можно выбрать необходимый частотный диапазон, конфигурацию векторного анализатора цепей, конфигурацию оптической приставки (например, использование встроенного лазерного излучателя или внешнего – на пользовательской длине волны).
Управление прибором осуществляется с помощью надстройки к стандартному пользовательскому интерфейсу анализаторов цепей Keysight. С помощью данной надстройки выбирается длина волны источника излучения, мощность оптического излучения, рабочая точка встроенного лазерного излучателя. Таким образом, работа с прибором такого высокого класса интуитивно понятна и не составляет труда, в том числе процесс калибровки и коррекции предыскажений (рис.5).
Так же анализатор оптических компонентов (при использовании 4-портовой конфигурации анализатора цепей) позволяет проводить балансные измерения устройств с дифференциальными входами или выходами (рис.6). Как и тестирование ВЧ/СВЧ-устройств, радиофотонные компоненты можно тестировать на подложке или плате с помощью зондовой станции и специальных пробников (рис.7).
Еще одним преимуществом метода характеризации оптоэлектронных и электрооптических компонентов ВЧ/СВЧ в частотной области с помощью S-параметров является их интеграция с системами автоматизированного проектирования (САПР). Так, для моделирования радиофотонной системы можно использовать измеренные на анализаторе оптических компонентов S-параметры передатчика или приемника, загрузить их в соответствующую модель, например, в САПР для моделирования на системном уровне Keysight SystemVue, и модель системы построить на основе реальных параметров, обеспечивая этим полное соответствие и правдоподобность модели (рис.8).
Таким образом, предложен метод измерений параметров и характеризации оптоэлектронных и электрооптических компонентов ВЧ/СВЧ в частотном диапазоне до 67 ГГц и решение для его реализации на базе векторных анализаторов цепей компании Keysight серий ENA и PNA.
ЛИТЕРАТУРА
1.Derickson D. Fiber optic test and measurement. ISBN 0-13-534330-5. Hewlett-Packard Professional books. – New Jersey: Prentice Hall PTR, 1998.
2.Xavier N.F. Radio over Fiber for Wireless Communications: From Fundamentals to Advanced Topics (Wiley - IEEE). - Hoboken (New Jersey): Wiley, 1st Edition, 2014.
3.Gomes N.J., Monteiro P.P., Gameiro A.
Next Generation Wireless Communications Using Radio over Fiber. – Hoboken (New Jersey): Wiley, 2012.
4.Khawaja B.A.M. Millimetre-Wave Radio-Over-Fiber Systems Using Mode-Locked Lasers. – Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013.
5.Lightwave Catalog Volume 2: Optical-Electrical / Polarization /
Complex Modulation. -Keysight Technologies, Inc., 2015.
Отзывы читателей
