панорамный измеритель амплитудно-частотных характеристик волоконно-оптических систем

Формула изобретения

ПАНОРАМНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, содержащий свип-генератор и последовательно соединенные с ним согласующий широкополосный усилитель, оптический излучатель, смеситель мод, выход которого является выходом всего устройства, а также оптический аттенюатор, вход которого является входом всего устройства, и последовательно соединенное с ним фотоприемное устройство, малошумящий широкополосный усилитель и амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом электронно-вычислительной машины, три выхода которой соединены соответственно с графопостроителем, печатающим устройством и управляющим входом свип-генератора, отличающийся тем, что в него введены модулирующий генератор, выход которого соединен с модулирующим входом свип-генератора, узкополосный фильтр, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, детектор низких частот, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра и выход - с входом аналого-цифрового преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано при измерениях АЧХ волоконно-оптических систем (ВОС).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому измерителю АЧХ является оптический измеритель типа АQ-1003 взятый в качестве прототипа. Рассматриваемая схема содержит свип-генератор (перестраиваемый синтезированный ВЧ-генератор), согласующий широкополосный усилитель (СШУ), оптический излучатель, смеситель мод, аттенюатор оптический, фотоприемное устройство, малошумящий широкополосный усилитель (МШУ), селек- тивный измеритель уровня ВЧ-сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ЭВМ, графопостроитель и печатающее устройство.

Работает прототип следующим образом.

ВЧ-сигнал со свип-генератора с постоянной амплитудой, но частота которого изменяется в диапазоне 1-1000 МГц, подается через СШУ на оптический излучатель, в котором происходит амплитудная модуляция оптического сигнала с постоянной глубиной модуляции, но с переменной частотой модуляции. Сигнал через смеситель мод вводится в исследуемую ВОС. За счет неравномерности АЧХ ВОС в полосе изменения частоты свип-генератора сигнал оптического диапазона получает дополнительную амплитудную модуляцию, закон которой является функцией неравномерности АЧХ ВОС. С выхода ВОС сигнал через оптический аттенюатор подается на вход фотоприемного устройства (ФПУ), в котором происходит демодуляция оптического излучения. Таким образом, на выходе ФПУ появляется ВЧ-сигнал, промодулированный по амплитуде, причем в законе изменение коэффициента АМ заложена информация об АЧХ исследуемой ВОС. После детектирования этого сигнала амплитудным детектором на выходе последнего выделяется НЧ-составляющая, являющаяся "копией" закона изменения коэффициента АМ. При подаче НЧ-сигнала на АЦП происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. При измерениях АЧХ ВОС с большим затуханием (потерями) для обеспечения высокой чувствительности анализатора в схему вводится селективный измеритель уровня ВЧ-сигнала, стоящего на выходе МШУ. Селективный измеритель уровня последовательно настраивается на каждую составляющую частоты свип-генератора (для этого в качестве свип-генератора используется синтезированный ВЧ-генератор), обеспечивая при этом фильтрацию шумов, вносимых широкополосными трактами. Последовательно выделяемые селективным измерителем сигналы детектируются амплитудным детектором и подают на АЦП. Информация с АЦП поступает в ЭВМ, в которой она запоминается и обрабатывается. ЭВМ производит управление перестройкой частоты свип-генератора (синтезированного ВЧ-генератора), а также выводит информацию в необходимой форме на графопостроитель и печатающее устройство. Обработка информации заключается в выполнении операций по коррекции результатов измерений с учетом собственной неравномерности АЧХ анализатора. Коррекция результатов осуществляется путем проведения предварительных измерений собственной АЧХ измерителя с использованием калиброванного волоконного световода малой длины. Затем проводятся измерения с исследуемой ВОС и результаты измерений выдаются с учетом коррекции собственной неравномерности. Для уменьшения влияния случайных погрешностей процесс измерения в случае необходимости многократно повторяется, а полученные результаты усредняются.

Анализатор АQ-1003 имеет следующие основные характеристики: полоса анализа 1-100 МГц, динамический диапазон около 100 дБ (10^-4-10^-14 Вт), предельная чувствительность (при С/Ш= 6 дБ) 10^-14 Вт, погрешность измерения в пределах 0,5 дБ.

Селективный измеритель уровня представляет собой сложное приемное устройство, которое трудно поддается автоматизации.

К недостатком прототипа следует отнести наличие в составе анализатора перестраиваемого селективного измерителя уровня ВЧ-сигнала, что приводит к невозможности полной автоматизации измерений за счет необходимости ручной перестройки селективного измерителя, к снижению скорости измерений, к недостаточной в ряде случаев предельной чувствительности.

Указанные недостатки устраняются следующим образом.

В схему прототипа, содержащего свип-генератор и последовательно соединенные с ним согласующий широкополосный усилитель, оптический излучатель, смеситель мод, выход которого является выходом всего устройства, а также оптический аттенюатор, вход которого является входом всего устройства, последовательно соединенные с ним фотоприемное устройство, малошумящий широкополосный усилитель и амплитудный детектор, кроме того, АЦП и последовательно соединенную с ним ЭВМ, три выхода которой соединены соответственно с графопостроителем, печатающим устройством и управляющим входом свип-генератора, введены генератор модулирующий, выход которого соединен с модулирующим входом свип-генератора, узкополосный фильтр, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, детектор низкой частоты (датчик НЧ), вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход - с входом АЦП.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие принцип работы предлагаемого измерителя.

Предлагаемое устройство состоит из свип-генератора 1, согласующего широкополосного усилителя 2, вход которого соединен с выходом свип-генератора 1, оптического излучателя 3, вход которого соединен с выходом согласующего широкополосного усилителя 2, смесителя 4 мод, вход которого соединен с выходом излучателя 3, а выход является выходом всего измерителя в целом и соединен с входом исследуемого ВОС 5, оптического аттенюатора 6, вход которого является входом всего измерителя и соединен с выходом исследуемого ВОС 5, фотоприемного устройства 7, вход которого соединен с выходом аттенюатора 6, малошумящего широкополосного усилителя 8, вход которого соединен с выходом устройства 7, амплитудного детектора 9, вход которого соединен с выходом усилителя 8, узкополосного фильтра 10, вход которого соединен с выходом детектора 9, детектора НЧ 11, вход которого соединен с выходом фильтра 10, АЦП 12, вход которого соединен с выходом детектора НЧ 11, ЭВМ 13, вход которой соединен с выходом АЦП 12, а один выход соединен с управляющим входом свип-генератора 1, графопостроителя 14, вход которого соединен с вторым выходом ЭВМ 13, печатающего устройства 15, вход которого соединен с третьим выходом ЭВМ 13, генератора 16 модулирующего сигнала, выход которого соединен с модулирующим входом свип-генератора 1.

Измеритель работает следующим образом.

Синусоидальный сигнал с генератора 16 модулирующего сигнала (с фиксированной низкой частотой порядка 400-1000 Гц и постоянной амплитудой) подается на модулирующий вход свип-генератора 1. В результате свип-генератор 1 формирует амплитудно-модулированный сигнал с плавно изменяющейся несущей частотой, с постоянной глубиной АМ. Это сложное модулирующее колебание, частота которого изменяется в зависимости от требуемой полосы обзора, через согласующий широкополосный усилитель 2 подается на оптический излучатель 3, в котором осуществляется амплитудная модуляция лазерного полупроводникового диода. Качественный вид модулирующего сигнала, приведенного на фиг. 2а, показывает, что ВЧ АМ модуляция оптического излучателя осуществляется с переменной частотой и постоянной глубиной m₁, а НЧ АМ модуляция осуществляется с постоянной частотой и глубиной m₂<m. Оптический сигнал через смеситель 4 мод, поступает в исследуемую ВОС 5. При прохождении оптического сигнала через ВОС он получает дополнительную АМ модуляцию, закон которой обусловлен частотной зависимостью модуля коэффициента передачи ВОС. Через аттенюатор 6, служащий для выбора оптимального режима работы измерителя в зависимости от уровня сигнала на входе аттенюатора, сигнал поступает на ФПУ 7. В ФПУ 7 происходит демодуляция оптического сигнала, в результате чего на выходе ФПУ выделяется модулирующий сигнал со сложной амплитудой (см. фиг. 2б). После усиления его в малошумящем широкополосном усилителе 8 сигнал подается на амплитудный детектор 9, который производит демодуляцию ВЧ-составляющей, с выделением НЧ-составляющей вида (см. фиг. 2в). Таким образом, носителем информации об измерениях параметрах ВОС является амплитуда НЧ-сигнала с фиксированной частотой. Кроме этого сигнала на выходе АД появляются шумы, обусловленные широкополосными трактами измерителя, существенно ограничивающие динамический диапазон измерителя и его чувствительность. Для фильтрации шумов ФПУ смесь сигнала и шума подается на узкополосный фильтр 10, настроенный на частоту модулирующего АМ-сигнала и имеющего узкую полосу пропускания. Отфильтрованный сигнал вида (см. фиг. 2г) поступает на детектор НЧ 11, который демодулирует сигнал фиксированной частоты и выделяет НЧ-огибающую изменения коэффициента модуляции во времени (см. фиг. 2д). Этот медленно меняющийся сигнал поступает на АЦП 12 для преобразования его в цифровую форму. Поскольку в свип-генераторе частота генерации сигнала является плавной функцией времени, то временная зависимость глубины модуляции оказывается частотно-зависимой и отражает частотные свойства модуля коэффициента передачи исследуемой ВОС 5.

Далее информация с АЦП поступает в ЭВМ, в которой она запоминается и обрабатывается. Обработка информации заключается в выполнении операций по коррекции результатов измерений с учетом собственной неравномерности АЧХ-измерителя. Кроме того, ЭВМ производит управление перестройкой частоты свип-генератора (синтезированного ВЧ-генератора), а также выводит информацию в необходимой форме на графопостроитель и печатающее устройство. Коррекция результатов осуществляется путем проведения предварительных измерений собственной АЧХ измерителя с использованием калиброванного волоконного световода малой длины. Затем к измерителю подсоединяется исследуемая ВОС и проводятся повторные измерения с выдачей результатов измерений с учетом коррекции собственной неравномерности. Для уменьшения влияния случайных погрешностей процесс измерения в случае необходимости многократно повторяется, а полученные результаты усредняются.

В измерителе в оптическом излучателе используется в качестве излучающего элемента полупроводниковый лазерный диод. Положительный эффект от предлагаемых решений, основанных на замене селективного перестраиваемого измерителя уровня ВЧ-сигнала на более узкополосное устройство - узкополосный фильтр, на введении дополнительного детектора НЧ, а также на введении режима амплитудной модуляции свип-генератора, и получается на основании нижеизложенного.

Полоса пропускания селективного перестраиваемого измерителя уровня ВЧ-сигнала выбирается из условий практической реализации высокой добротности избирательных цепей и кратковременной нестабильности частоты свип-генератора. Так, при f/f= 10^-6 f_о, при максимальной частоте обзора f_о= 1000 МГц полоса не может быть уже чем 1-2 МГц. Полоса пропускания узкополосного фильтра на фиксированной низкой частоте 400 Гц составляет порядка 5 Гц (при этом стабильность свип-генеравтора не играет никакой роли, а стабильность частоты генератора модулирующего может находиться на уровне 10^-3 F). За счет уменьшения полосы пропускания тракта и переноса полезной информации на низкую частоту выигрыш по фильтрации шумов составляет более 20дБ при прочих равных условиях. Это позволяет автоматически расширить динамический диапазон на 20 дБ и улучшить чувствительность анализатора до величины 510^-16 Вт.

В предлагаемой схеме отсутствуют узлы, требующие их ручной перестройки в процессе измерений (так как селективный перестраиваемый измеритель уровня ВС-сигнала подключен), что позволяет обеспечить полную автоматизацию измерений.

Предлагаемый измеритель может быть выполнен с использованием следующих схемных решений. Свип-генератор может быть выполнен на основе генератора качающейся частоты, используемого в измерителе КСВН панорамном типа Р2-73. Оптический излучатель и фотоприемное устройство аналогичны схемам, используемым в излучателе дисперсионного типа в волоконных световодах. Схема узкополосного фильтра аналогична схеме, применяемой в измерителе ослабления Д1-14.

Экспериментальные исследования предлагаемого измерителя, конструктивная проработка и сравнительная оценка показали, что он обеспечивает по сравнению с прототипом существенное улучшение основных параметров измерителя с одновременным уменьшением массогабаритных характеристик и увеличением степени автоматизации измерений. Положительный эффект всего измерителя по сравнению с базовым объектом показан в таблице.

Таким образом, использование изобретения позволяет осуществить измерение полосы пропускания ВОС, а также неравномерности АЧХ, модуля коэффициента передачи или ослабления с высокой разрешающей способностью, с более широким динамическим диапазоном, а также с улучшенными метрологическими характеристиками за счет существенного сужения полосы пропускания приемного тракта, что стало возможным из-за переноса полезной информации с высокой частоты на низкую благодаря амплитудной модуляции свип-генератора. Получено расширение функциональных возможностей - полная автоматизация измерений за счет исключения из схемы перестраиваемого селективного измерителя уровня ВЧ-сигнала и введения узлов, не требующих перестройки при измерениях. Обеспечено существенное снижение массогабаритных характеристик анализатора за счет исключения сложного и громоздкого селективного звена.

(56) Введение в технику измерений оптико-физических параметров световодных систем. Под ред. проф. А. Ф. Котюка. М. : Радио и связь, 1987, с. 125.