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(chēng)為延遲線(xiàn)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)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/延時(shí)系統(tǒng)">延時(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(mǎn)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(kāi)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(xiàn)由于材料尺寸限制很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延時(shí)，雖然，近年來(lái)聲表面波延遲線(xiàn)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(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(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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(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(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)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(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(kāi)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。