автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Аналоговые волоконно-оптические системы с частотным разделением каналов на ВЧ и СВЧ поднесущих и сети на их основе

На правах рукописи

Белкин Михаил Евсеевич

003057'04Т

АНАЛОГОВЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ НА ВЧ И СВЧ ПОДНЕСУЩИХ И СЕТИ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальности: 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения и 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ .

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2007

003057047

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Засовин Э.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Алексеев Е.Б.

доктор технических наук, профессор Потапов В.Т.

доктор физико-математических наук, профессор Ривлин Л.А. Ведущая организация ОАО «Радиотехнический институт

имени академика А.Л. Минца»

Защита состоится 200^г. в час. РО мин.

на заседании диссертационног о совета Д212.131.01 МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совет^У/ доктор технических наук, доцент ///у ^ Куликов Г.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Настоящая диссертационная работа методологически выполнена на стыке СВЧ радиоэлектроники и волоконно-оптической связи. Первая представляет собой уже сформировавшуюся область с глубоко разработанными научными подходами, моделями и методами расчета, вторая - все еще в развитии, в процессе которого постоянно открываются новые направления. Одним из них является передача многоканального оптического сигнала с частотным разделением каналов (ЧРК) на ВЧ и СВЧ поднесущих, которая уже нашла применение в мультисер-висных сетях абонентского доступа (МСАД) и считается перспективной для различных радиолокационных целей, например, в фазированных антенных решетках, а также в развивающихся в последние годы распределительных системах волоконно-эфирной (ЯоР) структуры.

Общая актуальность темы исследований обосновывается тем, что технология организации, создания и развития взаимоувязанной системы информационного обмена и телекоммуникаций на основе интегрирования перспективных телекоммуникационных систем, включая волоконно-оптические линии связи, входит в «Состав критических технологий федерального уровня».

В особенности это касается абонентского уровня инфокоммуникаци-онных сетей, на котором таким способом можно создать универсальную информационную шину для единого домового ввода всех современных и перспективных услуг электросвязи, коммунального и социального обеспечения.

В волоконно-оптической связи системы этого типа начали развиваться только в конце 80-х годов, хотя попытки осуществить передачу многоканального сигнала с ЧРК в оптическом диапазоне делались еще до появления полупроводниковых лазеров и волоконных световодов. Причиной этому сначала являлась недостаточно широкая полоса пропускания трех принципиальных элементов волоконно-оптической связи: волоконного световода, лазера и фотодиода. Когда же были созданы элементы с полосой в десятки гигагерц, выяснилось, что используемый в цифровых волоконно-оптических системах (ВОСП) полупроводниковый лазер слишком нелинейный и нестабильный прибор для передачи многоканального аналогового сигнала с ЧРК. Следовательно, требуются специальные меры для улучшения линейности и повышения стабильности лазерных излучателей.

Общий теоретический анализ и моделирование ВОСП с ЧРК не проводились из-за несовместимости принципов моделирования входящих в их состав оптоэлектронных, оптических и радиотехнических компонентов ВЧ и СВЧ диапазонов.

Основополагающим подходом данной работы является использование для анализа оптоэлектронных и оптических элементов и модулей аппарата исследования, принятого для радиотехнических цепей СВЧ диапазона, а также учет особенностей работы в СВЧ диапазоне при моделировании и анализе оптоэлектронных элементов, устройств и волоконно-оптических систем. Такой подход позволяет в теоретическом плане устранить вышеуказанную несовместимость и создать единую инженерную методику расчета многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. В практическом плане разработка конкурентоспособного отечественного волоконно-оптического оборудования, обеспечивающего значительное повышение рентабельности строительства сетей абонентского доступа, является на сегодняшний день весьма актуальной задачей для развития инфраструктуры местной связи, как в мегаполисах, так и в небольших городах и сельской местности.

Кроме того, для построения широкомасштабных разветвленных информационных сетей с интеграцией услуг в работе предложены, проанализированы и исследованы экономичные устройства на основе работающей в синхронном режиме широкополосной схемы фазовой синхронизации (СФС), предназначенные для ретрансляции и регенерации аналоговых и цифровых сигналов в диапазоне поднесущих частот, а также для простого сопряжения волоконно-оптических линий и радиолиний передачи СВЧ диапазона. Хотя теория и принципы работы систем фазовой синхронизации достаточно исследованы и описаны в большом числе статей и монографий, вопрос применения СФС в режиме когерентного усиления, ретрансляции и регенерации широкополосных сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов изучен недостаточно. В частности, анализ публикаций показывает, что при моделировании одного из основных узлов СФС: фазового детектора — не принимаются во внимание параметры, связанные с его работой в СВЧ диапазоне, что вносит существенную погрешность в расчеты. Также слабо исследованы шумы и искажения, вносимые широкополосной нелинейной СФС в передаваемые аналоговые и цифровые сигналы СВЧ диапазона и отсутствуют аналитические критерии для сопоставления с другими типами СВЧ усилителей.

Очевидно, что оптимальное решение проблемы разработки ВОСП с ЧРК для МСАД волоконно-коаксиальной структуры, считающейся одним из наиболее перспективных на сегодняшний день типов местных сетей связи, невозможно в отрыве от сети, основным функциональным элементом которой она является. Вследствие этого, разработка концепции оптимального с технической и экономической точек зрения построения МСАД данного типа и последовательной методики проектирования такой сети при использовании ВОСП с согласованными параметрами также является

актуальной задачей. Отметим, что она особенно важна для нашей страны, в которой в настоящее время уже назрела острая необходимость коренной модернизации инфраструктуры местных сетей связи.

Цель работы: Создание комплекса научно обоснованных технических решений, позволяющих осуществить последовательную разработку многоканальных аналоговых ВОСП для телекоммуникационных и радиолокационных применений и проектировать мультисер-висные сети абонентского доступа на их основе с оптимальными технико-экономическими показателями.

Задачи исследования. В соответствии с вышеизложенным в настоящей диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- анализ многоканальной оптической системы передачи с ВЧ и СВЧ поднесущими и определение требований к параметрам критических элементов и узлов конкретных ВОСП (лазерному излучателю, фотодиодному модулю, передающему и приемному оптоэлектронным модулям);

- разработка моделей и анализ характеристик принципиальных структурных элементов устройств (лазера, фотодиода, фазового детектора) с учетом особенностей их работы в СВЧ диапазоне;

- разработка моделей и анализ характеристик оптического передающего устройства, фотоприемного устройства, когерентных усилителя, ретранслятора и регенератора аналоговых и цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией, входящих состав блока обработки информации, и устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов для взаимного сопряжения радиорелейных и волоконно-оптических линий передачи;

- разработка и исследование специализированных для аналоговых ВОСП лазерного и фотодиодного модулей;

- разработка и исследование специализированных для аналоговых ВОСП передающего и приемного оптоэлектронных модулей;

- разработка и исследование когерентных усилителя и ретранслятора СВЧ сигналов с угловой модуляцией и переходного устройства для сопряжения СВЧ и оптических линий передачи;

- разработка и исследование многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими для наиболее перспективных областей применения: МСАД, фазированных антенных решеток, кабельного и спутникового телевидения;

- разработка, проектирование и исследование экономичных муль-тисервисных сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры.

Методы исследования. Научно-методический аппарат, примененный для исследования, как оптических, оптоэлектронных, так и СВЧ радиотех-

нических элементов, узлов и устройств систем основан на классических методах анализа линейных и нелинейных цепей, принятых в СВЧ радиотехнике. В частности, линейные модели фотодиода, оптического изолятора, приемного и передающего оптоэлектронных модулей, когерентного усилителя на основе схемы фазовой синхронизации исследуются спектральным методом, а в нелинейных бесструктурных моделях лазера, СВЧ фазового детектора и регенератора цифровых СВЧ сигналов используется итерационный метод гармонического баланса, для чего схема разбивается на линейную инерционную и нелинейную безынерционную части, которые исследуются соответственно спектральным и численным методами с последующим сшиванием граничных параметров с помощью итерационных методов.

Рамки исследования. В диссертации при анализе многоканальных ВОСП учитывались только потери и отражения волоконно-оптического тракта, не принимая во внимание ограничение полосы передачи и дополнительные шумы вследствие дисперсии. В данном случае это допущение не приводит к существенной погрешности расчетов, поскольку ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, как правило, работают вблизи от минимума дисперсии кварцевого волокна, и в них используются одномодовые или одночас-тотные лазерные излучатели и одномодовые волоконные световоды, что также уменьшает дисперсию. Сравнительно невысокий уровень исследуемых в работе лазерных излучателей и небольшая протяженность линий передачи дают основание также не учитывать нелинейные искажения, создаваемые при распространении излучения в волоконно-оптическом тракте.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Используя аппарат анализа СВЧ радиотехнических цепей, развита общая теория работы принципиальных элементов, узлов и устройств многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.

2. В рамках вышеуказанного подхода разработаны математические модели и алгоритмы расчета по ним основных характеристик полупроводникового лазерного излучателя, оптического изолятора, фотодиода, передающего и приемного оптоэлектронных модулей.

3. Основываясь на них, получены и подтверждены экспериментом уточненные результаты расчета коэффициента передачи, отношения сигнал/шум, вносимых интермодуляционных искажений при передаче на поднесущих многоканальных ВЧ и СВЧ сигналов с различными видами модуляции.

4. При исследовании конкретных узлов и устройств ВОСП обнаружены и подтверждены экспериментом некоторые новые, не предсказуемые с по-

мощью известных моделей, специфические эффекты и возможности, позволяющие увеличить коэффициент передачи и отношение сигнал/шум системы и уточнить требования к их критическим параметрам.

5. Развита теория работы когерентного усилителя мощности, ретранслятора и регенератора передаваемых в СВЧ диапазоне аналоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией на основе широкополосной схемы фазовой синхронизации.

6. Для этого разработаны математическая модель диодного балансного фазового детектора СВЧ диапазона и алгоритм расчета по ней амплитудно-фазовой характеристики в режиме большого сигнала. При исследовании конкретных балансных детекторов обнаружен и подтвержден экспериментально эффект асимметрии амплитудно-фазовой характеристики, который невозможно описать с помощью известных моделей.

7. Для когерентного СВЧ усилителя на основе схемы фазовой синхронизации традиционной структуры разработаны уточненная математическая модель и алгоритм расчета по ней основных характеристик. Получены выражения для полосы усиления и коэффициента шума и проведено аналитическое сравнение с другими типами СВЧ усилителей аналогичного назначения, в результате которого определены и подтверждены экспериментальными данными условия и требования к параметрам элементов схемы фазовой синхронизации, при которых рассматриваемый усилитель имеет преимущество.

8. Разработана математическая модель и алгоритм расчета по ней основных характеристик предложенного автором варианта схемы фазовой синхронизации, в которой обеспечивается полная регенерация в СВЧ диапазоне высокоскоростного двухпозиционного цифрового сигнала с фазовой модуляцией. При исследовании с помощью модели качества и характеристик передачи цифрового сигнала установлены ограничения скорости переключения фазы и определены требования к параметрам элементов схемы.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

Базируясь на принципах, принятых при разработке элементов и систем передачи СВЧ диапазона, развито новое направление техники волоконно-оптической связи: многоканальные аналоговые волоконно-оптические системы передачи с ВЧ и СВЧ поднесущими.

1. Разработаны общие принципы построения и расчета многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.

2. Разработана и исследована специализированная оптическая и опто-электронная элементная база многоканальных аналоговых ВОСП.

3. Разработаны и исследованы специализированные узлы аппаратуры.

4. Разработаны и исследованы специализированные устройства для передачи, приема и ретрансляции сигналов и сопряжения с линиями СВЧ диапазона.

5. Разработаны и испытаны шесть систем для конкретных областей применения многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущи-ми.

6. Разработаны концепция построения, методика расчета и типовые проекты экономичных мультисервисных сетей абонентского доступа воло-конно-коаксиальной структуры для распределительных сетей в городской и сельской местностях. На базе полученных результатов в г. Архангельске спроектирована и построена с использованием разработанной аналоговой ВОСП с ЧРК первая в России общегородская сеть кабельного телевидения волоконно-коаксиальной структуры.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Комплексный подход к анализу нелинейных искажений в многоканальных аналоговых ВОСП с ЧРК, позволивший учесть влияние нелинейности передаточной характеристики не только лазерного излучателя, но и фотодиода с радиочастотным усилителем, что упростило процедуру анализа и повысило точность оценки динамического диапазона ВОСП и числа передаваемых телевизионных каналов.

2. Метод анализа динамического диапазона и отношения сигнал/шум на выходе многоканальной аналоговой ВОСП с учетом импедансных и шумовых характеристик оптоэлектронных компонентов, позволивший обнаружить режим работы фотоприемного устройства, обеспечивающий существенное повышение его чувствительности в случае использования в передатчике обычного для цифровых ВОСП лазера с резонатором Фабри-Перо. Это дало возможность эффективно применить данный сравнительно простой тип излучателя вместо исключительно применяемого в зарубежных аналоговых ВОСП дорогостоящего лазера с распределенной обратной связью.

3. Общий научный подход на базе аппарата анализа СВЧ радиотехнических цепей, позволивший создать корректные математические модели основных оптоэлектронных, оптических и радиочастотных компонентов и передающего и приемного оптоэлектронных модулей многоканальных аналоговых ВОСП с ЧРК.

4. Когерентные устройства усиления, ретрансляции и регенерации на основе широкополосной схемы фазовой синхронизации СВЧ диапазона,

позволившие повысить эффективность использования крупномасштабных многоканальных и многоствольных ВОСП с ЧРК, а также сопряжения СВЧ и волоконно-оптических линий передачи.

5. Развитый в данной работе научный подход, позволивший разработать многоканальные аналоговые ВОСП для телекоммуникационных и радиолокационных применений с существенно превосходящими зарубежные аналоги экономическими показателями и соответствующими отечественным и международным стандартам техническими показателями.

6. Волоконно-оптические системы и концепция построения и проектирования мультисервисных сетей абонентского доступа на их основе с высокими технико-экономическими показателями, обеспечившие построение в городской и сельской местностях современных инфокомму-никационных сетей с уровнем затрат в 5-10 раз меньше по сравнению с существующим вариантом построения МСАД.

Степень достоверности результатов исследований. Достоверность и корректность научных положений, выводов и рекомендаций работы обеспечивается строгим использованием адекватного математического аппарата, проверкой разработанных методов и созданных на их базе программных алгоритмов путем решения модельных задач, численным расчетом основных характеристик и сопоставлением полученных результатов с собственными экспериментальными данными и результатами других авторов.

Реализация и внедрение результатов работы. Развитая теория и проведенные исследования и разработки элементов, узлов и устройств были применены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, в результате которых были впервые в стране разработаны комплексы оборудования многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесу-щими различного назначения: 4-канальная и 8-канальная ВОСП с ЧРК/ЧМ в верхней части дециметрового диапазона для супермагистральных и магистральных линий сети кабельного телевидения; 50-канальная ВОСП с ЧРК/АМ с рабочей полосой 5-862 МГц для интерактивных мультисервисных сетей абонентского доступа; четырехствольная ВОСП сантиметрового диапазона волн для передачи и распределения на полотне фазированной антенной решетки набора опорных и информационных сигналов; 25-канальная волоконно-оптическая система коллективного приема сигналов спутникового телевещания с распределением в полосе 1-2 ГГц; 40-канальная волоконно-оптическая система коллективного приема сигналов спутникового телевещания с распределением сигналов в стандартном телевизионном диапазоне; 6-канальная ВОСП с ЧРК ЧМ и АМ для доставки

телевизионных и радиовещательных программ на удаленный ретранслятор.

Разработанная аппаратура демонстрировалась на выставке Второй Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием", Севастополь, на международной выставке "Связь-93", Москва, на выставке АО "Телеком", Москва, 1993 г., на выставке правительства Москвы "Наука, техника, город - 94", на международной выставке-ярмарке "Говорит и показывает Сибирь - 94", Новосибирск, на международной выставке TELECOM-95, Женева, на международной выставке «Связь-Экспокомм'97», Москва.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы при выполнении НИР и ОКР на предприятиях: ЦНИТИ, г. Москва, НИИРФ им. акад. Расплетина, г. Москва, ЦНИИС, г. Москва, ЗАО «Техномаш-ВОС», Москва.

Для внедрения разработок автором создано малое научно-производственное предприятие, силами которого данные ВОСП были произведены и установлены на сетях КТВ в Москве (сеть ВГТРК) и 9 других городах России и Беларуси. Результаты диссертационной работы используются в читаемом автором в МИРЭА курсе лекций по дисциплине «Волоконно-оптические устройства и системы».

Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались более чем на 30 Всесоюзных научно-технических конференциях и семинарах с 1983 по 1991 г. г., на международной конференции International'92 Geneva Conference. Signals and Systems. - Geneva, 1992: International ISFOC'92 Conference. St. Peterburg, apr. 1992; Всероссийской научно-технической конференции «Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры». - Владимир, 1994 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития современной телевизионной ТВ техники». — М.: АО «МНИТИ», 1995 и 1997 г. г.; LLU научной сессии РНТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню радио. М.: РНТОРЭС им. A.C. Попова, 1998 г.; Конгрессе Национальной ассоциации телевещателей. - М.: 1998 г.; LIV научной сессии, посвященной Дню радио. // РНТОРЭС им. A.C. Попова. М.: 1999 г.; Научно-техническом совете ФГУП НИИ Радио. - Москва, 1999 г.; LV научной сессии, посвященной Дню радио. // РНТОРЭС им. A.C. Попова. М.: 2000 г.; Научной сессии МИФИ. - М.: 2005 г.; LX научной сессии, посвященной Дню радио. // РНТОРЭС им. A.C. Попова. М.: 2005 г.; XII Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» - М.: АО «Техномаш», 200б г.; Научных конференциях профессорско-преподавательского состава, со-

трудников и аспирантов МЭИС в 1982, 1983, 1985 и 1987 г.г.; Научно-технических конференциях МИРЭА. - М.: 1990, 2004-2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа, среди которых 1 монография, вышедшая в издательстве «Радио и связь», 3 описания авторских свидетельств на изобретение, 20 статей в научно-технических журналах и сборниках (из них 12 в журналах, входящих в Перечень ВАК), 27 публикаций в тезисах и материалах научно-технических конференций и семинаров.

Авторский вклад. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично либо при его определяющем участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, списка принятых обозначений и сокращений, введения, семи основных глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 412 страниц в том числе табл. 26, илл. 171, библ. 180 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность решаемой научной проблемы и дается общая характеристика работы.

В первой главе рассматриваются общие принципы функционирования и современный уровень развития МСАД волоконно-коаксиальной структуры. Преимущества МСАД заключаются в простоте и экономичности, а также в возможности использования существующих распределительных сетей кабельного телевидения. При сравнении с другими вариантами сетей абонентского доступа МСАД волоконно-коаксиальной структуры оптимальна с точки зрения соотношения цена/возможности по предоставлению услуг электросвязи.

В качестве другого объекта исследования рассматриваются принципы построения и современный уровень развития многоканальной аналоговой ВОСП с ЧРК, являющейся принципиальным структурным элементом МСАД и телекоммуникационных и радиолокационных систем различных назначений. Преимущества использования данной системы по сравнению с цифровыми ВОСП - в прозрачности канала передачи, т.е. в независимости от формата модуляции, вида передаваемой информации и числа передаваемых каналов, а также в экономичности.

Проблемы создания аналоговой ВОСП, например, для МСАД связаны с необходимостью соответствия жестким критериям ГОСТ на распределительные сети КТВ при передаче многоканального сигнала с АМ в общем

линейном тракте. При этом предъявляются гораздо более высокие требования по сравнению с цифровыми ВОСП к линейности передаточной характеристики и вносимым шумам лазерного излучателя. Для удовлетворения их в ВОСП с ЧРК вместо обычно используемых в цифровых ВОСП лазерных диодов с резонатором Фабри-Перо (ЛФП), как правило, применяют специальные типы полупроводниковых лазеров: высоколинейные лазеры с распределенной обратной связью (ЛРОС). Помимо очевидных достоинств излучатель на основе ЛРОС обладает рядом недостатков, основным из которых является то, что стоимость его почти на порядок выше стоимости обычного ЛФП. В результате вклад в общую стоимость оптического передающего устройства ВОСП с ЧРК составляет 40-50%, что резко увеличивает требования к его надежности и долговечности. Кроме того, минимальный уровень мощности излучения ЛРОС оказывается чрезмерно высоким, например, в небольших городах и сельской местности, вызывая дополнительные нелинейные искажения в приемных устройствах. Следовательно, создание экономичного лазерного модуля для многоканальных аналоговых ВОСП с ЧРК до сих пор является актуальной задачей.

В перспективных локальных сетях, например, в сетях кабельного телевидения и МСАД, обслуживающих десятки или сотни тысяч абонентов наблюдаются значительные потери в линейном тракте, в связи с чем требуются промежуточные ретрансляционные устройства для компенсации уровня и/или восстановления формы и фазы передаваемых сигналов. В работе предложено использовать оптическое ретрансляционное устройство (ОРТУ) на основе работающей в синхронном режиме широкополосной схемы фазовой синхронизации.

Во второй главе с целью определения требований к узлам и устройствам на предварительном этапе разработки многоканальной аналоговой ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими определяются выражения для расчета ее основных параметров: коэффициента передачи, вносимых шумов и нелинейных искажений. По результатам расчета разрабатываются количественные требования к параметрам ее основных элементов, которые конкретизируются и уточняются в процессе дальнейших исследований.

Коэффициент передачи мощности в одном канале линейного тракта многоканальной ВОСП с ЧРК с учетом особенностей работы оптоэлектрон-ных узлов в СВЧ диапазоне определяется следующим образом.

'7.,(/„0,/>(ХлГЧ><10~ 10 X

ПОМ

-ВОК--

ПРОМ-

(1)

Здесь - частота поднесущей /-го канала; /',, - мощность ¡'-го канала на входе оптического передающего устройства; |.Гвх| - модуль коэффициента отражения по входу ПОМ; гвш - входной импеданс лазерного модуля; т], - коэффициент преобразования излучателя, Вт/А; 7„0 - постоянный ток смещения лазера; от, - глубина модуляции излучения по /-му каналу; у„ - потери в оптическом изоляторе; N1 - коэффициент ввода излучения в волоконный световод; А - погонные потери в оптическом тракте, дБ/км; / - длина оптического тракта, км; п - количество сращиваний волокна в оптическом тракте; И2- средние потери на сросток, дБ; N3- коэффициент ввода излучения в фотодиод; Нг, - номинальная чувствительность фотодиода, А/Вт; кфд - коэффициент передачи фотодиода; квх - коэффициент передачи входной цепи

ПРОМ; 2 - входной импеданс предварительного усилителя; Кру - реализуемый коэффициент передачи мощности усилителя ПРОМ.

Под формулой отмечен вклад каждого принципиального узла ВОСП: передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ), волоконно-оптического кабеля (ВОК) и приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ).

Отметим, что в данных системах глубина модуляции т, является критическим параметром, требующим тщательного определения, поскольку от нее в сильной степени зависят отношение сигнал/шум, нелинейные искажения и, в конечном итоге, протяженность и пропускная способность системы. Помимо этого, относительно большой уровень входного оптического сигнала в реальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими вызывает нелинейность передаточных характеристик фотодиода кфд и предварительного усилителя ПРОМ Кру, что также необходимо учитывать при анализе аналоговых ВОСП. Однако в существующих публикациях принимается, что единственным нелинейным элементом системы является лазерный диод, что снижает корректность рассмотрения. Для повышения точности оценки в работе принято, что система имеет три нелинейных элемента - лазерный диод, фотодиод и предварительный усилитель ПРОМ.

Интермодуляционные искажения при передаче многоканального сигнала в принципе можно рассчитать, зная производные первых трех порядков энергетической характеристики лазера для соответствующего канала. Однако непосредственное измерение амплитудной характеристики нелинейного устройства с точностью, необходимой для определения коэффициентов ряда Тейлора, на практике представляется очень трудной задачей. В случае ВОСП точность получается еще меньше вследствие сильной зависимости энергетической характеристики лазера от окружающей температуры и мо-дового состава излучения.

С другой стороны, в лазере, как и в любом нелинейном ВЧ и СВЧ устройстве, данные искажения несложно с достаточно высокой точностью из-

мерить. Поэтому при оценке комплексного влияния нелинейности узлов на характеристики ВОСП с ЧРК предлагается другой подход, основанный на результатах измерения или расчета малосигнального коэффициента передачи и полного уровня шума испытуемой системы, а также стандартных требованиях к величине отношений сигнал/шум и сигнал/помеха комбинационной частоты и паспортных данных применяемых в данной ВОСП лазерного излучателя и усилителя ПРОМ либо, при их отсутствии, на результатах измерения коэффициента интермодуляционных искажений при двухсиг-нальном воздействии.

Еще одной важной характеристикой многоканальной системы передачи является отношение сигнал/шум или несущая/шум в канале. Определим ее на выходе ФПУ как:

Где: Рг - средняя мощность на входе фотоприемника, д - элементарный заряд, 1т - темновой ток фотодиода, к/, • постоянная Больцмана, Т„ - абсолютная температура, Рус - коэффициент шума предварительного усилителя, ШИ - относительный шум интенсивности лазера, Вг - эквивалентная шумовая полоса канала, н> - число ретрансляций аналоговых сигналов.

В данном случае числитель представляет собой квадрат тока передаваемой поднесущей, а в квадратных скобках знаменателя записаны выражения для спектральной плотности токов основных источников шума системы: дробовых шумов, тепловых шумов. В многоканальной аналоговой ВОСП при идентичных условиях приема уровень дробового шума будет выше, чем в цифровой ВОСП вследствие дополнительного влияния относительного шума интенсивности (/?/Аг) лазера передатчика1. Однако наибольшей проблемой в ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими является эффект резкого (до 50 дБ) возрастания ШЫ вследствие попадания в резонатор полупроводникового лазера отражений от элементов ввода в световод, линейного волоконно-оптического тракта и даже от расположенного на дальнем конце линии фотодиода.

Оценим комплексное влияние вышеуказанных нелинейных узлов аналоговой ВОСП при передаче многоканального аналогового сигнала по аналогии с методикой расчета мощных СВЧ усилителей. Как известно, при числе одновременно передаваемых в групповом тракте каналов больше 20 мощ-

1 Разумеется, шумы вследствие ЯШ будут присутствовать и на выходе ФПУ цифровой

ВОСП. Однако из-за более низкого порога чувствительности в ней преобладающими будут тепловые шумы, и на практике влиянием ШЫ за исключением случаев использования очень высокоскоростных ВОСП можно пренебречь.

(Рс'Рш),=

0,5 (т^0Рг)2

(2)

2д(Я0Рг+1Т) +

ность продуктов их интермодуляционных искажений можно представить в виде шума с равномерным спектром. Этот шум некоррелирован с тепловым шумом, и его можно записать как четвертое слагаемое в знаменатель (2). Причем, чтобы обеспечить отсутствие существенного ухудшения общего отношения сигнал/шум на выходе ПРОМ, его уровень должен быть, по крайней мере, на 10 дБ ниже уровня теплового шума.

Для построения характеристик интермодуляционных искажений воспользуемся широко применяемым при анализе мощных усилителей параметром, называемым условной мощностью насыщения (точкой пересечения), который приводится в паспортах на зарубежные лазеры1, предназначенные для передачи многоканального аналогового сигнала, линейные электрические усилители или вычисляется по результатам измерений интермодуляционных искажений с помощью простых формул. Данные параметры являются удобными гипотетическими характеристиками нелинейного устройства, позволяющими сравнивать устройства при разных уровнях входной мощности.

Описанные выше точки пересечения отмечаются на графике на продолжении реальной амплитудной характеристики, и через меньшую из них проводятся соответствующие характеристики интермодуляционных искажений, представляющие собой в принятом масштабе прямые линии с наклоном 1:2 для искажений второго порядка и 1:3 для искажений третьего порядка. При уровнях входной мощности, соответствующих точкам пересечения данных характеристик с характеристикой интермодуляционного шума, определяется динамический диапазон по каждому виду искажений как разность между выходной мощностью и уровнем полного шума. Наименьший из них сравнивается с отмеченным ранее минимально допустимым отношением сигнал/шум. Уменьшение динамического диапазона (увеличение искажений) при многоканальной передаче определяется в каждом канале либо как:

А = 7,518(У-1) (3)

где V- число передаваемых телевизионных каналов.

На основе полученных по результатам анализа требований соответствующих ГОСТ системных характеристик проведем количественную оценку требований к элементам и узлам многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими для распределительной сети кабельного телевидения и МСАД.

ВОСП с ЧРК/АМ. На рис. 1 приведены полученные из знаменателя (2) характеристики спектральной плотности мощности основных шумовых компонентов: шума лазера (ЯШ=-\ 10...-160 дБ/Гц), теплового шума схемы (/у=2 дБ) и дробового шума фотоприемника при /?о=0,8 А/Вт (типичное значение для современных рт-фотодиодов) и Лиус=50 Ом.

1 В этом случае ее необходимо привести к выходу ПРОМ.

]_________[____!_| ДЕм 1

ч5 ^ _ ^ -10________-5 _ _ __ _ 0___ _

~~~ * " 10° Мощность приема

Рис. 1. Спектральная плотность мощности основных шумовых компонент ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими

Из рисунка четко следует, что при уровне входной мощности ФПУ более 1 мВт, являющимся типичным режимом работы многоканальных аналоговых ВОСП иностранного производства с использованием мощных лазеров с РОС, общие дробовые шумы превышают тепловые даже при №N=-150 дБ/Гц. С другой стороны, при уровнях входной мощности в пределах 100-250 мкВт в ФПУ можно реализовать так называемый предел по тепловым шумам, когда влияние дробового шума отсутствует, уже при ЯШ =-140 дБ/Гц, который без труда обеспечивается при использовании в передатчике экономичного лазерного излучателя на основе резонатора Фабри-Перо с изолятором.

Результаты расчета с помощью (2) характеристики отношения сигнал/шум на выходе ФПУ при значениях т, от 2 до 12% (при типичном значении общей глубины модуляции 60% соответствует возможности одновременной передачи от 25 до 900 аналоговых ТВ каналов), Л/Л--145 дБ/Гц, !<п=1 А/Вт, 4/^5,75 МГц приведены на рис. 2. На рисунке штрих-пунктирными линиями отмечены уровни отношения сигнал/шум, требуемые для качественного приема сигналов в ВОСП с ЧРК/ЧМ и ЧРК/АМ.

Из анализа графиков рис. 1, 2 и результатов расчета динамического диапазона можно сделать выводы.

-280 !— -20

10*"

• В многоканальной ВОСП с ЧРК/АМ при использовании экономичного лазера с резонатором Фабри-Перо и оптическим изолятором в принципе возможно обеспечить одновременную передачу с соответствующим ГОСТ

качеством до 40 телевизионных каналов при

уровне оптической мощности на входе ФПУ не более 250 мкВт. • Использование в передающем устройстве вместо повсеместно применяемых в оборудовании ВОСП иностранного производства лазеров с РОС обычных лазеров с резонатором Фабри-Перо в сочетании с расмот-

ренным «низкоэнергетическим» режимом работы ФПУ позволяет при построении распределительных сетей КТВ волоконно-коаксиальной структуры с зоной обслуживания до 5-15 тысяч абонентов (типичный городской микрорайон) существенно (в 2-4 раза) уменьшить стоимость оборудования ВОСП при обеспечении качества доставки ТВ программ в соответствие с требованиями отечественного ГОСТ.

Расчетные характеристики отношения сигнал/шум на выходе ПРОМ ВОСП с ЧРК-ЧМ с учетом известного выигрыша при частотном детектировании также приведены на рис. 2. Как следует из рисунка, для глубины модуляции 2% данный уровень обеспечивается при оптической мощности приема Рг около 31 мкВт, а для т,=4% - при мощности около 15 мкВт. Таким образом, даже при средней мощности излучения ОПУ, равной 1 мВт, энергетический потенциал составляет более 18 дБ, что соответствует длине линии передачи около 45 км. Как следует из рис. 1, при таком малом уровне мощности приема резко уменьшается вклад шума лазера, что позволяет увеличить требуемый уровень ЯШ до -130 дБ/Гц. Это, в свою очередь, приводит к смягчению требований к величине развязки изолято-

Рис. 2. Характеристика отношения сигнал/шум на выходе ФПУ ВОСП с ЧРК

ра, которая в соответствии с полученными выше коэффициентами отражения элементов оптического тракта может быть уменьшена до 15-20 дБ.

Результаты расчета количественных требований к основным показателям системы и ее принципиальных узлов показали, что существующие отечественные лазерные излучатели и фотодиоды, разработанные для цифровых ВОСП, не в полной степени удовлетворяют специфичным требованиям, предъявляемым к аппаратуре многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. То есть для реализации данных систем с оптимальными технико-экономическими показателями требуется разработка специализированной оптоэлектронной элементной базы.

В третьей главе предлагаются и анализируются модели основной элементной базы: полупроводникового лазера, фотодиода и СВЧ фазового детектора — предназначенные для исследования и разработки ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. Главное отличие предложенных моделей по сравнению с известными состоит в пригодности их для анализа в СВЧ диапазоне.

Моделирование полупроводникового лазерного излучателя и фазового детектора СВЧ диапазона проводится с помощью бесструктурных моделей в приближении большого сигнала. При этом использован единый подход на основе итерационного метода гармонического баланса: нелинейная инерционная схема разбивается на линейную инерционную цепь на основе пассивного многополюсника и нелинейную безынерционную цепь, содержащую активный элемент. Анализ линейной цепи производится спектральным методом, нелинейной - посредством полиноминальной аппроксимации характеристики передачи активного элемента во временной области. Затем осуществляется сшивание при помощи итерационного процесса напряжений на границе линейной и нелинейной цепей.

Модель и метод расчета передаточных характеристик ПЛИ в режиме большого сигнала (рис. 3) основываются на результатах измерения и последующей полиномиальной аппроксимации ВтАХ гетероперехода и измерения коэффициента отражения конкретных образцов ПЛИ. Модель получена при допущении малости вклада спонтанного излучения в лазерную моду и отсутствия эффекта накопления фотонов в резонаторе.

ф [г„] V,

Рис. 3. Бесструктурная модель ПЛИ

К1 ш\

• 1 I

■о

■о

На рисунке область внешнего контакта кристалла представляется в виде четырехполюсника, описываемого матрицей импедансов а активная область лазера - четырехполюсником на основе эквивалентного па-

раллельного нелинейного резистора R и эквивалентного источника тока V/R. Источник тока is описывает входной ток ПЛИ, эквивалентное выходное напряжение Sh соответствует нормированной плотности фотонов.

После расчета S„ по модели рис. 3 можно определить выходную мощность лазера Р„ излучаемую с одного торца резонатора.

P,=\hfm,SLVJrp (4)

где h - постоянная Планка; fonm - частота оптического излучения; L - длина резонатора; Тр - время жизни фотона, связанное только с потерями на зеркалах.

Результаты расчета с использованием предложенной модели приведены сплошной линией (кривая 1) на рис. 4. Здесь же кружками показаны экспериментальные данные, полученные в результате измерений ПЛИ. На том же рисунке для сравнения представлены результаты расчета (кривые 2-4) с использованием известных моделей. Близкое совпадение с экспериментальными данными (за исключением области электрон-фотонного резонанса) свидетельствует о корректности предложенной модели.

Предложенная модель фазового детектора позволяет дополнительно учесть влияние нелинейности емкости перехода и паразитных элементов эквивалентной схемы диода, а также рассогласование в СВЧ трактах, неидеальность гибридного мостового соединения, неидентичность параметров диодов в плечах ФД, что делает ее полезной при разработке и макетировании реальных устройств. При расчете с помощью данной модели нормированной амплитудно-фазовой характеристики показано, что в случае входных сигналов большой и близкой по уровню мощности, даже при сохранении симметрии плеч восьмиполюсника, вследствие взаимовлияния линейных и нелинейных элементов возникает подтвержденный экспериментом сдвиг амплитудно-фазовой характеристики детектора в сторону увеличения разности фаз, который невозможно получить с помощью известной модели.

10 Ig p. О ° 0

p ■ ^ ' „(100.11Гц)и

i j

(

0.1 0.5 1 5 10

Рис. 4. Нормированная амплитудно-частотная характеристика ПЛИ

Моделирование фотодиода осуществляется с использованием линейной структурной модели в виде физической эквивалентной схемы в малосигнальном приближении. Предложенная модель фотодиода представлена на рис. 5.

В модели рис. 5 учитывается влияние индуктивности Ьв вывода, емкости Ск корпуса или кристаллодержателя (в бескорпусных приборах), а также времени пролета фотоносителей /„,, в области поглощения, которое для диодов с полосой пропускания в СВЧ диапазоне получается одного порядка с характерной постоянной времени КС цепи фотодиода, равной произведению СПИ„. В данном случае фототок 1ф является комплексной величиной, и эффект конечного („,, описывается с помощью инерционного звена первого порядка.

1ф=1ф0{1 + м^ру1 (5)

где 1ф0 - фототок на частотах, когда справедливо неравенство а)3(„р«1. Пролетное время рассчитывается:

Рис. 5. Модель фотодиода с полосой пропускания в СВЧ диапазоне.

^пр

2 мК

(6)

где 1С - ширина обедненной зоны; ¡л - подвижность носителей; Уь - напряжение постоянного обратного смещения фотодиода.

Расчет коэффициента передачи кфд фотодиода (см. (1)) с помощью модели рис. 5 производится на основе следующего выражения.

к (1 + >'АЛ)-(1 + >лР) (7)

Результаты расчета АЧХ при /„„=10 пс представлены на рис. 6 (кривая 1); здесь же приведены расчетные кривые, иллюстрирующие изменение АЧХ при увеличении индуктивности вывода от 0,5 до 1 нГн (кривая 2). На том же рисунке кружками показаны экспериментальные данные, полученные в ходе измерений по импульсной методике. Близкое совпадение расчетных и экспериментальных значений свидетельствует о корректности предложенной в данной работе уточненной модели.

Из рис. 6 можно сделать вывод, что при оптимальном выборе индуктивности вывода вследствие резонанса с остальными элементами схемы фотодиода происходит расширение частотной характеристики в области

I верхних частот, где она

0.8

1 играет роль корректи-

| рующего звена. Для

! сравнения результаты

I расчета АЧХ с использо-

0 6

| ванием известной модели

I показаны на рис. 6 штри-^ 2 ховой линией. Как следу___ет из рисунка, точность

расчета по известной мо-Гэ, ГГц дели существенно ухуд-

4

а

12

12 шается на частотах выше

Рис. 6. Нормированные АЧХ фотодиода

1,5 ГГц.

В четвертой главе

предложены и описаны модели основных оптоэлектронных и СВЧ радиотехнических устройств, входящих в состав канала передачи аналоговых и цифровых сигналов ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими: оптических передающего и приемного устройств, когерентного усилителя, ретранслятора и регенератора сигналов с угловой модуляцией, многоканальных ОРТУ и устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов. Каждое исследуемое устройство содержит структурные элементы, модели которых описаны в гл. 3.

При рассмотрении ОПУ основное внимание уделяется передающему оптоэлектронному модулю. Предложена бесструктурная модель ПОМ, построенная на базе описанной в гл. 3 модели лазерного излучателя и линейного узла электрического согласования (УЭС) иммитансов лазера и источника сигналов.

Теоретические и экспериментальные исследования ПОМ, проводимые при разработке ВОСП с СВЧ поднесущими, в основном связаны с анализом вопроса согласования между УЭС и ПЛИ, что объясняется его принципиальным отличием от согласования, применяемого в высокоскоростных цифровых ВОСП. А именно, в последних в связи с рабочей полосой от единиц мегагерц до единиц гигагерц используется диссипативное согласование при помощи включенного последовательно с лазером резистора. Напротив, в ВОСП с СВЧ поднесущими полоса составляет порядка 10-50% от частоты поднесущей, поэтому более оптимальным является обычно используемое в СВЧ устройствах недиссипативное согласование на основе реактивной СВЧ цепи. Уровень согласования можно оценить с помощью (1). Согласно расчетам и экспериментальным данным выигрыш при недис-сипативном согласовании получается до 11 дБ.

Точность предложенной модели оценивается путем сравнения с взятыми из гл. 5 экспериментальными данными результатов расчета АЧХ коэффициента передачи и КСВН по входу ПОМ конкретной ВОСП с СВЧ поднесущими, в котором проведены параметрический синтез и оптимизация параметров платы УЭС, выполненной на основе СВЧ схемы с сосредоточенными параметрами.

Предложена и описана защищенная авторским свидетельством конструкция миниатюрного узла оптического согласования (УОС), позволяющего максимизировать коэффициент ввода лазерного излучения в волоконный световод. Оптическая система предложенного УОС рассчитывается методом прослеживания хода лучей, в результате чего определяются требования и критерии выбора составных элементов системы. Описываются алгоритм и результаты расчета аберрационных и френелевских потерь известного и предложенного устройств, составивших соответственно 2 и 0,75 дБ.

В состав УОС также входит оптический изолятор, при рассмотрении которого в качестве поляризатора и анализатора вместо обычно применяемых поляризационных призм на эффекте двойного лучепреломления предложено использовать интерференционный поляризатор, отличающийся высокой эффективностью и сравнительно низкой стоимостью. Описаны принцип работы и конструкция интерференционного поляризатора, по формулам Френеля рассчитаны его спектральные характеристики коэффициента отражения по р- и Б-составлягощим. Используя методы анализа линейных пассивных СВЧ цепей, получены выражения для расчета основных параметров изолятора: потерь в прямом направлении и развязки. Предложена конструкция интерференционного поляризатора, обеспечивающая повышение уровня развязки без применения каскадирования изоляторов. Рассчитаны спектральные характеристики параметров изолятора, оценена их чувствительность к изменению показателя преломления и угла падения лазерного пучка.

При рассмотрении фотоприемного устройства исследуется приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) и предложенный в работе в качестве основного элемента блока обработки информации - когерентный усилитель на основе аналоговой схемы фазовой синхронизации (УФ С), который может также быть использован как ретранслятор сигналов с угловой модуляцией.

Моделирование ПРОМ проводится с использованием линейной бесструктурной модели, построенной на базе описанной в гл. 3 модели фотодиода и методов, применяемых при анализе малошумящих транзисторных усилителей СВЧ диапазона. Особенность модели заключается во введении между фотодиодом и транзисторным усилителем четырехполюсника, опи-

сывающего входную цепь, в которой осуществляется резонансное согласование иммитансов вышеуказанных узлов ПРОМ. С использованием средств расчета активных и пассивных цепей СВЧ диапазона (Б-параметров, шумовых ^параметров, методов расчета шумовых параметров многокаскадных СВЧ устройств и т.д.) выводятся выражения для анализа основных характеристик ПРОМ: коэффициента передачи мощности, коэффициента шума, отношения сигнал/шум и порога чувствительности. Описывается алгоритм программы расчета ПРОМ ВОСП с СВЧ поднесу-щими по предложенной модели, дается конкретный пример расчета с использованием описанного в гл. 5 опытного фотодиода и малошумящего СВЧ усилителя на основе биполярных и полевых СВЧ транзисторов. Приводятся результаты оптимизации параметров элементов резонансной согласующей цепи и характеристики рассчитанного модуля (коэффициент передачи, коэффициент шума, КСВН). Выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании в ПРОМ резонансного согласования составляет 5-7 дБ. Данные расчета сопоставляются с экспериментальными результатами из гл. 5. Близкое совпадение расчетных и экспериментальных значений свидетельствует о корректности выбранной модели.

Исследование УФС проводится для двух вариантов его применения. В первом случае известная схема УФС рассматривается как работающий в синхронном режиме широкополосный усилитель мощности, а также как ретранслятор аналоговых и цифровых СВЧ сигналов с ЧМ. Схема УФС моделируется с помощью функционального графа и анализируется в линейном режиме спектральным методом с учетом описанной в гл. 3 модели СВЧ фазового детектора, инерционности усилителя сигнала ошибки, а также воздействия фазового шума источника сигнала и подстраиваемого генератора и теплового шума элементов схемы. Выводятся выражения для характеристики передачи, коэффициента частотного шума, на основе которых рассчитываются характеристики конкретного УФС.

Базируясь на предложенной модели, проводится подтвержденное экспериментальными данными аналитическое сравнение по полосе пропускания и вносимым шумам с другими типами СВЧ усилителей мощности аналогичного назначения: усилителем на основе синхронизированного автогенератора (УСАГ) и устойчивым резонансным усилителем.

Для полосы синхронизации УФС при использовании в подстраиваемом генераторе варактора с резким переходом получено следующее выражение:

лУА

Ф

Здесь <2,;,, - внешняя добротность генератора, Р ¡, Рг - соответственно входная (управляющая) и выходная мощности, С - коэффициент усиления по мощности, куо - коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки (УСО) по постоянному току, ГОс°и) - нормированная частотная характеристика УСО, ф - контактная разность потенциалов, Ь„ - потери преобразования мощности в фазовом детекторе (балансном смесителе), определяющиеся как:

Р, I2

4=— = Р.

(9)

200

180

1Б0

140

120

100

80

60

40

^Фс(куо=20дБ

АГфс(куо=10дБ

_ Д£а _ •___;

10

20

30

40

где Р9 - мощность сигнала ошибки на выходе ФД,

Яо^еЫ.

Результаты расчета полосовых характеристик УФС (с помощью (9)) и УСАГ (с помощью известного выражения) приведены на рис. 7 сплошными линиями. На том же рисунке кружками показаны экспериментальные данные для УСАГ, а ромбиками - для УФС с идентичной выходной мощностью и кУо=20 дБ. Как следует из рисунка, при идентичных 6=20 дБ в УФС обеспечивается двукратное расширение полосы пропускания даже при небольшом коэффициенте передачи куо усилителя сигнала ошибки.

Результаты расчета характеристик частотных шумов УФС и УСАГ, подтвержденные экспериментальными данными из гл. 5, показали, что УФС даже при ^<,=10 дБ имеет существенно лучшие шумовые характеристики, чем УСАГ. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных значений свидетельствует о корректности моделей, выбранных для аналитического сравнения устройств.

Во втором случае предлагается и описывается схема УФС, с помощью которой возможна полная регенерация двухпозиционного цифрового сигнала с фазовой модуляцией. Предложенная схема также моделируется по-

Козффициент усиления, в, дБ

Рис. 7. Полосовые характеристики УФС и УСАГ

средством функционального графа и анализируется в нелинейном режиме с учетом конечности времени переключения фазы сигнала, инерционности и вносимых тепловых шумов структурных элементов. Анализ линейной части схемы проводится спектральным методом в частотной области, нелинейной — численными методами во временной области. Приводятся алгоритм работы устройства, позволяющий рассчитать его характеристики передачи (отношение сигнал/шум, вероятность ошибки при регенерации цифрового сигнала ), а также пример расчета, позволяющий оценить влияние параметров элементов схемы на качество регенерации.

При рассмотрении многоканальных ОРТУ проводится сравнение по параметрам и выполняемым функциям полупроводниковых лазерных усилителей и исследуемых в работе оптических ретрансляторов и регенераторов с использованием в блоке обработки информации описанных выше УФС. Отмечается преимущество последних по величине энергетического потенциала и гибкости эксплуатации системы связи. Предлагаются и описываются механизм работы и требования к структурным элементам двух схем ОРТУ: экономичного многоканального устройства с использованием общих оптоэлектронных модулей и вышеописанных УФС и многоствольного устройства с применением в каждом стволе защищенного авторским свидетельством многоканального устройства регенерации цифровых сигналов с гетеродинной схемой фазовой синхронизации.

При рассмотрении устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов предлагается экономичное переходное устройство (ПРУ) на основе исследованных выше оптоэлектронных модулей и СВЧ схемы фазовой синхронизации, осуществляющее сопряжение различного назначения СВЧ радиотехнических и волоконно-оптических линий передачи. Проводится сравнение с различными вариантами сопряжения в диапазонах несущей, промежуточных частот и видеочастот. С помощью описанных в данной главе моделей ПОМ и схемы фазовой синхронизации анализируются характеристики передачи предложенного когерентного ПРУ. Результаты расчета сопоставляются с взятыми из гл. 5 экспериментальными данными.

В пятой главе рассматриваются вопросы реализации элементов и устройств ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. Приводятся результаты макетирования и подтверждающих развитую в гл. 3, 4 теорию экспериментальных исследований фотодиодного модуля (ФДМ), полупроводникового лазерного излучателя (ПЛИ), узлов оптического согласования и термостати-рования лазера, оптических передающего и приемного устройств, устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов.

Для осуществления эффективного оптико-электрического преобразования в ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими предлагается патентоспособная конструкция фотодиодного модуля.

Для исследования АЧХ фотодиодного модуля в работе предлагается простой метод, основанный на "холодном" измерении иммитанса в рабочей полосе диапазона поднесущих и расчете АЧХ по описанной в гл. 3 физической эквивалентной схеме. Приводятся результаты измерения АЧХ разработанного фотодиодного модуля с помощью предложенной и импульсной методик. Проводится сравнение разработанного и серийно выпускаемого фотодиодов.

При рассмотрении источников оптического излучения, основываясь на требованиях к их параметрам, сформулированных в гл. 2 для ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, отмечается, что путем несложного изменения схемы серийного излучателя ИЛПН-216, его можно эффективно использовать в ВОСП с верхней граничной частотой полосы поднесущих до 4 ГГц, однако остается проблема стыковки с волоконно-оптическим трактом, поскольку вывод излучения у ИЛПН-216 осуществляется через оптическое окно. С помощью специально разработанной измерительной установки исследуются в различных режимах ватт-амперные, спектральные, шумовые, частотные и интермодуляционные характеристики корпусного ПЛИ типа ИЛПН-216 (но с закороченным последовательным резистором в тракте подведения модулирующего сигнала) и бескорпусного ПЛИ, представляющего собой смонтированный на контактной пластине полупроводниковый лазерный кристалл. Полученные данные применяются для выбора оптимального режима работы излучателя.

Рассматриваются вопросы разработки узла оптического согласования и узла термостатирования. Предлагается и исследуется защищенный авторским свидетельством эффективный узел оптического согласования лазера с многомодовым и одномодовым световодами. Проводится экспериментальное исследование входящего в состав УОС оптического изолятора. Реализуются и рассматриваются четыре варианта его построения, на основе которых получается взаимозаменяемый ряд изоляторов с развязкой от 20 до 60 дБ.

Приводятся схема и результаты измерения уровня термостатирования лазера при использовании разработанной схемы управления. Проведенные сравнительные исследования показали, что для реализации требуемых параметров (см. гл. 2) в рассмотренной в гл. 4 передающей аппаратуре аналоговых ВОСП с ЧРК необходим повышенный по сравнению с цифровыми В ОСП уровень термостатирования лазерного излучателя. В частности, использование разработанного узла ТС с уровнем термостатирования 6,5 мград. приводит к расширению линейного участка энергетической характеристики ПЛИ, то есть, значительному увеличению числа передаваемых каналов.

При рассмотрении оптических передающих и приемных устройств ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими основное внимание уделяется передающему и приемному оптоэлектронным модулям, а также когерентному усилителю СВЧ сигналов с угловой модуляцией.

В ПОМ исследуется два варианта схемы узла электрического согласования: широкополосный с диссипативным согласованием и узкополосный с недиссипативным согласованием. Приводятся общий вид и частотные характеристики реализованных плат согласования. Описываются конструктивные особенности макетов ПОМ. Приводятся результаты измерения основных характеристик. В ПРОМ описываются разработанные по данным анализа гл. 3 плата входной цепи на основе СВЧ схемы с сосредоточенными параметрами и платы предварительного электрического усилителя на кремниевом биполярном транзисторе типа КТ3132 и арсенид-галлиевом полевом транзисторе с затвором Шотгки типа АП325. Приводятся принципиальные схемы усилителей, конструкции ПРОМ с рассмотренным ранее фотодиодным модулем. Результаты измерения характеристики отношения сигнал/шум показывают выигрыш вследствие применения резонансного согласования импедансов во входной цепи.

Экспериментальное подтверждение результатов анализа когерентного усилителя СВЧ сигналов с угловой модуляцией (см. гл. 4) на основе схемы фазовой синхронизации проводится на макетах, разработанных в трехсантиметровом и восьмимиллиметровом диапазонах волн. Описываются принципы построения, особенности конструкции и основные параметры и характеристики макетов принципиальных элементов УФС: фазового детектора, широкополосного усилителя сигнала ошибки и волноводного подстраиваемого генератора. Приводятся общий вид макетов УФС и результаты ретрансляции с помощью разработанного УФС цифровых ИКМ-ФРМ сигналов, передаваемых со скоростью 34 Мбит/с.

Для иследования предложенного в гл. 4 устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов на основе схемы ФС СВЧ диапазона проводится эксперимент по преобразованию СВЧ сигнала диапазона 8 мм с двухпозиционной ИКМ-ФРМ в оптический сигнал с цифровой модуляцией по интенсивности. Приводятся схема и описание экспериментальной установки, вид сигналов на входе СВЧ передатчика и на выходе оптического приемника и характеристика передачи разработанного переходного устройства.

В шестой главе рассматриваются вопросы применения развитой в гл. 2-4 теории и описанных в гл. 5 специфичных элементов, узлов и устройств многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими при разработке конкретного оборудования, прежде всего, для различных систем вещательного телевидения, а также для радиолокационных применений: активных фази-

рованных антенных решеток (А ФАР), имитаторов цели. Описываются принципы построения, частотные планы, структурные схемы, принципиальные элементы, узлы и блоки систем. Приводятся результаты измерения основных характеристик.

Для супермагистральных и магистральных линий сетей кабельного телевидения разработан и испытан комплекс оборудования 4-канальной и 8-канальной ВОСП с ЧРК/ЧМ в верхней части дециметрового диапазона (0,95...2,05 ГГц), параметры которого полностью соответствуют требованиям отечественных ГОСТ на магистральные каналы передачи изображения и звука. Основным отличием от иностранных систем аналогичного назначения является использование в блоках передачи и приема полосы ПЧ вблизи 70 МГц и полосы ПЧ 0,95...2,05 ГГц, что существенно расширяет число и характер источников программ, в качестве которых могут быть использованы не только каналы изображения и звука аппаратно-студийного комплекса, но и каналы, передаваемые по телевизионным РРЛ и системам спутникового телевизионного вещания.

Для интерактивных распределительных сетей систем КТВ и МСАД разработан и испытан комплекс оборудования 50-канальной ВОСП с ЧРК/АМ в стандартной диапазоне вещательного телевидения, параметры которого полностью соответствуют требованиям отечественного и международных стандартов на распределительные сети систем КТВ. Основная особенность разработанной системы по сравнению с иностранными системами аналогичного назначения состоит в применении для сетей с сравнительно небольшой зоной обслуживания (до 15 тысяч абонентов) оптического передатчика на основе лазерного излучателя с резонатором Фабри-Перо (гл. 3, 5), стоимость которого принципиально в несколько раз меньше, чем у повсеместно используемого в данных системах лазера с распределенной обратной связью, а также более широкой рабочей полосе частот обратного канала, что позволяет оптимизировать затраты на строительство сети.

Для радиолокационных применений разработан комплекс оборудования четырехствольной ВОСП сантиметрового диапазона волн, основные особенности которого состоят в повышении коэффициента передачи и отношения сигнал/шум за счет недиссипативного согласования импедансов оптоэлектронных компонентов, оптимизации режима лазерного излучателя и конструкции оптического тракта, а также в применении экономичного лазерного модуля без оптического изолятора. Полученные при экспериментальных исследованиях значения шумов лазера и интермодуляционных искажений соответствуют оборудованию иностранных систем аналогичного назначения.

Для распределительных сетей систем коллективного приема программ непосредственного спутникового телевизионного вещания разработан комплекс оборудования многоканальной ВОСП с ЧРК, особенностью которого является возможность распределения сигналов, как в диапазоне 1-2 ГГц (первой ПЧ), так и в стандартном диапазоне вещательного телевидения (48-862 МГц). Основные параметры разработанного оборудования соответствуют рекомендациям 1Ти-Я для перспективных систем спутникового телевидения с приемными установками 2-го класса.

Для доставки телевизионных и радиовещательных программ на удаленный ретранслятор разработан комплекс оборудования многоканальной ВОСП с ЧРК, основные параметры которого полностью соответствуют требованиям отечественных ГОСТ на стационарные телевизионные и радиовещательные передатчики. Основной особенностью разработанного оборудования является совместная передача радиоканалов с АМ и ЧМ так, чтобы подавать на вход эфирных телевизионных и радиовещательных передатчиков без дополнительного преобразования форматов и частот, что существенно повышает экономичность строительства канала вещания, например, по сравнению с чисто эфирным вариантом при помощи РРЛ СВЧ диапазона.

В седьмой главе рассматриваются вопросы разработки и проектирования описанного в гл. 1 нового типа местных сетей связи: МСАД воло-конно-коаксиальной структуры, в которых обеспечивается одновременная доставка абонентам всех современных услуг электросвязи. Предлагается и обосновывается концепция построения экономичного варианта сети, суть которой состоит: в пространственном и частотном разделении видов услуг; предварительной коллективной обработке информации на уровне дома или нескольких домов с последующей доставкой абонентам в традиционных форматах по обычно уже существующим домовым сетям; оптимизации расхода сетевого частотного ресурса в прямом и обратном направлениях.

Принципиальными структурными элементами предложенного варианта построения сети являются: местный сетевой узел, интерактивная магистральная волоконно-оптическая сеть, расположенные в каждой подзоне зоны обслуживания абонентские станции, интерактивная субмагистральные коаксиальные сети, пункты домового ввода, интерактивные домовые сети на основе коаксиальных и симметричных кабелей, традиционные абонентские терминалы.

В связи с ограниченностью рабочей полосы частот в прямом и, особенно, обратном направлениях передачи одним из важных параметров МСАД, характеризующим корректность ее проектирования, является расход сетевого частотного ресурса (СЧР). Данный параметр является принципиально новым, и не учитывался в процессе проектирования традицион-

ных сетей КТВ вследствие сравнительно небольшого числа распределяемых каналов и предоставления лишь одной услуги электросвязи: телевизионного вещания.

Лимитный уровень расхода СЧР по обоим направлениям должен задаваться в исходных данных на проектирование. В прямом направлении МСАД расход СЧР, главным образом, определяется объемом предоставляемых услуг и интенсивностью трафика, в обратном - он в основном связан с принятой схемой разбиения на подзоны. Естественный путь оптимизации (сокращения) расхода СЧР в МСАД состоит в пространственном и частотном разделении каналов передачи за счет разбиения схем на дополнительные ветви. Критерий оптимального проектирования заключается в уменьшении и выравнивании расхода СЧР в различных подзонах при сохранении уровня рентабельности строительства сети. Расчеты показали, что введение даже одной дополнительной ветви в прямом канале магистральной волоконно-оптической сети уменьшает расход СЧР на 11%. Структура сети с большим числом отводов от узловой станции приводит к необходимости уменьшения мощности оптического передатчика ВОСП, что соответствует принципам построения ОПУ (с использованием экономичного сравнительно маломощного лазерного излучателя) ВОСП с ЧРК/АМ, рассмотренной в гл. 6. Кроме того, небольшое увеличение числа подходящих к абонентской станции ветвей (от 2-х до 3-х) в обратном канале сети, даже при сохранении стандартной ширины его полосы, приводит к существенному (на 20-30%) сокращению расхода сетевого частотного ресурса. Дальнейшее сокращение расхода СЧР (более, чем в два раза) обеспечивается при увеличении верхней частоты обратного канала в частотном плане МСАД до 65 МГц. Полученный запас по уровню расхода СЧР может быть использован, прежде всего, для укрупнения подзон, а также экономичного ввода новых услуг электросвязи без замены оборудования интерактивного линейного тракта. Таким образом, применение на абонентских станциях оптических передатчиков обратного направления с расширенной рабочей полосой частот, обеспечивающей мультиплексирование до 10 стандартных обратных каналов, как это сделано в рассмотренной в гл. 6 ВОСП с ЧРК/АМ, позволяет в значительной степени повысить экономичность строительства сети за счет возможности укрупнения подзон.

Результаты экономического расчета затрат на строительство сетей с помощью предложенного варианта МСАД показывают: в городской местности эквивалентный уровень затрат при доставке до 50 ТВ каналов по интерактивному волоконно-коаксиальному линейному тракту не превышает 20 долларов США на одного абонента, что в 5-10 раз меньше по сравнению с существующими в РФ вариантами построения МСАД по «классиче-

ской» схеме. Кроме того, уже сегодня можно с достаточной рентабельностью предоставить сельскому жителю социально равнозначный с городским уровень обслуживания, а оператору сельских сетей связи - надежную, экономичную и простую в эксплуатации систему, которая не устареет в течение долгого периода времени.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

В Приложении приведены копия сертификата соответствия Министерства связи РФ, выданного на созданные на базе исследований, проведенных в настоящей работе, многоканальные аналоговые ВОСП для систем кабельного телевидения и МСАД, и карта установки данных ВОСП на территории России и Беларуси, первая из которых непрерывно работает уже в течение 12 лет.

Основные результаты и выводы работы

В теоретической части:

1. Получены выражения для расчета характеристик передачи, отношения сигнал/шум и вносимых нелинейных искажений многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, по которым определены основные требования к системам передачи на поднесущих, модулированных методом АМ и угловыми методами, и к параметрам их критических элементов и узлов.

2. Развита теория расчета принципиальных элементов, узлов и устройств многоканальных ВОСП с частотным разделением каналов (ЧРК) на ВЧ и СВЧ поднесущих, модулированных по амплитуде, частоте или фазе аналоговыми и цифровыми информационными сигналами. В частности, основываясь на методах расчета СВЧ радиотехнических приборов и устройств, разработаны нелинейные инерционные модели полупроводникового лазерного излучателя и фазового детектора и линейная инерционная модель фотодиода, благодаря чему обеспечена возможность единого подхода к анализу оптоэлектронных и радиотехнических узлов и устройств оптических систем передачи с СВЧ поднесущими.

3. На базе предложенных моделей элементов и методов расчета активных и пассивных радиотехнических схем СВЧ диапазона разработаны математические модели всех принципиальных узлов и устройств оптической системы с ЧРК: узла оптической связи с оптическим изолятором, передающего оптоэлектронного модуля, приемного оптоэлектронного модуля, блока обработки цифровой и аналоговой информации на основе широкополосных СВЧ схем фазовой синхронизации, отличающегося простотой и качественным выполнением операций усиления, демодуляции, ретрансляции и регенерации широкополосных информационных сигналов.

4. Модели узлов и устройств применены при анализе многоканальных и многоствольных оптических ретрансляторов и регенераторов для крупномасштабных локальных и магистральных волоконно-оптических сетей, а также оригинального устройства сопряжения СВЧ и оптических линий передачи.

5. Исследованы передаточные и шумовые характеристики всех анализируемых элементов, узлов и устройств.

В экспериментальной части:

1. Вследствие отсутствия в стране специализированных оптоэлектрон-ных приборов показан путь доработки одного из промышленных полупроводниковых лазерных излучателей. Исследованы энергетические, спектральные, частотные, шумовые и амплитудные характеристики доработанного излучателя.

2. Получено значительное уменьшение шумов и нелинейных искажений при использовании эффективного термостатирования излучателя. Разработан узел термостатирования, обеспечивший стабильность температуры лазера не хуже 0,0065 °С.

3. Определен оптимальный режим и требования к излучателю с точки зрения минимизации вносимых в систему передачи шумов и интермодуляционных искажений.

4. Разработан миниатюрный узел ввода излучения лазера в волоконный световод, содержащий взаимозаменяемый ряд встроенных оптических изоляторов с развязкой от 20 до 60 дБ.

5. Разработан и исследован фотодиодный модуль, работающий в спектральном диапазоне 1,1.„1,6 мкм с верхней частотой модуляции 5 ГГц.

6. На базе вышеуказанных элементов и узлов, недиссипативных СВЧ схем согласования и кремниевых биполярных и арсенид-галлиевых полевых СВЧ транзисторов разработаны и исследованы варианты передающих и приемных оптических модулей, обеспечивших за счет эффективного согласования в рабочей полосе улучшение коэффициента передачи системы на 10-12 дБ и увеличение отношения сигнал/шум на 5-7 дБ.

7. Разработаны и исследованы эффективные устройства обработки (усиления, ретрансляции) информации СВЧ диапазона на основе работающей в синхронном режиме широкополосной схемы фазовой синхронизации, обеспечившие существенное улучшение по ширине полосы, коэффициенту усиления и шумам по сравнению с известными вариантами.

8. Разработано и исследовано простое и эффективное устройство сопряжения СВЧ и волоконно-оптических линий при передаче цифрового сигнала с ИКМ-ФРМ со скоростью 8 Мбит/с.

9. Разработано и испытано оборудование для телекоммуникационных и радиолокационных областей применения многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.

10. Разработаны концепция построения и методика проектирования экономичных мультисервисных сетей абонентского доступа.

Основные публикации по теме диссертации

1. Белкин M. Е. Взаимное сопряжение световодных и сверхвысокочастотных линий передачи. - Труды НИИ Радио, 1985, № 4, с. 30-33.

2. Белкин M. Е., Эйнасто М. В. Измерение частотных характеристик фотодиодов с использованием физической эквивалентной схемы. - Радиотехника, 1989, № 11, с. 88-91.

3. А.с. № 1829803 (РФ). МКИ HOIL -31/0203. Фотодиодный модуль. Приоритет от 01.08.90 /Шварц Н. 3., Белкин M. Е.

4. Белкин M. Е., Керженцева Н. П. Разработка локальной системы передачи с СВЧ-поднесущей. //Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Оптическая коммутация и оптические сети связи». Суздаль: 1990. - с.72.

5. Белкин M. Е., Филимонов С. И. Модель передающего модуля для волоконно-оптической системы распределения многоканального телевизионного сигнала. //Тезисы докладов НТС «Актуальные вопросы разработки и производства средств приема спутникового телевидения». - Севастополь: 1990. с. 34-35.

6. Белкин M. Е.. Локальная волоконно-оптическая система передачи с СВЧ поднесущей. - Радиотехника, 1991, № 2, с. 75-79.

7. Белкин M. Е., Денисенко В. В., Каширин Ю. Ю. и др. Передающий оптический модуль с лазерным излучателем ИЛПН-216. -Электросвязь,

1991, №7, с. 24-25.

8. Шевцов Э.А., Белкин M. Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. — М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

9. Belkin M. Е., Denisenko V. V., Kashirin Y. Y. e. a. RF Analog Fiber Optic Links. //International'92 Geneva Conférence. Signais and Systems. Summaries of the Excepted Communications. - Geneva, 1992, p. 55.

10. Belkin M.E., Ravich V.N. Photodiode Module for Analog and Digital Transmission Systems. // ISFOC'92 Conférence Proceedings. - St. Peterburg,

1992.-p. 224-230.

11. Belkin M. E. 8-channel Equipment for Fiber Optic CATV Trunks with AM and FM. //ISFOC'92 Conférence Proceedigs. - St. Peterburg, 1992, p. 405411.

12. Белкин M. E. Многоканальные аналоговые ВОЛП для кабельного телевидения. - Вестник связи, 1993, № 4, с. 31-35.

13. Белкин М.Е. Трехканальная волоконно-оптическая система передачи

с СВЧ поднесущими. - Радиотехника, 1994, № 2, с. 77-80.

14. Belkin М. Е„ Denisenko V. V., Kashirin Y. Y. e. a. RF Analog Fiber Optic Links in the 2-4 GHz Band. - Modelling, Measurement & Control, 1994, A, v. 54, № l,p. 47-54.

15. Белкин M. E. Концепция построения сети абонентского доступа на базе волоконно-коаксиальных распределительных сетей. - Электросвязь, 1998, № 1, с. 8-15.

16. Белкин М. Е. Волоконно-оптическая система для единых сетей абонентского доступа. - Вестник связи, 1998, № 11, с. 16-21.

17. Белкин М. Е., Рыбкин С. В. Наложенная система телемониторинга в единых сетях абонентского доступа,- Вестник связи, 1999, № 1, с. 47-49.

18. Белкин М. Е. Интерактивная волоконно-оптическая система для местных сетей связи волоконно-коаксиальной структуры. - Информост -Средства связи, 2001, № 3(16), с. 23-27.

19. Белкин М. Е. Эскизный проект сети волоконно-коаксиальной структуры. - ИнформКурьерСвязь, 2002, № 7, с. 33-36.

20. Реутов А. П., Белкин М. Е. Волоконно-оптические системы для мультисервисных сетей абонентского доступа. - Наукоемкие технологии, 2004, т. 5,№ 12, с. 21-26.

21. Белкин М. Е. Отношение сигнал/шум в аналоговой волоконно-оптической системе с ВЧ и СВЧ поднесущими. - Электросвязь, 2005, № 8, с. 36-38.

22. Белкин М. Е. Оптимизация режима работы фотоприемного устройства многоканальной аналоговой волоконно-оптической системы передачи. // Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ. - М.: 2005, т. 4. - с. 274275.

23. Белкин М. Е. Разработка многоканальной аналоговой ВОСП с ЧРК, обеспечивающей одновременную передачу сигналов с AM и ЧМ. // Труды РНТОРЭС имени А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Выпуск LX-1. - М.: 2005. - с. 321-324

24. Белкин М. Е. Метод расчета числа передаваемых каналов в многоканальной волоконно-оптической системе с ВЧ и СВЧ поднесущими. - Радиотехника, 2006, № 12, с. 88-91.

25. Белкин М. Е. Модель фазового детектора СВЧ диапазона. // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника - М.: МГТУ ГА, 2007, № 112-С. 148-153.

Подписано в печать 21.03.2007. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86. Усл. кр.-отт. 7,44. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 253

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

Наименование Стра-ницаПринятые обозначения и сокращения

Глава 1 Принципы построения и современное состояние 28исследуемых сетей и систем

1.1 Общие принципы функционирования и современный 28уровень мультисервисных сетей абонентского доступаволоконно-коаксиальной структуры

1.1.1 Проблемы развития отечественных мультисервисных 34сетей абонентского доступа

1.2 Общие принципы построения многоканальных аналоговых 40волоконно-оптических систем передачи

1.2.1 Принципы построения оптических ретрансляционных 47устройств

Глава АНАЛИЗ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 52ПЕРЕДАЧИ С ЧРК

2.1 Выражения для расчета основных параметров

2.2 Параметры и характеристики устройств и систем

2.3 Количественная оценка требований к устройствам и 69системамВыводы

Глава МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ВОСП С ВЧ 82И СВЧ ПОДНЕСУЩИМИ

3.1 Лазерный излучатель

3.1.1 Существующие модели

3.1.2 Бесструктурная модель ПЛИ

3.1.3 Сравнение с известными моделями

3.1.4 Анализ нелинейных искажений

3.2 Фотодиод

3.2.1 Существующие модели

3.2.2 Уточненная модель

3.2.3 Сравнение с известной моделью

3.3 СВЧ фазовый детектор

3.3.1 Существующие модели

3.3.2 Уточненная модель

3.3.3 Сравнение с известными моделями 111Выводы

Глава МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ 115ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ

4.1 Передающее устройство

4.1.1 Передающий оптоэлектронный модуль

4.1.1.1 Модель ПОМ '

4.1.1.2 Узел оптического согласования

4.1.1.3 Оптический изолятор

4.2 Приемпое устройство

4.2.1 Приемный оптоэлектронный модуль

4.2.1.1 Модель ПРОМ

4.2.1.2 Узел оптического согласования

4.2.2 Когерентный усилитель, ретранслятор и регенератор 148сигналов с угловой модуляцией на основе схемы фазовойсинхронизации

4.2.2.1 Модель усилителя и ретранслятора сигналов

4.2.2.2 Модель регенератора цифровых сигналов с фазовой 165модуляцией

4.3 Многоканальные оптические ретрансляционные 172устройства

4.4 Устройство преобразования СВЧ и оптических сигналов 176Выводы ,

Глава РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДО- 184ВАННЕ УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ ВОСП С ЧРК

5.1 Элементная база и узлы ВОСП с ЧРК

5.1.1 Сверхвысокочастотный фотодиодный модуль

5.1.2 Полупроводниковый лазерный модуль

5.1.3 Узел оптического согласования

5.1.3.1 Оптический изолятор

5.2 Оптическое передающее устройство

5.2.1 Обобщенная схема

5.2.2 Передающий оптоэлектронный модуль

5.2.3 Узлы термостатирования и электрического управления

5.3 Фотоприемное устройство

5.3.1 Обобщенная схема

5.3.2 Приемный оптоэлектронный модуль

5.3.3 Когерентный усилитель сигналов с угловой модуляцией

5.4 Устройство преобразования СВЧ и оптических сигналов 230Выводы

Глава РАЗРАБОТКА Н ЭКСПЕРНМЕНТАЛЬНОЕ НССЛЕДО- 236ВАННЕ ВОСП С ЧРК РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

6.1 Комплекс оборудования МВ-2000 для кабельного 236телевидения

6.1.1 Частотные планы и общая структурная схема

6.1.2 Основные особенности и технические характеристики

6.1.3 Принципы проектирования оборудования

6.1.4 Принципы построения и функционирования оборудования

6.1.5 Методика и результаты измерения основных параметров

6.2 Комплекс оборудования МВ-бб0/800 для интерактивных 254мультисервисных сетей абонентского доступа

6.2.1 Частотные планы и общая структурная схема

6.2.2 Основные особенности и технические характеристики

6.2.3 Принципы проектирования и функционирования 261оборудования

6.2.4 Методика и результаты измерения основных параметров

6.2.5 Сравнение с системами иностранного производства

6.3 Комплекс оборудования ВОСП сантиметрового диапазона 272волн для радиолокационных применений

6.3.1 Частотные планы и общая структурная схема

6.3.2 Основные особенности и технические характеристики

6.3.3 Принципы проектирования и функционирования 275оборудования

6.3.4 Методика и результаты измерения основных параметров

6.4 Комплекс оборудования ВОСП для систем коллективного 288приема программ непосредственного спутниковоготелевизионного вещания

6.4.1 Принципы построения распределительной сети

6.4.2 Принципы проектирования и функционирования 291оборудования

6.4.2.1 Вариант с распределением сигналов в полосе 1-2 ГГц

6.4.2.2 Вариант с распределением сигналов в телевизионном 293диапазоне

6.4.3 Методика и результаты измерения основных параметров

6.5 Комплекс оборудования ВОСП для доставки 297телевизионных и радиовещательных программ наудаленный ретранслятор

6.5.1 Сравнение вариантов доставки с помощью ВОСП с ЧРК и 298РРЛ

6.5.2 Принципы проектирования и функционирования 302оборудования

6.5.3 Методика и результаты измерения основных параметров 308Выводы

Глава РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МУЛЬТИСЕР- 313ВИСПЫХ СЕТЕЙ АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА НАБАЗЕ ВОСП С ЧРК

7.1 Интерактивная распределительная сеть волоконно- 314коаксиальной структуры

7.1.1 Принципы построения и функционирования

7.1.1.1 Местный сетевой узел

7.1.1.2 Магистральная волоконно-оптическая сеть

7.1.1.3 Абонентская станция

7.1.1.4 Субмагистральная коаксиальная сеть

7.1.1.5 Пункт домового ввода

7.1.2 Оптимизация частотного плана

7.1.3 Принципы предоставления услуг электросвязи

7.1.4 Требования к оборудованию группового и линейного 338трактов

7.1.5 Методика проектирования сети и оптимизации частотного 341ресурса

7.1.5.1 Принципы расчета и оптимизации расхода сетевого 349частотного ресурса

7.2 Примеры проектирования конкретных МСАД

7.2.1 Сеть в городском районе

7.2.2 Сеть в поселке городского типа

7.2.3 Сеть в коттеджном поселке

7.3

Выводы

Темой исследования настоящей диссертационной работы являются сети исистемы для телекоммуникационных и радиолокационных применений. Врамках этой темы объектами исследования являются критические компонентымногоканальных аналоговых волоконно-оптических систем (ВОСП) счастотным разделением каналов (ЧРК) на ВЧ и СВЧ поднесущих: снецифичнаяоптоэлектронная элементная база, передающее, приемное и ретрансляционныеустройства, а также многоканальные аналоговые ВОСП различного назначенияи экономичная мультисервисная кабельная сеть абонентского доступа (МСАД)волоконно-коаксиальной структуры, в которой обеспечивается одновременнаядоставка абонентам всех современных инфокоммуникационных услуг.Настоящая диссертационная работа методологически выполнена на стыкеСВЧ радиоэлектроники и волоконно-оптической связи. Первая представляетсобой уже сформировавшуюся область с глубоко разработанными научнымиподходами, моделями и методами расчета, вторая - все еще в развитии, впроцессе которого постоянно открываются новые направления. Одним из нихявляется передача многоканального оптического сигнала с ЧРК на ВЧ и СВЧподнесущих, которая уже нащла применение в МСАД и считаетсяперспективной для различных радиолокационных целей, например, вфазированных антенных рещетках, а также в развивающихся в последние годыраспределительных системах волоконно-эфирной (RoF) структуры.В особенности это касается абонентского уровня инфокоммуникационныхсетей, на котором таким способом можно создать универсальнуюинформационную щину для единого домового ввода всех современных иперспективных услуг электросвязи, коммунального и социального обеспечения:телефона, телефакса, кабельного и спутникового телевидения, доступа в сетьИнтернет, радиотрансляции, мультимедиа, интерактивного телевидения,пожарной и охранной сигнализации, медицинского видеомониторинга и т. д.14Попытки осуществить передачу многоканального сигнала с ЧРК воптическом диапазоне делались с самого начала возникновения волоконнооптической связи. Однако период практических исследований и начальнойреализапии систем наступил только в конце 80-х годов после того, как былисозданы сверхщирокополосные световоды с потерями 0,3-0,4 дБ/км, что на 2порядка меньще, чем у коаксиального кабеля, высокочувствительныефотодиоды с полосой пропускания, простирающейся до верхней части СВЧдиапазона, высокоскоростные одночастотные полупроводниковые лазеры свысокой линейностью характеристики электрооптического преобразования,оптические устройства стыковки, одновременно обеспечивающие эффективныйввод излучения лазера в одномодовыи световод и высокую развязку (до 50 дБ) сволоконно-оптическим трактом. Общий теоретический анализ систем непроводился из-за несовместимых принципов моделирования входящих в составволоконно-оптических систем передачи с ВЧ и СВЧ поднесущимиоптоэлектронных и оптических компонентов и традиционных активных ипассивных элементов радиотехнических схем СВЧ диапазона.Основополагающим подходом в данной работе является использованиедля анализа оптоэлектронных и оптических элементов и модулей аппаратаисследования, принятого для радиотехнических цепей СВЧ диапазона, а такжеучет особенностей работы в СВЧ диапазоне при моделировании и анализеоптоэлектронных элементов, устройств и волоконно-оптических систем. Такойподход позволил нам в теоретическом плане устранить вышеуказаннуюнесовместимость и создать единую инженерную методику расчетамногоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. В практическом планепоследовательная разработка полного комплекта конкурентоспособногоотечественного оборудования ВОСП, обеспечивающего общую стоимостьстроительства сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальной структурыне более 20 дол. на абонента, является на сегодня весьма актуальной задачей15для развития инфраструктуры местной связи, как в мегаполисах, так и внебольших городах и сельской местности.Кроме того, для построения широкомасштабных разветвленныхинформационных сетей с интеграцией услуг в работе предложены,проанализированы и исследованы экономичные устройства на основеширокополосной схемы фазовой синхронизации (СФС), предназначенные дляпрямой ретрансляции и регенерации аналоговых и цифровых сигналов вдиапазоне поднесущих частот, а также для простого сопряжения волоконнооптических линий и линий передачи СВЧ диапазона, например, радиорелейныхлиний. Хотя теория и принципы работы в различных режимах систем фазовойсинхронизации достаточно исследованы и описаны в большом числе статей имонографий, вопрос применения СФС в режиме усиления, ретрансляции ирегенерации широкополосных сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов изученнедостаточно. В частности, анализ публикаций показывает, что примоделировании одного из основных узлов СФС: фазового детектора — непринимаются во внимание параметры, связанные с его работой в СВЧдиапазоне, что вносит существенную погрешность в расчеты. Также слабоисследованы шумы и искажения, вносимые широкополосной нелинейной СФСв передаваемые аналоговые и цифровые сигналы СВЧ диапазона, иотсутствуют аналитические критерии для сопоставления с другими типамиСВЧ усилителей.Очевидно, что оптимальное решение проблемы разработки ВОСП с ЧРКдля МСАД волоконно-коаксиальной структуры, считающейся в настоящеевремя одним из наиболее перспективных типов местных сетей связи,невозможно в отрыве от сети, основным функциональным элементом которойона является. Вследствие этого, разработка концепции оптимального стехнической и экономической точек зрения построения МСАД данного типа ипоследовательной методики проектирования такой сети при использованииВОСП с согласованными параметрами также является актуальной задачей.16Отметим, что она особенно важна для нашей страны, в которой в настоящеевремя уже назрела острая необходимость коренной модернизацииинфраструктуры местных сетей связи.Задачи исследованияВ настоящей диссертационной работе решались следующие основныезадачи:- анализ многоканальной оптической системы передачи с ВЧ и СВЧподнесущими и определение требований к параметрам критических элементови узлов конкретных ВОСП (лазерному излучателю, фотодиодному модулю,передающему и приемному оптоэлектронным модулям);- разработка уточненных моделей принципиальных структурныхэлементов устройств (лазера, фотодиода, фазового детектора) с учетомособенностей их работы в СВЧ диапазоне;- моделирование и анализ оптического передающего устройства,фотоприемного устройства, усилителя, ретранслятора и регенераторааналоговых и цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией, входящих составблока обработки информации, и устройства преобразования СВЧ и оптическихсигналов для взаимного сопряжения радиорелейных и волоконно-оптическихлиний передачи;- исследование и разработка специализированных' лазерного ифотодиодного модулей;- исследование и разработка специализированных' передающего иприемного оптоэлектронных модулей;- исследование и разработка усилителя и ретранслятора СВЧ сигналов сугловой модуляцией и переходного устройства для сопряжения СВЧ иоптических линий передачи;- исследование и разработка многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ' Оптимизированных для многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.17поднесущими для наиболее нерснективных областей применения: МСАД,фазированных антенных решеток, кабельного и спутникового телевидения;- разработка, проектирование и исследование экономичныхмультисервисных сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальнойструктуры.Методы исследованияНаучно-методологический аппарат, примененный для исследования, какоптических, оптоэлектронных, так и СВЧ радиотехнических элементов, узлов иустройств систем основан на классических методах анализа линейных инелинейных цепей, принятых в СВЧ радиотехнике. В частности, линейныемодели фотодиода, оптического изолятора, усилителя приемногооптоэлектронного модуля, пассивных цепей согласования, усилителя на основесхемы фазовой синхронизации исследуются спектральным методом. В нелинейных бесструктурных моделях лазера, СВЧ фазового детектора ирегенератора цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией схема разбиваетсяна линейную инерционную и нелинейную безынерционную части, которыеисследуются соответственно спектральным и численным методами споследующим сшиванием граничных параметров, например, с помощьюитерационных методов.Результаты исследований и разработок изложены в семи главах,заключении и приложении.В гл. 1 рассматриваются системные и технологические принципыпостроения и функционирования и современное состояние исследуемыхмультисервисных сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальнойструктуры и многоканальных аналоговых ВОСП. В гл. 2, с целью создания общей инженерной методики анализа напредварительном этапе разработки многоканальной аналоговой ВОСП с ВЧ иСВЧ поднесущими, определяются выражения для расчета ее основных18параметров: коэффициента передачи, • вносимых шумов и нелинейныхискажений. По результатам расчета разрабатываются количественныетребования к параметрам ее основных элементов, которые конкретизируются иуточняются в процессе дальнейших исследований.В гл. 3, основываясь на выводах гл. 2, описываются предложенныеавтором уточненные математические модели основной элементной базыаппаратуры аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими: полупроводниковоголазера, фотодиода и СВЧ фазового детектора. Проводится расчетхарактеристики передачи (преобразования) и нелинейных искажений, а такжесопоставление с известными моделями.Глава 4 посвящена описанию и исследованию предложенных автороммоделей основных оптоэлектронных и СВЧ радиотехнических устройств,входящих в состав канала передачи аналоговых и цифровых сигналов ВОСП сВЧ и СВЧ поднесущими. А именно: оптических передающего и приемногоустройств, когерентного усилителя на основе широкополосной схемы фазовойсинхронизации, ретранслятора и регенератора сигналов с угловой модуляцией,многоканальных ОРТУ и устройства преобразования СВЧ и оптическихсигналов.Результаты теоретического анализа гл. 2-4 подтверждаютсяэкспериментальными исследованиями, описанными в гл. 5. В ней рассматриваются вопросы разработки и исследования лазерного модуля с оптическимизолятором и сверхвысокочастотного фотодиодного модуля,высокоэффективного узла термостатирования лазера, передающих и приемныхоптоэлектронных модулей для многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧподнесущими, когерентного усилителя и ретранслятора сигналов с угловоймодуляцией на основе широкополосной схемы фазовой синхронизации СВЧдиапазона и экономичного переходного устройства для преобразования СВЧ иоптических сигналов. Приводятся структурные схемы измерительныхустановок и результаты измерения основных параметров и характеристик19разработанных элементов, узлов и устройств, подтверждающие корректностьпредложенных выше моделей.В гл. 6 рассматриваются вопросы применения развитых в гл. 2-4теоретических положений и описанных в гл. 5 элементов, узлов и устройствмногоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими в ходе научноисследовательских и опытно-конструкторских разработок конкретных системдля МСАД, активных фазированных антенных решеток и кабельного испутникового телевидения. Описываются принципы построения, частотныепланы, структурные схемы, принципиальные узлы и блоки систем. Приводятсяоригинальные методики и результаты измерения основных характеристик,подтверждающие соответствие разработанных систем требованиямотечественных и международных стандартов.В гл. 7 рассматриваются вопросы разработки и оптимальногопроектирования описанного в гл. 1 нового типа местныхинфокоммуникационных сетей: МСАД волоконно-коаксиальной структуры, вкоторых обеспечивается одновременная доставка абонентам всех современныхинфокоммуникационных услуг. Предлагается и обосновывается концепцияпостроения экономичного варианта сети, суть которой состоит: впространственном и частотном разделении видов услуг; предварительнойколлективной обработке информации с последующей доставкой абонентам втрадиционных форматах по обычно уже существующим сетям; оптимизациирасхода сетевого частотного ресурса в прямом и обратном направлениях.Описываются конкретные примеры применения разработанных аналоговыхВОСП с ЧРК (см. гл. 6) при проектировании интерактивныхраспределительных сетей в городском районе, поселке городского типа,коттеджном поселке. Проводится экономическая оценка затрат настроительство данных сетей, позволяющая говорить о существенном выигрышепо сравнению с существующими в РФ вариантами построения МСАД поизвестной схеме.20в Заключении подводятся итоги исследований и разработок, описанныхв настоящей диссертационной работе. Перечисляются основные научнотехнические и методические результаты, приводятся сведения о публикации внаучной печати основного содержания диссертации, об апробации еерезультатов и выводов на научно-технических конференциях и семинарах.Указывается, где внедрены результаты диссертационной работы. Приводятсясведения о демонстрации разработанных систем на российских имеждународных выставках,В Приложении представлены копия сертификата соответствияМинистерства связи РФ, выданного на созданные многоканальные аналоговыеВОСП для систем кабельного телевидения и МСАД, и карта установки этихВОСП на территории России и Беларуси.Рамки исследованияВ диссертации при анализе многоканальных ВОСП учитывались толькопотери и отражения волоконно-оптического тракта, не принимая во вниманиеограничение полосы передачи и дополнительные щумы вследствие дисперсии.Это допущение не приводит к существенной погрещности расчетов, посколькуВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, как правило, работают вблизи от минимумадисперсии кварцевого волокна, и в них используются одномодовые илиодночастотные лазерные излучатели и одномодовые волоконные световоды,что также уменьшает дисперсию. Сравнительно невысокий уровеньисследуемых в работе лазерных излучателей и небольшая протяженностьлиний передачи дают основание также не учитывать нелинейные искажения,создаваемые при распространении излучения в волоконно-оптическом тракте.Научная новизна работы заключается в следующем.1. Используя аппарат анализа СВЧ радиотехнических цепей, впервыеразвита общая теория работы принципиальных элементов, узлов и устройствмногоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.212. В рамках вышеуказанного подхода разработаны математические моделии алгоритмы расчета по ним основных характеристик полупроводниковоголазерного излучателя, оптического изолятора, фотодиода, передающего иприемного оптоэлектронных модулей.3. Основываясь на них, получены уточненные выражения для таких важныхпараметров, как коэффициент передачи, отношение сигнал/шум, уровеньинтермодуляционных искажений при передаче на поднесуших многоканальныхВЧ и СВЧ сигналов с различными видами модуляции.4. При исследовании конкретных узлов и устройств ВОСП обнаружены иподтверждены экспериментом некоторые новые, не предсказуемые с помощьюизвестных моделей, специфические эффекты и возможности, позволяющиеувеличить коэффициент передачи и отношение сигнал/шум системы и уточнитьтребования к их критическим параметрам.5. Предложенные в работе модели лазерного излучателя, оптическогоизолятора, фотодиода также могут быть использованы для анализавысокоскоростных цифровых ВОСП со скоростями передачи выше 1 Гбит/с имноговолновых ВОСП с спектральным разделением каналов.6. Развита теория работы широкополосной схемы фазовой синхронизацииСВЧ диапазона в качестве когерентного усилителя мош:ности, ретранслятора ирегенератора передаваемых в СВЧ диапазоне аналоговых и цифровых сигналовс угловой модуляцией.7. Для этого разработаны математическая модель диодного балансногофазового детектора СВЧ диапазона и алгоритм расчета по ней амплитуднофазовой характеристики в режиме большого сигнала. При исследованииконкретных балансных детекторов обнаружен и подтвержденэкспериментально эффект асимметрии амплитудно-фазовой характеристики,который невозможно описать с помощью известных моделей.8. Для широкополосной схемы фазовой синхронизации традиционнойструктуры разработаны уточненная математическая модель и алгоритм расчета22по ней основных характеристик. Разработан оригинальный метод инженерногорасчета с использованием номограмм параметров элементов усилителя иретранслятора. Получены выражения для полосы усиления и коэффициенташума и впервые проведено аналитическое сравнение с другими типами СВЧусилителей аналогичного назначения, в результате которого определены иподтверждены экспериментальными данными условия и требования кпараметрам элементов схемы фазовой синхронизации, при которыхрассматриваемый усилитель имеет преимущество.9. Разработана математическая модель и алгоритм расчета по ней основныххарактеристик впервые предложенной широкополосной схемы фазовойсинхронизации, в которой обеспечивается полная регенерация в СВЧ диапазоневысокоскоростного двухпозиционного цифрового сигнала с фазовоймодуляцией. При исследовании с помощью модели качества и характеристикпередачи цифрового сигнала установлены ограничения скорости переключенияфазы и определены требования к параметрам элементов схемы.10. Предложенные в работе модели и результаты исследованияширокополосных схем фазовой синхронизации также пригодны для анализааналогичных устройств систем радиосвязи СВЧ диапазона, например, системырадиорелейной или спутниковой связи.Практическая ценность работы состоит в следующем.Базируясь на принципах, принятых при разработке элементов и системпередачи СВЧ диапазона, развито новое направление техники волоконнооптической связи: многоканальные аналоговые волоконно-оптические системыпередачи с ВЧ и СВЧ поднесущими.1. Разработаны общие принципы построения и расчета многоканальныханалоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. А именно:Разработана обобщенная структурная схема ВОСП с ВЧ и СВЧподнесущими. Предложена экономичная схема оптического ретранслятора23аналоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией.Разработана простая методика оценочного расчета параметров ихарактеристик многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими сучетом вносимых лазерным излучателем шумов и нелинейных искажений,основанная на использовании определяемого по результатам простых и точныхизмерений параметра: точки пересечения (условной мощности насыщения)характеристики интермодуляционных искажений соответствующего порядка.По результатам расчета количественно определены требования кпараметрам принципиальных элементов и узлов конкретных многоканальныханалоговых ВОСП с модуляцией поднесущих методом АМ-ОБП и угловымиметодами и проведена сравнительная оценка этих двух типов систем.2. Разработана и исследована специализированная оптическая иоптоэлектронная элементная база аналоговых ВОСП. А именно:Разработан и исследован простой в эксплуатации щирокополосныйфотодиодный модуль патентоспособной конструкции с верхней частотойполосы пропускания в СВЧ диапазоне. Предложен доступный дляразработчиков ВОСП способ измерения частотной характеристики фотодиода.Показан путь доработки серийного лазерного излучателя. Исследованы егокритические характеристики, определена область оптимального режима работыв аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.Разработан и исследован ряд экономичных оптических изоляторов дляоптимизации уровня развязки в различных типах многоканальных ВОСП с ВЧи СВЧ поднесущими.3. Разработаны и исследованы специализированные узлы аппаратуры. Аименно:Разработан и исследован лазерный модуль со встроенными оптическимизолятором и защищенным авторским свидетельством эффективным вводом всветовод.24Разработаны и исследованы передающий и приемный оптоэлектронныемодули, обеспечивающие за счет недиссипативного согласования в рабочейполосе существенный выигрыш по коэффициенту передачи и отношениюсигнал/шум.Разработан и исследован эффективный узел автоматическоготермостатирования лазера, позволяющий повысить стабильность его работы,уменьшить нелинейные искажения и шумы вследствие перескока спектральныхмод.Разработан и исследован когерентный СВЧ усилитель, предназначенныйдля работы в составе фотоприемного устройства и прямой ретрансляциианалоговых и цифровых сигналов с угловой модуляцией в СВЧ диапазоне.4. Разработаны и исследованы специализированные устройства дляпередачи, приема и ретрансляции сигналов и сопряжения с линиями СВЧдиапазона. А именно:Разработаны и исследованы оптические передающие и приемныеустройства для систем конкретного назначения.Предложено и проанализировано устройство на основе СВЧ схемыфазовой синхронизации, осуществляющее полную регенерациюдвухпозиционного цифрового сигнала с фазовой модуляцией.Предложены и описаны схемы многоканального и многоствольногооптических ретрансляторов, содержащие защищенное авторским свидетельством многоканальное устройство регенерации на основе гетеродиннойсхемы фазовой синхронизации.Разработано и исследовано оригинальное устройство сопряженияцифровых СВЧ и волоконно-оптических линий передачи.5. Разработаны и испытаны системы для конкретных областейприменения многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. Аименно:Разработан и исследован комплекс оборудования МВ-2000 для25супермагистральных линий сети КТВ. Разработан комплекс оборудования МВ-600/800 для интерактивныхмультисервисных сетей абонентского доступа.Разработан комплекс оборудования ВОСП сантиметрового диапазона волндля радиолокационных применений.Разработаны два варианта многоканальных ВОСП для распределительнойсети систем коллективного приема программ непосредственного спутниковоготелевизионного вещания.Разработан комплекс оборудования ВОСП для доставки телевизионных ирадиовещательных программ на удаленный ретранслятор.6. Разработаны общие принципы построения, методика расчета и типовыепроекты экономичных мультисервисных сетей абонентского доступаволоконно-коаксиальнои структуры для распределительных сетей в городскойи сельской местностях. На базе полученных результатов в г. Архангельскеспроектирована и построена с использованием разработанной аналоговойВОСП с ЧРК первая в России общегородская сеть кабельного телевиденияволоконно-коаксиальнои структуры [53].На защиту выносятся следующие положения:1. Предложенный в работе комплексный подход к анализу нелинейныхискажений в многоканальных аналоговых ВОСП с ЧРК позволил учестьвлияние нелинейности передаточной характеристики не только лазерногоизлучателя, но и фотодиода с радиочастотным усилителем, что упростилопроцедуру анализа и повысило точность оценки динамического диапазонаВОСП и числа передаваемых телевизионных каналов.2. Анализ динамического диапазона и отнощения сигнал/щум на выходемногоканальной аналоговой ВОСП с учетом импедансных и щумовыххарактеристик оптоэлектронных компонентов позволил обнаружить режимработы фотоприемного устройства, обеспечивающий существенное26повышение его чувствительности В' случае использования в передатчикеобычного для цифровых ВОСП лазера с резонатором Фабри-Перо, Это даловозможность эффективно применить данный сравнительно простой типизлучателя вместо исключительно применяемого в зарубежных аналоговыхВОСП дорогостоящего лазера с распределенной обратной связью.3. Предложенный в работе общий научный подход на базе аппарата анализаСВЧ радиотехнических цепей позволил создать корректные математическиемодели основных оптоэлектронных, оптических и радиочастотныхкомпонентов и передающего и приемного оптоэлектронных модулеймногоканальных аналоговых ВОСП с ЧРК.

4. Предложенные и исследованные в данной работе устройства усиления,ретрансляции и регенерации на основе щирокополосной схемы фазовойсинхронизации СВЧ диапазона могут быть эффективно использованы длякрупномасщтабных многоканальных и многоствольных ВОСП с ЧРК, атакже для сопряжения СВЧ и волоконно-оптических линий передачи.5. Развитый в данной работе научный подход позволяет разрабатыватьмногоканальные аналоговые ВОСП для телекоммуникационных ирадиолокационных применений с существенно превосходящимизарубежные аналоги экономическими показателями и соответствующимиотечественным и международным стандартам техническими показателями.6. Разработанные в настоящей работе ВОСП и концепция построения ипроектирования мультисервисных сетей абонентского доступа на их основес высокими технико-экономическими показателями обеспечиваютпостроение в городской и сельской местностях современныхинфокоммуникационных сетей с уровнем затрат в 5-10 раз меньше посравнению с существующим вариантом построения МСАД. Автор посвящает настоящий труд памяти научного руководителякандидатской диссертации д.т.н., проф. |Андреева В. | , чья помощь иподдержка были неоценимыми на начальном этапе работы над диссертацией.

Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Всесоюзном научно-техническом семинаре "Элементы и узлы волноводных трактов радиорелейных линий". - Таллинн, 1983 г.

2. IY Всесоюзной научно-технической конференции "Световодные системы связи и передачи информации". - Москва, 1984 г.

3. XL Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. -Москва, 1985 г.

4. Всесоюзной научно-технической конференции. "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств". - Горький, 1985 г.

5. Постоянном семинаре по волоконно-оптическим линиям связи в ИРЭ АН СССР. - Москва, 1985 г.

6. Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование средств связи на основе внедрения световолоконной и микропроцессорной техники". -Кишинев, 1986 г.

7. Всесоюзном семинаре "Элементы, и узлы радиоприемных устройств" НТО РЭС им. А.С.Попова, Москва, 1986 г.

8. ХШ Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. - Москва, 1987 г.

9. Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития цифровых систем передачи городских и сельских сетей связи на основе электрических и волоконно-оптических кабелей» - Новосибирск, 1987 г.

10. Секции НТС ЦНИИС "Цифровые сети связи и оптические системы передачи. - Москва, 1988 г.

11. Всесоюзной научно-технической конференции "Оптическая коммутация и оптические сети связи". - Суздаль, 1990 г.

12. Научно-техническом семинаре "Актуальные вопросы разработки и производства средств приема спутникового телевидения". -Севастополь, 1990 г.

13. I Всесоюзной научно-технической конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации". - Севастополь, 1990 г.

14. П Всесоюзной научно-технической конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации". - Севастополь, 1991 г.

15. Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технических средств связи для решения проблем информатизации общества в новых условиях хозяйствования". - Ленинград, 1992 г.

16. International'92 Geneva Conference. Signals and Systems. - Geneva, 1992.

17. International ISFOC'92 Conference. St. Peterburg, apr. 1992.

18. Всероссийской научно-технической конференции «Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры». - Владимир, 1994 г.

19. Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития современной телевизионной ТВ техники». - М.: АО «МНИТИ», 1995 и 1997 г. г.

20. LIII научной сессии РНТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню радио. М.: РНТОРЭС им. А.С. Попова, 1998 г.

21. Конгрессе Национальной ассоциации телевещателей. - М.: 1998 г.

22. LIV научной сессии, посвященной Дню радио. // РНТОРЭС им. А.С. Попова. М.: 1999 г.

23. Научно-техническом совете ФГУП НИИ Радио. - Москва, 1999 г.

24. LV научной сессии, посвященной Дню радио. // РНТОРЭС им. А.С. Попова. М.: 2000 г.

25. Научной сессии МИФИ. - М.: 2005 г.

26. LX научной сессии, посвященной Дню радио. // РНТОРЭС им. А.С. Попова. М.: 2005 г.

27. XII Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» - М.: АО «Техномаш», 2006 г.

28. Научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МЭИС в 1982, 1983, 1985 и 1987 г.г.

29. Научно-технических конференциях МИРЭА. - М.: 1990,2004-2006 г. г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа методологически выполнена на стыке СВЧ радиоэлектроники и волоконно-оптической связи. Первая представляет собой уже сформировавшуюся область с глубоко разработанными научными подходами, моделями и методами расчета, вторая - все еще в развитии, в процессе которого постоянно открываются новые направления. Одним из них является передача многоканального оптического сигнала на ВЧ и СВЧ поднесущих, которая уже нашла в мире широкое применение в мультисервисных сетях абонентского доступа и считается перспективной для различных радиолокационных целей, например, в фазированных антенных решетках, а также в развивающихся в последние годы распределительных системах волоконно-эфирной (RoF) структуры.

Основополагающим подходом данной работы является использование для анализа оптоэлектронных элементов и модулей аппарата исследования, принятого для радиотехнических цепей СВЧ диапазона, а также учет особенностей работы в СВЧ диапазоне при моделировании и анализе оптоэлектронных элементов и устройств волоконно-оптических систем передачи (ВОСП).

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили автору впервые в стране разработать многоканальные ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими для распределения сигналов на полотне антенной решетки [35, 36] и в сетях кабельного и спутникового телевидения [16, 151].

В данной работе в теоретической части: Получены выражения для расчета характеристик передачи, отношения сигнал/шум и вносимых нелинейных искажений многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, по которым определены основные требования к системам передачи на поднесущих, модулированных методом AM и угловыми методами, и к параметрам их критических элементов и узлов. Развита теория расчета принципиальных элементов, узлов и устройств многоканальных ВОСП с частотным разделением каналов (ЧРК) на ВЧ и СВЧ поднесущих, модулированных по амплитуде, частоте или фазе аналоговыми и цифровыми информационными сигналами. В частности, основываясь на методах расчета СВЧ радиотехнических приборов и устройств, разработаны нелинейные инерционные модели полупроводникового лазерного излучателя и фазового детектора и линейная инерционная модель фотодиода, благодаря чему обеспечена возможность единого подхода к анализу оптоэлектронных и радиотехнических узлов и устройств оптических систем передачи с ВЧ и СВЧ поднесущими. На базе предложенных моделей элементов и методов расчета активных и пассивных радиотехнических схем СВЧ диапазона разработаны математические модели всех принципиальных узлов и устройств оптической системы с ЧРК: узла оптического согласования с оптическим изолятором, передающего оптоэлектронного модуля, приемного оптоэлектронного модуля, блока обработки цифровой и аналоговой информации на основе широкополосных СВЧ схем фазовой синхронизации, отличающегося простотой и качественным выполнением операций усиления, демодуляции, ретрансляции и регенерации широкополосных информационных сигналов. Модели узлов и устройств применены при анализе многоканальных и многоствольных оптических ретрансляторов и регенераторов для крупномасштабных локальных и магистральных волоконно-оптических сетей, а также оригинального устройства сопряжения СВЧ и оптических линий передачи. Исследованы передаточные и шумовые характеристики всех анализируемых элементов, узлов и устройств.

В данной работе в экспериментальной части: Вследствие отсутствия в стране специализированных оптоэлектронных приборов, показан путь доработки одного из промышленных полупроводниковых лазерных излучателей. Исследованы энергетические, спектральные, частотные, шумовые и амплитудные характеристики доработанного излучателя. Продемонстрировано значительное уменьшение шумов и нелинейных искажений при использовании эффективного термостатирования излучателя. Разработан узел термостатирования, обеспечивший стабильность температуры лазера не хуже 0,0065°С. Определен оптимальный режим и требования к излучателю с точки зрения минимизации вносимых в систему передачи шумов и интермодуляционных искажений. Разработан миниатюрный узел ввода излучения лазера в волоконный световод, содержащий взаимозаменяемый ряд встроенных оптических изоляторов с развязкой от 20 до 60 дБ. Разработан и исследован фотодиодный модуль, работающий в спектральном диапазоне 1,1.1,6 мкм с верхней частотой модуляции 5 ГГц. На базе вышеуказанных элементов и узлов, недиссипативных СВЧ схем согласования и кремниевых биполярных и арсенид-галлиевых полевых СВЧ транзисторов разработаны и исследованы варианты передающих и приемных оптических модулей, обеспечивших за счет эффективного согласования в рабочей полосе улучшение коэффициента передачи системы на 10-12 дБ и увеличение отношения сигнал/шум на 5-7 дБ. Разработаны и исследованы эффективные устройства обработки (усиления, ретрансляции) информации СВЧ диапазона на основе широкополосной схемы фазовой синхронизации, обеспечившие существенное улучшение по ширине полосы, коэффициенту усиления и шумам по сравнению с известными вариантами. Разработано и исследовано простое и эффективное устройство сопряжения СВЧ линий передачи 8-мм диапазона и волоконно-оптической линии передачи диапазона 0,85 мкм при передаче цифрового сигнала с ИКМ-ФМ со скоростью 8 Мбит/с.

Полученные экспериментальные данные с удовлетворительной точностью соответствуют результатам теоретического анализа, что подтверждает корректность предложенных моделей. Предложенные в работе модели, схемы, элементы и устройства сопоставлены с известными аналогами с указанием и подтверждением достигнутых преимуществ.

Развитая теория и проведенные исследования и разработки элементов, узлов и устройств были применены в научно-исследовательских и опытноконструкторских работах, в результате которых были реализованы и испытаны многоканальные аналоговые ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими различного назначения: 4-канальная и 8-канальная ВОСП с ЧРК/ЧМ в верхней части дециметрового диапазона для супермагистральных и магистральных линий сети кабельного телевидения; 50-канальная ВОСП с ЧРК/АМ с рабочей полосой 5-862 МГц для интерактивных мультисервисных сетей абонентского доступа; четырехствольная ВОСП сантиметрового диапазона волн для передачи и распределения на полотне фазированной антенной решетки набора опорных и информационных сигналов; 25-канальная волоконно-оптическая система коллективного приема сигналов спутникового телевещания с распределением в полосе 1-2 ГГц; 40-канальная волоконно-оптическая система коллективного приема сигналов спутникового телевещания с распределением сигналов в стандартном телевизионном диапазоне; 6-канальная ВОСП с ЧРК ЧМ и AM для доставки телевизионных и радиовещательных программ на удаленный ретранслятор.

С целью обоснования эффективности применения разработанной на базе исследований настоящей работы многоканальной аналоговой ВОСП с ЧРК/АМ (см. 7.2) предложена концепция построения на ее основе экономичной мультисервисной сети абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры. Исследованы принципы построения и предоставления услуг, особенности методики проектирования. Корректность предложенных решений подтверждается конкретными примерами проектирования сетей данного типа в типичном городском районе, поселке городского типа и коттеджном поселке.

Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично либо при его определяющем участии.

Для внедрения разработок автором создано малое научно-производственное предприятие, силами которого данные ВОСП были произведены и установлены на сетях КТВ в Москве (сеть ВГТРК) и 10 других городах России и Беларуси (см. Приложение П.2).

Разработанная аппаратура демонстрировалась на выставке Второй Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием", Севастополь, на международной выставке "Связь-93", Москва, на выставке АО "Телеком", Москва, 1993 г., на выставке правительства Москвы "Наука, техника, город -94", на международной выставке-ярмарке "Говорит и показывает Сибирь - 94", Новосибирск, на международной выставке TELECOM-95, Женева, на международной выставке «Связь-Экспокомм'97», Москва.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы при выполнении НИР и ОКР на предприятиях: ЦНИТИ, г. Москва, НИИРФ им. акад. Расплетина, г. Москва, ЦНИИС, г. Москва, ЗАО «Техномаш-ВОС», Москва.

По теме диссертации опубликована 51 работа, среди которых 1 книга, вышедшая в издательстве «Радио и связь», 3 описания авторских свидетельств на изобретение, 20 статей в научно-технических журналах и сборниках (из них 12 в журналах, входящих в Перечень ВАК), 27 публикаций в тезисах и трудах научно-технических конференций и семинаров.

Кроме того, материалы диссертации вошли в отчеты следующих предприятий: ЦНИИС, ЛОНИИР, МИС, ВНИИОФИ, ЦНИТИ, ОАО «Московская телекоммуникационная корпорация», МИРЭА.

Результаты диссертационной работы используются в читаемом автором в МИРЭА курсе лекций «Волоконно-оптические устройства и системы»

1. Булгак В. Б., Варакин JL Е., Ивашкевич Ю. К. и др. Концепция развития связи Российской Федерации. М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.

2. Белкин М. Е. Концепция построения сети абонентского доступа на базе волоконно-коаксиальных распределительных сетей. Электросвязь, 1998, № 1, с. 8-15.

3. Harrison В. Rural telephone companies harvest fiber to the farm. Lightwave, Oct. 1995, p. 1,27, 29.

4. Gall D. T. Fiber keys cable-TV network flexibility. Lightwave, Nov. 1997, p. 41,42,44.

5. Jordan B. Cable's future comes to light. Lightwave, Nov. 1997, p. 46, 49.

6. ГОСТ P 52023-2003. Сети распределительные систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.

7. Визель А. А., Вороненко В. П. Волоконно-оптические системы связи.// Итоги науки и техники. Связь. М.: 1990, т. 6. С.3-72.

8. Белкин М. Е., Визель А.А. Когерентные волоконно-оптические системы передачи информации.- Зарубежная радиоэлектроника, 1991, № 10, с.3-25, № 11, с. 53-68.

9. Пратт В. К. Лазерные системы связи: Перевод с англ./Под ред. А. Г. Шереметьева. М.: Связь, 1972. - 232 с.

10. Фудзихара X. Рекомендации по использованию волоконно-оптических систем передачи в промышленном и кабельном телевидении. Дэнки Кэйсан, 1986, т. 54, № 15, с. 71-80.

11. Kemery S.M., Daryoush A. S., Herczfeld P.R. Direct broadcast satellite receiver system with optical distribution network. Proceedings of SPIE, 1986, v. 616, p.222-230.

12. Way W.I., Krain M., Wolff R.S. 1.3 um 35-km fiber-optic microwave multicarrier transmission system for satellite earth stations.- Electronics Letters, 1987, v.23, p.400-402.

13. Sobol H. The application of microwave techniques in lightwave systems. -Journal of Lightwave Technology, 1987, LT-5, № 3, p.293-299.

14. Бахрах JI. Д., Блискавицкий А. А., Применение лазеров и волоконно-оптических систем для управления формированием СВЧ сигналов и их распределения в антенных решетках. Квантовая электроника, 1988, т. 15, № 5, с. 879-914.

15. Niiho Т., Nakaso М., Masuda К., е.а. Transmission performance of multichannel wireless LAN system based on radio-over-fiber techniques. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, MTT-54, № 2, part 2, p. 980-989.

16. Белкин M. E. Многоканальные аналоговые ВОЛП для кабельного телевидения. Вестник связи, 1993, № 4, с. 31-35.

17. Оптическая связь: Пер. с японского /Под ред. И. И. Теумина. М.: Радио и связь, 1984.-384 с.

18. Koffman I., Herczfeld P.R., Daryoush A.S. Comparison of various architectures of microwave fiber-optic links. A system level analysis. Proceedings of SPIE, 1987, v. 840, p.136-142.

19. Шевцов Э.А., Белкин M. E. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

20. Андрушко Л. М., Гроднев И. И., Панфилов И. П. Волоконно-оптические линии связи. -М.: Радио и связь, 1984. -138 с.

21. Sato К., Aoyagi S., Kitami Т. Fiber-optic analog-digital hybrid signal transmission employing frequency modulation. IEEE Transactions on Communications, 1985, v. COM-33, № 5, p. 433-441.

22. Bowers J. E. Optical transmission using PSK-modulated subcarries at frequencies to 16 GHz Electronics Letters, 1986, v.22, № 21, p.l 119-1121.

23. Petermann К. Laser Diode Modulation and Noise. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988.-310 p.

24. Belkin M. E., Denisenko V. V., Kashirin Y. Y. e. a. RF Analog Fiber Optic Links. //International^ Geneva Conference. Signals and Systems. Summaries of the Excepted Communications. Geneva, 1992, p. 55.

25. Way W. I. Subcarrier multiplexed lightwave system design considerations for subscriber loop applications. Journal of Lightwave Technology, 1989, v. 7, № 11, p. 1806-1818.

26. Hsu H-P., de la Chapelle M., Gulick J.J. Fiber-optic links for microwave signal transmission. Proceedings of SPIE. 1986, v. 716, p. 69-75.

27. Olshansky R., Lanzisera V. A., Hill P. M. Subcarrier Multiplexed Lightwave Systems for Broadband Distribution. Journal of Lightwave Technology, 1989, v. 7, №9, p.1329-1342.

28. Иванов А. В., Курленков С. С., Курносов В. Д. и др. Излучатель ИЛПН-216. Характеристики. // Тезисы докладов республиканской НТК «Физика полупроводниковых лазеров». Вильнюс: 1989. с. 154-155.

29. Www.dilas.ru // Лазерный модуль ДМП0131-23, фотоприемник ДФДМШ40-012.

30. Васильев М. Г., Иванов А. В., Коняев В. П. и др. Быстродействующие фотодиоды на основе InGaAsP/InP для спектрального диапазона 1,0. 1,6 мкм //Тезисы докладов республиканской НТК «Физика полупроводниковых лазеров». Вильнюс: 1989. с. 50-53.

31. Дураев В. П., Калашников В. С., Коняев В. П. и др. СВЧ-модуляция инжекционных лазеров. Радиотехника, 1988, № 8, с. 46-50.

32. Евтихиев Н. Н., Лукашин А. В., Морозов М. А. и др. Модуляция в полосе до 5 ГГц InGaAsP лазера на подложке р-типа с заращиванием полуизолирующими слоями. Письма в Журнал технической физики, 1988, т. 14, вып. 17, с. 1580-1583.

33. Блискавицкий А. А., Владимиров Ю. К., Тамбиев Ю. А. и др. Эффективное согласование СВЧ модулятора с лазерным диодом в заданной полосе частот гигагерцевого диапазона. Квантовая электроника, 1989, т. 16, № 8, с. 1751-1754.

34. Голдобин И. С., Курносов В. Д., Плявенек А. Г. и др. Глубокая амплитудная модуляция излучения гетеролазеров с зарощенной мезаструктурой в полосе до 5 ГГц. Квантовая электроника, 1990, т. 17, № 2, с. 218-221.

35. Белкин М. Е. Локальная волоконно-оптическая система передачи с СВЧ поднесущей. Радиотехника, 1991, № 2, с. 75-79.

36. Белкин М. Е., Керженцева Н. П. Разработка локальной системы передачи с СВЧ-поднесущей. //Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Оптическая коммутация и оптические сети связи». Суздаль: 1990. с.72.

37. O'Mahoni M.J. Semiconductor laser optical amplifiers for use in future fiber systems. Journal of Lightwave Technology, 1988, LT-6, № 4, p. 531-544.

38. Системы связи и радиорелейные линии. /Под ред. Калашникова. М.: Связь, 1977.-391 с.

39. Системы передачи сообщений: Пер. с англ. М.: Связь, 1976. - 520 с.

40. Линейные регенерационные усилители волноводных линий связи на миллиметровых волнах /Под. Ред. А.А. Визеля. М.: Связь, 1972. 153 с.

41. Витерби Э. Д. Принципы когерентной связи. Пер с англ. /Под ред. Б. Р. Левина. М.: Сов. Радио, 1970. - 392 с.

42. Hines М. Е., Posner R.S., Sweet A. A. Power amplification of microwave FM communication signals using a phase-locked voltage-tuned oscillator. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1976, MTT-24, № 7, p. 393404.

43. Шахгильдян В. В., Ляховкин А. А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Связь, 1972. - 447 с.

44. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении: Пер. с англ. /Под ред. Ю.А. Бакаева, М.В. Капранова, М.: Сов. Радио, 1978. -600 с.

45. Salmon J. A MIC phase-locked-loop avalanche oscillator in X-band. IEEE Transactions, 1974, MTT-22, № 4, p.464-466.

46. Капранов M. В., Рихтер С. Г. Экспериментальное исследование системы ФАПЧ в режиме манипуляции фазы. Радиотехника, 1969, № 11, с. 48-53.

47. Павлов Б. А. Фазовая автоподстройка частотный демодулятор. -Известия ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника, 1978, т. 21, № 1, с. 73-77.

48. Захаров Ю. С. Оптимизация цепи управления следящего фазового демодулятора с целью расширения зоны слежения. Известия ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника, 1981, т. 24, № 11, с. 35-40.

49. Рыжков А. В., Попов В. Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991. -264 с.

50. Корнилов В. П., Рихтер С. Г. Система фазовой автоподстройки частоты -усилитель мощности фазоманипулированных сигналов. Электросвязь, 1971, № 2, с. 53-59.

51. Рихтер С. Г. Генерирование и усиление фазоманипулированных сигналов с помощью систем ФАПЧ. Кандидатская диссертация. М.: МЭИ, 1972.

52. Макаров Н. В. Архангельская сеть кабельного телевидения. Вестник связи, 1997, №3, с. 54-56.

53. Dental М., е. a. Numerical Simulation of the Nonlinear Response of a p-i-n Photodiode Under High Illumination. Journal of Lightwave Technology, 1990, v. LT-8, № 8, p. 1137-1144.

54. Daly J. C. Fiber Optic Intermodulation Distortion. IEEE Transactions on Communications, 1982, COM-30, № 8, p. 1954-1958.

55. Pedro J. C., Carvalho N. B. Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits Boston, London: Artech House. 2003. - 432 p.

56. Белкин М. Е. Метод расчета числа передаваемых каналов в многоканальной волоконно-оптической системе с ВЧ и СВЧ поднесущими. -Радиотехника, 2006, № 12, с. 88-91.

57. Sato К. Intensity Noise of Semiconductor Laser Diodes in Fiber Optic Analog Video Transmission. IEEE Journal on Quantum Electronics, 1983, QE-19, № 9, p. 1380-1391.

58. Белкин M. E. Отношение сигнал/шум в аналоговой волоконно-оптической системе с ВЧ и СВЧ поднесущими. Электросвязь, 2005, № 8, с. 3638.

59. Helms J., Petermann К. A Simple Analytic Expression for the Stable Operation Range of Laser Diodes with Optical Feedback. IEEE Journal on Quantum Electronics, 1990, v. 26, № 5, p. 833-836.

60. Lightwave 1998 worldwide directory of fiber-optic communications products and services. // N. Y.: PennWell, 1998.-332 p.

61. Кривошеев M. И. Основы телевизионных измерений. M.: Радио и связь, 1989.-608 с.

62. Спутниковая связь и вещание. Справочник. /Под ред. JI. Я. Кантора. -М.: Радио и связь, 1988. 342 с.

63. ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основные параметры, методы измерений.

64. ГОСТ 19463-89. Магистральные каналы изображения радиорелейных и спутниковых систем передачи. Основные параметры и методы измерений.

65. ГОСТ 26599-85. Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Термины и определения.

66. Way W. I. Large signal nonlinear distortion prediction for a single-mode laser diode under microwave intensity modulation. Journal of Lightwave Technology, 1987, LT-5, № 3, p. 305-315.

67. Алферов Ж. И., Гарбузов Д. Э., Давидюк Н. Ю. и др. Мощные мезаполосковые РО InGaAsP/InP лазеры для ВОСП. Письма в ЖТФ, 1985, т. 11, вып. 22, с. 1345-1349.

68. Белкин М. Е., Денисенко В. В., Каширин Ю. Ю. и др. Передающий оптический модуль с лазерным излучателем ИЛПН-216. -Электросвязь, 1991, № 7, с. 24-25.

69. Way W. I., Wolff R. S., Krain M. F. 1.3-um 35-km fiber-optic microwave multicarrier transmission system for satellite earth stations. Journal of Lightwave Technology, 1987, LT-5, № 9, p. 1325-1331.

70. Lau K.Y., Yariv A. Ultra-high speed semiconductor lasers. IEEE Journal on Quantum Electronics, 1985, QE-21, № 2, p. 121-137.

71. Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры. /Под ред. У.Тсанга: Пер. с англ. /Под ред. Л. А. Ривлина, М.: Радио и связь, 1990. -320 с.

72. Katz F. The intrinsic electrical equivalent circuit of a laser diode. IEEE Journal on Quantum Electronics, 1981, v. QE-17, № 1, p. 4-7.

73. Tucker R.S., Pope D.F. Microwave circuit models of semiconductor injection lasers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1983, v. MTT-31, №3, p. 289-294.

74. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ. /Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана.: Пер. с англ./ Под ред. В. С. Эткина. М.: Мир, 1979. - 444 с.

75. Tucker R.S., Kaminov I.P. High-Frequency characteristics of directly modulated InGaAsP ridge waveguide and buried heterostructure lasers. Journal of Lightwave Technology, 1984, v. LT-2, № 4, p. 385-393.

76. Tucker R.S. Circuit model of double-heterojunction laser below threshold. -IEE Proceedings, pt.I, 1981, v. 128, № 3, p. 101-106.

77. Tucker R.S. Large-signal circuit model for simulation of injection-laser modulation dynamics. IEE Proceedings, pt. 1,1981, v. 128, № 5, p. 180-184.

78. Habermayer I. Nonlinear light-current characteristics of narrow stripe geometry lasers. Optical and Quantum Electronics, 1986, v. 18, p. 249-252.

79. Белкин М.Е. Трехканальная волоконно-оптическая система передачи с СВЧ поднесущими. Радиотехника, 1994, № 2, с. 77-80.

80. Belkin М. Е., Denisenko V. V., Kashirin Y. Y. e. a. RF Analog Fiber Optic Links in the 2-4 GHz Band. Modelling, Measurement & Control, 1994, A, v. 54, № l,p. 47-54.

81. Белкин M. E. Анализ многоканальной аналоговой ВОСП на базе полупроводникового лазерного излучателя с резонатором Фабри-Перо. // Тезисы докладов LIV научной сессии, посвященной Дню радио. //РНТОРЭС им. А.С. Попова. М.: 1999, с. 45-46.

82. Маттей Д. J1., Янг JL, Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: Пер. с англ. /Под ред. J1. В. Алексеева, Ф. В. Кушнира. М.: Связь, 1971.-439 с.

83. Abuelma'atti М.Т. Nonlinear distortion performance of narrow stripe-geometry lasers. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1988, v. 9, № 12, p.1041-1050.

84. Техника оптической связи. Фотоприемники. /Под ред. У. Тсанга: Пер. с англ. /Под ред. М. А. Тришенкова. М.: Мир, 1988, - 526 с.

85. Kato К. Ultrawide-band/high-frequency photodetectors. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, v. 47, № 7, p. 1265-1281.

86. Тришенков M. А., Фример А. И. Фотоэлектрические полупроводниковые приборы с р-n переходами. в сб. «Полупроводниковые приборы и ихприменение» /Под ред. Я. А. Федотова. М: Сов. Радио, 1971, вып. 25, с. 159203.

87. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. /Под ред. А. И. Ларкина. М.: Радио и связь, 1989. - 504 с.

88. Belkin М.Е., Ravich V.N. Photodiode Module for Analog and Digital Transmission Systems. // ISFOC92 Conference Proceedings. St. Peterburg, oct.92. -p. 224-230.

89. Белкин M. E., Эйнасто M. В. Измерение частотных характеристик фотодиодов с использованием физической эквивалентной схемы. -Радиотехника, 1989, № И, с. 88-91.

90. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи /Л.Г. Гассанов, А. А. Липатов и др. М.: Радио и связь, 1988, - 288 с.

91. Kurtz S.R. Specifying mixers as phase detectors. Microwaves, 1978, v. 17, № 1, p. 80-89.

92. Ruella P. Resistive diode microwave mixers used as phase detectors IEE Proceedings. Pt. H, 1980, v. 127, № 5, p. 251-256.

93. Писарев B.B., Усанов Д.А. СВЧ фазовый детектор на полупроводниковом диоде. Электронная техника. Сер. 1,1980, вып. 8, с. 57-58.

94. Лившиц В.В. Преобразование частоты на СВЧ с помощью полупроводниковых диодов. В сб. «Полупроводниковые приборы и их применение» /Под ред. Я. А. Федотова. - М.: Сов. Радио, 1966, вып. 15, с. 1033.

95. Fieri D. A., Cohen L.D. Nonlinear analysis of the Schottky-Barrier mixer diode. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1973, v. MTT-21, № 1, p. 39-43.

96. Валиев К. А., Пашинцев Ю. И., Петров Г. В. Применение контакта металл-полупроводник в электронике. -М.: Сов. Радио, 1981, 304 с.

97. Mania L., Stracca G. B. Effects of the diode junction capacitance on the conversion loss of microwave mixers. IEEE Transactions on Communications, 1974, v. COM-22, № 9, p. 1428-1435.

98. Фельдштейн A. JL, Явич JI. Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. // М.: Связь, 1971. 387 с.

99. Шварц Н. 3. Линейные транзисторные усилители СВЧ. М.: Сов. Радио, 1980.-368 с.

100. Пахомов И. И., Цибуля А. Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. - 151 с.

101. Гуткин Т. И., Слуцкая В. И. Оптимальные параметры линзовых систем в волоконно-оптических соединителях. Техника средств связи. Серия Внутриобъектовая связь, 1985, вып. 1, с. 97-102.

102. Гончаров И. Г., Грачев А. П. Микролинзы для коллимирования и фокусировки излучения инжекционных полупроводниковых лазеров. Техника средств связи. Сер. Внутриобъектовая связь, 1985, вып. 1, с. 102-114.

103. А.с. 1623459 (СССР) Оптическое согласующее устройство для ввода излучения в волоконный световод /А. Б. Цибуля, М. Е. Белкин, Е. В. Штавеман.

104. Такэда С., Макио С. Тенденции развития оптических изоляторов для аппаратуры волоконно-оптической связи. Опутороникусу, 1988, № 4 с. 113120.

105. Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи. // М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 272 с.

106. Справочник конструктора оптико-механических приборов. /Под ред. В. А. Панова. Ленинград: Машиностроение, 1980. - 741 с.

107. Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. // Ленинград: Машиностроение, 1973. 224 с.

108. Сайто С. Оптические проблемы при использовании полупроводниковых лазеров.- Дэнси сясин гаккайси, 1984, т. 23, № 2, с. 158-164.

109. Шварц Н. 3., Бровко Г. М. К оптимизации оптического приемника прямого детектирования аналоговых ВЧ- и СВЧ-сигналов. Радиотехника и электроника, 1983, т. 28, № 1, с. 168-172.

110. Вайслейб Ю. В., Гончаров В. Н., Ковачевич М. Н. Оценка влияния входных цепей фотоприемника на характеристики узкополосных ВОСП с СВЧ поднесущими. Радиотехника, 1989, № 2, с. 71-72.

111. Darcie Т. Е., Kasper В. L., Talman J. L. е a. Resonant p-i-n-FET receivers for lightwave subcarrier systems. Journal of Lightwave Technology, 1988, v. 6, № 4, p. 582-589.

112. Текшев В. Б. Проектирование СВЧ транзисторных усилителей с использованием ЭВМ. М.: МЭИ, 1982. - 89 с.

113. Хауз Г., Адлер Р. Теория линейных шумящих цепей: Пер. с англ. /Под ред. Л. А. Биргера. М.: ИИЛ, 1963. - 110 с.

114. Белкин М. Е. Оптимизация режима работы фотоприемного устройства многоканальной аналоговой волоконно-оптической системы передачи. // Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ. М.: 2005, т. 4. - с. 274-275.

115. Белкин М. Е., Шевцов Э. А. Проектирование широкополосного фотоприемного модуля. // Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Совершенствование средств связи на основе внедрения световолоконной и микропроцессорной техники». М.: Радио и связь, 1986. - с. 43.

116. O.Wada, e.a. High-Performance, High-Reliability InP/GalnAs p-i-n Photodiodes and Flip-Chip Integrated Receivers for Lightwave Communications. -Journal of Lightwave Technology, 1991, v. LT-9, № 9, p. 1200-1207.

117. Www.beliit.com . Фотодиодные модули с малым обратным отражением.

118. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. / Под ред. А. С. Немировского. М.: Радио и связь, 1986. 392 с.

119. Царапкин Д. П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. // М.: Радио и связь. 1982.-112 с.

120. Радиотехнические устройства СВЧ на синхронизированных генераторах /Под ред. Н. Н. Фомина. М.: Радио и связь, 1991. - 192 с.

121. Тимофеев Ю. В. О применении операционного усилителя в схеме ФАПЧ. -Вопросы радиоэлектроники, Сер. Радиоизмерительная техника, 1970, вып. 2, с. 81-85.

122. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. -М,: Наука, 1989.-301 с.

123. Белкин М. Е. К вопросу об устойчивости ретрансляционных усилителей на основе системы фазовой автоподстройки. Сборник научных трудов ЦНИИС, 1983.

124. Тараненко В. П. Электрическая перестройка частоты твердотельных СВЧ генераторов варакторами. Известия ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника, 1976, т. 19, № 10, с. 5-15.

125. Клич С. М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М.: Сов. Радио, 1973. - 319 с.

126. Крейнгель Н. С. Шумовые параметры радиоприемных устройств. // JL: Энергия. 1969 г.-168 с.

127. Беллами Дж. Цифровая телефония: Пер. с англ. // М.: Радио и связь, 1986. 544 с.

128. А. с. 1118268 (СССР). Ретранслятор сверхвысокочастотных сигналов /В. П. Вороненко, М. Е. Белкин.

129. Белкин М. Е. Взаимное сопряжение световодных и сверхвысокочастотных линий передачи. Труды НИИ Радио, 1985, № 4, с. 30-33.

130. Белкин М. Е., Визель А. А. Системы передачи в миллиметровом диапазоне волн. Зарубежная радиоэлектроника, 1984, № 11, с. 80-87.

131. А.с. № 1829803 (РФ). МКИ H01L -31/0203. Фотодиодный модуль. Приоритет от 01.08.90 /Шварц Н. 3., Белкин М. Е.

132. Brain М. С., Smuth P.P., Smith D. R. e. a. Pinfet hybrid optical receivers for 1,2 Gbit/s transmission systems operating at 1.3 and 1.55 um wavelength. -Electronics Letters, 1984, v. 20, N 21, p. 894-896.

133. Bar-Chaim N., Lan K.Y., Ury I. e. a. High-speed GaAlAs/GaAs p-i-n photodiode on a semi-insulating GaAs substrate. Applied Physics Letters, 1983, v. 43, p. 261-262.

134. Shimpe R., Bowers J. E., Koch T.L. Characterization of frequency response of 1.5-um InGaAsP DFB laser diode and InGaAs p-i-n photodiode by heterodyne measurement technique. Electronics Letters, 1986, v. 22, p.453-454.

135. Piccari L., Spano P. New method for measuring ultrawide frequency response of optical detectors. Electronics Letters, 1982, v. 18, p. 116-117.

136. Carruthers N. Т., Weller J. F. Picosecond optical mixing in fast photodiodes. -Applied Physics Letters, 1986, v. 48, p. 460-462.

137. Ферриты и магнитодиэлектрики. Материалы и компоненты. НИИ «Домен» С. Петербург: 1991. - 67 с.

138. Semiconductor Devices for Optical Communication. Ed. H. Kressel. // In: Topics in Applied Physics. V. 39. Berlin: Springer-Verlag, 1980. - 289 p.

139. Johnson L. A. Controlling temperatures of diode lasers and detectors thermoelectrically. Lasers and Optronics, 1988, № 4, p. 109-114.

140. Коробов В. И., Белкин М. Е., Мишин Ю. Н. Исследование операционного усилителя для когерентных фотоприемных устройств. // В сб. : Световодные системы передачи по проводным каналам связи, М.: ЦНИИС, 1986. с. 6-11.

141. Белкин М. Е., Шварев Н. М. Исследование мощного стабильного генератора сантиметрового диапазона с широкополосной схемой ФАП. Труды НИИР, 1985, №3.

142. Белкин М. Е., Шварев Н. М. Разработка мощного стабильного волноводного генератора сантиметрового диапазона с цифровой фазовой модуляцией. //Тезисы докладов XL Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио.-М.: Радио и связь, 1985, ч. 1.-е. 85-86.

143. Белкин М. Е. Стабильный усилитель мощности для гетеродина многоканального СВЧ приемника. //Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств». М.: Радио и связь, 1985.-е. 81-82.

144. Белкин М. Е. Исследование и разработка многоканальных устройств и систем передачи с частотным разделением на ВЧ и СВЧ поднесущих в ИК-диапазоне. Кандидатская диссертация. М.: МТУ СИ, 1996.

145. Белкин М. Е., Горбачева JI. В. Разработка устройств для взаимного сопряжения световодных и сверхвысокочастотных ЦСП. //Тезисы докладов IV Всесоюзной НТК «Световодные системы связи и передачи информации». М.: 1984.

146. Белкин М. Е. К вопросу о сопряжении сверхвысокочастотного и световодного линейных трактов. //Тезисы докладов Всесоюзного НТС «Элементы и узлы волноводных трактов радиорелейных линий». М.: Радио и связь, 1983.

147. Belkin М. Е. 8-channel Equipment for Fiber Optic CATV Trunks with AM and FM. //ISFOC'92 Conference Proceedigs. St. Peterburg, oct. 1992, p. 405-411.

148. Microwave Photonic Systems, Inc. Product Catalog. // USA, 2004. 120 p.

149. ГОСТ 18471-83. Звенья тракта и измерительные сигналы.

150. ГОСТ 9783-88. Аппаратура электронная бытовая. Методы электрических высокочастотных измерений.

151. ГОСТ 11515-91. Каналы и тракты звукового вещания. Основные параметры качества. Методы измерений.

152. Белкин М. Е. Волоконно-оптическая система для единых сетей абонентского доступа. Вестник связи, 1998, № 11, с. 16-21.

153. Белкин М. Е. Интерактивная волоконно-оптическая система для местных сетей связи волоконно-коаксиальной структуры. Информмост - Средства связи, 2001, №3(16), с. 23-27.

154. Реутов А. П., Белкин М. Е. Волоконно-оптические системы для мультисервисных сетей абонентского доступа. Наукоемкие технологии, 2004, т. 5, № 12, с. 21-26.

155. Зима 3. А., Колпаков И. А., Романов А. А., Тюхтин М. Ф. Системы кабельного телевидения. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 600 с.

156. Белкин М. Е., Рыбкин С. В. Наложенная система телемониторинга в единых сетях абонентского доступа,- Вестник связи, 1999, № 1, с. 47-49.

157. Комплекс оборудования серий МВ-600/МВ-800 единой кабельной сети абонентского доступа. // Технические условия. М.: НЛП «Радиотехнические системы». 1999 г. 24 с.

158. Белкин М. Е. Разработка цифровых ВЧ модемов для интерактивных сетей абонентского доступа. // Тезисы докладов LLLI научной сессии РНТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню радио. М.: 1998, с.92-93.

159. ГОСТ 28871-90. Аппаратура линейных трактов цифровых волоконно-оптических систем передачи. Методы измерения основных параметров.

160. Валитов Р. А., Сретенский В. Н. Радиотехнические измерения. М.: Сов. Радио, 1970.-712 с.

161. Пономаренко А. Б. Спутниковое телевидение. М.: МГОУ, 1992. - 177 с.

162. Белкин М. Е. Разработка многоканальной аналоговой ВОСП с ЧРК, обеспечивающей одновременную передачу сигналов с AM и ЧМ. // Труды РНТОРЭС имени А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Выпуск LX-1. М.: 2005. - с. 321-324.

163. ГОСТ Р 50890-96. Передатчики телевизионные маломощные. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений.

164. ГОСТ Р 51741-2001. Передатчики стационарные радиовещательные диапазона ОВЧ. Основные параметры, технические требования, и методы измерений.

165. ГОСТ Р 51107-97. Системы стереофонического радиовещания. Основные параметры. Методы измерений.

166. Kim. G. Hybrid fiber/coaxial-cable networks pass telephony reliability standards. Lightwave, Oct. 1995, p. 12, 15, 18.

167. Ellis L. A Global Trot to Two-Way. //Multichannel News International. Supplement, May 1998, p. 8A-10A.

168. Digital Video Broadcasting (DVB). Interaction channel for Cable TV distribution systems (CATV) // ETSI Standard: ETS 300 800. 1998.

169. Алдошина И., Кацнельсон JI. Эврика-147/DAB система цифрового звукового радиовещания 21 века. - «625»,. 1997, № 8, с. 62-67.

170. Белкин М. Е. Разработка цифровых ВЧ модемов для интерактивных сетей абонентского доступа. // Тезисы докладов LI1I научной сессии РНТОРЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню радио. М.: 1998, с. 92-93.

171. Белкин М. Е. Эскизный проект сети волоконно-коаксиальной структуры. -ИнформКурьерСвязь, 2002, № 7, с. 33-36.

172. Белкин М. Е. Модель фазового детектора СВЧ диапазона. // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника М.: МГТУ ГА. - 2007. -№ 112-С. 148-153.