Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
ru en
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Технология «Radio over Fibre» в судовых антеннах связи.

Технология «Radio over Fibre» в судовых антеннах связи.

05.07.2019
1306
Поделитеcь новостью:

Технология «Radio over Fibre» в судовых антеннах связи.

 

Д.С. Шаймадиева1, Н.В. Буров2, Е.Б. Сердюк2 Ричард Стюарт3, Джошуа Корсон3

Университет ИТМО

АО «ЛЛС»

3 Microwave Photonic Systems, Inc

 

В статье показано использование технологии «Radio over Fibre» (RoF) в различных приложениях судовой радиосвязи. Описаны структура и свойства волоконно-оптических линий, используемых для передачи микроволн в морской технике. Определены параметры линии связи RoF, необходимые для получения надлежащих качественных параметров передачи сигнала, а также оценены с точки зрения потребностей и требований судовых установок.

Ключевые слова: Radio over Fibre, RoF, радиофотоника, передача сигнала, АО «ЛЛС» , Microwave Photonic Systems

Keywords: Radio over Fibre, RoF, radiophotonics, signal transmission, Leningrad Laser Systems, Microwave Photonic Systems

Введение

Системы, построенные на технологии RoF, а также радиочастотные фотонные подсистемы, модули и компоненты используются для поддержки различных критически важных программ обороны, акцентируя внимание на защите спутниковой связи (SATCOM), электронных средств для ведения боевых действий (EW), GPS и многое другое. Эксплуатационные возможности волоконно-оптических линий связи значительно превосходят обычные системы из-за:

  • расширенного расстояния аналоговой передачи сигналов;
  • увеличенной пропускной способности (BW) и большого динамического диапазона;
  • невосприимчивости электромагнитных помех;
  • широкого диапазона передачи РЧ сигналов: C-, S-, L-, X – диапазоны;
  • компактности.

Использование технологии RoF становится стандартом в современных военных самолетах, транспортных средствах, кораблях и подводных лодках.

Типовым методом передачи аналогового радиосигнала до последнего времени являлся коаксиальный кабель передачи, который предназначен для обеспечения надлежащего распространения сигнала. В случае частот микроволнового диапазона структура этой проводки имеет форму волновода. Современные конструкции с медной проводкой не отвечают требованиям из-за многочисленных технических проблем, а эксплуатация кабельных установок приводит к значительным затратам на техническое обслуживание. Главная проблема заключается в высоком затухании сигнала, вызванном медными кабельными каналами (например, затухание для частоты 1,7 ГГц кабеля LDF4-50 составляет 9 дБ/100 м), вследствие чего появляется необходимость установки промежуточных усилителей.

Монтаж кабелей в удаленной системе является очень сложной технической задачей. В радиосистемах, установленных на судах, недостаток места затрудняет размещение габаритных и негибких медных кабелей (стандартные диаметры РЧ-кабелей варьируются в диапазоне от 16 до 55 мм) и волноводов.

Ограничения в значении радиуса изгиба кабеля также составляют основную проблему, что приводит к аварийным ситуациям в результате обрыва кабеля. Надежность соединений требует очень тщательной сборки разъемов. Конечным результатом ошибок сборки является уменьшение уровня передаваемого сигнала.

 

Структура и свойства волоконно-оптических линий связи, используемых для передачи сигнала микроволнового диапазона

Технология RoF используется для передачи и распределения РЧ сигналов по аналоговым оптическим линиям связи. RoF - это система, состоящая из стандартных подсистем Tx/Rx (оптический трансивер) с лазерным диодом и фотодиодом, соединенными волоконными кабелями [1-5].

РЧ сигнал передается по оптическому волокну. Часто используется мультиплексная передача поднесущей, где исходные мультиплексированные сигналы конкретных РЧ-каналов модулируют оптический сигнал несущей. По большей части, лазер работает на основе модуляции интенсивности света с входным радиочастотным сигналом, а приемник выполняет прямое обнаружение. Этот тип линии связи называется прямым детектированием с модуляцией интенсивности (IMDD), блок-схема которого показана на рисунке 1. Второй вариант передатчика с лазером в системе с внешней модуляцией обходится дороже, однако он обеспечивает лучшие параметры передачи для радиосистем, работающих с несущей волной с частотой выше 10 ГГц.

рис 1.png

Рисунок 1. RoF звено в системе IMDD [6]

Свойства передачи, относящиеся к высокочастотным сигналам, достигаются благодаря линейным и широкополосным оптическим компонентам и микроволновым усилителям с низким уровнем шума (LNA). Лазерные источники света для аналоговых широкополосных систем передачи должны отвечать ряду требований, таких как высокая выходная мощность, идеальная линейность, низкий уровень шума и высокий динамический диапазон без паразитных помех (SFDR). Используются следующие типы лазеров: с вертикальным резонатором, с распределенной обратной связью. Источник работает на длине волны 1310 или 1550 нм. В оптических приемниках используются PIN и APD диоды. Такие системы способны передавать радиосигналы в следующих диапазонах: 5–200 МГц, 50–1000 МГц, 500–2500 МГц, 0,1–5,0 ГГц и 0,1–10,0 ГГц. Следовательно, можно использовать выделенные передачи для различных применений в полосах: 70/140 МГц (промежуточная частота (IF)), UHF, GSM, PCS, L-диапазон, GPS, S-диапазон, C-диапазон, X- полоса и так далее.

Существует три типа систем RoF:

  • РЧ сигнал по одномодовому волокну (SMF);
  • ИК по многомодовому волокну (MMF);
  • Цифровой сигнал по SMF.

Наиболее часто используемым является «РЧ сигнал по SMF», являющийся относительно дорогим из-за использования лазерных источников, которые отвечают требованиям РЧ передачи.

Для устранения этих проблем используется тип «ИК по многомодовому волокну» [2]. Тем не менее, его недостатком является стоимость антенного блока с модулем преобразования ИК/РЧ.

Система RoF может работать в режиме односторонней линии связи (симплекс) или двусторонней (дуплекс) [3]. Локальная подсистема подключается к центру обработки радиосигналов с помощью радиочастотного интерфейса (коаксиальный кабель). Этот модуль включает в себя оптические приемопередатчики преобразования E/O, пассивные радиочастотные компоненты и микроконтроллер. Удаленное устройство соединено с SMF. Онo также имеет преобразователи O/E и модули усиления мощности. Каждый порт подключается к коаксиальному кабелю антенны. Для двусторонней передачи следует использовать два волокна или WDM компоненты, чтобы можно было получить систему из двух или нескольких каналов. Стандартным решением является использование WDM приемопередатчиков для передачи сигналов в двусторонней системе по одному и тому же волокну. Этого можно достичь, если использовать два лазерных передатчика, работающих на двух длинах волн - 1310 и 1550 нм.

Варианты использования технологии RoF в судовых антеннах связи

Обычно в качестве средств связи на морских суднах используют систему командования и навигации - C4I (управление, управление, связь, информация). Система C4I обеспечивает возможность проведения видеоконференций, а также передачи голоса, изображений и данных. Более того, оптические сети боевых систем, такие как интегрированная система боевого оружия и навигационные системы, взаимодействуют с системами C4I. Эти системы объединяют несколько подсистем, включая обнаружение и обезвреживание мин, гидролокатор, радар, GPS, спутниковую, коммуникационную, WLAN и другие.

Для судовых систем технология RoF является идеальным решением для двусторонней передачи РЧ - сигналов. Приложения включают в себя распределение РЧ -сигналов - беспроводную и мобильную/сотовую связь, а также радиолокационные сигналы - системы EW и SIGINT/ISR (наблюдение и разведка), платформы SATCOM и многое другое.

Как уже упоминалось, аналоговые оптические линии выгодны благодаря компактности проводки по отношению к параметрам коаксиальных кабелей и волноводов, и обеспечивают превосходные свойства передачи сигналов микроволнового диапазона.

Некоторые ключевые характеристики, которые являются общими для многих приложений удаленного управления военными антеннами:

  • РЧ характеристики;
  • Габариты и мощность;
  • Реконфигурация системы / гибкость;
  • Надежность.

Параметры RoF линий связи

Для измерения параметров RoF линий связи были построены два испытательных стенда: в первом случае соединение RoF с передатчиком MP-2320TX (модуль TX) и приемником MP-2320RX (модуль RX) (Microwave Photonic Systems). Для построения испытательного стенда 2 использовался тип соединения FOAL OFW-5800. Во время испытаний модули передатчика и приемника были соединены при помощи оптического волокна длиной 1 м, 1 км и 10 км. Полученные в результате потери на затухание составили примерно 2 дБ. Измерения технических параметров линии проводились на входном порте РЧ-сигнала модуля TX и на выходном порте РЧ-сигнала модуля RX. Оптическая мощность передачи составила 3,85 мВт.

Для испытательного стенда 1 измерения включали передачу сигнала GSM / EDGE в диапазоне DCS 1800 UL со следующим параметром: F = 1,8052 ГГц (канал 512) в непосредственной близости от полосы сигнала GPS.

Измерения, связанные с оценкой параметров линии, измерялись в РЧ диапазоне. Во-первых, была определена зависимость коэффициента передачи модуля | S21 | по частоте. Измерения проводились при помощи векторного сетевого анализатора (VNA) Rohde & Schwarz FSH4 для волокна длиной 10 км. Полученная оптическая мощность составила 1,32 мВт. Результаты приведены на рисунке 2. Значение | S21 | составило −2 дБ (± 1 дБ), и до 3 ГГц оставалось стабильным в зависимости от частоты (измерение для Pin = 0 дБ, потери на затухание в оптическом волокне составили 2 дБ).

Для дальнейших измерений использовался генератор векторного сигнала Anritsu MG3710A, подключенный к РЧ-входу модуля TX, и векторный анализатор спектра Tektronix RSA3408A, подключенный к РЧ-выходу модуля RX. Была измерена характеристика Pout = f (Pin) для частоты, соответствующей центральной частоте канала 512 системы GSM/DCS 1900, составляющей 1,8052 ГГц.

рисунок 2.png

Рисунок 2. Зависимость коэффициента передачи модуля | S21 | (Link Gain) от частоты для испытательного стенда 1: MP-2320TX (модуль TX) и MP-2320RX (модуль RX) [6]

Затем была определена точка пересечения третьего порядка, как показано на рисунке 3. Координаты точек позволили определить уровень интермодуляционных искажений, создаваемых нелинейностью третьего порядка в случае входного сигнала, состоящего из двух синусоидальных сигналов (двух- тональный сигнал). Полученные данные составили: F1 = 1805,2 МГц и F2 = 1805,4 МГц. Эти частоты соответствуют центральным частотам соседних каналов GSM в диапазоне DCS 1800 (каналы 512 и 513). Точки, в которых сигнальные линии F1 и 2F1 – F2 пересекают уровень шума, определяют динамический диапазон без паразитных помех (SFDR).

рис 3.png

Рисунок 3. Характеристики Pout = f (Pin) для длины волокна - 10 км, вход: IP3 = 27 дБм, F = 1,8052 ГГц, F2 = 1805,4 МГц [6]

На рисунке 4 показана измеренная зависимость SFDR от частоты. Параметр SFDR соответствует требованиям FOAL/SATCOM, тогда значение коэффициента шума (NF) должно быть снижено до 5–8 дБ. Для этого использовали LNA , который был установлен перед системой оптического передатчика TX.

рис 4.png

Рисунок 4. Зависимость SFDR от частоты [6]

 

Конструктивные особенности приемопередатчика, используемого в технологии RoF

  •  Оптический приемник MP-2320RX

MP-2320RX используется для электро-оптического преобразования (E/O) РЧ сигналов в частотном диапазоне от 1,0 МГц до 3500 МГц. Оптимизация системы происходит при помощи встроенных РЧ аттенюаторов, которые имеют диапазон регулировки 30 дБ.

Использование MP-2320RX в сочетании с соответствующим  оптическим передатчиком MP-2320ТX формирует широкополосную линию связи, способную поддерживать передачу радиочастотных сигналов по одномодовому волокну.  В приемник интегрирован высокоскоростной низкочувствительный PIN -фотодиодный детектор, который объединен с широкополосным усилителем. Устройство обеспечивает пользователю контроль состояния посредством использования встроенного процессора, который взаимодействует с главным компьютером через интерфейс ввода/вывода RS-232 или RS-485.

рис 5.jpg

Рисунок 5. Оптический приемник MP-2320RX [7]

 

  • Оптический передатчик MP-2320TX

MP-2320TX используется для преобразования (E/O) РЧ сигналов в частотном диапазоне от 1,0 МГц до 3500 МГц. В передатчик интегрирован низкошумящий РОС - лазер с контролем стабильности температуры. Устройство работает по каналам связи на дистанцию до 50 – 80 км.

    рис 6.jpg

Рисунок 6. Оптический передатчик MP-2320TX [7]

Компания «ЛЛС» представляет весь спектр продукции Microwave Photonic Systems на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов. Получить подробную информацию Вы можете на сайте производителя Microwave Photonic Systems или обратившись в компанию ЛЛС.


Технология RoF разработана для использования во многих судовых применениях, включая системы передачи сигнала микроволнового диапазона. Её преимущества по не подлежат сомнению, а высокая стоимость не является препятствием, поскольку требования безопасности и надежность передачи сигналов на борту имеют решающее значение. На сегодняшний день эта технология широко используется в контрактах Минобороны и на кораблях НАТО. Использование технологии WDM в одномодовом волоконно-оптическом тракте позволяет удовлетворить требования множественных одновременных передач сигналов разных РЧ диапазонов. Более того, использование WDM систем позволяет удобно управлять антенной системой в пространственных (матричных) системах. Также возможно реализовать передовые технологии, которые обеспечивают динамическую маршрутизацию смешанных РЧ-сигналов в одной сети с двойным оптическим кольцом. Технология RoF обеспечивает невероятную гибкость, безопасность и конфиденциальность при передаче сигналов.


Используемая литература

1. Jamison WD, Herczfeld PR, Vieira A, Rosen W, Rosen A, Paolella A, Joshi A. Hybrid fiberoptic millimeter wave links. IEEE Microw Mag. 1(2): 44–51, 2000.

2. Ackerman EI, Cox CH. RF fiber-optic link performance. IEEE Microw Mag. 2(4):50–58, 2001.

3. Cox CH, Ackerman EI, Betts GE, Prince JL. Limits on the performance of RF-over-fiber links and their impact on device design. IEEE Trans Microw Theory Technol. 54:906–920, 2006.

4. Lim C, Nirmalathas A, Bakaul M, Gamage P, Lee KL, Yang D, Novak D, Waterhouse R. Fiber-wireless networks and subsystem technologies. J Lightw Technol. 28(4): 390–405, 2010.

5. Lysiuk A, Godziszewski K, Yashchyshyn Y. Low cost E/O and O/E modules for radio over fibre link. Microw Opt Technol Lett. 55(10): 2423–2425, 2013.

6. Slawomir Pluta, Richard J. Stewart & Joshua L. Korson. Radio over fibre technology for shipboard antenna links, Journal of Marine Engineering & Technology, 16:4, 209-220, 2013.

7. РЧ модули для оптической связи URL: https://www.b2bphotonics.com/products/optical-link-modules/ (дата обращения: 10.04.19).

Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!