基于光纤传输的延时系统设计

延时系统或称为延迟线在雷达、导航和通信等领域的应用非常广泛。文中介绍了一种基于先纤传输的延时系统的研制，克服了传统延迟系统在实现手段方面的瓶颈，满足了雷达、导航、通信等电子设备中对电信号的长延迟需求。


在雷达、通信电子设备的设计中经常需要对电信号进行长延时，电延迟线由于材料尺寸限制很难实现长延时，虽然，近年来声表面波延迟线由于结构简单、体积小的特点在雷达、通信等电子系统中能够取代电缆延迟线，但是由于其频带太窄、温度影响大的缺点无法满足雷达、通信设备中复杂调制信号的带宽需求，并且比较难实现稳定的长延时。光纤传输技术是自20世纪80年代发展并广泛应用的信号传输延时技术，目前应用已经非常成熟。因其具有信号传输不受电磁环境干扰、频带宽、延时范围大、温度变化率小的特点，逐渐成为射频、中频段延迟信号的更理想的选择。

1光纤延时原理

光纤延时技术的基本原理是利用光信号经过一定长度的光纤传输后所产生的时间延迟。光信号在石英介质中传输时速度相对低于真空中的传播速度，光在真空中传播时的折射率为1，而在光纤中传播时的折射率约为1.47（对于常用的G.652单模光纤，在1.550 nm波长下，常取n=1.467）。光信号在光纤中的传输延时公式如下：t=Lxn/v （1）

式中t为传输时间，L为光纤长度，n为介质折射率，v为光在真空中传播的速度。

光纤延时技术利用了光传输的特性，具有较高抗干扰能力；带宽高，最高带宽可达到10 Gb/s；延时范围大；随温度变化率小，常用G.522光纤延时温度系数约为0.05 ns（km.℃），基本上不会对应用产生影响。

2延时系统设计

一个完整的延时系统包括电信号的延时和功率控制功能，基于光纤传输的延时系统包括输入衰减器、延时光路、输出衰减器和控制模块，系统框图如图1所示。

2.1功率控制模块设计

延时系统的功率控制模块由输入衰减器和输出衰减器组成。由于延时光路中，进行电-光转换的直调激光器的输入功率范围较小，最大不超过15 dBm，且在0 dBm功率时的性能达到最佳。而雷达、通信应用中射频电信号的功率一般比较大，需要前置同轴衰减器来减小输入功率，将其控制在直调激光器的输入范围内并靠近0 dBm.在延时系统前端加输入衰减器的作用，还能够减小输入功率对光纤延时精度影响。因为所有材料的折射率都随着光强的增大而增加，而通过输入衰减器将入射信号的功率保持在0 dBm，则可避免光纤的非线性折射率效应对延时精度的影响。

在雷达系统的设计中，经常要求延时系统能够模拟电磁波信号在空间中的传播损耗，公式为：W=30log（1/R）dB.W为传波损耗，R为电磁波传播距离，单位为m.光纤传输的损耗约为0.2 dB/km，因此，在延时系统的输出端，需要采用可调同轴衰减器，实现功率控制功能。由于同轴衰减器采用同种介质制作，信号经过不同衰减的路程相同，所以信号延时的一致性较好。

2.2控制模块设计

延时系统的控制模块主要实现延时量的改变，程控衰减器的控制，状态指示以及人机交互（或者上位机通讯）。典型电路采用LM89C51单片机芯片设计实现上述功能，控制模块电路原理框图及控制程序流程图如图2所示。

此典型电路既可通过MAX232串行通讯接口接收命令也可以通过面板按键接收命令，利用LM89C51芯片的I/O口以及相应的驱动电路实现对光开关的状态控制，以完成不同模拟距离的切换，通过控制程控衰减器实现延时系统衰减量的改变，采用0802A液晶显示器进行延时和衰减的状态指示。

2.3延时光路设计

延时光路是基于光纤传输的延时系统的核心部分，设计时必须考虑衰减、色散、温度对系统性能的影响，并为使延时系统能适应不同的应用，将它设计成延时量可变的系统。如图3所示。

以50 m（延时为0.167μs）为步进、最大延迟距离为16 500 m（延时为55μs）的设计要求，研制雷达应用中的延时系统为例：要实现步进量为50 m的模拟距离，根据公式（1）对应的最小光纤环的长度为68.2 m，如图3所示，随后的每个光开关所连接的光纤环长度分别为68.2x21 m、68.2x22 m、68.2x23 m、68.2x24 m、68.2x25 m、68.2x26 m、68.2x27 m及68.2x28 m；这样的设计可以实现步进量为50 m，范围为0-16 500 m的延迟距离，其中共有512个延迟距离可供选择。

我们选用2x2光开关，并采用差分结构设计实现不同延时量的切换，此类光开关的平均插入损耗约为0.8 dB，并且由于采用了差分结构每种延时通路经过光开关的通路次数相同，损耗一致性较好，常用的G.652光纤损耗约为0.2dB/km，照以上参数计算，整