Как высчитать задержку телевизионного сигнала

Классический метод учета влияния временных задержек сигналов в устройствах систем управления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Самойлов Леонтий Константинович

Временные задержки в системе управления можно разделить на три группы: задержки в блоках ввода сигналов датчиков; задержки в модуле реализации алгоритма управления; задержки в блоках вывода сигналов исполнительных устройств. Влияние задержек можно рассматривать с учетом алгоритмов управления и отдельно в цепях прохождения сигналов к модулю реализации алгоритма управления. В статье рассматривается второй подход к оценке влияния задержек. Задержки в модуле реализации алгоритма управления могут суммироваться с задержками сигналов управления в одноименных блоках вывода. Временные задержки сигналов датчиков и исполнительных устройств в блоках системы управления можно или компенсировать, или учитывать их влияние на процессы управления. Существует классический метод компенсации влияния задержек, когда в цепи с задержками устанавливаются дополнительные устройства, называемые экстраполяторами. Экстраполяторы строятся на основе экстраполирующих полиномов, в частности, полинома Лагранжа. Платой за компенсацию влияния задержек являются дополнительные методические и инструментальные погрешности экстраполяторов, которые зависят от порядка используемого полинома. Эти погрешности добавляются к существующим погрешностям цепей системы управления, увеличивая общую погрешность системы. В работе обращается внимание на возможность плавного перехода от классического метода компенсации влияния задержек к методу учета их влияния, который по аналогии называется классическим. Экстраполяторы нулевого порядка представляют собой регистры, которые стоят на входах и выходах модуля реализации алгоритма управления, даже если в системе управления не обращается внимание на задержки сигналов. На основании этого вывода в работе предлагается классический метод учета влияния задержек: задержки считаются равными нулю, но в каждом канале блоков ввода вывода учитывается дополнительная погрешность, равная погрешности экстраполятора нулевого порядка за время задержки информации данного канала. Полученный результат позволяет проектировать систему управления с исходными данными, в которых учтено влияние задержек. Это исключает необходимость моделирования системы управления с задержками.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Самойлов Леонтий Константинович

Структурный подход к выбору частоты дискретизации сигналов датчиков и исполнительных устройств в системах управления

Динамическая погрешность устройств восстановления сигналов в системах управления

Итерационные алгоритмы выбора частоты дискретизации аналоговых сигналов в цифровых системах управления и контроля

Погрешности восстановления сигналов в системах управления и контроля
Адаптивный алгоритм компенсации эхо-сигналов в телекоммуникационных системах аудиообмена
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CLASSICAL METHOD OF THE ACCOUNT OF INFLUENCE TIME DELAYS OF SIGNALS IN DEVICES OF CONTROL SYSTEMS

Time delays in a control system can be divided into three groups: delays in blocks of input of signals of gauges; delays in the module of realisation of algorithm of management; delays in blocks of a conclusion of signals of actuation mechanisms. Influence of delays can be considered taking into account algorithms of management and separately in chains of passage of signals to the module of realisation of algorithm of management. In article the second approach to an estimation of influence of delays is considered. Delays in the module of realisation of algorithm of management can be summarised with delays of signals of management in the blocks of a conclusion with the same name. In control system blocks it is possible either to compensate time delays of signals of gauges and actuation mechanisms, or to consider their influence on managerial processes. There is a classical method of indemnification of influence of delays when in a chain with delays the additional devices named extrapolators are established. Extrapolators are under construction on the basis of extrapolating polynoms, in particular, Lagrange interpolation polynomial. A payment for indemnification of influence of delays are additional methodical and tool errors of extrapolators which depend on an order of a used polynom. These errors are added to existing errors of chains of a control system, increasing the general error of system. In work the attention to possibility of smooth transition from a classical method of indemnification of influence of delays to a method of the account of their influence which by analogy is called as classical is paid. Extrapolators a zero order represent registers which stand on inputs and exits of the module of realisation of algorithm of management even if in a control system the attention to delays of signals is not paid. On the basis of this conclusion in work the classical method of the account of influence of delays is offered: delays are considered equal to zero, but in each channel of blocks of input-output the additional error equal to an error of extrapolators of a zero order during a delay of the information of the given channel is considered. The received result allows to project a control system with initial data in which influence of delays is considered. It excludes necessity of modelling of a control system with delays.

Текст научной работы на тему «Классический метод учета влияния временных задержек сигналов в устройствах систем управления»

Раздел II. Системы управления, моделирование

КЛАССИЧЕСКИЙ МЕТОД УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕННЫХ ЗАДЕРЖЕК СИГНАЛОВ В УСТРОЙСТВАХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Временные задержки в системе управления можно разделить на три группы: задержки в блоках ввода сигналов датчиков; задержки в модуле реализации алгоритма управления; задержки в блоках вывода сигналов исполнительных устройств. Влияние задержек можно рассматривать с учетом алгоритмов управления и отдельно в цепях прохождения сигналов к модулю реализации алгоритма управления. В статье рассматривается второй подход к оценке влияния задержек. Задержки в модуле реализации алгоритма управления могут суммироваться с задержками сигналов управления в одноименных блоках вывода. Временные задержки сигналов датчиков и исполнительных устройств в блоках системы управления можно или компенсировать, или учитывать их влияние на процессы управления. Существует классический метод компенсации влияния задержек, когда в цепи с задержками устанавливаются дополнительные устройства, называемые экстраполяторами. Экстраполяторы строятся на основе экстраполирующих полиномов, в частности, полинома Лагранжа. Платой за компенсацию влияния задержек являются дополнительные методические и инструментальные погрешности экстрапо-ляторов, которые зависят от порядка используемого полинома. Эти погрешности добавляются к существующим погрешностям цепей системы управления, увеличивая общую погрешность системы. В работе обращается внимание на возможность плавного перехода от классического метода компенсации влияния задержек к методу учета их влияния, который по аналогии называется классическим. Экстраполяторы нулевого порядка представляют собой регистры, которые стоят на входах и выходах модуля реализации алгоритма управления, даже если в системе управления не обращается внимание на задержки сигналов. На основании этого вывода в работе предлагается классический метод учета влияния задержек: задержки считаются равными нулю, но в каждом канале блоков ввода — вывода учитывается дополнительная погрешность, равная погрешности экстраполятора нулевого порядка за время задержки информации данного канала. Полученный результат позволяет проектировать систему управления с исходными данными, в которых учтено влияние задержек. Это исключает необходимость моделирования системы управления с задержками.

Системы управления; учет задержек сигналов; экстраполяция нулевого порядка.

CLASSICAL METHOD OF THE ACCOUNT OF INFLUENCE TIME DELAYS OF SIGNALS IN DEVICES OF CONTROL SYSTEMS

Time delays in a control system can be divided into three groups: delays in blocks of input of signals of gauges; delays in the module of realisation of algorithm of management; delays in blocks of a conclusion of signals of actuation mechanisms. Influence of delays can be considered taking into account algorithms of management and separately in chains ofpassage of signals to the module of realisation of algorithm of management. In article the second approach to an estimation of influence of delays is considered. Delays in the module of realisation of algorithm of management can be summarised with delays of signals of management in the blocks of a conclusion with the same name. In control system blocks it is possible either to compensate time delays of signals ofgauges and actuation mechanisms, or to consider their influence on managerial processes. There is a classical meth-

od of indemnification of influence of delays when in a chain with delays the additional devices named extrapolators are established. Extrapolators are under construction on the basis of extrapolating polynoms, in particular, Lagrange interpolation polynomial. A payment for indemnification of influence of delays are additional methodical and tool errors of extrapolators which depend on an order of a used polynom. These errors are added to existing errors of chains of a control system, increasing the general error of system. In work the attention to possibility of smooth transition from a classical method of indemnification of influence of delays to a method of the account of their influence which by analogy is called as classical is paid. Extrapolators a zero order represent registers which stand on inputs and exits of the module of realisation of algorithm of management even if in a control system the attention to delays of signals is not paid. On the basis of this conclusion in work the classical method of the account of influence of delays is offered: delays are considered equal to zero, but in each channel of blocks of input-output the additional error equal to an error of extrapolators of a zero order during a delay of the information of the given channel is considered. The received result allows to project a control system with initial data in which influence of delays is considered. It excludes necessity of modelling of a control system with delays.

Control systems; the account of delays of signals; extrapolation of a zero order.

Введение. Современную систему управления на основе последовательной магистрали можно представить (рис. 1) как состоящую из n датчиков (Д), s исполнительных устройств (ИУ) и следующих блоков [1, 2]: блок ввода данных; блок вывода данных; блок управления; блок цифрового интерфейса ввода — вывода.

В этих блоках можно выделить: передающую часть блока ввода данных; приемную часть блока ввода данных; модуль реализации алгоритма управления; передающую часть блока вывода данных; приемную часть блока вывода данных.

Приемная часть блока ввода данных и передающая часть блока вывода данных чаще всего объединяются с модулем реализации алгоритма управления.

Состояние объекта управления определяется датчиками. Сигналы датчиков приходят на модуль реализации алгоритма управления с задержками, которые зависят от параметров датчиков, блока ввода данных и программы ввода (опроса) сигналов датчиков [3-5].

Блок ввода данных

Передающая часть блока ввода данных

Объект управления г Исполнительные-1 устройства

Задержка в прямых трансляциях потокового видео

Что такое задержка при трансляции потокового видео?

Предположим, вы смотрите футбольный матч через сервис передачи потокового видео по существующим каналам связи (OTT). Тем временем ваш сосед смотрит тот же матч на обычном телевизоре, громко празднует голы и возмущается назначением пенальти, которые вы увидите только через 30 секунд.

А может быть, вы с интересом ждете объявления победителя в прямой трансляции конкурса, и тут телезрители в социальных сетях раскрывают интригу на 15 секунд раньше.

Задержки при просмотре видео вызывают разочарование у зрителей, которым приходится видеть событие позже, чем оно происходит. Со временем разочарование зрителей становится проблемой для поставщиков контента.

Своевременность доставки видео очень важна для определенных типов контента, включая трансляции спортивных соревнований, игр, новостей и мероприятий, которые транслируются только по технологии OTT, таких как киберспортивные матчи и интерактивные шоу. Зрители хотят видеть события без задержки. В эпоху развлечений в режиме реального времени задержки видео не только портят зрителям удовольствие; но и подрывают доверие к поставщикам OTT‑контента.

Причины задержки видео на пути от съемки до отображения

Величина задержки видео определяется рядом факторов, действующих на пути изображения от объектива камеры до экрана зрительского монитора.

• Длительность кодирования видео
• Операции по загрузке и упаковке данных
• Распространение по сети и транспортные протоколы
• Сеть доставки контента (CDN)
• Длина сегмента
• Настройки проигрывателя

‑ Буферизация
‑ Положение указателя воспроизведения
‑ Отказоустойчивость

При традиционном потоковом вещании с адаптивным битрейтом задержка видео в основном зависит от длины сегментов. Например, если продолжительность сегмента составляет 6 секунд, то при запросе первого сегмента проигрыватель уже на 6 секунд отстает от фактического времени.

Кроме того, длительность каждого последующего сегмента, который проигрыватель сохраняет в буфере перед фактическим началом воспроизведения, добавляется ко времени задержки до первого декодированного видеокадра.

Хотя на общее время задержки влияет ряд факторов – длительность кодирования видео, загрузки и упаковки, время распространения в сети и буферизации в CDN (если таковая имеется) – значительная доля задержки приходится на сам проигрыватель.

Измерение задержки видео

Существуют различные методы, но самый простой способ измерения полной задержки видео заключается в следующем.

1. Запустите приложение нумератора с хлопушкой на планшете.
2. Снимите его на камеру, подключенную к кодировщику видео.
3. Опубликуйте видеопоток на сервере источника.
4. Доставьте на проигрыватель через CDN.
5. Поместите проигрыватель рядом с планшетом, на котором запущена хлопушка.
6. Сфотографируйте оба экрана.
7. Разность показаний времени даст величину задержки.

Сокращение задержки при прямой потоковой трансляции видео

Отставание видео, передаваемого по технологии OTT, от эфирного телевидения и социальных сетей – не единственная проблема для поставщиков контента. Вот несколько других факторов, которые необходимо учитывать при снижения задержки.

Платформа Flash и протокол RTMP: приложения на базе Flash, использующие потоковое вещание по протоколу RTMP, раньше с успехом обеспечивали низкие задержки, но теперь, когда технология Flash считается устаревшей, а разработчики браузеров сокращают поддержку или полностью блокируют компоненты Flash, сети доставки контента (CDN) стали сокращать поддержку протокола RTMP (который и раньше мало использовался для доставки). Поставщики контента вынуждены искать другие пути.

Масштабируемость, надежность и низкая задержка: одним из вариантов решения проблем масштабирования является переход на технологии потокового вещания, совместимые с HTML5. К ним относятся HTTP Live Streaming (HLS), Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH или MPEG‑DASH) и Common Media Application Format (CMAF).

Эти технологии потоковой передачи данных используют протокол HTTP, а следовательно, при доставке возможно кэширование. Таким образом, сети CDN могут более эффективно доставлять большие объемы данных.

Однако несмотря на решение проблем масштабируемости и надежности, к общей длительности доставки прибавляются десятки секунд, что мешает достижению низкой задержки.

Интерактивные возможности: некоторые поставщики контента предпочитают развивать сервисы индивидуального вещания с интерактивными возможностями. Задержка видеосигнала в таких случаях, как правило, недопустима.

Если кадр видео отображается на экране на 30 секунд позже момента его съемки камерой, интерактивные действия, требующие обратной связи в режиме реального времени, становятся невозможными.

При разработке синхронизированных приложений для второго экрана, совместного просмотра, обычных или азартных игр необходимо точно контролировать задержку потокового видео.

Играем через телевизор. Что такое INPUT LAG и как от него избавиться

Успех виртуальных баталий напрямую зависит от скорости реакции игрока. Но не менее важно, чтобы и информация выводилась с минимальной задержкой. Плохое интернет-соединение и долгая обработка сигнала на мониторе, телевизоре — все это мешает классной игре. Последнее явление получило название INPUT LAG.

Высокая задержка ввода — неприятная проблема. После замены телевизора или в гостях у друзей в глаза бросается запаздывание, с которым персонаж на экране реагирует на команды с геймпада. К небольшим тормозам можно привыкнуть, но слишком большая задержка значительно портит впечатления от игрового процесса.

Что такое input lag

Любому устройству вывода, будь то монитор или телевизор, требуется время на обработатку поступающегоий видеосигнала. Разница в том, что электроника современных игровых мониторов адаптирована для трансляции с минимальной задержкой на входе. Это достигается путем транслирования исходного сигнала, получаемого с видеокарты.

Архитектура телевизоров выполнена намного сложнее. Перед тем, как попасть на матрицу, сигнал подвергается значительной коррекции центральным процессором ТВ. В некоторых сценариях обработка занимает до 150 мс. Такая разница отчетливо заметна пользователю любого уровня. Не обязательно быть профессиональным геймером, чтобы уловить лаг в 1/7 секунды.

Таким образом, INPUT LAG — это время с момента получения сигнала устройством вывода до его отображения на экране.

Наиболее важное влияние время задержки оказывает на динамичные игры. Фанатам шутеров и файтингов критически важен низкий инпут лаг. От него напрямую зависит успех виртуальных баталий. В on-line дуэли выигрывает тот, кто первый увидит врага. И разница даже 50 мс окажется решающей.

Для любителей размеренных жанров — стратегий, RPG — низкое время задержки менее критично, но лишним тоже не будет.

Какую панель можно считать медленной? Однозначного ответа на этот вопрос не существует. Там, где профессиональный геймер заметит долгую задержку, обычный пользователь будет играть с комфортом. Условной границей принято считать отметку 50 мс. Модели с большим значением лучше избегать.

При выборе монитора этот параметр часто путают со временем отклика матрицы, которое показывает, сколько времени требуется пикселю, чтобы изменить своей цвет. Для современных ЖК-панелей значение чаще всего не превышает 12 мс.

Инпут лаг редко прописывают в официальных спецификациях по ряду причин. Во-первых, точно измерить параметр достаточно сложно. В интернете много независимых ресурсов, занимающихся этим вопросом. Значения, полученные в разных источниках для одной модели, часто различаются. Во-вторых, инпут лаг зависит от режима и настроек телевизора. Указание только основных вариантов займет значительную часть в спецификациях модели.

Подробная база с телевизорами и мониторами представлена на https://displaylag.com/display-database/. Ресурс позволяет быстро найти интересующую модель с помощью фильтров и сравнить ее параметры с другими вариантами. Единственный недостаток — приведено наименьшее значение задержки без указания используемых настроек. Ресурс https://www.rtings.com/tv/tools/table/ позволит сравнить инпут лаг в разных режимах.

Как измерить input lag

Техника измерения сводится к сравнению тестируемого устройства с эталонным, время обработки сигнала на котором условно равно нулю. Наиболее подходящим вариантом для этой задачи является монитор на ЭЛТ, подключенный без использования переходников к разъему DVI.

В случае отсутствия, подойдет любой монитор или экран ноутбука. Но в таком случае результат окажется ниже реального. Фактически, вы не получите достоверное значение инпут лага, а сравните устройства по этому параметру.

Порядок измерений:

1. Подключить второе устройство (телевизор, монитор, проектор) к свободному разъему в режиме отображения «Повторяющийся» (Win + P).
2. Вывести на экраны любой секундомер с точностью до тысячных долей секунды, например https://sekundomer.net/ и запустить его.
3. Сфотографировать работающий секундомер так, чтобы на фото попадали оба экрана. Использовать цифровую камеру или телефон с возможностью ручных настроек. Выбрать время выдержки от 1/200 и меньше. Яркость кадра отрегулировать настройками ISO.
4. Сделать серию фотографий.
5. Разница в показаниях секундомера — искомое значение.

В случае сравнения с монитором на ЭЛТ, результатом тестирования станет точное значение инпут лага. Иначе: Инпут лаг = Разница в показаниях секундомера + Инпут лаг устройства с меньшим показанием секундомера.

Как снизить input lag

Если в системе замечена высокая задержка, и управление ощущается «желейным», не надо сразу начинать поиски нового телевизора или монитора. Первым делом стоит попытаться снизить инпут лаг «подручными» способами. Их можно разделить на две категории, применять которые необходимо комплексно.

• Снижение инпут лага настройками ПК и игр.
• Снижение инпут лага настройками телевизора / монитора.

В первом случае комплекс мер выглядит следующим образом:

1. Отключить масштабирование изображения в системе (Win -> Параметры -> Система -> Дисплей -> Масштаб и разметка -> 100% (рекомендуется).
2. Изменить схему управления питанием (Win -> Параметры -> Система -> Питание и спящий режим -> Дополнительные параметры питания -> Показать дополнительные съемы -> Максимальная производительность).
3. В настройках игр отключить сглаживание и вертикальную синхронизацию.

В телевизоре основная задача — отключить все программные средства улучшения видеосигнала. Такие как искусственное повышение плавности в динамичных сценах, улучшение цвета и т. д. Набор параметров у каждого производителя свой. Стоит помнить, что из коробки такие «улучшалки» чаще всего включены. Универсальное средство — использование игрового режима, который есть в любой современной модели ТВ.

Используйте разрешение, соответствующее ЖК-панели. Растягивание Full-HD сигнала до 4К или сжатие 4К в Full-HD заметно повышают инпут лаг.

При подключении консоли через ресивер на последнем используйте вход HDMI, помеченный надписью Game.

Предпринятые меры если не устранят Input Lag полностью, то многократно снизят его до приемлемых значений, которые позволят играть в самые динамичные проекты.

Управляемые линии задержки

В предыдущем номере журнала [1] был дан обзор компонентов с фиксированным временем задержки от ведущих мировых производителей. Эта статья, продолжая начатую тему, знакомит читателей с рынком управляемых линий задержки. В ней рассматриваются основные технологии управления задержкой, раскрываются их особенности, достоинства и недостатки, а также возможности созданных по этим технологиям компонентов и приборов.

Линии задержки с фиксированным временем задержки (ФЛЗ) [1] используются для подстройки электрических длин многоканальных трактов, коррекции формы диаграммы направленности многоэлементной антенны, синхронизации процессов, для решения других системных или измерительных задач.

Управляемый фазовращатель на сосредоточенных реактивных элементах (Фвр) при узкополосном СВЧ-сигнале на радиочастотном входе с несущей частотой f₀ с помощью квазистатического (ручного или электромеханического) изменения [2, 3] задержки на время τ позволяет изменять фазовый набег сигнала на выходе компонента на величину φ = 2πf₀τ радиан. При этом к полосе пропускаемых частот по входу управления предъявляется только требование передачи по постоянному току. Поэтому такой узел называют также фазовым корректором или фазовым триммером.

Фазовый модулятор предназначен также для использования с сигналом синусоидальной формы на радиочастотном входе. При этом фазовый сдвиг выходного сигнала приобретает угловую модуляцию с полосой пропускаемых частот по входу управления от постоянного тока до верхней граничной частоты модуляции, которая значительно меньше, чем частота несущего входного сигнала. Векторный (или полярный) модулятор обеспечивает в выходном сигнале одновременно амплитудную и фазовую (или квадратурную) модуляцию в полосе частот по входу управления от постоянного тока до верхней граничной частоты, а выходной радиочастотный сигнал имеет почти синусоидальную форму.

В отличие модуляторов идеализированная управляемая линия задержки (УЛЗ) предназначена для входного электрического сигнала произвольной формы u(t), которая сохраняется на выходе с задержкой на заданное время τ.

Если входной СВЧ-сигнал занимает ограниченную полосу частот в окрестности несущей частоты, то условием сохранения на выходе формы входного сигнала u(t) является постоянство в этой полосе частот группового времени запаздывания τ_гвз = –(1/2 π) dφ/df. Это требование соответствует постоянству значения крутизны его статической фазочастотной характеристики (ФЧХ) φ(f) по радиочастотному входу в указанной полосе частот. Такими свойствами обладают некоторые типы полосно-пропускающих частотных фильтров. Они характеризуются примерно постоянным значением группового времени запаздывания τ_гвз в определенной полосе частот радиодиапазона, но не допускают управления его значением.

В отличие от фазовращателя и модулятора для управляемой линии задержки надо рассматривать его ФЧХ по радиочастотному входу φ(f) во всей полосе частот от постоянного тока до верхней частоты спектра высших гармоник входного сигнала, а полосу частот по входу управления следует контролировать от постоянного тока до верхней частоты огибающей выходного сигнала. Именно такие УЛЗ, выполненные на основе коаксиальных или волоконно-оптических линий передачи, называют в англоязычной литературе True-Time Delay Lines — (TTD или TTDL) — «настоящими линиями задержки». Они находят широкое применение при управлении диаграммой направленности в фазированных антенных решетках.

Следует иметь в виду, что параметр «фаза» часто не совсем корректно используется взамен более точного значения «фазовый набег между выходом и входом при синусоидальном входном сигнале». Если входной сигнал имеет импульсную форму с известным значением периода повторения ТП, то определенный момент времени, например, характеризующий положение его переднего фронта, принимают за начало отсчета. При этом запаздывание на время Δ положения такой же точки выходного сигнала условно принимается за фазовый сдвиг на 2πΔ/Т_П радиан, что эквивалентно (Δ/Т_П)180°, принимая интервал времени Т_П за 360°.

Ввиду указанного пересечения областей определения и применения указанных выше управляемых функциональных узлов, ряд производителей позиционируют одинаковые по существу свои изделия либо как фазовращатель с линейной ФЧХ, либо как полосно-пропускающий частотный фильтр с установленным значением полосы прозрачности, либо как линию задержки с определенным значением группового времени запаздывания τгвз для заданной полосы частот.

Принципиальное различие статических ФЧХ по радиочастотному каналу между управляемой линией задержки (УЛЗ) и управляемым фазовращателем (УФв) состоит в том, что для УФв фазовый сдвиг φ примерно постоянен в пределах рабочей полосы частот входного сигнала, а для УЛЗ нормируется постоянство крутизны ФЧХ (группового времени запаздывания) в пределах от постоянного тока до высшей из учитываемых гармоник входного сигнала несинусоидальной формы.

По каналу управления для УЛЗ используют дополнительные технические характеристики:

• тип цепи управления (аналоговое электрическим напряжением, аналоговое током или ступенчатое с определенным значением шага по времени задержки);
• диапазон перестройки времени задержки от начального при отсутствии управляющего воздействия до максимально допустимого значения;
• максимальное отклонение от линейной зависимости величины задержки от управляющего воздействия;
• неравномерность коэффициента передачи по радиочастотному каналу (или ослабления радиосигнала) во всем диапазоне допустимых управляющих воздействий;
• инерционность канала управления. Эта величина характеризуется либо задержкой установления сигнала на радиочастотном выходе на один дискрет, либо допустимой верхней граничной частотой управляющего воздействия.

Управляющий сигнал УЛЗ со ступенчатым характером управления может быть представлен двоичным кодом в определенном стандарте логических уровней. В таком случае УЛЗ может называться цифровой ЛЗ и характеризоваться количеством двоичных разрядов управляющего кода.

Управляемые линии задержки (УЛЗ) могут быть с ручным, электромеханическим или электронным управлением. Ручное управление заключается либо в механическом изменении длины воздушной коаксиальной линии передачи, либо в механической коммутации фиксированных ЛЗ с различным временем задержки. В ЛЗ с электромеханическим управлением используются механические принципы изменения времени задержки, но в качестве исполнительных узлов используются шаговые электродвигатели или электромагнитные реле. Такие ЛЗ сохраняют основное достоинство ЛЗ с ручным управлением, заключающееся в большой допустимой мощности СВЧ-сигнала и низком уровне искажений модулирующего сигнала по входу управления. Их недостатком является увеличенная инерционность процесса перестройки, особенно характерная для ЛЗ с перестройкой шаговыми двигателями. ЛЗ с электронным управлением перестраиваются максимально быстро, но допускают существенно более низкий уровень сигнала, поскольку в качестве переключателей содержат полупроводниковые компоненты.

Линии задержки с ручным управлением

К этому классу относятся ЛЗ, плавно перестраиваемые с помощью механических регулировочных элементов или управляемые дискретно переключением фиксированных ЛЗ. В первом случае обычно используются механически раздвигаемые коаксиальные воздушные линии. Для точной подстройки задержки в малых пределах используются миниатюрные ЛЗ, встраиваемые в коаксиальные соединители. ЛЗ с широким диапазоном перестройки представляют собой достаточно большие по размерам механические конструкции. Дискретно управляемые ЛЗ обычно используют переключаемые коаксиальные или полосковые фиксированные ЛЗ и механические переключатели или тумблеры. Применяются также схемы, использующие принцип перемещения контакта по обмотке ЛЗ с распределенными или сосредоточенными параметрами. ЛЗ с механическим управлением не содержат в сигнальном тракте полупроводниковых компонентов и поэтому обычно допускают большую проходную мощность без искажения сигнала.

Для фиксированной частоты входного сигнала на радиочастотном входе перестраиваемые ЛЗ часто позиционируются и используются как фазовращатели. Для таких фазовращателей указывают в качестве параметра крутизну S его фазочастотной характеристики по радиочастотному входу с размерностью °/ГГц. Зная значение этого параметра, легко определить диапазон изменения времени задержки Δτ в пс по формуле Δτ = 2,78•S.

Перестраиваемые УЛЗ с распределенными параметрами

В качестве ЛЗ с распределенными параметрами обычно используются коаксиальные воздушные линии или спиральные линии, представляющие собой рядную обмотку эмалированным проводом на медной трубке. И те и другие допускают достаточно большую мощность сигнала и имеют низкую частотную дисперсию — слабую зависимость времени задержки от частоты, что позволяет сохранять форму задержанного сигнала на радиочастотном выходе.

Подстраиваемые УЛЗ на коаксиальных воздушных линиях

Плавное изменение времени задержки реализуется обычно с помощью телескопических или тромбонных коаксиальных конструкций, в которых диаметры проводников стационарной и подвижной воздушных коаксиальных линий очень точно сопрягаются.

Простейшие УЛЗ с небольшим диапазоном регулировки могут встраиваться в коаксиальные соединители и адаптеры. Соединители стандарта SMA серии 3993 производства Coaxicom (рис. 1) предназначены для интервала частот от постоянного тока до 18 ГГц и имеют диапазон изменения времени задержки 28 пс, коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) не хуже 1,3, рабочий диапазон температур составляет –65 …+125 °С.

Рис. 1. Подстраиваемые соединители серии 3993 компании Coaxicom

Адаптеры отличаются тем, что не монтируются на кабель, а выполнены в виде отрезка линии передачи с двумя согласованными соединителями, позволяющими подключить их в кабельную линию и даже перейти с одного стандарта соединителей на другой. Фирма Spectrum Elektrotechnik выпускает множество моделей подстраиваемых адаптеров. Ее адаптеры с соединителями SMA (рис. 2) работают в диапазоне частот от постоянного тока до 26 ГГц, с соединителями 2.4mm — до 50 ГГц, а с соединителями 1.85mm — до 63 ГГц. Например, адаптер LS-P165 с диапазоном вносимой задержки до 28 пс обеспечивает в этом интервале частот значения потерь 0,8 дБ и КСВН 1,4.

Рис. 2. Подстраиваемый адаптер производства Spectrum Elektrotechnik

Фирма Waka выпускает подстраиваемые адаптеры (рис. 3) с соединителями SMA (частота до 18 ГГц, КСВН 1,3, потери 0,7 дБ), 2.92mm (частота до 40 ГГц, КСВН 1,4, потери 0,7 дБ) и 1.85mm (частота до 60 ГГц, КСВН 1,5, потери 1,0 дБ). Все эти адаптеры имеют диапазон изменения времени задержки 60 пс.

Рис. 3. Подстраиваемый адаптер фирмы Waka

Телескопическая коаксиальная система используется также в ЛЗ модели 9428Т компании ARRA (рис. 4). Телескопическая линия раздвигается поворотным резьбовым кольцом и фиксируется винтом. Полоса частот ЛЗ составляет 0–18 ГГц, диапазон изменения времени задержки 42 пс, на предельной частоте она имеет КСВН 1,5 и потери 0,75 дБ, допустимая средняя мощность сигнала составляет 100 Вт, пиковая 5 кВт. Схожие по конструкции и параметрам модели предлагают также фирмы RF-Lamdba и SHX.

Рис. 4. Телескопическая перестраиваемая ЛЗ модели 9428Т компании ARRA

Тромбонная конструкция УЛЗ нагляднее всего представлена моделью ST‑05 фирмы Microlab FXR (рис. 5). Эта ЛЗ работает в интервале частот 0,25–4,00 ГГц, диапазон изменения задержки не менее 2 нс, потери составляют 1,2 дБ на частоте 4 ГГц, КСВН 1,45, допустимая средняя мощность сигнала 100 Вт.

Рис. 5. Тромбонная УЛЗ модели ST-05 фирмы Microlab FXR

Для расширения диапазона перестройки и уменьшения геометрических размеров тромбонные линии могут включаться последовательно. Тромбонная ЛЗ модели 6804 от API Technologies (рис. 6) предназначена для диапазона частот от постоянного тока до 8 ГГц. Конструктивно это тромбон из шести секций, позволяющий при перемещении подвижной системы получить увеличенное в три раза время задержки сигнала. Диапазон изменения задержки этого прибора 265 пс, КСВН 2,0, вносимые потери 1 дБ. УЛЗ снабжена 48‑оборотным приводным винтом, позволяющим точно устанавливать время задержки. Прибор рассчитан на 350 Вт проходящей непрерывной мощности, его масса 1,3 кг.

Рис. 6. УЛЗ модели 6804 на основе многосекционного тромбона компании API Technologies

Перестраиваемые спиральные УЛЗ

Компания ELMEC выпускает высокоскоростные УЛЗ серии VDS с временем задержки до 30 нс. Они представляют собой спиральные ЛЗ с 20‑ю отводами, а задержка регулируется перемещением скользящего по отводам контакта, приводимого движком на верхней крышке ЛЗ (рис. 7а). Подвижный контакт может касаться одного отвода или замыкать два соседних, поэтому всего возможны 40 значений времени задержки.

Рис. 7а. Регулируемая ЛЗ серии VDS компании ELMEC

Схема включения ЛЗ этой серии показана на рис. 7б. Входной радиочастотный сигнал от источника с внутренним сопротивлением r подается на скользящий контакт через согласующий резистор R_in. Один конец ЛЗ согласуется с помощью встроенного резистора R_о, а другой с помощью внешней нагрузки с активным сопротивлением R. Для согласования радиочастотной линии должно выполняться условие 2(r + R_in) = Z₀ = R, где Z0 — волновое сопротивление ЛЗ, которое в зависимости от конкретной модели может составлять 100 или 200 Ом.

Рис. 7б. Схема включения

Наибольшее время задержки 30 нс имеет модель VDS3110. Ее входное сопротивление 50 Ом, волновое сопротивление и сопротивление нагрузки по 100 Ом, длительность фронта импульса 4 нс, допустимое постоянное входное напряжение 3 В.

ЛЗ этой серии могут работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами стандартов ЭСЛ, ТТЛ и КМОП. Диапазон рабочих температур составляет –10…+80 °С. Гарантируется сохранение работоспособности УЛЗ после 100 перемещений движка из одного крайнего положения в другое. Компоненты выпускаются в DIP-корпусах размером 22,5×9,8×5,9 мм.

Компоненты серии DDU37F компании Data Delay Devices представляют собой УЛЗ с сосредоточенными параметрами и буферными усилителями на входе и выходе (рис. 8), они предназначены для работы с цифровыми сигналами стандарта ТТЛ. Время задержки регулируется перемещением скользящего контакта по виткам спиральной ЛЗ, для привода контакта используется многооборотная механическая винтовая передача. Для перемещения контакта из одного крайнего положения в другое требуется 40 оборотов винта.

Рис. 8. Схема активной спиральной УЛЗ компании Data Delay Devices

Серия DDU37F представлена 11‑ю моделями ЛЗ с диапазоном изменения времени задержки 15–170 нс с погрешностью установки 0,12 нс. Компоненты потребляют мощность 230 мВт от источника питания напряжением 5 В. Волновое сопротивление УЛЗ изготовителем не приводится, поскольку согласование выполнено на уровне буферных каскадов. Коммерческие изделия имеют диапазон рабочих температур 0…70 °С, а для военного применения –55…+125 °С. Температурная зависимость времени задержки не более 100 ррm/°С. УЛЗ этой серии выпускаются в корпусах размером 44,5×14,4×7,2 мм.

Дискретно переключаемые УЛЗ с распределенными параметрами

Наиболее простое решение дискретного ручного управления временем задержки предлагает компания API Technologies. Оно представляет собой несколько коаксиальных линий с фиксированной задержкой, коммутируемых с помощью механического переключателя (рис. 9). По согласованию с заказчиком в этих УЛЗ используется полужесткий кабель диаметром 1,04–6,35 мм и соединители SMA, N или TNC. Диапазон рабочих частот составляет от постоянного тока до 6 ГГц, значения задержек задаются в диапазоне 1–250 нс, вносимые потери составляют 0,2–50 дБ. Температурная зависимость времени задержки 0,25 ррm/°С, термостатирование прибора позволяет снизить это значение до 0,001 ррm/°С. Диапазон рабочих температур составляет –20…+100 °С.

Рис. 9. Переключаемая ЛЗ компании API Technologies

Компания Data Delay Devices выпускает серию 3D9950 коммутируемых переключателями восьмиразрядных коаксиальных УЛЗ для диапазона частот от постоянного тока до 125 МГц с неравномерностью АЧХ не более 0,2 дБ. В серии шесть приборов, они имеют варианты изменения задержки: 63,75 нс (с дискретом 0,25 нс) 127,5 нс (с дискретом 0,5 нс) и 255 нс (с дискретом 1 нс) для волнового сопротивления 50 и 75 Ом. Приборы выпускаются в корпусе размером 216×203×51 мм с соединителями типа BNC (рис. 10).

Рис. 10. Коммутируемая переключателями коаксиальная УЛЗ серии 3D9950 от Data Delay Devices

УЛЗ для видеоимпульсных сигналов

Для задержки видеоимпульсных сигналов могут использоваться любые ЛЗ, имеющие связь по постоянному току для радиочастотного входа и постоянное ГВЗ в рабочей полосе частот, что необходимо для сохранения формы сигнала. Некоторые производители выделяют ЛЗ видеоимпульсных сигналов в отдельную группу. Например, компания Allen Avionics предлагает ряд моделей видеоимпульсных УЛЗ с различными параметрами и вариантами управления. Как правило, все они имеют волновое сопротивление 75 Ом, допустимое напряжение сигнала 100 В, оснащены соединителями типа BNC.

Наибольший диапазон регулировки времени задержки до 640 нс имеет модель VAR640 этой фирмы (рис. 11). Расположенные на лицевой панели семь тумблеров позволяют менять задержку от 0 до 635 нс с шагом 5 нс, кроме того есть возможность плавного изменения задержки на 5 нс. Полоса пропускания прибора 0–5,5 МГц с неравномерностью не более 0,5 дБ, потери на частоте 100 кГц не более 0,8 дБ, волновое сопротивление 75 Ом, размеры 119×94×52 мм.

Рис. 11. Коммутируемая переключателями УЛЗ модели VAR640 от Allen Avionics

Модели AV‑397 и 75–2A этой фирмы имеют одинаковые электрические параметры: волновое сопротивление 75 Ом, максимальное время задержки 2,075 мкс с шагом изменения 25 нс, диапазон рабочих частот 0–5 МГц. Время задержки устанавливается с помощью семи тумблеров. Отличие этих ЛЗ в том, что AV‑397 двухканальная.

Видеоимпульсная ЛЗ модели VRM1100 от Allen Avionics (рис. 12) обеспечивает максимальную задержку 1,1 мкс с шагом 10 нс, которая устанавливается с помощью двух поворотных переключателей. Рабочая полоса частот этой ЛЗ составляет 0–5,5 МГц.

Рис. 12. УЛЗ модели VRM1100 компании Allen Avionics для видеоимпульсного сигнала частотой до 5,5 МГц, управляемая поворотными переключателями

ЛЗ с электронным управлением

Рынок УЛЗ, управляемых аналоговым напряжением, очень ограничен. Промышленных образцов таких изделий не обнаружено.

Технологии УЛЗ с цифровым управлением времени задержки хорошо отработаны и на рынке предлагается много таких изделий и в компонентном, и в приборном исполнении. ЛЗ с цифровым управлением чаще всего используют принцип коммутации фиксированных ЛЗ электронными переключателями, управляемыми цифровым кодом. В качестве фиксированных ЛЗ для аналоговых сигналов используются полосковые линии или линии с сосредоточенными параметрами, а для цифровых — цепочки последовательно соединенных элементарных логических ячеек с определенным временем переключения. В качестве электронных переключателей аналогового сигнала используются PIN-диоды и полевые транзисторы на основе GaAs, а цифровые сигналы коммутируются логическими элементами. Из-за наличия полупроводниковых переключателей в радиочастотном тракте эти компоненты имеют пониженный уровень допустимой проходной мощности сигнала по сравнению уровень с моделями, имеющими механическое или электромеханическое управление.

ЛЗ аналогового сигнала с аналоговым управлением

В [4] опубликованы (рис. 13) результаты исследования экспериментального образца УЛЗ для радиочастотного сигнала с частотой 250 МГц, в которой при помощи аналогового управляющего напряжения группового время задержки варьируется на 8 нс. УЛЗ состоит из восьми одинаковых ячеек, каждая из которых содержит как сосредоточенные, так и полосковые элементы. Перестраивается ЛЗ постоянным напряжением, подаваемым на варакторы. В диапазоне управляющего напряжения в пределах 0–10 В вносимые потери составляли 4,5 дБ. Конструктивно разработанная УЛЗ размещена на печатной плате размером 33×20 мм.

Рис. 13а. Схема УЛЗ для радиоимпульсного сигнала с аналоговым управлением

Рис. 13б. Конструкция УЛЗ для радиоимпульсного сигнала с аналоговым управлением

ЛЗ цифрового сигнала с аналоговым управлением

Компания Analog Devices производит несколько микросхем для плавно регулируемой задержки низкоуровневого цифрового сигнала, в частности, модели HMC910 и HMC911. Интегральная схема HMC910 (рис. 14) является широкополосной УЛЗ с плавно изменяемым до 70 пс временем задержки. Полоса пропускания по радиочастотному входу от постоянного тока до 24 ГГц. Входной сигнал может быть однополярным или дифференциальным, но его уровень должен превосходить порог чувствительности входного каскада. Вход управления может использоваться для фазовой модуляции выходного сигнала с полосой частот модуляции до 10 МГц. Выходной сигнал микросхемы дифференциальный, его уровень может регулироваться в пределах 170–760 мВ аналоговым напряжением на специальном выводе микросхемы; предусмотрен также вывод разрешения передачи выходного сигнала. Входы и выходы микросхемы согласованы на сопротивление 50 Ом, она питается напряжением 3,3 В и потребляет ток около 500 мА, диапазон рабочих температур –40…+70 °С, выпускается в керамическом SMT-корпусе размером 4×4 мм. Микросхема HMC911 отличается дифференциальным входом управления с полосой пропускания 1,6 ГГц.

Рис. 14. Структурная схема УЛЗ модели HMC910 от Analog Devices

ЛЗ аналогового сигнала с цифровым управлением

Компания Engineered Components Company (EC2) предлагает серию PADL‑1 программируемых ЛЗ аналогового сигнала. Серия насчитывает десять моделей с вариацией времени задержки от 3,5 (шаг 0,5 нс, полоса частот до 45 МГц) до 35 нс (шаг 5,0 нс, полоса частот до 10 МГц). ЛЗ управляется трехразрядным ТТЛ-кодом, поэтому всего возможны восемь эквидистантных значений времени задержки. Для управления ЛЗ также используются синхросигнал, записывающий в регистр сигналы управления временем задержки, и инверсный сигнал разрешения выхода (рис. 15). Классифицирующим параметром является временной дискрет, его значение в наносекундах указывается в наименовании конкретной модели. В конструкции используется многоотводная ЛЗ, выходные сигналы которой коммутируются мультиплексором в соответствии с управляющим кодом. Входное сопротивление ЛЗ составляет 100 Ом, выходное 170 Ом. Неконтролируемая минимальная задержка составляет 1 нс для всех моделей этой серии. Температурный коэффициент времени задержки не более 100 ppm/°С. Для питания ЛЗ необходимы два источника с напряжениями +5 и –5 В. Диапазон рабочих температур составляет –40…+85 °С, ЛЗ выпускаются в DIP-корпусе размером 20,3×10,2×6,1 мм.

Рис. 15. Структурная схема управляемой ЛЗ серии PADL-1-XX от EC2

Микросхема AD8120 от Analog Devices представляет собой трехканальную аналоговую ЛЗ, предназначенную для выравнивания по времени телевизионных RGB-видеосигналов, управляемую по интерфейсам SPI, I2C или аналоговым напряжением. В последнем случае управляющее напряжение преобразуется в цифровой код с помощью встроенного АЦП. Микросхема допускает независимую регулировку задержки раздельно по каналам в пределах 50 нс с 64 дискретами по 0,8 нс. Входное сопротивление каналов 500 кОм, коэффициент передачи равен 2, что удобно для работы с согласованными линиями, максимальный размах входного сигнала составляет ±3,25 В. Принципы регулировки задержки сигнала производителем не раскрываются. При увеличении кода времени задержки с 0 до 63 полоса пропускания канала уменьшается с 200 до 150 МГц, а на фронте и спаде задержанных прямоугольных сигналов появляются выбросы (рис. 16). Микросхема питается напряжениями +5 и –5 В, диапазон рабочих температур –40…+85 °С, она выпускается в 32‑выводном корпусе LFCSP размером 5×5 мм.

Рис. 16. Форма импульса на выходе микросхемы модели AD8120 от Analog Devices при разных значениях кода задержки

Аналогичные по назначению микросхемы моделей ISL59920, ISL59921, ISL59922 и ISL59923 выпускает компания Intersil. Они обеспечивают задержку соответственно 30, 31, 46,5, и 62 нс с 32 дискретами. Микросхемы выпускаются в 20‑выводном корпусе QFN.

Китайская компания Chengdu Ganide Technology предлагает для создания управляемой цифровым кодом задержки СВЧ-сигналов бескорпусные микросхемы моделей GMM0192 и GMM0983. Микросхема GMM0192 управляется 6‑разрядным ТТЛ-кодом; диапазон изменения задержки 315 пс с шагом 5 пс; диапазон рабочих частот составляет от 2 до 18 ГГц; вносимые потери не более 23 дБ; КСВН не более 1,6. Микросхема GMM0983 управляется 5‑разрядным ТТЛ-кодом; диапазон изменения задержки составляет 310 пс с дискретом 10 пс; диапазон рабочих частот от 6 до 18 ГГц; КСВН не более 1,4; вносимые потери 4 дБ. Обе микросхемы допускают довольно большую мощность входного СВЧ-сигнала, составляющую 25 дБм.

Компания ENGIN-IC предлагает интегральную схему, ориентированную на применение в фазированных антенных решетках диапазона VHF (50–330 МГц). Эта микросхема содержит управляемую 8-разрядым кодом УЛЗ и управляемый 5‑разрядным кодом аттенюатор. Время задержки может меняться до 1 нс с шагом 4 пс.

УЛЗ для цифрового сигнала с цифровым управлением

Принцип цифрового управления временем задержки наглядно виден на примере структурной схемы микросхемы модели 854S296I‑33 компании Integrated Device Technology (IDT) (рис. 17). Эта микросхема управляется десятиразрядным кодом и позволяет менять время задержки от 2,2 до 12,5 нс с шагом 10 пс для входного сигнала с максимальной частотой до 1,2 ГГц. Входной сигнал последовательно проходит десять управляемых ячеек, каждая из которых содержит фиксированную ЛЗ с определенной задержкой и мультиплексор, на который подаются задержанный и входной сигналы. Сигнал «лог. 0» на управляющем входе мультиплексора передает на выход ячейки ее входной сигнал без задержки, а «лог. 1» передает задержанный сигнал. Задержки ячеек пропорциональны 2n, где номер ячейки n принимает в данном случае значения от 0 до 9. Фиксированные ЛЗ создаются последовательным включением элементарных логических элементов с заданным временем задержки срабатывания, в данном случае 10 пс. Мультиплексорами управляет параллельный десятиразрядный выходной код регистра-защелки, формируемый из последовательного входного кода. Микросхема работает с двухуровневыми низковольтными дифференциальными сигналами стандарта LVDS (Low-Voltage Differential Signaling), но может воспринимать сигналы стандартов ТТЛ или КМОП. Напряжение питания микросхемы 3,3 В, диапазон рабочих температур –40…+85 °С, она выпускается в 32‑выводном корпусе VFQFN размером 5×5 мм.

Рис. 17. Структурная схема цифровой УЛЗ 854S296I-33 компании Integrated Device Technology

Аналогичные микросхемы цифровых ЛЗ выпускает компания ON Semiconductor. Микросхемы MC10E195 и MC100E195 этой фирмы предназначены для работы с сигналами только стандарта ЭСЛ. Они управляются семиразрядным кодом и имеют диапазон изменения задержки 2,24 мкс с шагом 17,5 нс, диапазон рабочих частот до 1 ГГц. Диапазон программируемой задержки меняется от 2,175 нс при температуре –40 °С до 2,58 нс при 85 °С. Напряжение питания микросхем 5 В при токе потребления 50 мА, температурный диапазон –40…+85 °С, корпус PLCC‑28 размером 12×12 мм.

Микросхемы моделей MC10EP195 и MC100EP195 от ON Semiconductor представляют собой управляемые десятиразрядным кодом УЛЗ с диапазоном изменения времени задержки 10,2 нс и шагом 10 пс. Микросхемы могут работать как с дифференциальными, так и с однополярными входными сигналами стандартов ЭСЛ, НВ ТТЛ и НВ КМОП с частотой до 1,2 ГГц. Они требуют напряжения питания 3,3 В при токе потребления 150 мА, размещены в корпусах LQFP размером 7×7 мм или QFN размером 5×5 мм, диапазон рабочих температур составляет –40…+85 °С. Диапазон программируемой задержки меняется от 9,45 нс при –40 °С до 10,95 нс при 85 °С. Дальнейшим развитием этой серии стала микросхема модели MC100EP196. Она не только имеет аналогичные возможности цифрового управления задержкой, но дополнительно позволяет плавно менять ее в пределах 60 пс изменением аналогового напряжения на специальном входе.

В микросхеме DS1124 компании Maxim используется многоотводная цифровая линия задержки (рис. 18), состоящая из 255 ячеек с задержкой 0,25 нс, соответственно весь диапазон регулировки составляет 63,75 нс. Задержка управляется восьмиразрядным кодом по интерфейсу SPI, на выходной буфер микросхемы подается сигнал с вывода многоотводной линии, определяемого управляющим кодом. Максимальная частота входного КМОП- или ТТЛ-сигнала 10 МГц, напряжение питания 5 В, температурный диапазон –40…+85 °С, корпус 10‑выводный μSOP.

Рис. 18. Структурная схема управляемой цифровой ЛЗ DS1124 компании Maxim

Одну из наиболее быстродействующих УЛЗ для цифровых сигналов производит компания Analog Devices. Микросхема HMC856 способна задерживать дифференциальные входные сигналы стандарта CML со скоростью до 28 Гбит/с на время до 93 пс с шагом 3 пс. Сигнальные входы и выходы имеют сопротивление 50 Ом, входы управления 600 Ом. Микросхема управляется параллельным пятиразрядным кодом, потребляет 610 мВт от источника питания напряжением –3,3 В, размещена в 32‑выводном корпусе LCC размером 5×5 мм.

Компания Data Delay Devices предлагает серию 3D3424 четырехканальных цифровых ЛЗ КМОП-сигналов с четырехразрядным управлением. Она включает 13 моделей микросхем, обеспечивающих диапазон изменения задержки от 15 нс (шаг 1 нс, частота входного сигнала до 166 МГц) до 4500 нс (шаг 300 нс, частота входного сигнала до 1,1 МГц). Каналы управляются независимо друг от друга и могут включаться последовательно для увеличения суммарной задержки. Микросхемы используют напряжение питания 3,3 В, диапазон рабочих температур –40…+85 °С, выпускаются в корпусах SOIC‑14.

Некоторые фирмы предпочитают использовать для задержки цифровых сигналов многоотводные ЛЗ с распределенными параметрами. Как правило, у таких УЛЗ число отводов составляет 8 или 16, соответственно для управления задержкой используются 3‑или 4‑разрядные коды. В качестве примера можно привести серию 90А активных программируемых ЛЗ компании Allen Avionics. Серия содержит 20 микросхем, управляемых 4‑разрядным кодом и имеющих диапазон изменения задержки от 15 нс (шаг 1 нс) до 1500 нс (шаг 100 нс) с точностью ±5%. Микросхемы предназначены для работы с ТТЛ-сигналами, напряжение их питания 5 В, выпускаются в корпусах размером 44,5×10,6 мм.

Компания ЕС2 выпускает аналогичную серию PFLDL-TTL 4‑разрядных программируемых ЛЗ, насчитывающую 24 микросхемы с временем задержки от 7,5 нс (шаг 0,5 нс) до 1500 нс (шаг 100 нс). Микросхемы этой серии предназначены для работы с сигналами стандарта ТТЛ, питаются от источника напряжением 5 В, выпускаются в корпусах размером 32,3×10,2 мм.

Использование УЛЗ в фазированных антенных решетках

Рис. 19. Смещение диаграммы направленности ФАР, выполненной на основе УФв, при изменении рабочей частоты

Не вдаваясь в тонкости построения фазированных антенных решеток (ФАР), отметим лишь, что их диаграмма направленности формируется за счет управления амплитудой и фазой излучаемых ячейками ФАР сигналов. Для управления фазой радиочастотного сигнала можно использовать как УЛЗ, так и фазовращатели (УФв), способные поддерживать заданный фазовый сдвиг в рабочей полосе частот. При изменении рабочей частоты для ФАР, выполненной на основе УФв, ее диаграмма направленности (ДН) смещается (рис. 19). Если же ФАР выполнена на основе УЛЗ (рис. 20), то основной лепесток остается на прежнем месте, а изменяется лишь расположение симметричных боковых лепестков.

Рис. 20. Масштабирование диаграммы направленности ФАР, выполненной на основе УЛЗ, при изменении рабочей частоты

Изменение положения главного лепестка диаграммы направленности ФАР, выполненной на основе УФв, при вариации рабочей частоты хорошо известно и используется для частотного сканирования. Обычно диаграмма направленности ФАР рассчитывается для монохроматического сигнала, в то время как реальный радиолокационный сигнал имеет достаточно широкий спектр. Для монохроматического сигнала, действительно, не имеет значения, какое использовано устройство управления — на основе УФв или УЛЗ. В случае широкополосного сигнала различие фазовых характеристик этих приборов приводит к искажению диаграммы. Для реального локационного сигнала применение ФВ приводит к расширению основного лепестка и увеличению уровня боковых лепестков ДН ФАР, а в случае использования ЛЗ такая проблема не возникает. Основным требованием к УЛЗ, применяемым в составе ФАР, следует слабую зависимость группового времени задержки от частоты. В зарубежной литературе подобные УЛЗ обозначаются термином TTD (True Time Delay) — «настоящие линии задержки» [6].

Программируемые линии задержки

К программируемым относятся ЛЗ в инструментальном исполнении, которые могут управляться компьютером или другим вычислительным устройством по определенному интерфейсу. Среди программируемых УЛЗ типа TTD есть класс приборов с преобразованием электрического сигнала в оптический и обратно. Благодаря низкому затуханию оптических сигналов в оптоволокне программируемые оптические ЛЗ позволяют получить на длинных отрезках оптоволокна большие времена задержки, недостижимые другими методами.

Электромеханические УЛЗ с плавной перестройкой

В этом классе программируемых УЛЗ с плавной перестройкой используется изменение физической длины коаксиальной воздушной линии передачи с помощью прецизионного механического привода и шагового двигателя с электронной системой управления. Эти двигатели позволяют менять длину линии передачи и соответственно время задержки с очень малым шагом, т. е. практически непрерывно. К недостаткам таких систем следует отнести инерционность управления: длительность процесса переключения достигает единиц и даже десятков секунд.

Компания SHF выпускает тромбонную УЛЗ модели 2000 DEL с моторизованным управлением. Диапазон изменения времени задержки составляет 160 пс с шагом 1 пс и погрешностью установки не более 0,4 пс. Волновое сопротивление составляет 50 Ом, максимальный уровень сигнала 10 дБм, вносимые потери не более 2,2 дБ на частоте 20 ГГц. Управление прибором производится кнопками на лицевой панели прибора, или компьютером по интерфейсу GPIB. Положение тромбона контролируется прецизионным линейным потенциометром. Использование его выходного напряжения в цепи отрицательной обратной связи системы управления позволяет устранить возможный механический люфт привода. Прибор имеет размеры 472×110×365 мм, его вес 9,5 кг.

Компания Waka выпускает две модели широкополосных ЛЗ с прецизионной механической регулировкой длины линии с помощью шагового двигателя. Модель 01X0556–00 (рис. 21) с соединителями 2.92mm имеет рабочую полосу частот 0–40 ГГц, КСВН 1,3 и потери 1,3 дБ. Для модели 01X0556–00 с соединителями 1.85mm полоса частот достигает 60 ГГц, КСВН 1,4 и потери 3 дБ. Диапазон изменения времени задержки составляет 140 пс с шагом 0,00666 пс. Управляются ЛЗ с помощью специального приложения для Windows.

Рис. 21. Моторизованная ЛЗ модели 01X0557-00 компании Waka

Фирма Colby Instruments выпускает моторизованные тромбонные линии задержки PDL‑100A и PDL‑200A. В этих моделях используются сдвоенные тромбонные механизмы (рис. 22), каждый из которых обеспечивает изменение времени задержки до 312,5 пс при полосе пропускания до 18 ГГц. Они последовательно соединяются на лицевой панели прибора полужестким кабелем. В приборе достижима суммарная задержка 625 пс с погрешностью установки не более 0,5 пс. Механическая система управляется шаговым двигателем, время настройки не более 1,5 с. Межсервисный интервал составляет 500 тыс. циклов перемещения. Модель PDL‑100A содержит один сдвоенный тромбон с задержкой до 625 пс. Модель PDL‑200A содержит два сдвоенных тромбона в одном корпусе, в случае их последовательного соединения задержка возрастает до 1,25 нс. ЛЗ управляются с помощью интерфейсов IEEE‑488.2, Ethernet TCP/IP, RS‑232 или специализированным микротерминалом MT‑100A.

Рис. 22. Механизм сдвоенной тромбонной ЛЗ модели PDL-200A компании Colby Instruments

Электромеханические ЛЗ с дискретной перестройкой

Принцип коммутации отдельных линий с кратными значениями задержки по своей сути цифровой. Он позволяет получить большой диапазон изменения времени задержки, но не с непрерывными, а с дискретными значениями. Поскольку ЛЗ используются для ВЧ- и СВЧ-сигналов, в них применяются высокочастотные реле, в том числе и коаксиальные. Эти ЛЗ менее инерционны по сравнению с моторизованными, время их переключения может составлять от единиц до десятков миллисекунд.

В качестве примера коммутируемой с помощью реле ЛЗ можно привести модель CPDL‑100A фирмы Colby Instruments (рис. 23). Производитель может изготовить коммутируемую линию задержки с необходимыми заказчику параметрами при условии, что шаг по времени задержки должен быть не менее 10 пс и суммарная задержка не более 200 нс. Верхнее значение рабочей частоты составляет 18 ГГц, точность установки времени задержки 0,5 пс, средняя мощность сигнала 10 Вт, пиковая 50 Вт. Механический ресурс составляет 500 тыс. переключений, время срабатывания 50 мс. Управляется прибор по интерфейсам IEEE 488.2, Ethernet TCP/IP, RS‑232 или микротерминалом MT‑100A.

Рис. 23. ЛЗ с релейной коммутацией модели CPDL-100A производства Colby Instruments

Аналогичную по параметрам УЛЗ модели 8001 предлагает компания Dow-Key Microwave.

Программируемые УЛЗ с электронным управлением

В этом классе приборов задержка формируется с шагом, определяемым разрядностью кода управления. Но у некоторых ЛЗ разрядность управляющего кода достигает 10, и в этом случае шаг перестройки составляет менее 0,001 от полного диапазона изменения времени задержки. Программируемые УЛЗ с электронным управлением используют те же принципы работы, что и описанные выше управляемые ЛЗ. Исключением являются ЛЗ с преобразованием электрического сигнала в оптический и обратно. Предлагаемые рынком программируемые оптические ЛЗ позволяют получать до 8 их значений.

Программируемые ЛЗ аналогового сигнала

Фирма GigaBaudics выпускает несколько моделей измерительных программируемых ЛЗ аналогового сигнала. Конструктивно они представляют собой несколько последовательно включенных фиксированных ЛЗ с кратными временами задержки, коммутируемых GaAs-переключателями в соответствии с управляющим кодом. Модель PADL6 (рис. 24) имеет диапазон рабочих частот 0–6 ГГц с неравномерностью не более ±1,4 дБ, КСВН не более 1,5, диапазон изменения задержки 635 пс с шагом 5 пс, уровень входного сигнала при компрессии 1 дБ составляет 24 дБм, волновое сопротивление 50 Ом. На корпусе размером 69,1×44,5×15,2 мм установлены соединители SMA для входного и выходного сигналов и многоштырьковый соединитель типа D для подачи напряжения питания 5 В и 7‑разрядного ТТЛ-сигнала управления.

Рис. 24. Программируемая УЛЗ модели PADL-6 для аналогового сигнала с частотой до 6 ГГц от GigaBaudics

Для модели PADL3 от GigaBaudics диапазон частот не превышает 3 ГГц, но она управляется 10‑разрядным кодом. Шаг изменения времени задержки может составлять 5, 10 или 20 пс, диапазон изменения задержки может достигать 20,46 нс. У этой модели КСВН не более 1,5, вносимые потери не более 7,5 дБ.

Компания GigaBaudics выпускает также четырехканальные измерительные УЛЗ: 7‑разрядную QPADL6 (рис. 25) с диапазоном частот до 6 ГГц и шагом 5 пс (диапазон изменения задержки до 635 нс) и 10‑разрядную QPADL3 с диапазоном частот до 3 ГГц и шагом 5 или 10 пс по согласованию с заказчиком (диапазон изменения задержки до 10,23 нс). Каналы этих ЛЗ управляются ТТЛ-кодом независимо друг от друга и могут соединяться последовательно для увеличения суммарной задержки.

Рис. 25. Четырехканальная УЛЗ модели QPADL6 от GigaBaudics

Компания MTS Systemtechnik предлагает две модели управляемых ЛЗ: модели DL1–544, имеющую диапазон рабочих частот 0,5–6 ГГц и диапазон перестройки 640 пс и модели DL1–544–1600PS с диапазоном частот 0,5–5 ГГц и диапазоном перестройки 1600 пс (рис. 26). У обеих УЛЗ шаг перестройки составляет 5 пс, волновое сопротивление 50 Ом, входная мощность не менее 33 дБм, диапазон температур –40…+85 °C. Линии управляются параллельным ТТЛ-кодом, для коммутации используются GaAs-переключатели.

Рис. 26. Программируемая ЛЗ DL1-544-1600PS компании MTS Systemtechnik

Четырехканальную программируемую ЛЗ модели QDLL предлагает компания Becker Nachrichtentechnik (рис. 27). Диапазон изменения задержки в независимых каналах составляет 1700 пс с шагом 5 пс, диапазон рабочих частот 0,25–4 ГГц, волновое сопротивление 50 Ом. Межканальная изоляция не хуже 90 дБ, максимальная мощность сигнала 32 дБм. Прибор управляется по интерфейсам USB, LAN или IEEE488.

Рис. 27. Четырехканальная программируемая ЛЗ QDLL компании Becker Nachrichtentechnik

В качестве примера прецизионной программируемой измерительной УЛЗ с широким диапазоном изменения параметров можно привести модель PDM‑100A от компании Colby Instruments. Прибор позволяет менять время задержки в пределах 5,12 нс с шагом 1 пс для сигналов в полосе частот 0,1–3 ГГц. Конструктивно он состоит из трех модулей (Р1, Р2 и Р3 на рис. 28), каждый из которых содержит коммутируемые PIN-диодами полосковые ЛЗ. Модуль Р1 управляется четырехразрядным кодом и обеспечивает задержку до 15 пс с шагом 1 пс, модуль Р2 управляется восьмиразрядным кодом и формирует задержку до 1275 пс с шагом 5 пс, модуль Р3 управляется двухразрядным кодом и формирует задержку до 3,84 нс с шагом 1,28 нс. Входные и выходные SMA-соединители каждого модуля выведены на лицевую панель прибора, что позволяет использовать модули как раздельно, так и совместно. Управляется прибор с помощью микротерминала МТ‑100 А.

Рис. 28а. Устройство программируемой УЛЗ модели PDM-100A от компании Colby Instruments

Рис. 28б. Внешний вид программируемой УЛЗ модели PDM-100A от компании Colby Instruments

Программируемые ЛЗ цифровых сигналов

Одним из лидеров производства измерительных программируемых ЛЗ для цифровых сигналов является компания GigaBaudics, которая выпускает четыре модели программируемых ЛЗ для сигналов стандарта ЭСЛ. Наиболее высокое быстродействие, до 10 Гбит/с, имеют одноканальная ЛЗ PDDL10 (рис. 29) и четырехканальная QPDDL10. Эти ЛЗ управляются семиразрядным ТТЛ-кодом, позволяют установить 128 значений задержки с шагом 5 пс, вносимый джиттер не более 10 пс, входное и выходное сопротивление 50 Ом.

Рис. 29. Одноканальная программируемая ЛЗ цифровых сигналов модели PDDL10 производства GigaBaudics

Одноканальная УЛЗ модели PDDL5 и четырехканальная модели QPDDL5 (рис. 30) имеют быстродействие по входу управления до 5 Гбит/с, они управляются десятиразрядным кодом и позволяют установить 1024 значений задержки. По согласованию с заказчиком шаг задержки в модели PDDL5 может быть 5, 10 или 20 пс, в модели QPDDL5 он может быть установлен 5 или 10 пс. Среднее квадратическое значение вносимого дрожания переднего фронта выходного импульса (джиттера) не более 10 пс, типовое 5 пс.

Рис. 30. Четырехканальная программируемая УЛЗ модели QPDDL5 компании GigaBaudics

Программируемые волоконно-оптические УЛЗ

Управляемые ЛЗ с преобразованием электрического сигнала в оптический позволяют реализовать времена задержки, недостижимые для других технологий. Примером может служить УЛЗ серии 3000 компании Eastern OptX, использующая задержку светового сигнала в оптическом волокне. Приборы этой серии позволяют переключать до восьми значений времени задержки, полоса рабочих частот составляет 0,1–18 ГГц, максимальное значение задержки до 500 мкс, погрешность значения задержки до 1%, КСВН не более 2, уровень входного сигнала с компрессией 1 дБ не менее –15 дБм, коэффициент шума 25 дБ, волновое сопротивление 50 Ом, управление возможно по интерфейсам Ethernet, TTL, USB и GPIB. Приборы выпускаются в стандартном 19‑дюймовом корпусе, один из приборов этой серии показан на рис. 31. Производитель отмечает, что этот прибор может использоваться для симуляции отраженного радиолокационного сигнала цели.

Рис. 31. Программируемая оптическая УЛЗ серии 3000 от компании Eastern OptX

Аналогичный прибор модели ЕОХ 6000 от компании Eastern OptX предназначен для тестирования радиовысотомеров. Он работает в диапазоне частот 4,2–4,4 ГГц и обеспечивает максимальную задержку сигнала, соответствующую высоте 15240 м.

Волоконно-оптические УЛЗ выпускает также компания Microwave Photonic Systems. Прибор модели OPDL‑6000‑DL‑18G (рис. 32) имеет полосу рабочих частот радиочастотного входа 0,1–10 ГГц, время задержки может достигать 500 мкс. Коммутируемые УЛЗ могут иметь различные значения времени задержки. Если установлено минимальное значение шага по задержке, а остальные его значения кратны ему, то прибор может использоваться как управляемая многоразрядным кодом УЛЗ с большим временем задержки и малым дискретом его изменения.

Рис. 32. Программируемая оптическая ЛЗ модели OPDL-6000-DL-18G компании Microwave Photonic Systems

Компания RF Optic выпускает несколько моделей программируемых оптических ЛЗ (рис. 33), различающихся полосой рабочих частот. Все модели серии ODL могут переключать до восьми ВОЛС с общим временем задержки до 300 мкс, у наиболее высокочастотной модели полоса рабочих частот составляет 0,1–20 ГГц. ЛЗ вносит затухание 30 дБ, коэффициент шума 40 дБ, точка 1‑дБ компрессии составляет 15 дБм.

Рис. 33. Программируемая оптическая ЛЗ серии ODL от компании RF Optic

Диапазон изменения задержки, нс