Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 9 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Holographic photon system of phase synchronization in the satellite radio channel

A.G. Prygunov1, A.P. Zuikov2, V.S. Lobodinov2

1 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia
2 Rostov-on-Don Scientific Research Institute of Radio Communication, Rostov-on-Don, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.9.10 UDC 535.4(076.5) EDN VXFJAT

Abstract

A necessary condition for the qualitative solution of telecommunication, infocommunication and navigation tasks in satellite communication systems is the presence of a high-precision synchronization system in satellite radio channels. It is indicated that the operation of the data exchange synchronization system in satellite radio channels is adversely affected by a number of external factors, such as, for example, the presence of the Doppler effect, errors in determining the relative speeds and directions of movement of artificial Earth satellites (ISS), the presence of a delay time of the transmitted signal due to significant distances between the nodes of the satellite communication network. The main disadvantages of modern synchronization systems used in satellite radio channels are given, and it is concluded that there is a relatively high probability of synchronism failure. It is indicated that the primary type of synchronization in a satellite radio channel is phase synchronization, the errors of which affect all subsequent types of synchronization (clock, frame and cycle). Analysis of the technical characteristics of modern phase synchronization systems in satellite radio channels allowed us to conclude that it is urgent to search for a new approach to the construction of these systems, which provides an increase in the speed and accuracy of their works. A possible way to solve this problem is the use of holographic photonics elements based on holographic sensing elements in measuring equipment that ensures the functioning and synchronization of satellite radio channels. The article solves the problem of constructing a holographic photonic phase synchronization system in a satellite radio channel. A technical solution is proposed to increase the speed, sensitivity and accuracy of the phase synchronization system by using a volumetric reflective Fourier hologram in the design of this system. A variant of the block diagram of the holographic photonic phase synchronization system is developed and the operation of this scheme is described. The constructive construction of optical elements of the developed block diagram in the form of electro-optical modulators and deflector optical systems is proposed. The individual features of the construction of these structural elements are indicated. The functional purpose of a volumetric reflective Fourier hologram in the design of a holographic photonic phase synchronization system is formulated. The regularities of changes in the parameters of optical fields in the holographic photonic elements of the phase synchronization system of a satellite radio channel are investigated. Concrete numerical examples demonstrate the possibility of providing high sensitivity and accuracy of a holographic photonic phase synchronization system.

  • satellite radio channel
  • phase synchronization
  • holographic photonics
  • Volumetric Fourier hologram
  • sensitivity
  • accuracy
  • regularities of parameter changes
Аннотация (на русском)

Голографическая фотонная система фазовой синхронизации в спутниковом радиоканале

Необходимым условием качественного решения телекоммуникационных, инфокоммуникационных и навигационных задач в спутниковых системах связи является наличие в спутниковых радиоканалах высокоточной системы синхронизации. Указано, что на работу системы синхронизации обмена данными в спутниковых радиоканалах оказывает отрицательное влияние ряд внешних факторов, таких, например, как наличие эффекта Доплера, ошибки в определении относительных скоростей и направлений перемещения искусственных спутников Земли (ИСЗ), наличие времени запаздывания передаваемого сигнала из-за значительных расстояний между узлами сети спутниковой связи. Приведены основные недостатки современных систем синхронизации, используемых в спутниковых радиоканалах, и сделан вывод о том, что имеет место относительно высокая вероятность срыва синхронизма. Указано, что первичным видом синхронизации в спутниковом радиоканале является фазовая синхронизация, погрешности которой влияют на все последующие виды синхронизации (тактовую, кадровую и цикловую). Анализ технических характеристик современных систем фазовой синхронизации в спутниковых радиоканалах позволил сделать вывод об актуальности поиска нового подхода к построению этих систем, обеспечивающего повышение быстродействия и точности их работы. Возможным направлением решения этой задачи является использование в измерительной аппаратуре, обеспечивающей функционирование и синхронизацию спутниковых радиоканалов, элементов голографической фотоники с опорой на голографические чувствительные элементы. В статье решается задача построения голографической фотонной системы фазовой синхронизации в спутниковом радиоканале. Предлагается техническое решение для повышения быстродействия, чувствительности и точности системы фазовой синхронизации путём использования в конструкции этой системы объёмной отражательной Фурье-голограммы. Разработан вариант структурной схемы голографической фотонной системы фазовой синхронизации и описана работа этой схемы. Предложено конструктивное построение оптических элементов разработанной структурной схемы в виде электрооптических модуляторов и дефлекторных оптических систем. Указаны отдельные особенности построения этих конструктивных элементов. Сформулировано функциональное назначение объёмной отражательной Фурье-голограммы в конструкции голографической фотонной системы фазовой синхронизации. Исследованы закономерности изменения параметров оптических полей в голографических фотонных элементах системы фазовой синхронизации спутникового радиоканала. На конкретных численных примерах показана возможность обеспечения высокой чувствительности и точности голографической фотонной системы фазовой синхронизации.

For citation

Prygunov A.G., Zuikov A.P., Lobodinov V.S. Holographic photon system of phase synchronization in the satellite radio channel // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.9.10

References

  1. Спилкер Д. Цифровая спутниковая связь. Москва, Связь. 1979. 592 с.
  2. Куликов Г.В. Нгуен В.З. Влияние погрешностей синхронизации на помехоустойчивость когерентного приема сигналов М-ФМ.Russian Technological Journal. 2019. Т.7. №5. С.47-61. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-5-47-61
  3. Дереча Е.В., Привалов Д.Д. Исследование алгоритма фазовой синхронизации GMSK-сигналов для низкоорбитальных систем спутниковой связи. Техника радиосвязи. 2017. №2. С.87-95.
  4. Межведомственная программа исследований и разработок в области фотоники на 2017-2020 годы. Разработана на основании Протокола заседания президиума Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России от 9 июля 2014 г. № 4. [web]. Технологическая платформа "Фотоника". Дата обращения: 10.06.2023. URL: http://www.photonica.cislaser.com/data/program_photonica_2017-2020.pdf
  5. Прыгунов А.Г. Физические основы использования объемных отражательных голограмм в устройствах радиофотоники. Электросвязь. 2021. №8. С. 54-59. http://doi.org/10.34832/ELSV.2021.21.8.009
  6. Прыгунов А.Г. Физические основы использования голографического интерферометра в фотонных телекоммуникационных устройствах. Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2021. №2(42). С. 42 - 49. http://doi.org/10.24412/2221-2574-2021-242-42-49
  7. Прыгунов А.Г. Анализ свойств избирательности объёмных голограмм в радиофотонных устройствах. Журнал радиотехники [электронный журнал]. 2021. №11. http://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.11.5
  8. Андреев А.Н., Гаврилов Е.В., Ишанин Г.Г. Оптические измерения. Москва, Университетская книга. Логос. 2008. 416 с.
  9. Кирилловский В.К., Точилина Т.В. Оптические измерения. Часть 1. Введение и общие вопросы. Точность оптических измерений. Санкт-Петербург, Университет ИТМО. 2017. 49 с.
  10. Коломийцов Ю.В. Интерферометры: Основы инженерной теории. Применение. Ленинград, Машиностроение (Ленинградское отделение). 1976. 296 с.
  11. Островский Ю.И. Голографическая интерферометрия. Москва, Наука. 1977. 336 с.
  12. Островская Г.В. Голографическая интерферометрия физических процессов. Журнал технической физики. 2016. Т.86. №6. С.1-16.
  13. Прыгунов А.Г. Физические основы использования объемных отражательных голограмм в устройствах радиофотоники. Электросвязь. 2021. №8. С. 54-59. http://doi.org/10.34832/ELSV.2021.21.8.009
  14. Прыгунов А.Г. Особенности применения объёмных голограмм в фотонных устройствах телекоммуникационных систем. Радиотехника. 2023. Т.87. №1. С. 116-125.
  15. Macario J. et al. Full spectrum millimeter-wave modulation. Optics express. 2012. Т.20. №21. С.23623-23629.
  16. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. Москва, Советское радио. 1977. 336 с.
  17. Красноплахтич А.А., Прыгунов А.А., Прыгунов А.Г. Повышение чувствительности голографического измерителя путём использования тонкой собирающей линзы. Конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников и обучающихся по итогам работы за 2013-2014 учебный год (в части молодёжной науки): сборник докладов НТК. Ростов-на-Дону. 2014. C. 314-323.
  18. Безуглов Д.А., Прыгунов А.Г., Трепачев В.В. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом. Автометрия. 1998. №5. С.21-28.
  19. Прыгунов А.Г., Прыгунов А.А., Трепачёв В.В., Трепачёва А.В. Увеличение плотности энергии информационного поля оптического интерферометра дифракционным голографическим методом. Современные проблемы радиоэлектроники. Материалы четвёртой научной международной конференции. Ростов-на-Дону. 2012. С.178-181.
  20. Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с использованием эталонных голограмм. Оптика атмосферы и океана. 1995. Т.8. №6. С. 826-830.
  21. Милер М. Голография. Ленинград, Машиностроение (Ленинградское отделение).1979. 207 с.