Линия задержки

Линия задержки — это устройство или элемент электрической цепи, предназначенный для создания временной задержки сигнала на заданную величину при его прохождении от входа к выходу. Линии задержки относятся к классу устройств обработки сигналов и широко применяются в радиотехнике, электронике, измерительной технике, системах связи и цифровой обработке данных. Основной характеристикой линии задержки является время задержки, которое может быть фиксированным или регулируемым.

История

Первые линии задержки появились в начале XX века в связи с развитием радиолокации и телевидения. В 1930-х годах для задержки видеосигналов в телевизионных системах начали применяться коаксиальные кабели и специальные катушки индуктивности. В 1940-х годах, во время Второй мировой войны, линии задержки стали ключевым элементом радиолокационных станций (РЛС), где требовалось синхронизировать импульсы и компенсировать задержки распространения сигналов. В 1950-х годах с развитием полупроводниковой электроники появились линии задержки на основе пьезоэлектрических материалов (кварцевые и керамические), а также ультразвуковые линии задержки. В 1960-х годах начали применяться цифровые линии задержки на регистрах сдвига, что позволило реализовать программируемые задержки. В 1970-х годах с развитием микропроцессоров и цифровых сигнальных процессоров (DSP) линии задержки стали интегрироваться в цифровые системы обработки сигналов. В 1980-х годах появились оптические линии задержки на основе волоконно-оптических кабелей, используемые в высокоскоростных системах связи.

Классификация

Линии задержки классифицируются по нескольким признакам.

По типу сигнала

• Аналоговые линии задержки — работают с непрерывными аналоговыми сигналами. Примеры: коаксиальные кабели, LC-цепи, ультразвуковые линии задержки.
• Цифровые линии задержки — работают с дискретными цифровыми сигналами. Реализуются на регистрах сдвига, FIFO-буферах (First In, First Out) или в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).

По принципу действия

• Электрические линии задержки — используют электрические цепи с распределёнными или сосредоточенными параметрами. Включают коаксиальные кабели, полосковые линии, LC-цепи.
• Ультразвуковые линии задержки — преобразуют электрический сигнал в ультразвуковую волну, которая распространяется в среде (кварц, керамика, жидкость) с определённой скоростью, а затем обратно преобразуется в электрический сигнал. Обеспечивают задержки от единиц микросекунд до десятков миллисекунд.
• Оптические линии задержки — используют распространение света в оптическом волокне. Обеспечивают задержки от наносекунд до микросекунд, применяются в высокоскоростных системах связи и радиофотонике.
• Цифровые линии задержки — реализуются на основе регистров сдвига, FIFO-буферов или в программном обеспечении. Задержка задаётся количеством тактовых импульсов.

По возможности регулировки

• Фиксированные линии задержки — имеют постоянное время задержки, заданное конструкцией.
• Регулируемые (переменные) линии задержки — позволяют изменять время задержки в определённых пределах. Регулировка может быть дискретной (переключение секций) или плавной (изменение параметров цепи).

По типу среды распространения

• Проводные (электрические) — коаксиальные кабели, витые пары, полосковые линии.
• Пьезоэлектрические — кварцевые, керамические, ниобат-литиевые.
• Оптические — волоконно-оптические кабели.
• Акустические — жидкостные, газовые, твёрдотельные.

Устройство и характеристики

Электрические линии задержки

Электрические линии задержки бывают с распределёнными параметрами (например, коаксиальный кабель) и с сосредоточенными параметрами (LC-цепи).

• Коаксиальный кабель — отрезок кабеля определённой длины. Задержка определяется длиной и скоростью распространения электромагнитной волны в кабеле (обычно 0,6–0,8 скорости света). Например, для кабеля RG-58 задержка составляет около 5 нс/м.
• LC-цепь — последовательное соединение нескольких LC-звеньев (катушек индуктивности и конденсаторов). Задержка одного звена τ = √(LC). Такие линии задержки используются в радиотехнике для задержки импульсов на микросекунды.

Ультразвуковые линии задержки

Принцип действия основан на преобразовании электрического сигнала в ультразвуковую волну с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Волна распространяется в среде (например, в кварцевой пластине) и через заданное время достигает второго преобразователя, который преобразует её обратно в электрический сигнал. Задержка определяется длиной пути и скоростью звука в среде. Для кварца скорость звука составляет около 5,7 км/с, что даёт задержку около 0,175 мкс/мм. Ультразвуковые линии задержки обеспечивают задержки от 1 мкс до 10 мс с высокой точностью (до 0,1 %).

Оптические линии задержки

Оптическая линия задержки состоит из лазерного источника, модулятора, оптического волокна и фотодетектора. Задержка определяется длиной волокна и скоростью света в нём (около 2·10⁸ м/с). Например, для волокна длиной 1 км задержка составляет около 5 мкс. Оптические линии задержки используются в системах радиофотоники, где требуется задержка сигналов с высокой точностью и широкой полосой пропускания (до десятков ГГц).

Цифровые линии задержки

Цифровая линия задержки реализуется на регистре сдвига или FIFO-буфере. Задержка определяется количеством тактовых импульсов и частотой тактового сигнала: τ = N / f, где N — число тактов, f — частота. Например, при частоте 100 МГц и N = 100 задержка составит 1 мкс. Цифровые линии задержки могут быть программируемыми, что позволяет изменять задержку в широких пределах.

Основные характеристики

• Время задержки (τ) — основной параметр, измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс).
• Полоса пропускания — диапазон частот, в котором линия задержки работает без существенных искажений. Для аналоговых линий задержки полоса пропускания ограничена частотными характеристиками элементов.
• Вносимые потери — ослабление сигнала при прохождении через линию задержки. Измеряются в децибелах (дБ).
• Точность задержки — отклонение фактического времени задержки от номинального. Для прецизионных линий задержки точность может составлять доли процента.
• Температурная стабильность — изменение времени задержки при изменении температуры окружающей среды. Для кварцевых линий задержки температурный коэффициент может быть менее 10⁻⁶/°C.

Применение

Линии задержки используются в различных областях электроники и радиотехники.

Радиолокация

В РЛС линии задержки применяются для синхронизации импульсов, компенсации задержек распространения сигналов, а также в системах селекции движущихся целей (СДЦ). Например, в когерентных РЛС линия задержки используется для сравнения текущего и предыдущего отражённых сигналов, что позволяет выделить движущиеся цели на фоне неподвижных объектов.

Системы связи

В системах связи линии задержки используются для:

• Выравнивания задержек в многоканальных системах.
• Реализации эхокомпенсаторов.
• Синхронизации потоков данных.
• Формирования сигналов с заданными временными характеристиками.

Цифровая обработка сигналов

В цифровых фильтрах, ревербераторах, эквалайзерах и других устройствах цифровой обработки сигналов линии задержки являются основными элементами. Например, в ревербераторах используются линии задержки для создания эффекта эха.

Измерительная техника

В измерительных приборах (осциллографах, анализаторах спектра, рефлектометрах) линии задержки применяются для:

• Задержки сигнала для синхронизации с запуском развёртки.
• Измерения временных интервалов.
• Калибровки временных шкал.

Оптические системы

В оптических системах связи линии задержки используются для компенсации дисперсии, синхронизации сигналов в волоконно-оптических линиях, а также в системах радиофотоники для обработки СВЧ-сигналов.

Аудиотехника

В акустических системах линии задержки применяются для создания эффектов эха, реверберации, хоруса, а также для коррекции временных задержек в многоканальных аудиосистемах (например, в системах домашнего кинотеатра).

Примеры

• Коаксиальная линия задержки — отрезок кабеля длиной 100 м с задержкой около 500 нс. Используется в радиолокационных тренажёрах.
• Ультразвуковая линия задержки на кварце — пластина кварца толщиной 10 мм обеспечивает задержку около 1,75 мкс. Применяется в телевизионных декодерах цветности.
• Оптическая линия задержки — волокно длиной 10 км обеспечивает задержку около 50 мкс. Используется в системах радиофотоники для задержки СВЧ-сигналов.
• Цифровая линия задержки на ПЛИС — реализуется на регистре сдвига с тактовой частотой 200 МГц. Задержка программируется от 5 нс до 10 мкс.

Интересные факты

• В 1940-х годах в СССР были разработаны ультразвуковые линии задержки на основе кварца для радиолокационных станций П-3 и П-8. Эти линии задержки обеспечивали задержку до 100 мкс с точностью 0,1 %.
• В 1960-х годах в США компания Bell Labs создала линию задержки на основе ниобата лития, которая использовалась в первых системах спутниковой связи.
• В современных цифровых осциллографах линии задержки реализуются на основе ПЛИС и позволяют задерживать сигнал на время до нескольких секунд с точностью до пикосекунд.
• Оптические линии задержки на основе волоконно-оптических кабелей используются в системах радиофотоники для обработки сигналов с частотами до 100 ГГц.

Источники

• Гоноровский И. С. «Радиотехнические цепи и сигналы». — М.: Радио и связь, 1986.
• Баскаков С. И. «Радиотехнические цепи и сигналы». — М.: Высшая школа, 2000.
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 1998.
• Справочник по радиоэлектронике / Под ред. А. А. Куликовского. — М.: Энергия, 1975.
• Материалы журнала «Радиотехника» (1950–1990 гг.).
• Документация на линии задержки фирм Mini-Circuits, Analog Devices, Texas Instruments.