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微波信號光纖傳輸技術(shù)

2013-12-03
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隨著高容量信息技術(shù)需求的快速發(fā)展,微波通信面臨的問題越來越突出,主要在于微波傳輸介質(zhì)對于高頻微波進(jìn)行長距離傳輸時(shí)具有很大的損耗,從而導(dǎo)致使用頻率的高頻擴(kuò)展受限。而光纖通信具有體積小、重量輕、頻寬帶的特點(diǎn),隨著微波與光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一種將兩者優(yōu)勢結(jié)合起來的傳輸技術(shù):微波信號光纖傳輸技術(shù)。

微波光纖傳輸系統(tǒng)主要由電/光轉(zhuǎn)換器件、光/電轉(zhuǎn)換器件、微波驅(qū)動器件以及光纜組成;微波激光器及電光調(diào)制器完成微波信號的電光轉(zhuǎn)換功能,光電探測器完成調(diào)制光信號的光電轉(zhuǎn)換功能,微波驅(qū)動器件的作用是將微波信號驅(qū)動到合適的電平輸出或調(diào)制,光纜是光調(diào)制信號的傳輸介質(zhì)。

按照調(diào)制模式的不同,可以分為直接調(diào)制模式和外凋制模式:直接調(diào)制方式是通過微波激光器以強(qiáng)度調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的,具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對簡單的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是激光器會m現(xiàn)“chirp”啁啾效應(yīng),這使得傳輸距離受限:外調(diào)制方式是通過電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的,優(yōu)點(diǎn)是解決了“chirp”啁啾效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)較長距離的傳輸,缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜,成本昂貴,同時(shí)產(chǎn)生了“SBS”閩值問題。

1、微波光纖傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

微波光纖傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),主要應(yīng)用以下三種關(guān)鍵技術(shù):預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)、激光器降噪技術(shù)以及“SBS”閾值控制技術(shù)。

(1)預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)

因?yàn)槲⒉ㄐ盘柟饫w傳輸技術(shù)是模擬調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的,它是模擬通信技術(shù),所以對電/光調(diào)制器的線性、動態(tài)范圍等參數(shù)有嚴(yán)格的要求,否則將引起微波信號的嚴(yán)重失真[2]。但實(shí)際電光轉(zhuǎn)換器的調(diào)制特性呈非線性:LiNbO調(diào)制器是COS函數(shù)關(guān)系,微波激光器是中間線性、兩端是關(guān)系,所以通過預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù),使微波光纖傳輸系統(tǒng)獲得高OIP3、OIP2、SFDR等指標(biāo)。目前主要采用多項(xiàng)式預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)原理是在相應(yīng)的頻段產(chǎn)生二階及偶數(shù)階,三階及奇數(shù)階失真的電信號,并且與激光器本身的非線性失真大小相等、相位相反,從而相互抵消,實(shí)現(xiàn)微波信號的高線性傳輸[3]。

工作原理框圖如圖1所示:射頻信號經(jīng)分離器1后大部分能量進(jìn)入主通道,一小部分能量進(jìn)入副通道,并經(jīng)分離器2均分進(jìn)入副通道1,副通道2,副通道l的非線性發(fā)生器用于產(chǎn)生二階及偶數(shù)階失真電信號,而副通道2的非線性發(fā)生器則產(chǎn)生三階及奇數(shù)階失真電信號,每一通道產(chǎn)生的非線性失真應(yīng)與激光器的固有非線性失真具有幅度相同,相位相反的關(guān)系。衰減器是為了調(diào)節(jié)信號幅度,相位關(guān)系則靠調(diào)節(jié)主通道的時(shí)延和兩個(gè)副通道的時(shí)延來實(shí)現(xiàn)匹配設(shè)計(jì)良好的預(yù)失真補(bǔ)償電路能使電光調(diào)制器的線性度提高1020dB。

 

圖1 多項(xiàng)式預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖

(2)激光器降噪技術(shù)

因?yàn)殡姽廪D(zhuǎn)換器本身的噪聲系數(shù)很大:1~18GHz頻段內(nèi)達(dá)到40~55dB,必須降低光纖鏈路的噪聲以滿足系統(tǒng)的要求,但鏈路噪聲一般控制在10~25dB系統(tǒng)降噪的主要措施是,通過APC(自動溫度控制)、ATCf自動功率控制)技術(shù),抑制激光器芯片的溫度漂移,降低芯片的RIN噪聲:以及通過熔接光的接口、采用APC模式的光纖活動接口、在激光器的輸出端加隔離器等方式,降低鏈路的光反射,減少后向光反射對激光器噪聲性能的影響,以滿足系統(tǒng)對噪聲系數(shù)的影響。

(3)“SBS”閾值控制技術(shù)

首先“SBS”閾值產(chǎn)生的原因有以下幾個(gè)因素:激光器輸出的光譜窄,光功率強(qiáng)以及特定的長波長(1550nm),采用這三種情況都是為了增加光信號的傳輸距離:光譜窄以減少色散的影響、光功率強(qiáng)增加傳輸距離、1550nm波長損耗小,但這三項(xiàng)措施都與光纖的非線性相矛盾,產(chǎn)生了“SBS”閾值問題所謂的“SBS”閾值,即當(dāng)輸出的1550nm波長的光調(diào)制信號功率超過該閾值時(shí),系統(tǒng)的噪聲、非線性嚴(yán)重惡化:從頻譜上看,噪聲功率譜密度、雜散信號的指標(biāo)都會嚴(yán)重惡化。目前采取的解決措施是通過對電光調(diào)制器做適當(dāng)?shù)恼{(diào)相處理,使輸出的光譜略微展寬,在色散與“SBS”閩值間優(yōu)化處理,以達(dá)到增大光信號的傳輸距離的目的。

2、微波信號光纖傳輸技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1、優(yōu)勢

由于微波信號光纖傳輸技術(shù)是微波與光纖通信優(yōu)勢結(jié)合的通信技術(shù),它具有以下特點(diǎn):低損耗特性:由于光纖通信0_2~0,35dB/km的低損耗的特性,微波信號可以遠(yuǎn)距離傳輸,實(shí)現(xiàn)天線和數(shù)據(jù)中心分隔開,以增強(qiáng)各種通信、偵測系統(tǒng)的抗毀特性、隱蔽特性:寬帶特性:最寬達(dá)20GHz的帶寬,能夠保證目前各類通信和電子信號不失真地進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸,既使對波形要求苛刻的脈內(nèi)調(diào)制信號也不例外,適合各種型號的通信、雷達(dá)和電子對抗系統(tǒng)的應(yīng)用要求:大動態(tài)特性:高達(dá)90dB以上的信號動態(tài)范圍,能夠同時(shí)兼顧系統(tǒng)的靈敏度和抗飽和特性要求,即不會因?yàn)楣饫w的遠(yuǎn)程傳輸而損失任何信息;安全、保密特性:盡享光纖傳輸所固有的信號不泄露,不易受到周圍電磁環(huán)境擾動,全天候工作等優(yōu)勢,安全保密,穩(wěn)定可靠。

2.2、應(yīng)用領(lǐng)域

在信號傳輸方面,利用微波信號光纖傳輸技術(shù)可以克服將地面站控制中心必須和天線建設(shè)安裝在同一地點(diǎn)的缺陷:天線場地安裝在偏僻處(信號質(zhì)量好),數(shù)據(jù)處理設(shè)備、解調(diào)器、變頻器可以安裝在距離天線場地幾十公里以外的城市內(nèi)(生活方便)的數(shù)據(jù)中心,專家領(lǐng)導(dǎo)可直接去數(shù)據(jù)中心工作,免去了往返天線陣地和辦公室之間所造成的麻煩和浪費(fèi)。

在3G/4G移動通信中,微波光纖傳輸系統(tǒng)最主要的靈活應(yīng)用就是寬帶室內(nèi)覆蓋,如地鐵、大型商場、火車站、機(jī)場、展覽中心等,在這些大型建筑物中,為了提高信號的質(zhì)量,有效的解決方法是在建筑物內(nèi)建立一個(gè)中心基站和分布式天線系統(tǒng),從而提高覆蓋率。

利用微波信號光纖傳輸技術(shù)可以可以很好的解決電磁干擾以及多數(shù)據(jù)連接問題,一根很細(xì)很輕的包含l0芯20芯或更多芯單模光纖的光纜完成設(shè)備或天線場地的連接很容易,并且省去了昂貴的密封波導(dǎo)、同軸電纜或銅纜,同時(shí)解決了多電纜間盼RFI/EMI問題;另外,在相控陣?yán)走_(dá)中也可以利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定、靈活、精確的光纖延時(shí)線。

3、各頻段微波信號的特點(diǎn)及相應(yīng)光端機(jī)產(chǎn)品

微波信號光纖傳輸技術(shù)產(chǎn)生的主要原因就是解決雷達(dá)信號長距離傳輸?shù)膯栴},由于各頻段雷達(dá)信號具有不同的特殊性,所以各頻段光端機(jī)對技術(shù)指標(biāo)有了不同程度偏重。

短波頻段雷達(dá)信號的最大特點(diǎn)是大信號、小信號同時(shí)并存,大信號幅度有時(shí)高達(dá)+15dBm,小的可能到一100dBm,這就要求短波頻段光端機(jī)能夠同時(shí)兼顧系統(tǒng)的靈敏度和抗飽和特性,只有當(dāng)其輸入、輸出瞬時(shí)動態(tài)范圍達(dá)到120dB時(shí),才可以解決1~30MHz內(nèi)大動態(tài)短波雷達(dá)信號的長距離傳輸問題。

超短波頻段雷達(dá)信號的最大特點(diǎn)是多傳輸頻段及小信號輸入,在30~1350MHz頻率范圍內(nèi),可有多達(dá)7個(gè)的傳輸頻段,這就要求超短波頻段光端機(jī)本身具有遠(yuǎn)的傳輸距離、小的噪聲系數(shù)、高的線性指標(biāo),一般在超過60km傳輸距離的條件下,OIP3大于30dBm,OIP2大于40dBm,NF小于15dB,才可以解決超短波信號的小噪聲、高線性以及長距離傳輸問題。

傳統(tǒng)的更高頻段雷達(dá)信號的遠(yuǎn)距離傳輸,均采用先下變頻到超短波頻段,然后再用密封波導(dǎo)、同軸電纜或者超短波頻段光端機(jī)傳輸,這種先變頻再傳輸?shù)姆绞饺舨捎秒娎|、波導(dǎo)做傳輸介質(zhì),在降低線損增加傳輸距離以及降低電纜成本方面,性能非常優(yōu)越:但是若采用光纖做傳輸介質(zhì),傳輸損耗已不是主要矛盾,此時(shí)先變頻再傳輸相對先傳輸再變頻的傳輸方式而言,無論在設(shè)備管理,還是信號質(zhì)量方面,都存在明顯的不足:這種先變頻再采用光纖傳輸方式的存在,主要是由于技術(shù)方面的原因,沒有更高頻段的光端機(jī),為了解決這方面的問題,出現(xiàn)了更高頻段(S、C、X、Ku)光端機(jī)。

S、C、x、Ku各頻段的雷達(dá)信號最主要的共有特性是幅度小,一般在一30—60dBm,這就對微波光纖傳輸設(shè)備提出了高接收靈敏度、低噪聲系數(shù)以及高可靠性的要求,所以,S、C、X、Ku各頻段光端機(jī),必須采用內(nèi)置光隔離器、ATC、APC電路以及采用溫度補(bǔ)償技術(shù),使它們具有靈敏度高、溫度范圍寬、抗干擾性強(qiáng),頻率穩(wěn)定性好的特點(diǎn),才能滿足衛(wèi)星、微波、雷達(dá)、廣播電視等信號的無下變頻的遠(yuǎn)距離傳輸要求。

隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展,電子戰(zhàn)、電子對抗對微波光纖傳輸系統(tǒng)提出了超寬頻帶的要求,所以寬頻帶的光端機(jī),頻率必須從100MHz18GHz,必須應(yīng)用超寬帶匹配、隔離、頻率補(bǔ)償技術(shù)以及ATC、APC、溫度補(bǔ)償技術(shù),才能滿足抗干擾性強(qiáng)、動態(tài)范圍大、頻率穩(wěn)定性好以及溫度適應(yīng)能力寬的要求:同時(shí)由于光端機(jī)具有體積小、重量輕、延遲范圍寬、精確可調(diào)的特點(diǎn),各頻段的光控相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的功率分配網(wǎng)絡(luò)以及時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)均采用了微波信號光纖傳輸技術(shù)作為延遲網(wǎng)絡(luò)。

從目前光端機(jī)的功能上來說,各頻段光端機(jī)不僅有有光、無光以及電源指示,還有輸入增益可調(diào)(可以優(yōu)化線性及信噪比)、輸出光功率可調(diào)(適應(yīng)不同的傳輸距離):輸出增益可調(diào)(可以補(bǔ)償各種損耗,輸出合適的信號幅度)、輸入光功率可視(簡單、直觀)等功能:從結(jié)構(gòu)上來說,標(biāo)準(zhǔn)lU機(jī)箱或者是按要求定制都可實(shí)現(xiàn)。

4、結(jié)束語

作為一種新興的通信技術(shù),微波信號光纖傳輸技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。由于其低損、寬帶、大動態(tài)以及安全保密的特性,在各頻段雷達(dá)信號傳輸,電子戰(zhàn)、電子對抗,3G/4G移動通信信號覆蓋以及其他有遠(yuǎn)程傳輸需求的商用、軍用通信和電子系統(tǒng)中,必將有廣闊的應(yīng)用前景

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