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主營產品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達目標模似器 |
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2016-3-23 閱讀(3497)
微波信號光纖傳輸技術
北京錦坤科技有限公司
隨著高容量信息技術需求的快速發展，微波通信面臨的問題越來越突出，主要在于微波傳輸介質對于高頻微波進行長距離傳輸時具有很大的損耗，從而導致使用頻率的高頻擴展受限。而光纖通信具有體積小、重量輕、頻寬帶的特點，隨著微波與光學技術的發展，出現了一種將兩者優勢結合起來的傳輸技術：微波信號光纖傳輸技術。
微波光纖傳輸系統主要由電／光轉換器件、光／電轉換器件、微波驅動器件以及光纜組成；微波激光器及電光調制器完成微波信號的電光轉換功能，光電探測器完成調制光信號的光電轉換功能，微波驅動器件的作用是將微波信號驅動到合適的電平輸出或調制，光纜是光調制信號的傳輸介質。
按照調制模式的不同，可以分為直接調制模式和外凋制模式：直接調制方式是通過微波激光器以強度調制方式實現的，具有技術實現相對簡單的優點，缺點是激光器會m現“chirp”啁啾效應，這使得傳輸距離受限：外調制方式是通過電光調制器實現的，優點是解決了“chirp”啁啾效應，可以實現較長距離的傳輸，缺點是技術復雜，成本昂貴，同時產生了“SBS”閩值問題。
1、微波光纖傳輸系統的關鍵技術
微波光纖傳輸系統的實現，主要應用以下三種關鍵技術：預失真補償技術、激光器降噪技術以及“SBS”閾值控制技術。
(1)預失真補償技術
因為微波信號光纖傳輸技術是模擬調制方式實現的，它是模擬通信技術，所以對電／光調制器的線性、動態范圍等參數有嚴格的要求，否則將引起微波信號的嚴重失真[2]。但實際電光轉換器的調制特性呈非線性：LiNbO調制器是COS函數關系，微波激光器是中間線性、兩端是關系，所以通過預失真補償技術，使微波光纖傳輸系統獲得高OIP3、OIP2、SFDR等指標。目前主要采用多項式預失真補償技術，實現原理是在相應的頻段產生二階及偶數階，三階及奇數階失真的電信號，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，實現微波信號的高線性傳輸[3]。
工作原理框圖如圖1所示：射頻信號經分離器1后大部分能量進入主通道，一小部分能量進入副通道，并經分離器2均分進入副通道1，副通道2，副通道l的非線性發生器用于產生二階及偶數階失真電信號，而副通道2的非線性發生器則產生三階及奇數階失真電信號，每一通道產生的非線性失真應與激光器的固有非線性失真具有幅度相同，相位相反的關系。衰減器是為了調節信號幅度，相位關系則靠調節主通道的時延和兩個副通道的時延來實現匹配設計良好的預失真補償電路能使電光調制器的線性度提高1020dB。
圖1 多項式預失真補償技術實現框圖
(2)激光器降噪技術
因為電光轉換器本身的噪聲系數很大：1～18GHz頻段內達到40～55dB，必須降低光纖鏈路的噪聲以滿足系統的要求，但鏈路噪聲一般控制在10～25dB系統降噪的主要措施是，通過APC(自動溫度控制)、ATCf自動功率控制)技術，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，以滿足系統對噪聲系數的影響。
(3)“SBS”閾值控制技術
首先“SBS”閾值產生的原因有以下幾個因素：激光器輸出的光譜窄，光功率強以及特定的長波長(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、光功率強增加傳輸距離、1550nm波長損耗小，但這三項措施都與光纖的非線性相矛盾，產生了“SBS”閾值問題所謂的“SBS”閾值，即當輸出的1550nm波長的光調制信號功率超過該閾值時，系統的噪聲、非線性嚴重惡化：從頻譜上看，噪聲功率譜密度、雜散信號的指標都會嚴重惡化。目前采取的解決措施是通過對電光調制器做適當的調相處理，使輸出的光譜略微展寬，在色散與“SBS”閩值間優化處理，以達到增大光信號的傳輸距離的目的。
2、的優勢及應用領域
2.1、優勢
由于是微波與光纖通信優勢結合的通信技術，它具有以下特點：低損耗特性：由于光纖通信0_2～0，35dB／km的低損耗的特性，微波信號可以遠距離傳輸，實現天線和數據中心分隔開，以增強各種通信、偵測系統的抗毀特性、隱蔽特性：寬帶特性：zui寬達20GHz的帶寬，能夠保證目前各類通信和電子信號不失真地進行遠程傳輸，既使對波形要求苛刻的脈內調制信號也不例外，適合各種型號的通信、雷達和電子對抗系統的應用要求：大動態特性：高達90dB以上的信號動態范圍，能夠同時兼顧系統的靈敏度和抗飽和特性要求，即不會因為光纖的遠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境擾動，全天候工作等優勢，安全保密，穩定可靠。
2.2、應用領域
在信號傳輸方面，利用可以克服將地面站控制中心必須和天線建設安裝在同一地點的缺陷：天線場地安裝在偏僻處(信號質量好)，數據處理設備、解調器、變頻器可以安裝在距離天線場地幾十公里以外的城市內(生活方便)的數據中心，專家領導可直接去數據中心工作，免去了往返天線陣地和辦公室之間所造成的麻煩和浪費。
在3G／4G移動通信中，微波光纖傳輸系統zui主要的靈活應用就是寬帶室內覆蓋，如地鐵、大型商場、火車站、機場、展覽中心等，在這些大型建筑物中，為了提高信號的質量，有效的解決方法是在建筑物內建立一個中心基站和分布式天線系統，從而提高覆蓋率。
利用可以可以很好的解決電磁干擾以及多數據連接問題，一根很細很輕的包含l0芯20芯或更多芯單模光纖的光纜完成設備或天線場地的連接很容易，并且省去了昂貴的密封波導、同軸電纜或銅纜，同時解決了多電纜間盼RFI／EMI問題；另外，在相控陣雷達中也可以利用該技術實現性能穩定、靈活、的光纖延時線。
3、各頻段微波信號的特點及相應光端機產品
產生的主要原因就是解決雷達信號長距離傳輸的問題，由于各頻段雷達信號具有不同的特殊性，所以各頻段光端機對技術指標有了不同程度偏重。
短波頻段雷達信號的zui大特點是大信號、小信號同時并存，大信號幅度有時高達+15dBm，小的可能到一100dBm，這就要求短波頻段光端機能夠同時兼顧系統的靈敏度和抗飽和特性，只有當其輸入、輸出瞬時動態范圍達到120dB時，才可以解決1～30MHz內大動態短波雷達信號的長距離傳輸問題。
超短波頻段雷達信號的zui大特點是多傳輸頻段及小信號輸入，在30～1350MHz頻率范圍內，可有多達7個的傳輸頻段，這就要求超短波頻段光端機本身具有遠的傳輸距離、小的噪聲系數、高的線性指標，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。
傳統的更高頻段雷達信號的遠距離傳輸，均采用先下變頻到超短波頻段，然后再用密封波導、同軸電纜或者超短波頻段光端機傳輸，這種先變頻再傳輸的方式若采用電纜、波導做傳輸介質，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*：但是若采用光纖做傳輸介質，傳輸損耗已不是主要矛盾，此時先變頻再傳輸相對先傳輸再變頻的傳輸方式而言，無論在設備管理，還是信號質量方面，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，主要是由于技術方面的原因，沒有更高頻段的光端機，為了解決這方面的問題，出現了更高頻段(S、C、X、Ku)光端機。
S、C、x、Ku各頻段的雷達信號zui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備提出了高接收靈敏度、低噪聲系數以及高可靠性的要求，所以，S、C、X、Ku各頻段光端機，必須采用內置光隔離器、ATC、APC電路以及采用溫度補償技術，使它們具有靈敏度高、溫度范圍寬、抗干擾性強，頻率穩定性好的特點，才能滿足衛星、微波、雷達、廣播電視等信號的無下變頻的遠距離傳輸要求。
隨著軍事技術的不斷發展，電子戰、電子對抗對微波光纖傳輸系統提出了超寬頻帶的要求，所以寬頻帶的光端機，頻率必須從100MHz18GHz，必須應用超寬帶匹配、隔離、頻率補償技術以及ATC、APC、溫度補償技術，才能滿足抗干擾性強、動態范圍大、頻率穩定性好以及溫度適應能力寬的要求：同時由于光端機具有體積小、重量輕、延遲范圍寬、可調的特點，各頻段的光控相控陣雷達系統中的功率分配網絡以及時間延遲網絡均采用了作為延遲網絡。
從目前光端機的功能上來說，各頻段光端機不僅有有光、無光以及電源指示，還有輸入增益可調(可以優化線性及信噪比)、輸出光功率可調(適應不同的傳輸距離)：輸出增益可調(可以補償各種損耗，輸出合適的信號幅度)、輸入光功率可視(簡單、直觀)等功能：從結構上來說，標準lU機箱或者是按要求定制都可實現。
4、結束語
作為一種新興的通信技術，微波信號光纖傳輸技術受到了越來越多的關注。由于其低損、寬帶、大動態以及安全保密的特性，在各頻段雷達信號傳輸，電子戰、電子對抗，3G／4G移動通信信號覆蓋以及其他有遠程傳輸需求的商用、通信和電子系統中，必將有廣闊的應用前景
參考文獻：
[1]MA Jianxin，Yu Jianjun，Yu Chongxiu，Optical mmwave generation by using external mod-ulator based on optical cartier suppression[J]，Opt，Communications，2006，268(1)：51-57，
[2]王景國，曾奕衡，數字激光器在模擬光纖通信中的應用[J]，光纖與電纜及其應用技術，2008(1)：3840，
{3]MATTHAEI G，YOUN GL，JONES E M T，Microwave Filters，Impedance—matching Network and Coupling Structures[M]，McGraw—Hill，New York：NY，1964：360—364，
[4]*明，王景國，朱少林，等，寬帶外調制模擬光發射機的設計[J]，光通信技術，2007，31(8)：29，30，
作者：王景國、朱少林，中國電子科技集團公司第三十四研究所
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