探究射頻微波信號在光纖中傳輸及處理技術(shù)

嚴堰，余煒坤

（西南電子設(shè)備研究所，四川成都，610036）

0 前言

在射頻微波信號與光電子傳輸處理工程結(jié)合日益緊密之際，微波光子學(xué)得到了迅速的發(fā)展，不僅擴展了室內(nèi)無線接入網(wǎng)的覆蓋面積，而且降低了信號泄露的風險。特別是在射頻微波信號傳輸方面，利用光纖射頻微波信號傳輸處理技術(shù)，可以突破傳統(tǒng)相控陣天線僅可向特定方向輻射波數(shù)的弊端，盡可能壓縮相控陣天線的雷達尺寸，降低信號傳輸損失?；诖?，探究光纖中射頻微波信號的傳輸及處理技術(shù)非常必要。

1 射頻微波信號概述及傳輸特性

■1.1 概述

射頻特指向空間內(nèi)輻射電磁波的系統(tǒng)，是一種隨時間變化的時變電磁波。射頻微波是某一頻段（300MHz~300GHz）的射頻，又可稱之為超高頻電磁波，波長在1.0m~1.0mm之間，涵蓋了分米級波、厘米級波、毫米級波、亞毫米級波。在射頻微波信號傳輸過程中，關(guān)鍵線性參數(shù)主要為信噪比、動態(tài)范圍、3階互調(diào)失真、雜散信號、輸出3階交調(diào)截取點等[1]。

■1.2 傳輸特性

射頻微波信號傳輸函數(shù)為非線性函數(shù)，傳輸過程中電光轉(zhuǎn)換的過程也是非線性的轉(zhuǎn)換過程，為減弱鏈路三階失真，需要進行系統(tǒng)增益的調(diào)低，或者鏈路偏置點的調(diào)整。整個過程中光纖無線系統(tǒng)重要參照為鏈路增益，與輸入光功率、調(diào)制器傳遞系數(shù)、偏置電壓、半波電壓、光電探測器響應(yīng)度具有較大關(guān)系，為獲得更大的鏈路增益，需要在正交偏置位置設(shè)置偏置電壓，并盡可能壓縮調(diào)制器的數(shù)值。

除非線性特征以外，射頻微波信號傳輸還具有散粒噪聲特性。具體表現(xiàn)為：鏈路噪聲系數(shù)受調(diào)制器的斜率系數(shù)、接收光電流的影響，前者決定了電光轉(zhuǎn)換效率、接收光電流，且不受光電探測器響應(yīng)度的影響；光電探測器接收光功率增加，射頻微波信號傳輸鏈路噪聲系數(shù)下降，最終趨于穩(wěn)定。此時，為改善噪聲系數(shù)特性，就需要進行電光調(diào)制器調(diào)制系數(shù)的改善。

2 光纖中射頻微波信號的傳輸技術(shù)

■2.1 基于動態(tài)范圍的傳輸技術(shù)

動態(tài)范圍特指光纖傳輸系統(tǒng)高性能運作中可承受的射頻微波信號變化范圍，下限為靈敏度（最小分辨信號或基底噪聲），與基底噪聲有關(guān)，上限則為雙頻信號輸入與最大可允許信號失真指標有關(guān)。動態(tài)范圍可以利用無雜散動態(tài)范圍進行含義劃定，此時，3階產(chǎn)物與基底噪聲（輸入信號下限）相等。而無雜散動態(tài)范圍SFDR與輸入3階截點IIP3之間的關(guān)系為：

公式（1）中EIN為等效輸入噪聲密度（dBm/Hz），BW為工作帶寬（Hz）。如在光纖傳輸系統(tǒng)輸入3階截點為25dBm時，激光器等效輸入噪聲密度為-120dBm/Hz，射頻帶寬為35MHz，可以得出無雜散動態(tài)范圍為47dB。此時，在設(shè)定光纖傳輸系統(tǒng)前放增益為30dB時，激光器1dB壓縮點為+13dBm，光傳輸系統(tǒng)指標為85dB，激光器等效輸入噪聲密度優(yōu)于射頻微波信號輸出總功率，無雜散動態(tài)范圍優(yōu)于光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計需求，滿足光纖傳輸射頻微波信號要求。

■2.2 基于非線性指標的傳輸技術(shù)

非線性指標是光纖中射頻微波信號直接傳輸時需要突破的首要問題，涉及了系統(tǒng)輸入端僅具有一個有價值信號輸入、傳輸多路信號兩種情況，對應(yīng)的衡量參數(shù)具有較大差異。對于前者，鑒于系統(tǒng)非線性特征，諧波的產(chǎn)生不可避免，而諧波信號是基波信號頻率的2倍甚至3倍頻信號。在寬帶傳輸系統(tǒng)（或線性傳輸系統(tǒng)中）中，因諧波距離基波較遠（或諧波幅度遠小于基波信號），可濾除（或可忽略），但在光纖傳輸系統(tǒng)中，因輸入端偶次諧波影響較大，不可濾除或忽略。同時在輸入信號增加到一定幅度后，具有價值信號增益向會涌現(xiàn)與輸入信號幅度具有一定關(guān)聯(lián)的失真項，致使增益、輸入信號幅值呈現(xiàn)出相反的變化。一般系統(tǒng)增益較理想狀態(tài)下降1dB，輸入信號幅度值也會下降1dB。此時，在光纖傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)調(diào)低輸入信號電平，調(diào)低幅度為6dB。

對于系統(tǒng)輸入端傳輸多路信號的情況，系統(tǒng)的非線性決定了各信號頻率分量相互作用，形成互相調(diào)制、阻塞、交叉調(diào)制等情況。在光纖傳輸系統(tǒng)中，輸入信號互相調(diào)制問題出現(xiàn)頻率較高，會直接產(chǎn)生互調(diào)信號，可通過互調(diào)失真比、3階互調(diào)截點進行衡量。后者較為常用，需要在忽略增益壓縮情況下，分別輸入、輸出3階截點，相對應(yīng)的功率分別為IIP3、OIP3，兩者關(guān)系可以通過等效3階互調(diào)增益G3判定，即

需要注意的是，光纖傳輸系統(tǒng)中，1dB壓縮點位置輸入信號電平、輸出信號電平均低于3階截點相應(yīng)電平，幅度在10dB左右，可以通過預(yù)失真電路，在保證1dB壓縮點一定的情況下進行3階截點電平的提升，達到擴大線性范圍的目的。

■2.3 基于鏈路結(jié)構(gòu)的傳輸技術(shù)

基于鏈路結(jié)構(gòu)的傳輸是光纖中射頻微波信號常見傳輸技術(shù)。整個傳輸過程中，基于鏈路結(jié)構(gòu)的射頻微波信號光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路可以在中心站經(jīng)中頻振蕩器將處理后的數(shù)據(jù)調(diào)制到中頻副載波上，進而經(jīng)高頻振蕩器將調(diào)制后數(shù)據(jù)變頻到所需射頻頻段，最終經(jīng)光電調(diào)制器將所在頻段的數(shù)據(jù)調(diào)制到光載波上，完成射頻微波信號在光纖中的傳輸。在射頻微波信號到達基站后，僅需經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)化為射頻信號，就可饋送至天線，進而發(fā)送至用戶終端。與此同時，基于鏈路結(jié)構(gòu)的射頻微波信號光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路可以經(jīng)光電調(diào)制接收射頻微波信號，并將接收的射頻微波信號傳輸?shù)较到y(tǒng)中心站。整個過程中，基站負責光電、電光之間轉(zhuǎn)換，無本地振蕩上下變頻過程，實現(xiàn)短距離高頻化光纖中射頻微波信號傳輸。

在基于鏈路結(jié)構(gòu)的光纖射頻微波信號傳輸過程中，因光纖色散效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)雙邊帶強度調(diào)制系統(tǒng)必然會引入光載波、上下邊帶之間的相位差，進而加劇距離層面的周期功率損耗，干擾遠距離傳輸高頻信號的效果。為避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，傳輸時可以輸入電信號（輸入射頻微波信號驅(qū)動電壓、頻率、輸入偏置電壓），結(jié)合光載波頻率，利用馬赫曾德調(diào)制器的半波電壓對電信號進行歸一化處理完成光電場調(diào)制。通過光電場調(diào)制，可以規(guī)避基于鏈路結(jié)構(gòu)的光纖射頻微波信號傳輸時特定載波頻率、光纖長度的周期性衰落問題。部分情況下，對于光纖傳輸距離被限制在數(shù)百米范圍內(nèi)的基于鏈路結(jié)構(gòu)的傳輸系統(tǒng)而言，可以利用雙電機驅(qū)動的單邊帶調(diào)制技術(shù)消除色散效應(yīng)的影響。即假定經(jīng)射頻微波信號調(diào)制后的光波在光譜上僅存在光載波，在雙電極驅(qū)動下，將射頻微波輸入信號同時加載到雙驅(qū)動兩路電極上。

3 光纖中射頻微波信號的處理技術(shù)

■3.1 光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵傳感技術(shù)主要是根據(jù)所選擇光纖光柵（光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵），以應(yīng)變、溫度等外界物理量調(diào)節(jié)的方式進行光柵諧振波長調(diào)制，實現(xiàn)諧波波長解調(diào)，獲得傳感參量[2]。在微波光子鏈路中，選擇使用光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵需要依據(jù)具體的系統(tǒng)應(yīng)用背景，其中光纖布拉格光柵可以與光—電整合電路結(jié)合，獲得更大的功率增益效率；而長周期光纖光柵則可以與光纖傳輸系統(tǒng)接口聯(lián)系，獲得更小的噪音、最小調(diào)制頻率。

在射頻微波信號處理時，主要利用可為微波信號提供更長時間延遲的光纖延遲線，比如，經(jīng)直接調(diào)制半導(dǎo)體光源處理8GHz微波信號，可以獲得100μs的光纖延遲線結(jié)構(gòu)，保證最終鏈路信噪比較初始超127dB·Hz；再如，對于并行信號，可以利用基于光纖光柵的波分復(fù)用信號處理器，通過基于光纖光柵的波分復(fù)用信號自帶Bragg光柵陣列結(jié)構(gòu)處理隨機信號的優(yōu)勢，隨機加入窗口函數(shù)，在多個波長選擇反射率存在差異的光纖光柵，實現(xiàn)Kaiser窗口函數(shù)在射頻微波信號處理中的有效應(yīng)用。

有條件的情況下，還可以使用多波長光源光纖光柵，通過變更多波長光源的輸出光之間波長間隔，促使射頻微波信號處理器基本延遲時間發(fā)生變化，達到變更濾波器中心頻率的目的，或者進行每一波長分量輸出功率變更，達到變更信號處理器時間響應(yīng)、實現(xiàn)信號處理器傳輸函數(shù)重構(gòu)并消除處理器輸出端口相位噪聲的目的。這主要是由于在光纖光柵傳感技術(shù)中，若不同波長射頻微波信號進入光電探測器，激光器任意噪聲出現(xiàn)形式為拍頻形式，與波長間隔相對應(yīng)，在拍頻信號頻率達到一個極高的數(shù)值時（超過光電探測器帶寬）就會自動將相位噪聲濾除。而通過波分復(fù)用技術(shù)處理器則可以通過執(zhí)行高效率的并行延遲射頻微波信號處理，在有限數(shù)量連接的前提下，促使處理器抽頭數(shù)量無限增加，實現(xiàn)任意正系數(shù)、負系數(shù)以及離散脈沖響應(yīng)。

除了基于光纖光柵的波分復(fù)用技術(shù)外，基于光纖光柵的信號處理器也可以應(yīng)用于射頻微波信號之間相關(guān)性的高速處理。即基于射頻微波信號調(diào)諧需求，選擇具有光纖Bragg光柵陣列的全光相關(guān)器，發(fā)掘光纖光柵波長選擇特性，落實光纖傳輸系統(tǒng)中射頻微波信號的可重構(gòu)性，為系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)編碼識別設(shè)計提供依據(jù)。在具有光纖Bragg光柵陣列的全光相關(guān)器中，每一光柵均可與壓電材料控制設(shè)備監(jiān)理練習(xí)，便于每一光柵中心波長的隨時控制，并在0~1間進行光柵反射率的任意調(diào)節(jié)。

■3.2 微波光子濾波技術(shù)

微波光子濾波技術(shù)是利用一個光學(xué)子系統(tǒng)，構(gòu)建可調(diào)諧、可重構(gòu)的濾波器，具有結(jié)構(gòu)靈活、多功能濾波響應(yīng)、大帶寬、低光纖損耗的特點。在微波光子濾波技術(shù)應(yīng)用過程中，可以利用直接調(diào)制、外調(diào)制的手段，將射頻微波信號加載在單波長光源、多波長光源上，并經(jīng)光纖放大器構(gòu)成的光子鏈路進行加權(quán)、采樣、時延等操作，最終在光電探測器中疊加輸出射頻微波信號[3]。

微波光子濾波器的實現(xiàn)原理與光源個數(shù)緊密相關(guān)，對于單光源微波光子濾波器，主要為FIR型，經(jīng)微波信號調(diào)制后，在1×N耦合器內(nèi)將光信號均分，每一路光信號相對強度均可由衰減器變更，在獲得每一路加權(quán)后強度后經(jīng)若干個存在差異時延、N×1耦合器進入PD光電轉(zhuǎn)換疊加，即可完成射頻微波信號處理。以基于光纖環(huán)的單光源射頻微波光子濾波器為例，其主要是利用光纖耦合器輸入端口、輸出端口相連接的方式，構(gòu)成光纖環(huán)。進而由源于光源的光經(jīng)電光調(diào)制器完成射頻微波信號調(diào)制，調(diào)制后的微波信號可以進入光纖環(huán)輸入端口，經(jīng)采樣、加權(quán)、延遲后進入光電探測器后輸出。在光纖耦合器的分光比為1/1時，第m次采樣輸出端功率Pm為：

公式（3）中P0為入射光功率，在入射光功率一定時，微波光子濾波器的自由頻譜范圍為fFSR=c/nL。其中L為光纖環(huán)長度，n為光纖有效折射率，c為真空光速，在光纖環(huán)長度為28.0cm時，微波光子濾波器抑制比在8dB左右[4]。

對于多光源微波光子濾波器，需要經(jīng)色散介質(zhì)進行若干個被調(diào)制器同時加載射頻微波信號光源時延，進而在PD光電轉(zhuǎn)換上疊加獲得所需射頻微波信號。在濾波器內(nèi)，激光器陣列、寬帶光譜分割均可應(yīng)用于多光源濾波。比如，利用激光器陣列+色散介質(zhì)，在調(diào)制前光源電場一定的情況下，根據(jù)某激光單元強度、中心頻率、相位之間的關(guān)系，由色散介質(zhì)完成時延。

4 光纖中射頻微波信號傳輸與處理技術(shù)的應(yīng)用效果

■4.1 分析方法

利用誤碼率分析儀（BERT）進行光纖傳輸系統(tǒng)上行、下行鏈路中射頻微波信號傳輸與處理誤碼率檢測。

■4.2 效果討論

接收端光功率上行誤碼率、下行誤碼率如表1和表2所示。

表2 接收端光功率下行誤碼率

如表1所示，通過對光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路信號分布進行分析可知，信號處理后串繞問題出現(xiàn)縫隙顯著下降。在處理前，光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路有線信號誤碼率靈敏度較之以往點對點傳輸下降，下降幅度為3.0dB。同時光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路信號串擾問題遠高于下行信號。隨著光纖傳輸系統(tǒng)接收檢測端光功率數(shù)值下降，光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路射頻微波信號傳輸誤碼率也呈現(xiàn)出線性下降趨勢。一般在光纖傳輸系統(tǒng)射頻微波信號傳輸功率小于-24dBm時，存在較為惡劣的誤碼率情況；而在光纖傳輸系統(tǒng)上行射頻微波信號傳輸功率超過-21dBm時，可以將誤碼率控制在10-10下，與光纖傳輸系統(tǒng)誤碼率性能要求相符。

表1 接收端光功率上行誤碼率

如表2可知，光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路中射頻微波信號處理之前，有線信號誤碼率低于處理后誤碼率，且射頻微波信號傳輸誤碼率隨著接收檢測端光功率數(shù)值的下降而呈現(xiàn)出線性下降取值。在光纖傳輸系統(tǒng)接收端下行鏈路光功率小于-19dBm時，誤碼率存在極其顯著的惡化現(xiàn)象；在光纖傳輸系統(tǒng)接收端下行鏈路光功率超過-17dBm時，只有將鏈路傳輸誤碼率控制在10-11內(nèi)且接收端靈敏度差值在1.5dB左右，才可以滿足光纖傳輸射頻微波信號誤碼率性能要求。

通過分析表1、表2，光纖中射頻微波信號處理后誤碼率滿足上行鏈路、下行鏈路傳輸性能要求。同時考慮到功率冗余度配置、上行信號串繞對光纖中射頻微波信號傳輸工程上下行鏈路誤碼率的干擾，可以適當調(diào)低光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路功率冗余度，并促使光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路功率冗余度配置高于光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路功率冗余度，高出幅度在2.0~3.0dB左右，彌補信號串擾，解決誤碼率突出問題。

5 總結(jié)

綜上所述，作為一種新興的通信技術(shù)，光纖射頻微波信號傳輸及處理技術(shù)具有大寬帶、低損耗、安全保密、覆蓋面廣等優(yōu)良特點，應(yīng)用前景極其廣闊。因此，應(yīng)立足微波信號光學(xué)發(fā)展背景，發(fā)掘光纖射頻微波信號傳輸技術(shù)、處理技術(shù)的優(yōu)勢，降低網(wǎng)絡(luò)維護與安裝成本，為車載通信、移動通信等多個行業(yè)的升級提供支持。