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微波信号光纤传输技术
发布时间:2016-03-23   点击次数:2186次

微波信号光纤传输技术

北京锦坤科技有限公司

随着高容量信息技术需求的快速发展,微波通信面临的问题越来越突出,主要在于微波传输介质对于高频微波进行长距离传输时具有很大的损耗,从而导致使用频率的高频扩展受限。而光纤通信具有体积小、重量轻、频宽带的特点,随着微波与光学技术的发展,出现了一种将两者优势结合起来的传输技术:微波信号光纤传输技术

微波光纤传输系统主要由电/光转换器件、光/电转换器件、微波驱动器件以及光缆组成;微波激光器及电光调制器完成微波信号的电光转换功能,光电探测器完成调制光信号的光电转换功能,微波驱动器件的作用是将微波信号驱动到合适的电平输出或调制,光缆是光调制信号的传输介质。

按照调制模式的不同,可以分为直接调制模式和外凋制模式:直接调制方式是通过微波激光器以强度调制方式实现的,具有技术实现相对简单的优点,缺点是激光器会m现“chirp”啁啾效应,这使得传输距离受限:外调制方式是通过电光调制器实现的,优点是解决了“chirp”啁啾效应,可以实现较长距离的传输,缺点是技术复杂,成本昂贵,同时产生了“SBS”闽值问题。

1、微波光纤传输系统的关键技术

微波光纤传输系统的实现,主要应用以下三种关键技术:预失真补偿技术、激光器降噪技术以及“SBS”阈值控制技术。

(1)预失真补偿技术

因为微波信号光纤传输技术是模拟调制方式实现的,它是模拟通信技术,所以对电/光调制器的线性、动态范围等参数有严格的要求,否则将引起微波信号的严重失真[2]。但实际电光转换器的调制特性呈非线性:LiNbO调制器是COS函数关系,微波激光器是中间线性、两端是关系,所以通过预失真补偿技术,使微波光纤传输系统获得高OIP3、OIP2、SFDR等指标。目前主要采用多项式预失真补偿技术,实现原理是在相应的频段产生二阶及偶数阶,三阶及奇数阶失真的电信号,并且与激光器本身的非线性失真大小相等、相位相反,从而相互抵消,实现微波信号的高线性传输[3]

工作原理框图如图1所示:射频信号经分离器1后大部分能量进入主通道,一小部分能量进入副通道,并经分离器2均分进入副通道1,副通道2,副通道l的非线性发生器用于产生二阶及偶数阶失真电信号,而副通道2的非线性发生器则产生三阶及奇数阶失真电信号,每一通道产生的非线性失真应与激光器的固有非线性失真具有幅度相同,相位相反的关系。衰减器是为了调节信号幅度,相位关系则靠调节主通道的时延和两个副通道的时延来实现匹配设计良好的预失真补偿电路能使电光调制器的线性度提高1020dB。

                                       图1 多项式预失真补偿技术实现框图

(2)激光器降噪技术

因为电光转换器本身的噪声系数很大:1~18GHz频段内达到40~55dB,必须降低光纤链路的噪声以满足系统的要求,但链路噪声一般控制在10~25dB系统降噪的主要措施是,通过APC(自动温度控制)、ATCf自动功率控制)技术,抑制激光器芯片的温度漂移,降低芯片的RIN噪声:以及通过熔接光的接口、采用APC模式的光纤活动接口、在激光器的输出端加隔离器等方式,降低链路的光反射,减少后向光反射对激光器噪声性能的影响,以满足系统对噪声系数的影响。

(3)“SBS”阈值控制技术

首先“SBS”阈值产生的原因有以下几个因素:激光器输出的光谱窄,光功率强以及特定的长波长(1550nm),采用这三种情况都是为了增加光信号的传输距离:光谱窄以减少色散的影响、光功率强增加传输距离、1550nm波长损耗小,但这三项措施都与光纤的非线性相矛盾,产生了“SBS”阈值问题所谓的“SBS”阈值,即当输出的1550nm波长的光调制信号功率超过该阈值时,系统的噪声、非线性严重恶化:从频谱上看,噪声功率谱密度、杂散信号的指标都会严重恶化。目前采取的解决措施是通过对电光调制器做适当的调相处理,使输出的光谱略微展宽,在色散与“SBS”闽值间优化处理,以达到增大光信号的传输距离的目的。

2、的优势及应用领域

2.1、优势

由于是微波与光纤通信优势结合的通信技术,它具有以下特点:低损耗特性:由于光纤通信0_2~0,35dB/km的低损耗的特性,微波信号可以远距离传输,实现天线和数据中心分隔开,以增强各种通信、侦测系统的抗毁特性、隐蔽特性:宽带特性:zui宽达20GHz的带宽,能够保证目前各类通信和电子信号不失真地进行远程传输,既使对波形要求苛刻的脉内调制信号也不例外,适合各种型号的通信、雷达和电子对抗系统的应用要求:大动态特性:高达90dB以上的信号动态范围,能够同时兼顾系统的灵敏度和抗饱和特性要求,即不会因为光纤的远程传输而损失任何信息;安全、保密特性:尽享光纤传输所固有的信号不泄露,不易受到周围电磁环境扰动,全天候工作等优势,安全保密,稳定可靠。

2.2、应用领域

在信号传输方面,利用可以克服将地面站控制中心必须和天线建设安装在同一地点的缺陷:天线场地安装在偏僻处(信号质量好),数据处理设备、解调器、变频器可以安装在距离天线场地几十公里以外的城市内(生活方便)的数据中心,专家领导可直接去数据中心工作,免去了往返天线阵地和办公室之间所造成的麻烦和浪费。

在3G/4G移动通信中,微波光纤传输系统zui主要的灵活应用就是宽带室内覆盖,如地铁、大型商场、火车站、机场、展览中心等,在这些大型建筑物中,为了提高信号的质量,有效的解决方法是在建筑物内建立一个中心基站和分布式天线系统,从而提高覆盖率。

利用可以可以很好的解决电磁干扰以及多数据连接问题,一根很细很轻的包含l0芯20芯或更多芯单模光纤的光缆完成设备或天线场地的连接很容易,并且省去了昂贵的密封波导、同轴电缆或铜缆,同时解决了多电缆间盼RFI/EMI问题;另外,在相控阵雷达中也可以利用该技术实现性能稳定、灵活、的光纤延时线。

3、各频段微波信号的特点及相应光端机产品

产生的主要原因就是解决雷达信号长距离传输的问题,由于各频段雷达信号具有不同的特殊性,所以各频段光端机对技术指标有了不同程度偏重。

短波频段雷达信号的zui大特点是大信号、小信号同时并存,大信号幅度有时高达+15dBm,小的可能到一100dBm,这就要求短波频段光端机能够同时兼顾系统的灵敏度和抗饱和特性,只有当其输入、输出瞬时动态范围达到120dB时,才可以解决1~30MHz内大动态短波雷达信号的长距离传输问题。

超短波频段雷达信号的zui大特点是多传输频段及小信号输入,在30~1350MHz频率范围内,可有多达7个的传输频段,这就要求超短波频段光端机本身具有远的传输距离、小的噪声系数、高的线性指标,一般在超过60km传输距离的条件下,OIP3大于30dBm,OIP2大于40dBm,NF小于15dB,才可以解决超短波信号的小噪声、高线性以及长距离传输问题。

传统的更高频段雷达信号的远距离传输,均采用先下变频到超短波频段,然后再用密封波导、同轴电缆或者超短波频段光端机传输,这种先变频再传输的方式若采用电缆、波导做传输介质,在降低线损增加传输距离以及降低电缆成本方面,性能非常优越:但是若采用光纤做传输介质,传输损耗已不是主要矛盾,此时先变频再传输相对先传输再变频的传输方式而言,无论在设备管理,还是信号质量方面,都存在明显的不足:这种先变频再采用光纤传输方式的存在,主要是由于技术方面的原因,没有更高频段的光端机,为了解决这方面的问题,出现了更高频段(S、C、X、Ku)光端机。

S、C、x、Ku各频段的雷达信号zui主要的共有特性是幅度小,一般在一30—60dBm,这就对微波光纤传输设备提出了高接收灵敏度、低噪声系数以及高可靠性的要求,所以,S、C、X、Ku各频段光端机,必须采用内置光隔离器、ATC、APC电路以及采用温度补偿技术,使它们具有灵敏度高、温度范围宽、抗干扰性强,频率稳定性好的特点,才能满足卫星、微波、雷达、广播电视等信号的无下变频的远距离传输要求。

随着军事技术的不断发展,电子战、电子对抗对微波光纤传输系统提出了超宽频带的要求,所以宽频带的光端机,频率必须从100MHz18GHz,必须应用超宽带匹配、隔离、频率补偿技术以及ATC、APC、温度补偿技术,才能满足抗干扰性强、动态范围大、频率稳定性好以及温度适应能力宽的要求:同时由于光端机具有体积小、重量轻、延迟范围宽、可调的特点,各频段的光控相控阵雷达系统中的功率分配网络以及时间延迟网络均采用了作为延迟网络。

从目前光端机的功能上来说,各频段光端机不仅有有光、无光以及电源指示,还有输入增益可调(可以优化线性及信噪比)、输出光功率可调(适应不同的传输距离):输出增益可调(可以补偿各种损耗,输出合适的信号幅度)、输入光功率可视(简单、直观)等功能:从结构上来说,标准lU机箱或者是按要求定制都可实现。

4、结束语

作为一种新兴的通信技术,微波信号光纤传输技术受到了越来越多的关注。由于其低损、宽带、大动态以及安全保密的特性,在各频段雷达信号传输,电子战、电子对抗,3G/4G移动通信信号覆盖以及其他有远程传输需求的商用、通信和电子系统中,必将有广阔的应用前景

参考文献:

[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]王景国,曾奕衡,数字激光器在模拟光纤通信中的应用[J],光纤与电缆及其应用技术,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]王明明,王景国,朱少林,等,宽带外调制模拟光发射机的设计[J],光通信技术,2007,31(8):29,30,

作者:王景国、朱少林,中国电子科技集团公司第三十四研究所

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