光纖中射頻微波信號(hào)的傳輸技術(shù)探究
結(jié)論：克服“非線性”是實(shí)現(xiàn)光纖直接傳輸射頻微波信號(hào)的前提，需要結(jié)合系統(tǒng)基底噪聲、放大器與激光器非線性特性，探究可檢測(cè)射頻微波信號(hào)的最小值、最大值。同時(shí)利用光纖光柵傳感技術(shù)、微波光子濾波技術(shù)進(jìn)行處理，保證光纖鏈路中射頻微波信號(hào)的誤碼率達(dá)標(biāo)。

在射頻微波信號(hào)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(kuò)展了室內(nèi)無(wú)線接入網(wǎng)的覆蓋面積，而且降低了信號(hào)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。特別是在射頻微波信號(hào)傳輸方面，利用光纖射頻微波信號(hào)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(dá)尺寸，降低信號(hào)傳輸損失?；诖耍骄抗饫w中射頻微波信號(hào)的傳輸及處理技術(shù)非常必要。

1.射頻微波信號(hào)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(shí)間變化的時(shí)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(zhǎng)在 1.0m~1.0mm之間，涵蓋了分米級(jí)波、厘米級(jí)波、毫米級(jí)波、亞毫米級(jí)波。在射頻微波信號(hào)傳輸過程中，關(guān)鍵線性參數(shù)主要為信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、3 階互調(diào)失真、雜散信號(hào)、輸出 3 階交調(diào)截取點(diǎn)等。

■ 1.2 傳輸特性

射頻微波信號(hào)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(jìn)行系統(tǒng)增益的調(diào)低，或者鏈路偏置點(diǎn)的調(diào)整。整個(gè)過程中光纖無(wú)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(cè)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(hào)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(cè)器響應(yīng)度的影響；光電探測(cè)器接收光功率增加，射頻微波信號(hào)傳輸鏈路噪聲系數(shù)下降，最終趨于穩(wěn)定。此時(shí)，為改善噪聲系數(shù)特性，就需要進(jìn)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(hào)的傳輸技術(shù)

■ 2.1 基于動(dòng)態(tài)范圍的傳輸技術(shù)

動(dòng)態(tài)范圍特指光纖傳輸系統(tǒng)高性能運(yùn)作中可承受的射頻微波信號(hào)變化范圍，下限為靈敏度（最小分辨信號(hào)或基底噪聲），與基底噪聲有關(guān)，上限則為雙頻信號(hào)輸入與最大可允許信號(hào)失真指標(biāo)有關(guān)。動(dòng)態(tài)范圍可以利用無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行含義劃定，此時(shí)，3 階產(chǎn)物與基底噪聲（輸入信號(hào)下限）相等。而無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 SFDR 與輸入 3 階截點(diǎn) 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(diǎn)為 25dBm 時(shí)，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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為 47dB。此時(shí)，在設(shè)定光纖傳輸系統(tǒng)前放增益為 30dB 時(shí)，激光器 1dB壓縮點(diǎn)為 +13dBm，光傳輸系統(tǒng)指標(biāo)為 85dB，激光器等效輸入噪聲密度優(yōu)于射頻微波信號(hào)輸出總功率，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，滿足光纖傳輸射頻微波信號(hào)要求。

■ 2.2 基于非線性指標(biāo)的傳輸技術(shù)

非線性指標(biāo)是光纖中射頻微波信號(hào)直接傳輸時(shí)需要突破的首要問題，涉及了系統(tǒng)輸入端僅具有一個(gè)有價(jià)值信號(hào)輸入、傳輸多路信號(hào)兩種情況，對(duì)應(yīng)的衡量參數(shù)具有較大差異。對(duì)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(hào)是基波信號(hào)頻率的 2 倍甚至 3 倍頻信號(hào)。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(yuǎn)（或諧波幅度遠(yuǎn)小于基波信號(hào)），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(shí)在輸入信號(hào)增加到一定幅度后，具有價(jià)值信號(hào)增益向會(huì)涌現(xiàn)與輸入信號(hào)幅度具有一定關(guān)聯(lián)的失真項(xiàng)，致使增益、輸入信號(hào)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(hào)幅度值也會(huì)下降 1dB。此時(shí)，在光纖傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)調(diào)低輸入信號(hào)電平，調(diào)低幅度為 6dB。

對(duì)于系統(tǒng)輸入端傳輸多路信號(hào)的情況，系統(tǒng)的非線性決定了各信號(hào)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(hào)互相調(diào)制問題出現(xiàn)頻率較高，會(huì)直接產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)，可通過互調(diào)失真比、3 階互調(diào)截點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的功率分別為IIP 3 、OIP 3 ，兩者關(guān)系可以通過等效 3 階互調(diào)增益 G 3 判定，即

需要注意的是，光纖傳輸系統(tǒng)中，1dB 壓縮點(diǎn)位置輸入信號(hào)電平、輸出信號(hào)電平均低于 3 階截點(diǎn)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(diǎn)一定的情況下進(jìn)行 3 階截點(diǎn)電平的提升，達(dá)到擴(kuò)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(hào)常見傳輸技術(shù)。整個(gè)傳輸過程中，基于鏈路結(jié)構(gòu)的射頻微波信號(hào)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(jìn)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(hào)在光纖中的傳輸。在射頻微波信號(hào)到達(dá)基站后，僅需經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)，就可饋送至天線，進(jìn)而發(fā)送至用戶終端。與此同時(shí)，基于鏈路結(jié)構(gòu)的射頻微波信號(hào)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(hào)，并將接收的射頻微波信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)中心站。整個(gè)過程中，基站負(fù)責(zé)光電、電光之間轉(zhuǎn)換，無(wú)本地振蕩上下變頻過程，實(shí)現(xiàn)短距離高頻化光纖中射頻微波信號(hào)傳輸。

在基于鏈路結(jié)構(gòu)的光纖射頻微波信號(hào)傳輸過程中，因光纖色散效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)雙邊帶強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)必然會(huì)引入光載波、上下邊帶之間的相位差，進(jìn)而加劇距離層面的周期功率損耗，干擾遠(yuǎn)距離傳輸高頻信號(hào)的效果。為避免上述現(xiàn)象出現(xiàn)，傳輸時(shí)可以輸入電信號(hào)（輸入射頻微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(duì)電信號(hào)進(jìn)行歸一化處理完成光電場(chǎng)調(diào)制。通過光電場(chǎng)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(hào)傳輸時(shí)特定載波頻率、光纖長(zhǎng)度的周期性衰落問題。部分情況下，對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)調(diào)制后的光波在光譜上僅存在光載波，在雙電極驅(qū)動(dòng)下，將射頻微波輸入信號(hào)同時(shí)加載到雙驅(qū)動(dòng)兩路電極上。

3.光纖中射頻微波信號(hào)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(zhǎng)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(jìn)行光柵諧振波長(zhǎng)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)諧波波長(zhǎng)解調(diào)，獲得傳感參量 。在微波光子鏈路中，選擇使用光纖布拉格光柵、長(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)處理時(shí)，主要利用可為微波信號(hào)提供更長(zhǎng)時(shí)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(hào)，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(duì)于并行信號(hào)，可以利用基于光纖光柵的波分復(fù)用信號(hào)處理器，通過基于光纖光柵的波分復(fù)用信號(hào)自帶 Bragg 光柵陣列結(jié)構(gòu)處理隨機(jī)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，隨機(jī)加入窗口函數(shù)，在多個(gè)波長(zhǎng)選擇反射率存在差異的光纖光柵，實(shí)現(xiàn) Kaiser 窗口函數(shù)在射頻微波信號(hào)處理中的有效應(yīng)用。

有條件的情況下，還可以使用多波長(zhǎng)光源光纖光柵，通過變更多波長(zhǎng)光源的輸出光之間波長(zhǎng)間隔，促使射頻微波信號(hào)處理器基本延遲時(shí)間發(fā)生變化，達(dá)到變更濾波器中心頻率的目的，或者進(jìn)行每一波長(zhǎng)分量輸出功率變更，達(dá)到變更信號(hào)處理器時(shí)間響應(yīng)、實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(zhǎng)射頻微波信號(hào)進(jìn)入光電探測(cè)器，激光器任意噪聲出現(xiàn)形式為拍頻形式，與波長(zhǎng)間隔相對(duì)應(yīng)，在拍頻信號(hào)頻率達(dá)到一個(gè)極高的數(shù)值時(shí)（超過光電探測(cè)器帶寬）就會(huì)自動(dòng)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(hào)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(wú)限增加，實(shí)現(xiàn)任意正系數(shù)、負(fù)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(hào)處理器也可以應(yīng)用于射頻微波信號(hào)之間相關(guān)性的高速處理。即基于射頻微波信號(hào)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(zhǎng)選擇特性，落實(shí)光纖傳輸系統(tǒng)中射頻微波信號(hào)的可重構(gòu)性，為系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)編碼識(shí)別設(shè)計(jì)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(zhǎng)的隨時(shí)控制，并在 0~1 間進(jìn)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(gè)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(diǎn)。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(hào)加載在單波長(zhǎng)光源、多波長(zhǎng)光源上，并經(jīng)光纖放大器構(gòu)成的光子鏈路進(jìn)行加權(quán)、采樣、時(shí)延等操作，最終在光電探測(cè)器中疊加輸出射頻微波信號(hào) 。

微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)原理與光源個(gè)數(shù)緊密相關(guān)，對(duì)于單光源微波光子濾波器，主要為 FIR 型，經(jīng)微波信號(hào)調(diào)制后，在 1×N 耦合器內(nèi)將光信號(hào)均分，每一路光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度均可由衰減器變更，在獲得每一路加權(quán)后強(qiáng)度后經(jīng)若干個(gè)存在差異時(shí)延、N×1 耦合器進(jìn)入 PD 光電轉(zhuǎn)換疊加，即可完成射頻微波信號(hào)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(jìn)而由源于光源的光經(jīng)電光調(diào)制器完成射頻微波信號(hào)調(diào)制，調(diào)制后的微波信號(hào)可以進(jìn)入光纖環(huán)輸入端口，經(jīng)采樣、加權(quán)、延遲后進(jìn)入光電探測(cè)器后輸出。

在光纖耦合器的分光比為 1/1 時(shí)，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(shí)，微波光子濾波器的自由頻譜范圍為 f FSR =c/nL。其中 L 為光纖環(huán)長(zhǎng)度，n 為光纖有效折射率，c 為真空光速，在光纖環(huán)長(zhǎng)度為 28.0cm 時(shí)，微波光子濾波器抑制比在 8dB 左右。

對(duì)于多光源微波光子濾波器，需要經(jīng)色散介質(zhì)進(jìn)行若干個(gè)被調(diào)制器同時(shí)加載射頻微波信號(hào)光源時(shí)延，進(jìn)而在 PD 光電轉(zhuǎn)換上疊加獲得所需射頻微波信號(hào)。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(chǎng)一定的情況下，根據(jù)某激光單元強(qiáng)度、中心頻率、相位之間的關(guān)系，由色散介質(zhì)完成時(shí)延。

4.光纖中射頻微波信號(hào)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(jìn)行光纖傳輸系統(tǒng)上行、下行鏈路中射頻微波信號(hào)傳輸與處理誤碼率檢測(cè)。

■ 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。

如表 1 所示，通過對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路信號(hào)分布進(jìn)行分析可知，信號(hào)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(hào)誤碼率靈敏度較之以往點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸下降，下降幅度為 3.0dB。同時(shí)光纖傳輸系統(tǒng)上行鏈路信號(hào)串?dāng)_問題遠(yuǎn)高于下行信號(hào)。隨著光纖傳輸系統(tǒng)接收檢測(cè)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(hào)傳輸誤碼率也呈現(xiàn)出線性下降趨勢(shì)。一般在光纖傳輸系統(tǒng)射頻微波信號(hào)傳輸功率小于 -24dBm 時(shí)，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(hào)傳輸功率超過 -21dBm 時(shí)，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

表2 接收端光功率下行誤碼率

如表 2 可知，光纖傳輸系統(tǒng)下行鏈路中射頻微波信號(hào)處理之前，有線信號(hào)誤碼率低于處理后誤碼率，且射頻微波信號(hào)傳輸誤碼率隨著接收檢測(cè)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(shí)，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(shí)，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(hào)誤碼率性能要求。

通過分析表 1、表 2，光纖中射頻微波信號(hào)處理后誤碼率滿足上行鏈路、下行鏈路傳輸性能要求。同時(shí)考慮到功率冗余度配置、上行信號(hào)串繞對(duì)光纖中射頻微波信號(hào)傳輸工程上下行鏈路誤碼率的干擾，可以適當(dāng)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(bǔ)信號(hào)串?dāng)_，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(hào)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(diǎn)，應(yīng)用前景極其廣闊。因此，應(yīng)立足微波信號(hào)光學(xué)發(fā)展背景，發(fā)掘光纖射頻微波信號(hào)傳輸技術(shù)、處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與安裝成本，為車載通信、移動(dòng)通信等多個(gè)行業(yè)的升級(jí)提供支持。

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