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微波信號光纖傳輸技術(shù)
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，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)制方式實現(xiàn)的，具有技術(shù)實現(xiàn)相對簡單的優(yōu)點，缺點是激光器會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)制器實現(xiàn)的，優(yōu)點是解決了“chirp”啁啾效應(yīng)，可以實現(xiàn)較長距離的傳輸，缺點是技術(shù)復(fù)雜，成本昂貴，同時產(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)的實現(xiàn)，主要應(yīng)用以下三種關(guān)鍵技術(shù)：預(yù)失真補償技術(shù)、激光器降噪技術(shù)以及“SBS”閾值控制技術(shù)。
(1)預(yù)失真補償技術(shù)
因為微波信號光纖傳輸技術(shù)是模擬調(diào)制方式實現(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)。目前主要采用多項式預(yù)失真補償技術(shù)，實現(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)主通道的時延和兩個副通道的時延來實現(xiàn)匹配設(shè)計良好的預(yù)失真補償電路能使電光調(diào)制器的線性度提高1020dB。
圖1 多項式預(yù)失真補償技術(shù)實現(xiàn)框圖
(2)激光器降噪技術(shù)
因為電光轉(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，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：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，能夠同時兼顧系統(tǒng)的靈敏度和抗飽和特性要求，即不會因為光纖的遠(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。
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)實現(xiàn)性能穩(wěn)定、靈活、精確的光纖延時線。
3、各頻段微波信號的特點及相應(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)信號的最大特點是大信號、小信號同時并存，大信號幅度有時高達(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、輸出瞬時動態(tài)范圍達(dá)到120dB時，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，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、頻率補償技術(shù)以及ATC、APC、溫度補償技術(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，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