寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統的研究與實現

摘 要：針對沙漠、沼澤以及海底等無人區應用場合的超長距離無中繼的光傳輸系統，分析研究了寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統中的關鍵技術；采用功率衰減補償、色散補償和非線性等技術提出了光鏈路設計搭建方案。系統在射頻信號頻率寬帶從500MHz到5.5GHz、傳輸距離為250km無中繼的條件下，光鏈路增益超過40.15dB，幅度平坦度優于±3.5dB，帶內噪聲輸出功率降低到-62.80dBm（測試條件：RBW：10kHz；VBW：10kHz），并實現了寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統的工程化應用。

關鍵詞：模擬射頻；長距離；無中繼；色散補償；光放大器

1 概述

射頻光傳輸由于其具有頻帶寬、體積小、重量輕、損耗小、抗電磁干擾、低色散等多方面的優良特性，在電子戰、雷達、無線通信、射電天文和有線電視等軍事和民用方面都獲得了廣泛的應用[1]。射頻光傳輸主要功能是將射頻信號調制到光上實現信號的遠距離傳輸。

寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統實現光發射機和遠端光接收機之間無中繼的光纖直接連接，也就是說光纖線路中間沒有光放大器或光電轉換器等中繼設備，這種寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統的一個應用方向為通信線路經過沙漠、沼澤以及海底等無人區的問題，同是還可以應用于超長距離的分布式雷達，大幅度降低中繼站的建設與維護成本[2-3]。

與傳統的短距離射頻光傳輸系統相比，存在很多需要克服的新的技術難點；由于光傳輸距離變長后，光鏈路中的噪聲會變差，光線長度帶來信號的衰減以及光色散引起的周期性衰弱等成了寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸所面臨的技術難點。目前國內外研究及工程應用主要是針對數字方面的光傳輸系統，研究模擬的超長無中繼射頻光傳輸的相關報道非常少。因此，研究寬帶射頻信號的低噪聲、大動態超長距離傳輸及其工程實現具有重要意義。

2 寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統分析

2.1 長距離光傳輸影響因素

雖然光信號在光纖中傳輸的損耗很低（0.2dB/km），但在光調制解調過程中也會引入損耗，同時也還會出現非線性失真和噪聲。激光光源產生的頻率不完全是一個點頻的光波長，有一定的帶寬，同時不同頻率光信號在光纖傳輸的速度是不同的，速率不同即時延不同從而引起色散，當色散累積將最終導致寬帶射頻信號的幅度平坦度、噪聲等信號質量嚴重惡化[4]。

因此長距離光傳輸鏈路與傳統光鏈路相比必須重新設計，以改善長距離光鏈路帶來的性能惡化。為了保證寬帶信號超長距離光傳輸的可行性，光鏈路的優化設計所采取的關鍵技術是至關重要的。

2.2 長距離光傳輸的關鍵技術

2.2.1 光功率補償

光鏈路功率的衰減可以通過光放大器放大來補償，但光放大信號的的同是也會產生大的噪聲，所以長距離光傳輸必須采用超低噪聲的拉曼放大器（RA）來實現；由于長距離光的差損非常大，在放大鏈路中把噪聲降到系統可以接受的同時還需要高增益的摻鉺光纖放大器（EDFA）。

摻鉺光纖放大器（EDFA）一般由主要有放大介質和可以提供高能量的泵浦源組成。泵浦光提供能量使鉺纖中的鉺離子由基態向高能級躍遷，實現粒子束反轉分布而產生放大[5]。由于EDFA具有泵浦效率高、工作性能穩定、帶寬大、增益曲線好以及技術成熟等特點，在模擬和數字領域的應用已經相當成熟，解決了鏈路中傳輸距離受光纖損耗的限制。與數字超長距離光鏈路相比，模擬超長距離光鏈路的對噪聲惡化要求更高，如果在鏈路采用級聯多個EDFA將會使鏈路中產生很大的自發輻射噪聲（ASE）而建的信號的信噪比。

拉曼放大器（RA）工作原理是向光纖輸入高功率泵浦將信號放大，傳輸光纖得到大的能量而產生增益。由于其具有極低的噪聲系數等特點，與EDFA放大器一起配合使用，在跨長距離的發射端或接收端等應用場合使用。

2.2.2 色散補償

由于不同波長的光信號在光纖中的折射率是不一樣的，所以在光纖中的傳播速度也不相同，從而在光纖中產生光的色散現象[6]。

在超長距離微波信號傳輸過程中，光纖自身產生色散效應會導致傳輸信號功率周期性衰減的同時，還會引起微波信號波形失真，從而導致傳輸帶寬受限，隨著傳輸信號頻率越來越高和傳輸距離的增長將使這一效應更加明顯。因此在超長距離光傳輸系統中色散是限制微波光傳輸的主要原因。在模擬超長距離光傳輸中，為了盡可能減小色散對系統信號的影響就必須采取一定的色散補償技術，即采用負色散器件對光纖的正色散實施抵消。同時必須準確的計算光鏈路所需要補償的距離，來保證鏈路既沒有欠補償，也沒有過補償帶來浪費成本，從而提高鏈路的性能指標。

2.2.3 非線性效應

光鏈路中進入光纖的光功率不高時，光纖的折射率和損耗基本是線性的；然而光功率非常大時，則會產生受激布里淵反射，大部分的輸入光功率在光纖傳輸過程中被轉換成反向傳輸的斯托克斯光，從而正向傳輸的光信號大幅度的衰減，同時造成系統鏈路插損和噪聲系數的惡化[7]。因此，在光鏈路設計中充分考慮非線性效應的影響，提高光信號功率在光纖傳輸的有效性。

3 寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統的實現

根據圖1中寬帶模擬射頻信號長距離無中繼光傳輸系統的鏈路結構，采用光放大與色散補償技術，傳輸距離大于200km的無中繼寬帶射頻信號的光傳輸。研究項目中射頻信號頻率寬帶從500MHz到5.5GHz，信號輸入最大不超過-30dBm，整個鏈路在傳輸距離為250km的情況下增益要求大于30dB，帶內噪聲輸出功率：≤-50dBm（測試條件：RBW：10kHz；VBW：10kHz）。

長距離無中繼光傳輸系統在實現過程中為了提高整個鏈路增益、降低鏈路的帶內噪聲輸出功率，我們在射頻輸入端加一定增益的低噪聲放大器，同時保證輸入射頻信號在光調制的線性輸入區，同時在光解調模塊輸出端同樣加低噪聲放大器來補償光鏈路的增益。

根據圖3到圖7的仿真和實測結果可以看出，當長距離無中繼光傳輸系統沒有做色散補償時，鏈路幅度平坦度擺幅非常大，不平坦度大于40dB，根本無法滿足系統使用要求；當進行一定的色散補償后，鏈路幅度平坦度在短接時與長距離光有色散補償測曲線基本一致，同時長距離光鏈路中采用拉曼放大器與EDFA光放大器結合補償光路帶來的插損，整個光鏈路增益超過40.15dB（射頻放大器與光放大器增益超過170dB），幅度平坦度優于±3.5dB，帶內噪聲輸出功率降低到-62.80dBm（測試條件：RBW：10kHz；VBW：10kHz）。同時我們做了相應的環境適應性試驗，系統各個性能指標穩定，完全能夠滿足后續工程項目使用要求。

4 結束語

文章對寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統中的關鍵技術進行了分析研究，提出了包括功率衰減補償、色散補償和非線性等光鏈路設計搭建方案，最終實現了寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統的工程化應用。為后續需經過沙漠、沼澤以及海底等無人區問題的軍民用超大規模雷達天線組陣、超長距離的遠程測控提供很好的解決方案，并大幅度降低中繼站的建設與維護成本。

參考文獻

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[7]Urich V J，Bucholtz F，Mckinney J D，etal.Long-haul analog photonics[J].J.Lightwave Techol，2011，29：1182-1205.

作者簡介：李波（1980-），男，2009年畢業于重慶郵電大學信息與通信工程專業，獲碩士學位，現為工程師，主要從事光通信相關技術研究工作。