射頻微波信號在光纖中傳輸及處理技術探析

侯俊杰

（陜西國際商貿學院，陜西 咸陽 712000）

0 引 言

隨著現代微波光子學的快速發展，其在現代社會中得到了廣泛應用，且近些年來微波射頻工程與其他學科之間的交融越來越密切，能夠有效地提高帶寬并降低傳輸損耗，這也使得微波光子系統具備更大的優勢[1]。微波光子技術的快速發展為射頻無線通信網絡及寬帶網絡的發展提供了有效支持，從而推動通信處理技術的集成化和高效化發展，在電子通信、光纖通信、軍事領域以及醫學領域等方面都有廣泛的應用。文章主要針對射頻微波信號在光纖中傳輸及處理技術展開探討。

1 射頻微波信號概述

射頻為在3 kHz～300 GHz這個范圍內的振蕩頻率，這個頻率相當于無線電波的頻率以及攜帶著無線電信號的交流電頻率。微波是指波長介于紅外線和無線電波之間的電磁波，頻率范圍大約在300 MHz～300 GHz，所對應的波長為1 mm～1 m[2]。射頻與微波具體無線電頻率劃分如表1所示。

表1 射頻與微波具體無線電頻率劃分

隨著現代信息技術的快速發展，微波信號問題在實際應用中所造成的影響越來越受到人們的關注。由于微波傳輸過程中會產生一定量的損耗，尤其是在長距離傳輸過程中，而帶寬則無明顯影響，因此需要借助微波射頻工程及相關技術的支持，進一步解決實際工作中存在的問題。隨著射頻微波信號與其他學科之間的交融越來越密切，推動了微波光子學的快速發展[3]。微波光子學不但能夠有效解決電子傳輸過程中的大量損耗，并且具有更高的性能，其主要是利用射頻微波信號及光纖接入的方式來傳輸射頻信號，從而推動通信技術逐漸向高效化發展，并且能夠有效降低損耗。

如圖1所示，微波射頻工程由BPF帶通濾波器、DRIVER驅動器、Variable attenuator可調衰減器、AMP放大器以及RF（TX）射頻天線幾部分協同完成，頻率和合成器生成需要發射的干擾信號，通過帶通濾波、驅動、衰減以及放大等由射頻天線發射出去。干擾以功率占用為主，同向發射大功率同頻信號，對衛星接收通道在一定頻率范圍內實行功率占用，使得干擾信號的場強遠遠大于正常衛星到達地面的信號場強，達到壓制衛星信號接收的目的[4]。

圖1 射頻微波信號工作原理

微波信號光學主要是關于微波與光波的研究與應用，其核心技術主要包括光源調節、傳輸介質、光學可控性及可探測性等。近些年來，隨著微波信號光學的快速發展，其在電子工程、光纖通信、軍事以及醫藥等領域得到了推廣應用，使得微波光子學與其他學科支架的交融越來越密切[5]。由于光纖傳輸的多重優勢，因此采用光纖傳輸的方式能夠為射頻微波信號提供更多的處理事件，并且能夠有效處理傳輸信號，提高采樣率及抗干擾性，尤其是在變頻處理、數據轉化以及濾波處理等環節中，ROF傳輸微波信號技術不斷完善，能夠滿足實際應用的需求。

2 射頻微波信號的應用價值分析

在進入21世紀之后，互聯網在我國社會中得到了快速發展，通信技術作為現代信息技術中發展速度最快的技術之一，成為人們生活生產中的重要技術，也成為我國經濟重要的推動力。在過去20年內，我國互聯網發展速度快，隨著語音、圖像以及視頻等多媒體技術的快速發展，寬帶和信息網絡也不斷升級，隨之而來的是我國經濟社會的快速發展。在近些年來的統計調查中指出，寬帶網絡的快速發展會提高國內生產總值的1.0%～1.5%，在我國網民巨大需求量的推動下，光纖通信儀器無盡帶寬及低成本的優勢成為信息技術研究的重要技術[6]。

目前，光纖通信網絡已經覆蓋我國各行各業，并且隨著密集波分復用技術的支持，光纖通信容量已經達到了甚至超過100 Tb/s。但是從我國目前互聯網帶寬現狀來看，與全球平均水平相比仍存在較大的差異，具有廣闊的發展空間。移動通信技術作為信息技術中的重要分支，其目前正朝著綜合化發展，不僅僅是企業對無線網絡有更高的要求，而且個人與家庭對于無線網絡也更加關注[7]。人們越來越重視通信的順暢度，在過去的20年間，移動通信技術快速發展，隨著4G網絡的普及與5G技術的研發，百兆流量的移動通信網絡已經成為人們家庭中的重要工具。

微波光子學推動了移動通信及信號處理技術的快速發展，能夠有效提高光纖通信網絡的性能，其主要研究內容包括微波信號處理光子器件與光子器件在微波系統中的有效利用，前者主要與激光器和光電調制器等設備有關，極大推動了光纖通信技術的發展，后者則主要應用于光纖通信數字信號、模擬微波信號以及各種微波信號的處理與應用中。光學傳輸與光電解調主要是由3個部分組成，在輸入微波信號后首先利用光電調制器進行光電轉化，之后將廣電信號通過光學處理器進行處理，最后再進行光電轉換并在輸出設備的處理下轉變為微波信號[8]。在微波光子系統中，微波信號傳輸相比于傳統的系統來說能夠進一步降低損耗與成本，且安裝更加靈活，不容易受電磁的影響，具有較高的抗干擾性。在傳輸2 GHz的微波信號中，傳統傳輸系統的損耗為360 dB/km，而光纖傳輸的光學損耗僅有0.2 dB/km，電學損耗為0.4 dB/km，由此可見微波信號光纖傳輸技術的應用價值較高。

3 射頻微波信號的光學處理

3.1 ROF系統

ROF系統能夠為移動互聯網及無線接入網絡提供優質的寬帶服務，該系統主要包括復雜射頻微波信號處理中心、光電轉換、發射無線基點以及光纖網絡。其工作原理與云計算技術有一定的相似之處，在ROF系統內，射頻微波信號能夠通過處理中心傳輸到無線基點，之后通過光纖網絡進行傳輸。基點在接收與發射信號時不需要轉換頻率，信號處理中心能夠實現多個基點的信息共享，從而實現不同頻率數據之間的相互傳輸，優化網絡資源配置，對資源進行動態管理，降低網絡維護的成本，有助于提高網絡服務效率。因此該系統可在移動通信、車載通信以及寬帶上網等方面推廣應用[9]。

3.2 射頻信號光纖傳輸技術

射頻信號光纖傳輸技術主要是利用光纖網絡的直接鏈路實現信號傳輸。由于IF-OVER-FIBRE系統傳輸的信號不容易受干擾，因此雙邊帶調制技術的應用能夠滿足系統的實際需求。該技術主要將射頻微波及光纖通信的優勢相結合，其中射頻微波信號能夠進行長距離傳輸，從而將線路與中心站分離，降低損耗并且提高通信的穩定性，具有較高的抗干擾性與隱蔽性，同時高寬帶能夠保障各種通信信號傳輸過程中的完整性。在標準信號范圍內，該技術能夠確保系統運行的穩定性，且不會因為長距離傳輸而損失信號，最重要的是能夠確保光纖傳輸的安全性，避免發生信號泄露的情況，不容易受周圍電磁環境的影響，具有較高的穩定性。目前，歐美國家已經應用該技術進行光纖信號傳輸。該系統中最標準的單模光纖傳輸1 300 nm波段的損耗僅有0.5 dB/km，其中應用了各種光線信號處理器，包括光纖布拉格光纜、光纖耦合器以及光纖環形器等設備。光纖信號處理器的不斷更新使得該技術更加完善和成熟。雖然微波信號光纖傳輸帶寬為500 MHz/km，但是由于目前多數地區已經建設了完善的光纖網絡，因此能夠進一步降低建設成本[10]。同時國外對于該技術在室內通信系統中的研發已經獲得了較多的成果，但是對于長距離高頻信號傳輸仍舊需要采取一些特殊的技術來消除各方面的干擾，進一步提高傳輸信號的穩定性。光纖色散是指光線信號不同傳輸速度對微波光子系統的影響，色散效應會導致發生相位差，增加傳輸損耗，且隨著信號頻率的升高及傳輸距離的增大更加突出。為了減少這一效應帶來的影響，目前主要是采取單邊調制技術進行干預，能夠通過色散位移光纖及色散補償等方式來彌補色散效應的缺陷。總體來說，該技術具有較好的應用價值，能夠有效解決實際傳輸過程中的各種缺陷。

3.3 光電調制技術

射頻微波信號傳輸的過程中對于光源的調制主要是通過兩種方式實現，一種是激光二極管的直接調制，另一種則是利用外部光電調制器。后者雖然比前者擁有更高的性能，但是前者的成本低，因此在實際生產中的應用更加廣泛。直接調制主要是通過激光二極管的驅動電流來改變光源的傳輸強度，具有結構緊湊且集成度高的優勢，在單頻信號調制方面具有較好的應用價值。采用直接調制方法構成的微波光子系統存在帶寬低（30 GHz）的問題，不過由于系統結構簡單且建設成本低，因此應用范圍較廣，但仍舊需要不斷研發與完善。外部調制技術主要是利用外部光電調制器進行調制，雖然會導致系統復雜程度及成本增加，但是能夠有效提高調制帶寬（100 GHz），使得該系統在實際應用中也表現出較好的效果，調節輸出光波的強度[11]。

3.4 光電探測技術

廣電解調是將光信號轉變為電信號的重要過程，其在微波光子系統中扮演著重要的角色。高帶寬和高光電轉化效率是評價系統性能的重要指標，目前市場中主要應用的光電探測器主要包括雪崩二極管和PIN光電二極管等設備。其中以PIN光電二極管在微波光子系統中的應用最為頻繁，該設備能夠提高系統轉化效率，具有較好的應用效果。雪崩二極管主要是利用雪崩效益放大光電流來提高轉換效率，容易受周圍溫度的影響且對驅動電壓有著較高的要求，主要用于高速長距離光纖通信系統中。此外，近些年來研發的較多光電探測器也受到了學界的廣泛關注。

4 射頻微波信號在光纖傳輸過程中的應用

信號傳輸過程中光纖傳輸技術能夠有效避免傳統傳輸系統的弊端，從而降低損耗和成本，使得傳輸信號不失真。采用分布式光纖布局的方式能夠將控制中心建設在遠離天線的區域，天線可以分布在郊區從而提高傳輸信號強度，而數據處理設備及調節器等安裝在城市中心則比較方便維修。同時，由于射頻信號光纖傳輸技術具有抗干擾性好、寬帶大且數據傳輸穩定性高等優勢，能夠有效避免微波信號頻率過高與測量范圍大等問題的影響，因此在軍事和國防等領域也可以推廣使用。在4G/5G覆蓋區域能夠靈活利用商場、車站以及地鐵等建筑群建立數據中心控制站，從而提高信號覆蓋率和數據傳輸的穩定性。在生物醫學領域中，射頻微波信號多應用于光學生物學及光學分子影像學等方面，例如在醫學檢查中可以利用水聽器校準100 MNz超聲波。在無線網連接上，可以通過簡化系統結構提高WLAN的覆蓋率。歐美國家已經開始將該技術應用于無線網絡覆蓋處理，使得無線網絡覆蓋率更高。

5 結 論

射頻微波信號作為一種信息技術在光纖傳輸領域中得到了廣泛應用，基于其低損耗、寬帶高以及傳輸穩定性高等優勢，在移動通信、電子傳輸、無線網絡建設以及軍事國防等領域都有較好的應用價值。