探究射頻微波信號在光纖中傳輸及處理技術

嚴堰，余煒坤

（西南電子設備研究所，四川成都，610036）

0 前言

在射頻微波信號與光電子傳輸處理工程結合日益緊密之際，微波光子學得到了迅速的發展，不僅擴展了室內無線接入網的覆蓋面積，而且降低了信號泄露的風險。特別是在射頻微波信號傳輸方面，利用光纖射頻微波信號傳輸處理技術，可以突破傳統相控陣天線僅可向特定方向輻射波數的弊端，盡可能壓縮相控陣天線的雷達尺寸，降低信號傳輸損失。基于此，探究光纖中射頻微波信號的傳輸及處理技術非常必要。

1 射頻微波信號概述及傳輸特性

■1.1 概述

射頻特指向空間內輻射電磁波的系統，是一種隨時間變化的時變電磁波。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，波長在1.0m~1.0mm之間，涵蓋了分米級波、厘米級波、毫米級波、亞毫米級波。在射頻微波信號傳輸過程中，關鍵線性參數主要為信噪比、動態范圍、3階互調失真、雜散信號、輸出3階交調截取點等[1]。

■1.2 傳輸特性

射頻微波信號傳輸函數為非線性函數，傳輸過程中電光轉換的過程也是非線性的轉換過程，為減弱鏈路三階失真，需要進行系統增益的調低，或者鏈路偏置點的調整。整個過程中光纖無線系統重要參照為鏈路增益，與輸入光功率、調制器傳遞系數、偏置電壓、半波電壓、光電探測器響應度具有較大關系，為獲得更大的鏈路增益，需要在正交偏置位置設置偏置電壓，并盡可能壓縮調制器的數值。

除非線性特征以外，射頻微波信號傳輸還具有散粒噪聲特性。具體表現為：鏈路噪聲系數受調制器的斜率系數、接收光電流的影響，前者決定了電光轉換效率、接收光電流，且不受光電探測器響應度的影響；光電探測器接收光功率增加，射頻微波信號傳輸鏈路噪聲系數下降，最終趨于穩定。此時，為改善噪聲系數特性，就需要進行電光調制器調制系數的改善。

2 光纖中射頻微波信號的傳輸技術

■2.1 基于動態范圍的傳輸技術

動態范圍特指光纖傳輸系統高性能運作中可承受的射頻微波信號變化范圍，下限為靈敏度（最小分辨信號或基底噪聲），與基底噪聲有關，上限則為雙頻信號輸入與最大可允許信號失真指標有關。動態范圍可以利用無雜散動態范圍進行含義劃定，此時，3階產物與基底噪聲（輸入信號下限）相等。而無雜散動態范圍SFDR與輸入3階截點IIP3之間的關系為：

公式（1）中EIN為等效輸入噪聲密度（dBm/Hz），BW為工作帶寬（Hz）。如在光纖傳輸系統輸入3階截點為25dBm時，激光器等效輸入噪聲密度為-120dBm/Hz，射頻帶寬為35MHz，可以得出無雜散動態范圍為47dB。此時，在設定光纖傳輸系統前放增益為30dB時，激光器1dB壓縮點為+13dBm，光傳輸系統指標為85dB，激光器等效輸入噪聲密度優于射頻微波信號輸出總功率，無雜散動態范圍優于光纖傳輸系統設計需求，滿足光纖傳輸射頻微波信號要求。

■2.2 基于非線性指標的傳輸技術

非線性指標是光纖中射頻微波信號直接傳輸時需要突破的首要問題，涉及了系統輸入端僅具有一個有價值信號輸入、傳輸多路信號兩種情況，對應的衡量參數具有較大差異。對于前者，鑒于系統非線性特征，諧波的產生不可避免，而諧波信號是基波信號頻率的2倍甚至3倍頻信號。在寬帶傳輸系統（或線性傳輸系統中）中，因諧波距離基波較遠（或諧波幅度遠小于基波信號），可濾除（或可忽略），但在光纖傳輸系統中，因輸入端偶次諧波影響較大，不可濾除或忽略。同時在輸入信號增加到一定幅度后，具有價值信號增益向會涌現與輸入信號幅度具有一定關聯的失真項，致使增益、輸入信號幅值呈現出相反的變化。一般系統增益較理想狀態下降1dB，輸入信號幅度值也會下降1dB。此時，在光纖傳輸系統中，應調低輸入信號電平，調低幅度為6dB。

對于系統輸入端傳輸多路信號的情況，系統的非線性決定了各信號頻率分量相互作用，形成互相調制、阻塞、交叉調制等情況。在光纖傳輸系統中，輸入信號互相調制問題出現頻率較高，會直接產生互調信號，可通過互調失真比、3階互調截點進行衡量。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，相對應的功率分別為IIP3、OIP3，兩者關系可以通過等效3階互調增益G3判定，即

需要注意的是，光纖傳輸系統中，1dB壓縮點位置輸入信號電平、輸出信號電平均低于3階截點相應電平，幅度在10dB左右，可以通過預失真電路，在保證1dB壓縮點一定的情況下進行3階截點電平的提升，達到擴大線性范圍的目的。

■2.3 基于鏈路結構的傳輸技術

基于鏈路結構的傳輸是光纖中射頻微波信號常見傳輸技術。整個傳輸過程中，基于鏈路結構的射頻微波信號光纖傳輸系統下行鏈路可以在中心站經中頻振蕩器將處理后的數據調制到中頻副載波上，進而經高頻振蕩器將調制后數據變頻到所需射頻頻段，最終經光電調制器將所在頻段的數據調制到光載波上，完成射頻微波信號在光纖中的傳輸。在射頻微波信號到達基站后，僅需經過光電探測器轉化為射頻信號，就可饋送至天線，進而發送至用戶終端。與此同時，基于鏈路結構的射頻微波信號光纖傳輸系統上行鏈路可以經光電調制接收射頻微波信號，并將接收的射頻微波信號傳輸到系統中心站。整個過程中，基站負責光電、電光之間轉換，無本地振蕩上下變頻過程，實現短距離高頻化光纖中射頻微波信號傳輸。

在基于鏈路結構的光纖射頻微波信號傳輸過程中，因光纖色散效應的存在，傳統雙邊帶強度調制系統必然會引入光載波、上下邊帶之間的相位差，進而加劇距離層面的周期功率損耗，干擾遠距離傳輸高頻信號的效果。為避免上述現象出現，傳輸時可以輸入電信號（輸入射頻微波信號驅動電壓、頻率、輸入偏置電壓），結合光載波頻率，利用馬赫曾德調制器的半波電壓對電信號進行歸一化處理完成光電場調制。通過光電場調制，可以規避基于鏈路結構的光纖射頻微波信號傳輸時特定載波頻率、光纖長度的周期性衰落問題。部分情況下，對于光纖傳輸距離被限制在數百米范圍內的基于鏈路結構的傳輸系統而言，可以利用雙電機驅動的單邊帶調制技術消除色散效應的影響。即假定經射頻微波信號調制后的光波在光譜上僅存在光載波，在雙電極驅動下，將射頻微波輸入信號同時加載到雙驅動兩路電極上。

3 光纖中射頻微波信號的處理技術

■3.1 光纖光柵傳感技術

光纖光柵傳感技術主要是根據所選擇光纖光柵（光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵），以應變、溫度等外界物理量調節的方式進行光柵諧振波長調制，實現諧波波長解調，獲得傳感參量[2]。在微波光子鏈路中，選擇使用光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵需要依據具體的系統應用背景，其中光纖布拉格光柵可以與光—電整合電路結合，獲得更大的功率增益效率；而長周期光纖光柵則可以與光纖傳輸系統接口聯系，獲得更小的噪音、最小調制頻率。

在射頻微波信號處理時，主要利用可為微波信號提供更長時間延遲的光纖延遲線，比如，經直接調制半導體光源處理8GHz微波信號，可以獲得100μs的光纖延遲線結構，保證最終鏈路信噪比較初始超127dB·Hz；再如，對于并行信號，可以利用基于光纖光柵的波分復用信號處理器，通過基于光纖光柵的波分復用信號自帶Bragg光柵陣列結構處理隨機信號的優勢，隨機加入窗口函數，在多個波長選擇反射率存在差異的光纖光柵，實現Kaiser窗口函數在射頻微波信號處理中的有效應用。

有條件的情況下，還可以使用多波長光源光纖光柵，通過變更多波長光源的輸出光之間波長間隔，促使射頻微波信號處理器基本延遲時間發生變化，達到變更濾波器中心頻率的目的，或者進行每一波長分量輸出功率變更，達到變更信號處理器時間響應、實現信號處理器傳輸函數重構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中，若不同波長射頻微波信號進入光電探測器，激光器任意噪聲出現形式為拍頻形式，與波長間隔相對應，在拍頻信號頻率達到一個極高的數值時（超過光電探測器帶寬）就會自動將相位噪聲濾除。而通過波分復用技術處理器則可以通過執行高效率的并行延遲射頻微波信號處理，在有限數量連接的前提下，促使處理器抽頭數量無限增加，實現任意正系數、負系數以及離散脈沖響應。

除了基于光纖光柵的波分復用技術外，基于光纖光柵的信號處理器也可以應用于射頻微波信號之間相關性的高速處理。即基于射頻微波信號調諧需求，選擇具有光纖Bragg光柵陣列的全光相關器，發掘光纖光柵波長選擇特性，落實光纖傳輸系統中射頻微波信號的可重構性，為系統相關函數編碼識別設計提供依據。在具有光纖Bragg光柵陣列的全光相關器中，每一光柵均可與壓電材料控制設備監理練習，便于每一光柵中心波長的隨時控制，并在0~1間進行光柵反射率的任意調節。

■3.2 微波光子濾波技術

微波光子濾波技術是利用一個光學子系統，構建可調諧、可重構的濾波器，具有結構靈活、多功能濾波響應、大帶寬、低光纖損耗的特點。在微波光子濾波技術應用過程中，可以利用直接調制、外調制的手段，將射頻微波信號加載在單波長光源、多波長光源上，并經光纖放大器構成的光子鏈路進行加權、采樣、時延等操作，最終在光電探測器中疊加輸出射頻微波信號[3]。

微波光子濾波器的實現原理與光源個數緊密相關，對于單光源微波光子濾波器，主要為FIR型，經微波信號調制后，在1×N耦合器內將光信號均分，每一路光信號相對強度均可由衰減器變更，在獲得每一路加權后強度后經若干個存在差異時延、N×1耦合器進入PD光電轉換疊加，即可完成射頻微波信號處理。以基于光纖環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，構成光纖環。進而由源于光源的光經電光調制器完成射頻微波信號調制，調制后的微波信號可以進入光纖環輸入端口，經采樣、加權、延遲后進入光電探測器后輸出。在光纖耦合器的分光比為1/1時，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，微波光子濾波器的自由頻譜范圍為fFSR=c/nL。其中L為光纖環長度，n為光纖有效折射率，c為真空光速，在光纖環長度為28.0cm時，微波光子濾波器抑制比在8dB左右[4]。

對于多光源微波光子濾波器，需要經色散介質進行若干個被調制器同時加載射頻微波信號光源時延，進而在PD光電轉換上疊加獲得所需射頻微波信號。在濾波器內，激光器陣列、寬帶光譜分割均可應用于多光源濾波。比如，利用激光器陣列+色散介質，在調制前光源電場一定的情況下，根據某激光單元強度、中心頻率、相位之間的關系，由色散介質完成時延。

4 光纖中射頻微波信號傳輸與處理技術的應用效果

■4.1 分析方法

利用誤碼率分析儀（BERT）進行光纖傳輸系統上行、下行鏈路中射頻微波信號傳輸與處理誤碼率檢測。

■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。

表2 接收端光功率下行誤碼率

如表1所示，通過對光纖傳輸系統上行鏈路信號分布進行分析可知，信號處理后串繞問題出現縫隙顯著下降。在處理前，光纖傳輸系統上行鏈路有線信號誤碼率靈敏度較之以往點對點傳輸下降，下降幅度為3.0dB。同時光纖傳輸系統上行鏈路信號串擾問題遠高于下行信號。隨著光纖傳輸系統接收檢測端光功率數值下降，光纖傳輸系統上行鏈路射頻微波信號傳輸誤碼率也呈現出線性下降趨勢。一般在光纖傳輸系統射頻微波信號傳輸功率小于-24dBm時，存在較為惡劣的誤碼率情況；而在光纖傳輸系統上行射頻微波信號傳輸功率超過-21dBm時，可以將誤碼率控制在10-10下，與光纖傳輸系統誤碼率性能要求相符。

表1 接收端光功率上行誤碼率

如表2可知，光纖傳輸系統下行鏈路中射頻微波信號處理之前，有線信號誤碼率低于處理后誤碼率，且射頻微波信號傳輸誤碼率隨著接收檢測端光功率數值的下降而呈現出線性下降取值。在光纖傳輸系統接收端下行鏈路光功率小于-19dBm時，誤碼率存在極其顯著的惡化現象；在光纖傳輸系統接收端下行鏈路光功率超過-17dBm時，只有將鏈路傳輸誤碼率控制在10-11內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誤碼率性能要求。

通過分析表1、表2，光纖中射頻微波信號處理后誤碼率滿足上行鏈路、下行鏈路傳輸性能要求。同時考慮到功率冗余度配置、上行信號串繞對光纖中射頻微波信號傳輸工程上下行鏈路誤碼率的干擾，可以適當調低光纖傳輸系統下行鏈路功率冗余度，并促使光纖傳輸系統上行鏈路功率冗余度配置高于光纖傳輸系統下行鏈路功率冗余度，高出幅度在2.0~3.0dB左右，彌補信號串擾，解決誤碼率突出問題。

5 總結

綜上所述，作為一種新興的通信技術，光纖射頻微波信號傳輸及處理技術具有大寬帶、低損耗、安全保密、覆蓋面廣等優良特點，應用前景極其廣闊。因此，應立足微波信號光學發展背景，發掘光纖射頻微波信號傳輸技術、處理技術的優勢，降低網絡維護與安裝成本，為車載通信、移動通信等多個行業的升級提供支持。