射頻光發(fā)收機(jī)的探究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

段振英 鄒琴

摘要 ：伴隨著射頻通信技術(shù)的升級(jí)換代，老射頻光發(fā)收機(jī)已不能適應(yīng)新業(yè)務(wù)拓展需求，針對(duì)其上下行業(yè)務(wù)走向特點(diǎn)，以及客戶對(duì)傳輸距離和容量需求的提升，我們不僅對(duì)關(guān)鍵電路做了新增防浪涌和防靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)，還在各功能模塊間新增匹配電路增強(qiáng)增益變化的自適應(yīng)性。并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使新一代射頻光發(fā)收機(jī)獲得更好的結(jié)構(gòu)性和增益平坦度、更強(qiáng)的發(fā)光功率和更高的接收靈敏度，從而提高光纖傳輸距離，使射頻系統(tǒng)獲得更大布局空間和更強(qiáng)的隱蔽性，有利于射頻通信成為通信系統(tǒng)中的重要一員。鑒于此本文就射頻光發(fā)收機(jī)遇到的相關(guān)問題進(jìn)行深刻的研究與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 ：射頻光發(fā)收機(jī);前端處理模塊;耦合電路;增益平坦度;光電調(diào)制

一、引言

近年來隨著無線射頻技術(shù)與光纖通信的融合，老一代射頻光發(fā)收機(jī)的弊端暴露無遺，比如射頻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分離設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)偏大、發(fā)光功率不強(qiáng)、接收靈敏度不夠等因素已經(jīng)嚴(yán)重影響射頻光傳輸系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。特別是在無線通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，為了擴(kuò)大空間布局和增強(qiáng)業(yè)務(wù)隱蔽性，需要把天線的射頻電信號(hào)信轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再進(jìn)行一段距離的光纖傳輸，至終端機(jī)房再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻電信號(hào)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的射頻電纜傳輸方式，射頻光傳輸具有距離遠(yuǎn)、隱蔽性強(qiáng)、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此射頻光傳輸系統(tǒng)在很多重要領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。相對(duì)于數(shù)字光端機(jī)，射頻光發(fā)收機(jī)內(nèi)部主要采用模擬光傳輸方式的復(fù)雜電路組成，各功能模塊輸出增益變化較大，系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)調(diào)繁瑣，為了解決這些問題我們將對(duì)系統(tǒng)最關(guān)鍵的射頻光發(fā)收機(jī)進(jìn)行深入分析，不僅對(duì)發(fā)收機(jī)的前后端信號(hào)處理電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還新增防浪涌和防靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)，外加在各個(gè)電路模塊間新增自適應(yīng)匹配電路，并且通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使新一代射頻光發(fā)收機(jī)獲得更好的結(jié)構(gòu)性和增益平坦度、更強(qiáng)的發(fā)光功率和更高的接收靈敏度。

二、射頻光發(fā)收機(jī)的探究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決老一代射頻光發(fā)收機(jī)的諸多缺點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)核心元器件嚴(yán)謹(jǐn)選型，精心設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)和核心電路，根據(jù)上下行射頻業(yè)務(wù)走向特點(diǎn)，把射頻光發(fā)收機(jī)一體化整合設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)小型輕便化、電磁兼容性更強(qiáng)，通過特殊電路設(shè)計(jì)增大激光器的發(fā)光功率和接收靈敏度，提高光纖傳輸?shù)木嚯x，拓展射頻系統(tǒng)空間布局組網(wǎng)能力。射頻光發(fā)收機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖1所示。

（一） 射頻光發(fā)射機(jī)原理簡析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于來自天線、衛(wèi)星等射頻信號(hào)來說，前端接收到的電信號(hào)是非常微弱的，必須經(jīng)前端信號(hào)處理電路進(jìn)行射頻電信號(hào)的放大處理，其中最為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)包括增加防浪涌電流和防靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)。經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)入光電調(diào)制器進(jìn)行電光變換，再次對(duì)前端射頻信號(hào)進(jìn)行限幅限頻、數(shù)控衰減和信號(hào)放大采樣、調(diào)制耦合等處理，最后轉(zhuǎn)換成射頻光信號(hào)輸出，為了保證光電調(diào)制后射頻光信號(hào)的平穩(wěn)輸出，建議通過ATC/APC電路來控制激光器的工作溫度和電流，保持激光器輸出光功率的穩(wěn)定性。射頻光發(fā)射機(jī)工作原理如圖2所示。

1.前端信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

前端信號(hào)處理電路主要是完成輸入射頻電信號(hào)的耦合處理，并通過限幅限頻預(yù)防脈沖信號(hào)對(duì)放大電路的損傷，再經(jīng)衰減器和射頻信號(hào)放大器處理后輸出。其工作原理如圖3所示。

2. 核心激光器選型

激光器作為電光調(diào)制器轉(zhuǎn)換模塊的核心器件，其性能好壞影響著整個(gè)光發(fā)射機(jī)的核心性能。為了滿足低噪聲、寬動(dòng)態(tài)和特定頻段的要求。優(yōu)先選擇波長為1310nm且支持DFB分布式反饋激光器，其相對(duì)噪聲強(qiáng)度（RIN）可達(dá)-160dBc/Hz，足以保證噪聲系數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

相對(duì)其它常見激光器，DFB激光器具有低閾值工作電流、超寬帶響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn);良好的光譜單色性和譜線寬度，可以減少光纖色散對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響;比不小于40dB的光信噪指標(biāo)滿足對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的抑制;合適的輻射角可以提高輸出光源與光纖介質(zhì)的耦合效率。

3. ATC/APT自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

在激光器ATC自動(dòng)溫控系統(tǒng)中，通過熱敏電阻來感應(yīng)目標(biāo)體溫度，TEC半導(dǎo)體制冷器來穩(wěn)定工作溫度。隨著激光器溫度的變化，熱敏電阻和分差放大器產(chǎn)生偏差電壓，根據(jù)偏差電壓值PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通過H橋輸出電流來控制TEC調(diào)整激光器的工作溫度。激光器APC自動(dòng)功率控制是利用激光器組件中的控制機(jī)制監(jiān)測(cè)背光數(shù)值，若輸出功率小于額定值，通過反饋電路驅(qū)動(dòng)工作電流增大，使之達(dá)到額定輸出功率值。若輸出功率大于額定值，則減小驅(qū)動(dòng)電流，使激光器輸出功率保持基本恒定。激光器ATC/APT自動(dòng)控制原理如圖4所示。

4. 光電調(diào)制的偏置控制模塊設(shè)計(jì)

光電調(diào)制就是將所傳遞的信息加載到激光上，將激光作為信息的載體，通過改變激光的振幅、頻率、相位等參量，使光攜帶信息的過程。光電調(diào)制過程中最關(guān)鍵的是對(duì)非線性失真的補(bǔ)償和消除。光電調(diào)制偏置控制模塊的工作原理如圖5所示。

（二） 射頻光接收機(jī)原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.射頻光接收機(jī)原理簡析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

在接收端經(jīng)過長距離光纖傳輸?shù)纳漕l光信號(hào)進(jìn)入光接收耦合電路后，首先進(jìn)行光功率自適應(yīng)控制調(diào)整得到相對(duì)穩(wěn)定的光信號(hào)，弱光信號(hào)接著進(jìn)入多級(jí)光放大電路進(jìn)行信號(hào)再生放大處理，并經(jīng)過高頻光接收電路將射頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換變成射頻電信號(hào)，再進(jìn)入終端信號(hào)解調(diào)模塊進(jìn)行射頻信號(hào)的放大耦合處理，最終輸出固定頻率的射頻電信號(hào)。工作原理如圖6所示。

2.光接收耦合電路分析與設(shè)計(jì)

光接收耦合電路主要完成輸入光信號(hào)的功率自適應(yīng)控制調(diào)整，保偏分光探測(cè)器主要任務(wù)是分光探測(cè)出接收到的光功率并提供給CPU控制模塊。其工作原理如圖7所示。

3.高頻光接收電路分析與設(shè)計(jì)

高頻光接收電路主要由APD雪崩光電二極管探測(cè)器電路組成，具有很高的接收靈敏度。相對(duì)于市面常見的PIN探測(cè)器，APD探測(cè)器具有更高的接收靈敏度和3dB帶寬富余度。接收同樣強(qiáng)度的射頻光信號(hào)，APD探測(cè)器可以產(chǎn)生更強(qiáng)大的激光器工作電流強(qiáng)度，從設(shè)計(jì)電路來講，可以減少了后面多級(jí)放大電路的級(jí)數(shù)，降低了引入多級(jí)放大器而產(chǎn)生的總噪聲，從而提高了射頻接收機(jī)的信噪比。偏壓控制電路示意如圖8所示。

4. 終端信號(hào)解調(diào)模塊分析與設(shè)計(jì)

終端信號(hào)解調(diào)模塊功能和前置信號(hào)調(diào)制模塊功能類似，但過程相反，主要對(duì)經(jīng)光電變換后夸阻放大的射頻電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)限幅限頻、數(shù)控衰減、放大和耦合處理，最終輸出射頻電信號(hào)給射頻系統(tǒng)終端設(shè)備使用。終端信號(hào)解調(diào)模塊工作原理如圖9所示。

三、射頻發(fā)收機(jī)關(guān)鍵電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）功能模塊間新增自適應(yīng)匹配電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證及系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們注意到不同關(guān)鍵部位的通信接口與標(biāo)準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，或者不同功能模塊與探測(cè)器之間一直存在差異的增益值，比如前端信號(hào)處理模塊和光接收耦合器件，多級(jí)光放大器和光電調(diào)制器之間也存在一定范圍的差異值。因此需要在各個(gè)功能模塊接口增加相對(duì)應(yīng)的匹配電路來改善射頻發(fā)收機(jī)的性能指標(biāo)，增強(qiáng)器件的可替換性。

增加各個(gè)模塊間的增益輸出匹配度應(yīng)遵循以下原則：優(yōu)先采用自適應(yīng)補(bǔ)償電路來調(diào)整接口增益輸出范圍，合理設(shè)計(jì)放大級(jí)數(shù)使光放大器輸出最佳增益值和平坦度，綜合考慮選用效率更高的激光器或其他元器件。

（二）增加防浪涌電流電路設(shè)計(jì)

光耦合電路和放大電路中有很多敏感器件。同時(shí)為了滿足長距離光纖傳輸所需的增益，光信號(hào)需要進(jìn)行多級(jí)放大設(shè)計(jì)，不僅要預(yù)防第一級(jí)和第二級(jí)放大芯片極易受到電壓電流沖擊而損壞，還要綜合考慮在實(shí)際應(yīng)用維護(hù)中光模塊需要進(jìn)行帶電熱插拔，這也造成了電路中浪涌電流瞬間極大沖擊，為了避免浪涌電流產(chǎn)生的影響，我們?cè)诠饨邮振詈想娐泛凸夥糯箅娐非岸思尤敕览擞侩娏麟娐吩O(shè)計(jì)。其工作原理如圖10所示。

（三）增加防靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在插拔電路板或測(cè)試操作時(shí)人體與設(shè)備之間均可產(chǎn)生靜電釋放現(xiàn)象，這些都會(huì)對(duì)電路敏感元器件產(chǎn)生嚴(yán)重影響甚至破壞，必須考慮引進(jìn)靜電保護(hù)電路機(jī)制。常見的靜電保護(hù)電路設(shè)計(jì)是給各級(jí)電路接口器件添加ESD接地處理;在此我們使用了TVS設(shè)計(jì)，它是一種特殊二極管瞬態(tài)電壓電流抑制器，具有極快的響應(yīng)速度和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，最大程度上降低靜電釋放所帶來的損害。此外考慮到靜電釋放時(shí)間短的特點(diǎn)，在重要電路前端添加敏感的供電延遲電路，待電源穩(wěn)定后再給后端電路供電，可更進(jìn)一步降低靜電釋放產(chǎn)生的影響。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)老射頻光發(fā)收機(jī)的缺點(diǎn)進(jìn)行梳理，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行深入剖析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的射頻業(yè)務(wù)走向特點(diǎn)，把射頻光發(fā)收機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化;在關(guān)鍵電路新增了防浪涌和防靜電保護(hù)電路，并對(duì)核心激光器件升級(jí)了ATC/APT自動(dòng)控制電路，特別是在各功能模塊間新增相對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)匹配電路來改善增益輸出，最后完成了射頻光發(fā)收機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使新一代射頻光發(fā)收機(jī)獲得更好的增益平坦度、更強(qiáng)的發(fā)光功率和更高接收靈敏度。從而大幅度提高光傳輸距離、擴(kuò)大射頻系統(tǒng)空間布局和增強(qiáng)隱蔽性，突出射頻通信在通信領(lǐng)域的重要地位。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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作者單位：段振英? ? 鄒琴? ? 中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所

段振英（1982.07-）女，漢族，四川內(nèi)江，碩士，工程師，研究方向：光通信技術(shù);

鄒琴（1990.09-）男，漢族，廣西桂林，本科，工程師，研究方向：光通信技術(shù)。