寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對沙漠、沼澤以及海底等無人區(qū)應(yīng)用場合的超長距離無中繼的光傳輸系統(tǒng)，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(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)；采用功率衰減補(bǔ)償、色散補(bǔ)償和非線性等技術(shù)提出了光鏈路設(shè)計(jì)搭建方案。系統(tǒng)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(yōu)于±3.5dB，帶內(nèi)噪聲輸出功率降低到-62.80dBm（測試條件：RBW：10kHz；VBW：10kHz），并實(shí)現(xiàn)了寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模擬射頻；長距離；無中繼；色散補(bǔ)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(yōu)良特性，在電子戰(zhàn)、雷達(dá)、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(yīng)用[1]。射頻光傳輸主要功能是將射頻信號調(diào)制到光上實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸。

寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光發(fā)射機(jī)和遠(yuǎn)端光接收機(jī)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(zhuǎn)換器等中繼設(shè)備，這種寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)橥ㄐ啪€路經(jīng)過沙漠、沼澤以及海底等無人區(qū)的問題，同是還可以應(yīng)用于超長距離的分布式雷達(dá)，大幅度降低中繼站的建設(shè)與維護(hù)成本[2-3]。

與傳統(tǒng)的短距離射頻光傳輸系統(tǒng)相比，存在很多需要克服的新的技術(shù)難點(diǎn)；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(shù)難點(diǎn)。目前國內(nèi)外研究及工程應(yīng)用主要是針對數(shù)字方面的光傳輸系統(tǒng)，研究模擬的超長無中繼射頻光傳輸?shù)南嚓P(guān)報(bào)道非常少。因此，研究寬帶射頻信號的低噪聲、大動態(tài)超長距離傳輸及其工程實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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?shù)膿p耗很低（0.2dB/km），但在光調(diào)制解調(diào)過程中也會引入損耗，同時(shí)也還會出現(xiàn)非線性失真和噪聲。激光光源產(chǎn)生的頻率不完全是一個(gè)點(diǎn)頻的光波長，有一定的帶寬，同時(shí)不同頻率光信號在光纖傳輸?shù)乃俣仁遣煌?，速率不同即時(shí)延不同從而引起色散，當(dāng)色散累積將最終導(dǎo)致寬帶射頻信號的幅度平坦度、噪聲等信號質(zhì)量嚴(yán)重惡化[4]。

因此長距離光傳輸鏈路與傳統(tǒng)光鏈路相比必須重新設(shè)計(jì)，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?shù)目尚行?，光鏈路的?yōu)化設(shè)計(jì)所采取的關(guān)鍵技術(shù)是至關(guān)重要的。

2.2 長距離光傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 光功率補(bǔ)償

光鏈路功率的衰減可以通過光放大器放大來補(bǔ)償，但光放大信號的的同是也會產(chǎn)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(shí)現(xiàn)；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(tǒng)可以接受的同時(shí)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(zhì)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(tài)向高能級躍遷，實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)分布而產(chǎn)生放大[5]。由于EDFA具有泵浦效率高、工作性能穩(wěn)定、帶寬大、增益曲線好以及技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在模擬和數(shù)字領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，解決了鏈路中傳輸距離受光纖損耗的限制。與數(shù)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(lián)多個(gè)EDFA將會使鏈路中產(chǎn)生很大的自發(fā)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(chǎn)生增益。由于其具有極低的噪聲系數(shù)等特點(diǎn)，與EDFA放大器一起配合使用，在跨長距離的發(fā)射端或接收端等應(yīng)用場合使用。

2.2.2 色散補(bǔ)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(chǎn)生光的色散現(xiàn)象[6]。

在超長距離微波信號傳輸過程中，光纖自身產(chǎn)生色散效應(yīng)會導(dǎo)致傳輸信號功率周期性衰減的同時(shí)，還會引起微波信號波形失真，從而導(dǎo)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(yīng)更加明顯。因此在超長距離光傳輸系統(tǒng)中色散是限制微波光傳輸?shù)闹饕颉Ｔ谀M超長距離光傳輸中，為了盡可能減小色散對系統(tǒng)信號的影響就必須采取一定的色散補(bǔ)償技術(shù)，即采用負(fù)色散器件對光纖的正色散實(shí)施抵消。同時(shí)必須準(zhǔn)確的計(jì)算光鏈路所需要補(bǔ)償?shù)木嚯x，來保證鏈路既沒有欠補(bǔ)償，也沒有過補(bǔ)償帶來浪費(fèi)成本，從而提高鏈路的性能指標(biāo)。

2.2.3 非線性效應(yīng)

光鏈路中進(jìn)入光纖的光功率不高時(shí)，光纖的折射率和損耗基本是線性的；然而光功率非常大時(shí)，則會產(chǎn)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(zhuǎn)換成反向傳輸?shù)乃雇锌怂构?，從而正向傳輸?shù)墓庑盘柎蠓鹊乃p，同時(shí)造成系統(tǒng)鏈路插損和噪聲系數(shù)的惡化[7]。因此，在光鏈路設(shè)計(jì)中充分考慮非線性效應(yīng)的影響，提高光信號功率在光纖傳輸?shù)挠行浴?/p>

3 寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖1中寬帶模擬射頻信號長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)的鏈路結(jié)構(gòu)，采用光放大與色散補(bǔ)償技術(shù)，傳輸距離大于200km的無中繼寬帶射頻信號的光傳輸。研究項(xiàng)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(gè)鏈路在傳輸距離為250km的情況下增益要求大于30dB，帶內(nèi)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(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中為了提高整個(gè)鏈路增益、降低鏈路的帶內(nèi)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(shí)保證輸入射頻信號在光調(diào)制的線性輸入?yún)^(qū)，同時(shí)在光解調(diào)模塊輸出端同樣加低噪聲放大器來補(bǔ)償光鏈路的增益。

根據(jù)圖3到圖7的仿真和實(shí)測結(jié)果可以看出，當(dāng)長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)沒有做色散補(bǔ)償時(shí)，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(tǒng)使用要求；當(dāng)進(jìn)行一定的色散補(bǔ)償后，鏈路幅度平坦度在短接時(shí)與長距離光有色散補(bǔ)償測曲線基本一致，同時(shí)長距離光鏈路中采用拉曼放大器與EDFA光放大器結(jié)合補(bǔ)償光路帶來的插損，整個(gè)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(yōu)于±3.5dB，帶內(nèi)噪聲輸出功率降低到-62.80dBm（測試條件：RBW：10kHz；VBW：10kHz）。同時(shí)我們做了相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，系統(tǒng)各個(gè)性能指標(biāo)穩(wěn)定，完全能夠滿足后續(xù)工程項(xiàng)目使用要求。

4 結(jié)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(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，提出了包括功率衰減補(bǔ)償、色散補(bǔ)償和非線性等光鏈路設(shè)計(jì)搭建方案，最終實(shí)現(xiàn)了寬帶模擬射頻信號超長距離無中繼光傳輸系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。為后續(xù)需經(jīng)過沙漠、沼澤以及海底等無人區(qū)問題的軍民用超大規(guī)模雷達(dá)天線組陣、超長距離的遠(yuǎn)程測控提供很好的解決方案，并大幅度降低中繼站的建設(shè)與維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]A. Karim， J.Devenport.High dynamic range microwave photonic links for RF signal transport and RF-IF conversion[J].Lightw. Technol，2008，26（15）：2718-2724.

[2]Lu Haihan， Lin Yingcong， Su Yuanhong Su， etal. A radio-on-fiberintelligence transport system based on electroabsorptionmodulator and semiconductor optical amplifier. Photon.Technol. Lett，2004，16（1）：251-253.

[3]PINCEMINE， GROT D， BORSIER C， etal. Impact of thefiber type and dispersionm anagem en t on theperformance of anNRZ 16×40 Gb/s DWDM transmission system[J].IEEEPhotonics Technology Letters，2004，16（10）：2362-2371.

[4]Li Yupeng， Zhang Yangan， Huang Yongqing. Slope value detection-based ditherless bias control technique for Mach-Zehnder modulator[J].Optical Engineering，2013，52（8）：087109

[5]顧畹儀，聞和，喻松，等.WDM超長距離光傳輸技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：224-251.

[6]龔倩，徐榮，葉小華，等.高速超長距離光傳輸技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2005：191-232.

[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(yè)于重慶郵電大學(xué)信息與通信工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事光通信相關(guān)技術(shù)研究工作。