大動(dòng)態(tài)射頻光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

臧習(xí)飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

大動(dòng)態(tài)射頻光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

臧習(xí)飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

介紹了大動(dòng)態(tài)射頻光纖傳輸系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，對(duì)其進(jìn)行了分析并提出了解決方案，成功實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)射頻光傳輸系統(tǒng)。

大動(dòng)態(tài)；射頻；噪聲系數(shù)

現(xiàn)代電子對(duì)抗中電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,己從陸、海、空三維立體作戰(zhàn)模式發(fā)展為陸、海、空、電磁等多維空間的作戰(zhàn)模式，為了在戰(zhàn)場(chǎng)上擁有更多的主動(dòng)權(quán),需要對(duì)各類信息進(jìn)行集中的管控與綜合性處理，這就使得具有高帶寬、大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)感知與處理變得不可或缺。大動(dòng)態(tài)射頻光纖傳輸系統(tǒng)是將射頻信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上，通過光纖鏈路來傳送射頻信號(hào)，具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在軍事國(guó)防領(lǐng)域具有非常重要的作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)原理框圖

大動(dòng)態(tài)射頻光傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射部分和光接收部分組成，其中光發(fā)射部分又包括1550 nm分布反饋式窄帶光源、低噪聲光放大器、保偏光分路器、馬赫-曾德爾(M-Z)鈮酸鋰(LiNbO3)外調(diào)制器、射頻功分器、偏振光合束器等六部分。光接收部分由色散失真補(bǔ)償、零噪聲拉曼分布式光放大器、偏振光分束器、光纖延時(shí)調(diào)整電路和平衡探測(cè)電路等五部分組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 大動(dòng)態(tài)寬帶射頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)原理框圖

發(fā)射端由DFB激光器產(chǎn)生穩(wěn)定的1550nm光源，經(jīng)低噪聲EDFA光纖放大器將偏振光功率放大至1W，再通過保偏光分路器將光平均分配給兩個(gè)并行的MZM外調(diào)制器進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，輸出的兩路偏振光信號(hào)經(jīng)保偏光合束器合成一路光信號(hào)輸入到長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯文９饫w。經(jīng)長(zhǎng)距離光纖傳輸后的光信號(hào)首先進(jìn)入色散失真補(bǔ)償模塊，對(duì)經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后存在損傷的光信號(hào)進(jìn)行修復(fù)校正，然后通過零噪聲拉曼分布式光纖放大器將光信號(hào)放大到探測(cè)器的最佳接收區(qū)間，進(jìn)入偏振控制器與偏振光分束器軸對(duì)準(zhǔn)，經(jīng)偏振光分束器將兩路偏振光分離并進(jìn)行精細(xì)的相位調(diào)整，確保最后進(jìn)入平衡探測(cè)器的兩路光信號(hào)能夠輸出幅度相同、相位互補(bǔ)的互調(diào)失真信號(hào)。

1.2 技術(shù)途徑

無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR，Spur-free Dynamic Range)是指三階交調(diào)失真等于最小可檢測(cè)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸入最大信號(hào)與最小可檢測(cè)信號(hào)功率之比[1]。以三階互調(diào)失真作為對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的界定被業(yè)界廣泛接受，可表示為：

上式中IIP3為三階輸入截止點(diǎn)，OIP3為三階輸出截止點(diǎn)，Gs為系統(tǒng)總增益，NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)。由動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算公式可知，提高動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)途徑為提高系統(tǒng)的IIP3指標(biāo)及降低系統(tǒng)NF指標(biāo)。

◆ 提高IIP3

對(duì)于模擬傳輸系統(tǒng)，IIP3和NF這兩個(gè)指標(biāo)的改善途徑是相互矛盾的，即NF降低的同時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致IIP3變差，反之亦然。因此需要在提高三階截止點(diǎn)與降低噪聲系數(shù)之間取得某種平衡，從而實(shí)現(xiàn)最佳的無雜散動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。

三階交調(diào)失真屬于非線性失真，由于器件或系統(tǒng)自身的非線性特性,輸出的信號(hào)不再與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系，而是會(huì)有新的頻率分量產(chǎn)生，且非線性失真強(qiáng)度與輸入信號(hào)功率大小有直接關(guān)系，由于這種新的頻率會(huì)對(duì)有用信號(hào)頻率產(chǎn)生干擾，所以要消除這些失真分量。如圖2所示，當(dāng)輸入的射頻信號(hào)為小信號(hào)且無增益壓縮效應(yīng)時(shí),輸出基頻分量的功率隨輸入信號(hào)功率以斜率為1增長(zhǎng),三階交調(diào)失真(IMD3)分量的功率以斜率為3隨輸入射頻信號(hào)功率增長(zhǎng)?；l信號(hào)功率與n階交調(diào)產(chǎn)物功率相等時(shí)的輸入/出功率值即為相應(yīng)的輸入和輸出截?cái)帱c(diǎn)，基頻信號(hào)與三階交調(diào)失真產(chǎn)物功率相等的點(diǎn)即為三階截止點(diǎn)。

圖2 三階截止點(diǎn)示意圖

由于三階交調(diào)失真產(chǎn)物在頻率上距離有用信號(hào)F1/F2非常近，因此無法用濾波器輕易去除,但可以測(cè)量出其功率大小。一旦測(cè)量得到IM3值后就可推算出輸入三階截點(diǎn)(IIP3)值。

目前提高三階截止點(diǎn)的方法主要有以下幾種途徑：

1) 采用高線性化的光調(diào)制、解調(diào)技術(shù)

其基本原理是構(gòu)造一個(gè)大小相等、相位相反的交調(diào)失真項(xiàng)，與系統(tǒng)產(chǎn)生的交調(diào)失真相抵消，進(jìn)而達(dá)到消除非線性失真的目的。基于兩個(gè)MZM級(jí)聯(lián)或并聯(lián)方案因其實(shí)用性和穩(wěn)定性，是最常見的調(diào)制線性化技術(shù)。另外基于雙平行雙電極調(diào)制器或雙偏振調(diào)制器等調(diào)制線性化技術(shù)能更好地抑制非線性效應(yīng)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。兩個(gè)MZM并聯(lián)方案如圖3所示，激光器輸出的光波按一定比例分成兩路光，分別經(jīng)過MZM調(diào)制，并保持兩調(diào)制器的偏置點(diǎn)一致，再通過調(diào)節(jié)射頻信號(hào)的功率比，使得上下兩路產(chǎn)生的交調(diào)失真項(xiàng)的幅值相等和方向相反，最后在接收端合成，可以抑制交調(diào)失真項(xiàng)；該方案的好處是兩個(gè)調(diào)制器的偏置點(diǎn)相同，但需精確調(diào)節(jié)激光器輸出光及射頻信號(hào)的功率比。

圖3 高線性化雙外調(diào)制器方案原理框圖

要獲得較高的調(diào)制和解調(diào)線性度，需在接收端的平衡探測(cè)器輸入端使兩路輸入光信號(hào)保持相位差180°，從而使兩路調(diào)制光產(chǎn)生的交調(diào)失真幅值相等且相位相反，方案采用兩芯光纖進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，在工程上很難保證光纖長(zhǎng)度完全一致。即使通過技術(shù)手段使兩芯光纖長(zhǎng)度相同，考慮到光纖的溫度時(shí)延效應(yīng)，不同光纖產(chǎn)生的熱脹冷縮長(zhǎng)度變化不一致將導(dǎo)致兩路光信號(hào)的相位一致性嚴(yán)重劣化。因此在工程實(shí)踐中要通過偏振光合束/分束技術(shù)使兩路光信號(hào)在同一芯光纖中傳輸，在平衡探測(cè)器前端通過高精度光纖延遲技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩路光信號(hào)相位的精細(xì)調(diào)整，確保兩路光信號(hào)的相位差為180°。

2) 在電路單元采用高線性的射頻放大技術(shù)

光傳輸系統(tǒng)中線性失真特性主要受光調(diào)制/解調(diào)器件、前置放大器等元件模塊的線性失真特性影響，且由于“電/光/電”轉(zhuǎn)換過程中存在轉(zhuǎn)換效率,使整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)惡化。為了提高光傳輸系統(tǒng)的總增益,需在光發(fā)射/光接收部分加入高增益的射頻放大，因此高線性的射頻放大技術(shù)有助于系統(tǒng)線性度的改善。

◆ 降低噪聲系數(shù)的技術(shù)途徑

射頻光纖傳輸系統(tǒng)的噪聲主要包括熱噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲和散粒噪聲[2]。熱噪聲主要來自于鏈路中各電阻元件內(nèi)部粒子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，是普遍存在的，熱噪聲電壓的瞬時(shí)值是一個(gè)均值為零、幅度起伏的隨機(jī)函數(shù)，其概率密度函數(shù)呈高斯分布。在光電器件中熱噪聲的功率譜密度與探測(cè)光電流無關(guān)，在射頻光纖傳輸系統(tǒng)中，熱噪聲的影響主要來自電信號(hào)的前置放大器，并且隨電增益的增大而升高。相對(duì)強(qiáng)度噪聲主要來自光源器件，測(cè)試數(shù)據(jù)表明它在射頻光纖傳輸系統(tǒng)中對(duì)噪聲系數(shù)的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。相對(duì)強(qiáng)度噪聲由光子的自發(fā)輻射引起,對(duì)外表現(xiàn)為激光器輸出功率的隨機(jī)抖動(dòng),它是與信號(hào)調(diào)制頻率相關(guān)的函數(shù)。采用窄帶的高純度光源可以獲得較低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，目前最好的光源可以將相對(duì)強(qiáng)度噪聲降低至-170 dB/Hz。散粒噪聲存在于大多數(shù)半導(dǎo)體器件中，由形成電流的載流子分散性造成，是模擬光鏈路的重要噪聲來源，散粒噪聲電流是滿足泊松分布的隨機(jī)過程，散粒噪聲功率譜密度與探測(cè)光電流成正比,即與接收光功率呈正比。射頻光纖傳輸系統(tǒng)改善系統(tǒng)噪聲系數(shù)的技術(shù)途徑主要有如下幾種：

1) 采用平衡探測(cè)技術(shù)

平衡探測(cè)技術(shù)采用兩個(gè)探測(cè)器并聯(lián)組成基于外差檢測(cè)的噪聲抑制電路結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于發(fā)射端的雙外調(diào)制器并聯(lián)方案。通過對(duì)輸入探測(cè)器的兩路偏振調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行精細(xì)的相位調(diào)整，使兩路探測(cè)器輸出信號(hào)中的基頻成分幅度相等且相位具有互補(bǔ)特性，經(jīng)差分檢測(cè)后實(shí)現(xiàn)共模噪聲的消除和基頻幅度的提升，從而使接收端的噪聲系數(shù)得到改善。

2) 采用外調(diào)制低偏置技術(shù)

低偏置技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于鈮酸鋰馬赫增德爾調(diào)制(MZM)的傳遞函數(shù)可被定量描述，涵蓋了工作點(diǎn)的具體信息，基于低偏置噪聲抑制的模擬光鏈路無需引入額外的器件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前外調(diào)制器控制一般是對(duì)Quad+，Quad-，max，min四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行控制。而低偏置技術(shù)控制點(diǎn)并不在這4個(gè)點(diǎn)上，需要重新設(shè)計(jì)一個(gè)可在任意點(diǎn)偏置的自動(dòng)控制電路，再根據(jù)調(diào)制信號(hào)一階和二階對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)偏置點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

圖4所示為系統(tǒng)噪聲系數(shù)、輸出噪聲功率密度及增益隨偏置角度變化的曲線圖。當(dāng)偏置角位于90°～180°之間，噪聲比增益下降的速度更快，因此噪聲系數(shù)得到改善。而當(dāng)偏置點(diǎn)位于180°附近的區(qū)域時(shí)，隨著偏置角度的增加，增益比噪聲下降的速度更快，相應(yīng)的噪聲系數(shù)被惡化。因此，存在某一個(gè)最佳偏置角度，使鏈路中的噪聲系數(shù)達(dá)到最低，另外該最佳偏置角度的選擇與輸入光功率密切相關(guān)。

3) 采用低強(qiáng)度噪聲光源

低強(qiáng)度噪聲光源具有更低的本底噪聲，可以為整個(gè)系統(tǒng)帶來最原始的噪聲性能改善，由于強(qiáng)度噪聲主要來自光子的自發(fā)輻射，因此減少有效光子的數(shù)量有助于降低強(qiáng)度噪聲，窄線寬光源光譜純度高，理論上強(qiáng)度噪聲也更低，目前最好的光源可以將強(qiáng)度噪聲降低至-170 dB/Hz，相對(duì)普通光源噪聲改善10 dB以上。

4) 提高光鏈路凈增益

采用外調(diào)制技術(shù)理論上可以將“電/光”轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍提高至120 dB以上，但實(shí)際應(yīng)用中只能達(dá)到1 dB，一個(gè)很重要的原因就是輸入光功率不足，這是由現(xiàn)階段1550 nm分布反饋式光源的生產(chǎn)成本決定的。目前商用的1550 nm波長(zhǎng)光源普遍在100 mW以下，而外調(diào)制器的最大輸入功率可以達(dá)到1 W以上，兩者之間的功率匹配相差10倍以上，因此通過對(duì)現(xiàn)有的光放大器進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，將光源功率放大到1 W以上且不引入過多的強(qiáng)度噪聲，就可實(shí)現(xiàn)光路噪聲系數(shù)的改善。其基本原理就是通過采取特殊的濾波技術(shù)將光路中剩激光相對(duì)強(qiáng)度噪聲予以濾除而又不影響原始光源的物理特性。

圖4 噪聲系數(shù)、輸出噪聲功率密度及增益隨偏置角度變化的曲線圖

3 結(jié)束語

文中所設(shè)計(jì)的大動(dòng)態(tài)射頻光纖傳輸系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)100 km傳輸后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無雜散動(dòng)態(tài)可達(dá)116 dB.Hz2/3，比傳統(tǒng)的射頻光傳輸系統(tǒng)(無雜散動(dòng)態(tài)96 dB.Hz2/3)改善了約20 dB。其采用模塊化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)，性能優(yōu)越，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 孫文龍，田偉.微波光子鏈路無雜散動(dòng)態(tài)范圍概述[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013(12)：235-236.

[2] 金麗麗，陳福深，陳吉欣.微波光鏈路的噪聲系數(shù)分析[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2009(11)：92-96.

The Design and Realization of High Dynamic RF Optical Fiber Transmission

Zang Xifei

(The34thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,GuilinGuangxi541004,China)

This paper introduces the technology realization of high dynamic RF optical fibre transmission system; analyses the principle and puts forward some solutions. Finally, a high dynamic RF optical fibre transmission system is successfully realized.

high dynamic；radio frequence(RF)；noise figure(NF)

2017-06-12

臧習(xí)飛(1979- )，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，研究方向：模擬光通信系統(tǒng)與設(shè)備的研究與開發(fā)。

1674- 4578(2017)04- 0049- 03

TN929

A