微波信號光纖傳輸中自動增益控制系統的應用

文/鄧依蕎

互聯網與物聯網時代，自動增益控制電路在各行各業(yè)中得到充分而廣泛的應用。自動增益控制電路主要功能在于基于反饋原理，通過自動增益控制，保證接收機中的微波信號光纖傳輸能夠保持恒定，實現整機輸出，減少高頻信號在長距離傳輸過程中的信息損耗，由此便可避免飽和、失真及壓縮信號損害系統后端設備，滿足高容量信息技術時代下的微波通信需求[1]。

1.微波自動增益控制技術分析

1.1 微波自動增益控制技術原理

微波信號光纖傳輸是當前光通信技術與無線通信技術融合下的產物，也是未來我國通信技術領域的一大前沿技術。四川廣播電視臺702發(fā)射傳輸臺播出監(jiān)測系統自從2003年建成以來，已連續(xù)運行工作15年，該系統需要采集傳輸的微波信號包括1路VGA信號、18路LBANDQPSK信號及8路ASI信號，雖然微波信號光纖傳輸具有信號穩(wěn)定、帶寬大、損耗低、無輻射和免于電磁干擾等技術優(yōu)點，但由于在長距離高頻信號傳輸中微波光纖信號的帶寬會受到影響與干擾，因此，需要通過微波自動增益實現高容量微波信號信息傳輸。如圖1所示為微波自動增益控制技術實施原理圖[2]：

圖1 技術原理

在微波信號傳輸通路中，先經過可調增益放大器，向定向耦合器傳輸微波自動增益控制信號，然后定向耦合器中的耦合信號與直通信號分別輸出直流電信號與微波信號；檢波器經過直流濾波及A/D轉換，最后通過數字信號分析與模擬，輸出可調增益微波信號。在此末端環(huán)節(jié)，通過分析與控制可自動設置微波信號輸出控制可調增益放大倍數。

1.2 微波自動增益控制技術指標分析

1.2.1 檢波器頻率范圍

它是整個微波自動增益控制系統技術實施的關鍵指標。在不同的運行頻率之下，系統檢波器的控制結果偏差很大，這種偏差會隨著自動增益控制系統頻段范圍跨度的增大而增加。為防止檢波器本身的頻率范圍波動對微波自動增益控制系統技術的實施結果產生較大干擾和影響，應在寬頻帶系統中加強對定向耦合器與系統檢波器輸入耦合信號的阻抗匹配性研究，減小檢波器頻率范圍誤差[3]。

1.2.2 系統所能分辨最小輸入信號變化值的靈敏度

整個微波自動增益控制系統的A/D分辨率與其靈敏度指標有著直接關聯，系統檢波器輸出的直流電壓與輸入微波自動增益控制系統中的微波信號的實際幅度成正比，而通過檢波輸出的直流電壓會受電波信號的波紋干擾和影響。由于具體頻段不同，所以實際微波信號干擾程度也不同。在微波傳輸自動增益控制過程中，應根據輸入到檢波器中的實際微波信號進行直流濾波。

1.2.3 系統輸入信號動態(tài)范圍

微波自動增益控制系統中輸入和輸出的微波信號均會在一定范圍內進行波動，但可調增益放大器的增益調整范圍能夠直接影響微波輸入信號的動態(tài)變化值。一般而言，增益調整范圍越小或越大，輸入微波自動增益控制系統中的信號動態(tài)范圍也就越小或越大。

2.微波信號光纖傳輸技術原理

2.1 微波信號光纖傳輸系統

圖2 微波信號光纖傳輸系統圖示

圖2 所示為微波信號光纖傳輸系統架構，主要由輸入的微波信號、光源及光纖、光探測器和輸出的微波信號五部分組成。在微波信號光纖傳輸中，微波信號先需要被調制到波長為1260～1610nm的光信號中，而微波光信號則需經過光纖傳輸，被輸入到光探測器，再經過光探測器，從光信號中將微波信號解調出來，最終輸出微波信號。

在上述系統中，微波信號光纖傳輸需經過“光源”這一核心模塊實現模擬信號與光信號的微波調制與轉換，進而通過數字調制/模擬調制或直接調制/降解調制，按照如下圖3所示原理，輸出所需微波信號，有效避免了信號失真這一問題的出現。

圖3 微波信號光纖傳輸調制技術圖示

在圖3中，可用如下公式表示經過調制后輸出的微波光纖信號的輸出光功率[4]：

式中：

微波信號光纖傳輸平均光功率——P0；

微波信號光纖傳輸強度調制系數——mi；

微波信號光纖傳輸調制信號角頻率——ωm。

2.2 微波信號光纖傳輸及調制原理

目前，最常用的外調制器是鈮酸鋰LiNbO3馬赫-曾德，其通過行波電極可在較小的調制信號頻率之內，實現高速率工作，這種外調制器下的光纖能夠與光波導進行有效耦合，同時還可減小原理上器上的光纖損耗，降低對波長的依賴性，提升系統調制工作性能。但在外調制中，須使外調制器處于最佳偏置點，并通過分析輸入的光功率、外界環(huán)境溫度及調制時間等因素的影響和干擾，才能防止經調制后的微波信號失真或發(fā)生漂移。

圖4 外調制原理

3.微波信號光纖傳輸中自動增益控制系統的應用分析

在我站原有信號源切換傳輸系統中，衛(wèi)星地球站的ASI基帶光纖、廣電中心微波6路信號源及高塔SDH微波等，依次經自動切換矩陣8X8ASI模塊后，輸出口分別接入5個調制器中，并經過中頻自動切換開關接入中頻手動切換開關。但自動切換矩陣8X8 ASI模塊在信號傳輸時，需通過跳站切換信號源，不僅安全性較差，且需要多個信號調制器。

基于自動增益控制系統進行微波信號光纖傳輸時，地球站現有系統的6路信號源分別通過廣電中心微波、高塔SDH 微波及ASI基帶光纖就可傳輸至地球站，在自動增益控制中，需事先將微波信號調制到系統光源中，然后，通過光纖即可將系統光源輸出的調制光信號輸入到光探測器中。

經解調，微波信號從光信號光探測器中解調而出，通過增益可調放大器自動增益控制，微波信號即可自動輸入到定向耦合器。在最終輸出過程中，一部分微波信號會輸出到定向耦合器中，還有另外一部分微波信號會自動被輸出到系統檢波器，從中輸出直流信號，并經過直流濾波與AD轉換，由自動增益控制系統的可調增益放大器模塊增益控制，輸出所需數字信號[5]。

圖5 技術應用流程

根據上述流程 ，得到基于自動增益控制的微波信號光纖傳輸技術應用測試結果，詳細對比數據值見表1、表2：

表1 應用測試結果

表2 未經自動增益控制的微波信號光纖傳輸技術應用測試結果

通過上表數據對比可以看出，在相同的輸入信號頻率下及輸入信號幅度中，基于自動增益控制的微波信號光纖傳輸最終得到的輸出信號幅度值與未采用自動增益控制的微波信號光纖傳輸最終得到的輸出信號幅度值存在較大差異。

自動增益系統除了信號監(jiān)測功能外，還能及時判斷信號故障點，并給予告警提示，同時將微波信號及時切換到正常備用信號源或設備。當實際輸入信號頻率分別設 定 為 95MHz-105MHz、450MHz-550MHz及 900MHz-1100MHz，且當實際輸入信號幅度分別設定為-20dBm、-15dBm及-10dBm時，基于自動增益控制的微波信號光纖傳輸技術應用測試結果更為穩(wěn)定，而未經自動增益控制的微波信號光纖傳輸輸出信號幅度波動幅度很大，且隨著輸入信號幅度的變化而變化。

由此表明，微波信號光纖傳輸中自動增益控制系統具有可靠性好、實用性強及架構原理先進、經濟性佳等諸多優(yōu)點和特點。我站通過自動增益控制系統對改進后的信號源切換系統中的微波信號進行傳輸，系統鏈路簡單明了，新配置的調制器符合國際通訊、網絡接口標準，兼容性好，信息化程度高，符合衛(wèi)星通信、計算機和網絡通訊技術、廣播電視技術要求標準和最新發(fā)展潮流。

結語

自動增益控制技術的應用，能夠有效提升微波信號光纖通信質量與信號波動穩(wěn)定性。以往在微波信號光纖通信系統中，光纖接頭和光纜差損會導致光探測器輸出的微波信號幅度變化不穩(wěn)定，且接收光功率差異較大。而本文通過自動增益控制，不僅解決了這一問題，還經調制獲得了高質量的微波傳輸信號。