智能微波光子射頻前端與鏈路

（西南交通大學(xué)，四川 成都 611756）

(Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

隨著新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展演進(jìn)，各種不同頻段、制式的通信標(biāo)準(zhǔn)和無(wú)線業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致無(wú)線系統(tǒng)的多樣性與異構(gòu)性越來(lái)越明顯，主要表現(xiàn)為：多種不同通信制式、標(biāo)準(zhǔn)共存，例如,已經(jīng)開(kāi)始商用的5G、目前主流的4G以及擁有一定用戶存量的3G和2G；各種不同功能的無(wú)線業(yè)務(wù)共存，例如，無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、北斗和全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航等；不同頻段射頻信號(hào)共存，覆蓋幾十兆赫茲的微波到幾十吉赫茲的毫米波甚至太赫茲波。在此背景下，無(wú)線系統(tǒng)不斷朝著智能化方向發(fā)展，一方面能夠進(jìn)行寬帶多頻段、多功能、多標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的無(wú)縫兼容與融合；另一方面具有靈活可重構(gòu)特性，可根據(jù)系統(tǒng)功能、服務(wù)對(duì)象、應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行不同頻段、標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線信號(hào)的切換與優(yōu)化組合，以達(dá)到資源利用最大化。

射頻前端與鏈路是無(wú)線系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，承擔(dān)著無(wú)線信號(hào)的收發(fā)處理與傳輸?shù)汝P(guān)鍵任務(wù)；因此，發(fā)展具有大帶寬、多頻段以及可重構(gòu)特性的智能射頻前端與鏈路對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的進(jìn)一步演進(jìn)至關(guān)重要?，F(xiàn)有基于傳統(tǒng)電子技術(shù)的射頻前端與鏈路存在著高頻損耗大、帶寬窄、處理速度低等諸多瓶頸問(wèn)題，難以滿足無(wú)線系統(tǒng)的智能化發(fā)展需求。近些年來(lái)，微波光子學(xué)的快速興起、成熟為上述問(wèn)題的解決提供了新的方法和思路。微波光子系統(tǒng)將傳統(tǒng)電子學(xué)難以處理的高頻、寬帶微波信號(hào)調(diào)制到光域上，借助于光子學(xué)器件或者技術(shù)的低損耗、大帶寬以及抗電磁干擾等本征優(yōu)勢(shì)進(jìn)行寬帶、高頻微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理、檢測(cè)和控制等[1]。微波光子技術(shù)能夠有效地緩解傳統(tǒng)電子學(xué)技術(shù)在處理和傳輸高頻段、大帶寬、動(dòng)態(tài)時(shí)變微波信號(hào)時(shí)所面臨的困境；因此，滿足寬帶、多頻段以及可重構(gòu)等特性的微波光子智能射頻前端與鏈路是近些年來(lái)微波射頻器件研究的熱點(diǎn)。

1 智能微波光子射頻前端

射頻前端位于無(wú)線系統(tǒng)最前端，負(fù)責(zé)連接收發(fā)機(jī)與天線，是整個(gè)系統(tǒng)性能好壞的決定性因素之一。隨著5G移動(dòng)通信及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用部署，以及為滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)中雷達(dá)的高性能需求，射頻前端需要處理的信號(hào)不斷變得更加復(fù)雜，向著超高頻、多種調(diào)制格式、多頻段、多波束收發(fā)和多點(diǎn)無(wú)線資源協(xié)同等智能化方向發(fā)展。然而，由于不同頻段使用的電子元件截然不同，電子射頻前端難以通過(guò)堆疊射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)跨多波段甚至全通信波段的可調(diào)諧和可重構(gòu)功能；因此，具有可調(diào)諧可重構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的寬帶微波光子射頻前端應(yīng)運(yùn)而生，并日益發(fā)展壯大。

1.1 可重構(gòu)收發(fā)射頻前端

▲圖1 微波光子收發(fā)前端示意圖

微波光子收發(fā)射頻前端主要結(jié)構(gòu)如圖1所示 。同傳統(tǒng)的電射頻前端一樣，微波光子射頻前端（MPRF）需要完成信號(hào)放大、濾波、本地振蕩（LO）信號(hào)產(chǎn)生、針對(duì)發(fā)送和接收的上下變頻等。而不一樣的是，MPRF一方面將射頻信號(hào)變換到光域，利用微波光子技術(shù)的大帶寬優(yōu)勢(shì)替代電子器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波和混頻等處理功能，以兼容多頻段、多制式、多功能信號(hào)；另一方面可通過(guò)光子技術(shù)產(chǎn)生高頻、可調(diào)諧的LO信號(hào)。

目前，可重構(gòu)MPRF的研究主要集中于利用微波光子混頻技術(shù)的寬帶優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收信號(hào)的寬帶可調(diào)諧上、下變頻，以滿足智能系統(tǒng)的多頻段信號(hào)兼容與靈活可重構(gòu)需求。美國(guó)Vencore實(shí)驗(yàn)室的研究人員針對(duì)接收射頻前端，利用外調(diào)制產(chǎn)生光梳多頻本振，在實(shí)驗(yàn)中將2～18 GHz范圍的射頻信號(hào)下變頻至2 GHz中頻頻段[3]。南京航空航天大學(xué)的研究人員利用外調(diào)制產(chǎn)生雙光梳本振，研制了S波段到Ka波段的收發(fā)射頻前端[4]。意大利國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用鎖模激光器產(chǎn)生光頻梳本振，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的可調(diào)諧上、下變頻接收與發(fā)送，頻率調(diào)諧范圍為2～18 GHz[5]。清華大學(xué)的研究人員提出了一種基于光電振蕩器（OEO）的可調(diào)諧寬帶光子射頻前端方案，可調(diào)諧頻率范圍可覆蓋X波段到Ka波段[6]。此外，該課題組還利用基于光頻梳和色散介質(zhì)的微波光子濾波器構(gòu)造接收射頻前端，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)下變頻接收的同時(shí)進(jìn)行中頻濾波，頻率覆蓋范圍大于20 GHz[7]。

此外，可重構(gòu)MPRF的芯片集成是最近興起的熱點(diǎn)研究方向，以提供低成本、小體積和高可靠的光子射頻前端解決方案。清華大學(xué)的研究人員提出一種基于硅基集成的微波光子收發(fā)前端[8]，利用片上相位外調(diào)制產(chǎn)生光本振，實(shí)現(xiàn)的發(fā)送信號(hào)調(diào)諧范圍為2～10 GHz，可處理的接收信號(hào)頻率覆蓋為2～15 GHz。西南交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種通用的微波光子集成芯片（PIC）[9]，如圖2所示。該芯片單片集成了多個(gè)可調(diào)諧的激光器、調(diào)制器和耦合器，實(shí)現(xiàn)微波光子鏈路結(jié)構(gòu)和信號(hào)流向的重構(gòu)，能夠靈活配置，跨越微波信號(hào)產(chǎn)生、傳輸和處理3大核心領(lǐng)域?qū)嵤┒囗?xiàng)功能，包括遠(yuǎn)端信號(hào)產(chǎn)生、強(qiáng)度/相位調(diào)制的微波光子傳輸鏈路、可調(diào)諧帶通/帶阻濾波器、微波瞬時(shí)頻率測(cè)量、微波脈沖重復(fù)頻率測(cè)量等。該芯片直接應(yīng)用于承載室內(nèi)和室外場(chǎng)景的日常實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)：直接部署在成都-重慶（成渝）高鐵線路沿線，針對(duì)電磁干擾進(jìn)行監(jiān)測(cè)；被嵌入到4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)和4K高清視頻接入系統(tǒng)，支撐日常實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

1.2 多信道/陣列化收發(fā)射頻前端

多信道/陣列化收發(fā)前端分為兩部分討論：一部分是光子真時(shí)延相控陣收發(fā)前端，另一部分是寬帶信號(hào)的信道化接收前端。

▲圖2 通用微波光子芯片及其應(yīng)用于室內(nèi)和室外場(chǎng)景的日常實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)承載示意圖[10]

▲圖3 基于光子真時(shí)延的相控陣收發(fā)前端示意圖

相控陣收發(fā)前端通過(guò)控制各個(gè)陣元幅度和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的高效定向覆蓋，能夠有效降低系統(tǒng)損耗，增加覆蓋范圍，降低附加干擾；因此，相控陣收發(fā)前端在雷達(dá)、無(wú)線通信等射頻微波領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用?；诠庾诱鏁r(shí)延的波束賦形技術(shù)因其能夠充分利用光子技術(shù)的抗電磁干擾、重量輕、體積小、低損耗、高帶寬等優(yōu)勢(shì)，有望替代現(xiàn)有帶寬受限電子技術(shù)來(lái)滿足射頻智能系統(tǒng)的寬譜靈活覆蓋需求?；诠庾诱鏁r(shí)延波束賦形的陣列化收發(fā)前端基本結(jié)構(gòu)如圖3所示：射頻信號(hào)經(jīng)電光轉(zhuǎn)換至光域，通過(guò)光子學(xué)手段對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行群時(shí)延調(diào)控，最終獲得多路不同延時(shí)的天線饋送射頻信號(hào)。實(shí)現(xiàn)光子真時(shí)延相控陣收發(fā)前端的關(guān)鍵在于光域群時(shí)延操控方法。1991年，美國(guó)W. NG等首次利用固定長(zhǎng)度的光纖和光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了光子真時(shí)延相控陣天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了2 GHz和9 GHz射頻信號(hào)的波束掃描[11]。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了利用波長(zhǎng)相關(guān)的色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光子真時(shí)延的方案，在2～18 GHz工作帶寬內(nèi)波束掃描角大于100°[12]。西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用受激布里淵（SBS）散射的慢光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光子真時(shí)延，延遲時(shí)間為0～10 ns[13]。澳大利亞斯溫伯恩技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員基于小型化的微諧振腔產(chǎn)生光學(xué)頻率梳作為多波長(zhǎng)光源，有效增加光子真時(shí)延相控陣系統(tǒng)可支持的天線單元數(shù)目[14-15]，最高可達(dá)81個(gè)。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的研究人員則基于集成的空間光學(xué)器件提供光子真時(shí)延，可支持的天線單元數(shù)目高達(dá)112個(gè)，射頻覆蓋范圍超過(guò)20 GHz[16]。南京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出利用微波光子濾波方法實(shí)現(xiàn)多波束光子真時(shí)延相控陣系統(tǒng)[17]。

微波光子信道化接收機(jī)通過(guò)光子技術(shù)、器件在光域?qū)拵漕l信號(hào)劃分成若干均勻/非均勻子信道，便于后續(xù)的進(jìn)一步精細(xì)處理，能夠滿足智能系統(tǒng)的寬帶多頻段信號(hào)感知接收需求。根據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不同，微波光子信道化接收機(jī)大致可分為3類(lèi)，分別為空分復(fù)用型（SDM）、波分復(fù)用型（WDM）以及時(shí)分復(fù)用型（TDM）[18]。SDM型號(hào)微波光子信道化接收機(jī)利用空間濾波器將射頻信號(hào)分離成多個(gè)并行信道，每個(gè)信道包含一部分射頻信號(hào)頻譜的分離。美國(guó)New Focus公司的研究人員基于自由空間衍射光纖對(duì)射頻信號(hào)實(shí)施信道化，獲得了1 GHz的信道分辨率，總瞬時(shí)帶寬超過(guò)了100 GHz[19]。WDM微波光子信道化接收機(jī)利用光信道化濾波在光波長(zhǎng)域?qū)ι漕l信號(hào)進(jìn)行頻譜切割，使得每個(gè)光波長(zhǎng)信道對(duì)應(yīng)于一部分射頻信號(hào)的頻譜分量，最終通過(guò)波分解復(fù)用獲得多個(gè)平行且頻譜分離的信道。西南交通大學(xué)課題組基于多個(gè)不同中心頻率的SBS增益譜進(jìn)行光域信道化濾波，信道分辨率可達(dá)十幾兆赫茲[20]。北京郵電大學(xué)研究人員結(jié)合兩個(gè)相干光頻率梳和相干解調(diào)技術(shù)解決了WDM方案需要頻域精細(xì)濾波和精確波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中獲得了7個(gè)帶寬為0.5 GHz的信道，頻譜覆蓋3.75～7.25 GHz[21]。南京航空航天大學(xué)研究人員利用2個(gè)相干光頻率梳以及SBS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信道化接收機(jī)，獲得的信道間隔可以小于80 MHz[22]。TDM型微波光子信道化接收機(jī)主要通過(guò)光波長(zhǎng)掃描或者光頻循環(huán)模塊將射頻信號(hào)的頻譜映射至?xí)r域，借助于時(shí)域控制開(kāi)關(guān)在時(shí)間域進(jìn)行射頻信號(hào)頻譜分離，即一段時(shí)間對(duì)應(yīng)于一部分頻譜分量。清華大學(xué)研究人員結(jié)合循環(huán)光頻移和時(shí)域光開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了20 GHz寬譜信號(hào)的信道化，系統(tǒng)分辨率可達(dá)2 MHz[23]。

2 智能微波光子射頻鏈路

微波光子射頻鏈路（MPRL）的基本模型如圖4所示：首先將模擬射頻信號(hào)經(jīng)電光調(diào)制器件加載至光載波上，再利用光纖鏈路進(jìn)行遠(yuǎn)端分發(fā)，最后經(jīng)光電解調(diào)器件恢復(fù)出射頻信號(hào)。面向智能化系統(tǒng)的應(yīng)用，MPRL面臨的核心挑戰(zhàn)是如何保證多種不同頻段、不同制式射頻信號(hào)的高保真度輸出，涉及的鏈路特性有動(dòng)態(tài)范圍、相位穩(wěn)定度以及不同頻段、制式射頻信號(hào)的兼容性。下面我們圍繞上述3個(gè)問(wèn)題，分別介紹大動(dòng)態(tài)范圍MPRL、高相位穩(wěn)定性MPRL，以及多業(yè)務(wù)融合MPRL。

2.1 大動(dòng)態(tài)范圍微波光子射頻鏈路

MPRL的動(dòng)態(tài)范圍表征鏈路可處理信號(hào)的幅度范圍，其下限取決于鏈路的噪聲性能，上限取決于鏈路的非線性特性；因此，抑制噪聲和消除非線性是提升動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵。MPRL的噪聲抑制主要有兩種方法：一種是低偏置馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器（MZM）[24]，通過(guò)將低光生電流抑制光電探測(cè)器散粒噪聲和激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）；另一種基于平衡探測(cè)技術(shù)[25]抑制激光器的RIN。相較于噪聲的隨機(jī)性，MPRL的非線性失真來(lái)源明確（主要來(lái)源于調(diào)制器件與光電探測(cè)器件的非線性，且在絕大多數(shù)情況下，調(diào)制器件的調(diào)制非線性作用占主導(dǎo)地位），產(chǎn)生機(jī)理又較為清楚，通過(guò)鏈路的非線性失真補(bǔ)償往往能夠以較小的代價(jià)獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍的收益提升；因此，MPRL線性化一直以來(lái)都是大動(dòng)態(tài)范圍MPRL研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。已報(bào)道的MPRL線性化方法大致可分為前饋線性化、模擬預(yù)失真、數(shù)字線性化和全光線性化等。

▲圖4 微波光子鏈路基本模型

前饋線性化與模擬預(yù)失真技術(shù)均借鑒于傳統(tǒng)的電放大器線性化方法。前饋線性化方案需要兩條光電鏈路：一條鏈路進(jìn)行錯(cuò)誤信息提取，另外一條將此錯(cuò)誤信息傳輸至接收端與接收信號(hào)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)非線性失真消除。美國(guó)霍普金斯大學(xué)的研究人員利用前饋線性化技術(shù)該技術(shù)對(duì)MZM強(qiáng)度調(diào)制MPRL進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償，獲得的鏈路無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為110 dB·Hz2/3[26]。模擬預(yù)失真技術(shù)通過(guò)外部模擬電路在信號(hào)未調(diào)制光載波前進(jìn)行預(yù)失真處理。模擬電路的傳輸函數(shù)與MPRL相反，兩者級(jí)聯(lián)最終可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的線性化。加拿大康考迪亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于零偏振二極管[27]進(jìn)行了直接調(diào)制MPRL的線性化，獲得的鏈路SFDR大于110 dB·Hz4/5。

數(shù)字線性化技術(shù)將模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變換到數(shù)字域，利用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法進(jìn)行鏈路的非線性失真補(bǔ)償。線性化實(shí)現(xiàn)方法與模擬預(yù)失真類(lèi)型類(lèi)似：構(gòu)造與MPRL的相反傳遞函數(shù)并對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)先或后處理，以抵消MPRL的非線性失真。北京郵電大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用記憶多項(xiàng)式線性化模型，采用數(shù)字預(yù)失真的方式對(duì)寬帶的射頻信號(hào)進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)15 dB的三階交調(diào)失真（IMD3）抑制[28]。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員提出了一種數(shù)字后處理算法將MPRL的SFDR性能提高至120 dB·Hz2/3[29]。美國(guó)霍普金斯大學(xué)的研究人員基于相位調(diào)制I/Q解調(diào)MPRL，利用數(shù)字后處理的方法獲得的鏈路SFDR超過(guò)126.8 dB·Hz4/5[30]。

全光線性化利用光子技術(shù)進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償，具有大帶寬的優(yōu)勢(shì)，是近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。全光線性化的主流方法為利用較為復(fù)雜的級(jí)聯(lián)或并聯(lián)調(diào)制結(jié)構(gòu)，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化設(shè)置獲得兩路非線性特性相反或相同的調(diào)制路徑，最終通過(guò)兩路非線性失真的相互抵消實(shí)現(xiàn)鏈路的線性化。美國(guó)麻省理工學(xué)院的課題組利用級(jí)聯(lián)MZM結(jié)構(gòu)，并通過(guò)非線性失真的抑制獲得了132 dB·Hz4/5的 SFDR 性能[31]。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員基于雙MZM并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行MPRL的線性化，理論上可獲得144 dB·Hz4/5的SFDR性能[32]。清華大學(xué)的研究人員進(jìn)一步地提出了更為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的基于雙平行MZM（DPMZM）的線性化方案，實(shí)驗(yàn)上獲得了122.9 dB·Hz2/3的SFDR性能[33]。加拿大渥太華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于偏振調(diào)制器和Sagnac環(huán)方案，實(shí)現(xiàn)超過(guò)50 dB的IMD3抑制，SFDR可達(dá)121 dB·Hz2/3[34]。西南交通大學(xué)課題組利用鈮酸鋰相位調(diào)制器的偏振特性實(shí)現(xiàn)了MPRL的線性化[35]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且無(wú)偏置漂移。

2.2 高相位穩(wěn)定性微波光子射頻鏈路

利用MPRL的低損耗、抗電磁干擾、大帶寬等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行射頻信號(hào)的長(zhǎng)距離穩(wěn)相傳輸，在射電天文學(xué)、深空網(wǎng)絡(luò)、分布式合成孔徑雷達(dá)、高精度時(shí)鐘信號(hào)分配以及粒子加速器等系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。溫度變化、機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境擾動(dòng)所造成的光纖有效折射率與長(zhǎng)度變化會(huì)引起MPRL傳輸射頻信號(hào)的相位隨機(jī)抖動(dòng)，經(jīng)時(shí)間積累，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作；因此，實(shí)現(xiàn)高相位穩(wěn)定射頻信號(hào)傳輸是MPRL非常重要的研究方向。

▲圖5 主動(dòng)式微波光子射頻鏈路穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)示意圖

當(dāng)前，MPRL穩(wěn)相傳輸方法主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)為主動(dòng)式穩(wěn)相傳輸技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示[36]，其核心思路為提取鏈路往返信號(hào)的相位抖動(dòng)信息，以此反饋控制電路或者光路時(shí)延，從而補(bǔ)償射頻信號(hào)在MPRL傳輸中的相位抖動(dòng)。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的研究人員通過(guò)壓控振蕩器（VCO）反饋控制進(jìn)行電路時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了射頻信號(hào)的146 km長(zhǎng)距離穩(wěn)相傳輸，1 s和30 000 s頻率穩(wěn)定度分別為3×10-15和1×10-19[37]。法國(guó)巴黎天文臺(tái)的研究人員利用了VCO電路延時(shí)反饋控制，實(shí)現(xiàn)了176 km的射頻信號(hào)穩(wěn)相傳輸，1 s和10 000 s頻率穩(wěn)定度分別達(dá)到了10-16和10-19量級(jí)[38]。北京大學(xué)的研究人員反饋控制電相移器實(shí)現(xiàn)了100 MHz信號(hào)的100 km穩(wěn)相傳輸，1 s和4 000 s頻率穩(wěn)定度分別為3×10-14和 3×10-17[39]。法國(guó)巴黎大學(xué)的研究人員利用壓電陶瓷光纖延遲線的反饋控制補(bǔ)償光路時(shí)延抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了1 s和1 d頻率穩(wěn)定度分別為1.3×10-15和1×10-18，傳輸距離為86 km，射頻信號(hào)頻率為9.15 GHz[40]。北京郵電大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光器波長(zhǎng)的反饋控制進(jìn)行光路時(shí)延抖動(dòng)補(bǔ)償，在45 km光纖鏈路和2.5 GHz傳輸射頻信號(hào)情況下，獲得的1 s和104 s頻率穩(wěn)定度分別為3.3×10-13和 7.5×10-17[41]。

主動(dòng)式補(bǔ)償方法的性能直接取決于電相移器、VCO和光可調(diào)延時(shí)線等補(bǔ)償器件的自身特性，具有響應(yīng)速度慢和調(diào)諧范圍窄等限制。另一類(lèi)穩(wěn)相傳輸技術(shù)為被動(dòng)式補(bǔ)償方法，即利用混頻相消的原理進(jìn)行鏈路的時(shí)延抖動(dòng)補(bǔ)償。我們以如圖6所示的方案[42]為例，簡(jiǎn)要闡述被動(dòng)式補(bǔ)償方法的一般原理：射頻信號(hào)在本地端二分頻后經(jīng)MPRL傳輸至遠(yuǎn)端，設(shè)鏈路傳輸帶來(lái)的相位變化為θ，則在遠(yuǎn)端的射頻信號(hào)變?yōu)?。該信?hào)分成兩路，一路回傳至本地端與發(fā)送射頻信號(hào)混頻后得到的第二路的發(fā)送信號(hào)，另外一路與該混頻信號(hào)在遠(yuǎn)端混頻，最終消除相位項(xiàng)θ，從而有效補(bǔ)償光纖鏈路的相位抖動(dòng)。

該方法不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償速度快，且理論上具有無(wú)限的補(bǔ)償范圍；因此是近些年來(lái)高穩(wěn)相MPRL的研究熱點(diǎn)。北京郵電大學(xué)的研究人員利用三級(jí)混頻的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相位抖動(dòng)小于0.25 rad的2.8 GHz射頻信號(hào)10 km穩(wěn)相傳輸[43]，并進(jìn)一步優(yōu)化了方案，在僅需本地端一級(jí)混頻情況下，實(shí)現(xiàn)了2.42 GHz射頻信號(hào)在30 km光纖鏈路中的穩(wěn)相傳輸，獲得的均方根相位漂移小于0.026 rad[44]。南京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在僅需一個(gè)微波源和兩級(jí)混頻情況下進(jìn)行了6 GHz射頻信號(hào)的20 km光纖穩(wěn)相傳輸，信號(hào)的均方根時(shí)間抖動(dòng)小于1.33 ps[45]。澳大利亞麥考瑞大學(xué)的研究人員則在100 km MPRL中驗(yàn)證了混頻相消方法的可行性，1萬(wàn)秒頻率穩(wěn)定度為1×10-17[46]。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院-清華大學(xué)精密測(cè)量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)的研究人員進(jìn)一步將混頻相消方法拓展至多點(diǎn)穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)，獲得的頻率穩(wěn)定度分別可達(dá) 7×10-17/104s[47]和 2 000 s[48]。

2.3 多業(yè)務(wù)融合的微波光子射頻鏈路

對(duì)不同頻段、調(diào)制格式和標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)“透明”是MPRL核心優(yōu)勢(shì)之一。相較于傳統(tǒng)的數(shù)字基帶傳輸方式一次只能傳輸單一業(yè)務(wù)，基于MPRL的光載無(wú)線（RoF）系統(tǒng)能夠支持多種不同頻段、制式的無(wú)線業(yè)務(wù)（包括較低頻段的傳統(tǒng)無(wú)線業(yè)務(wù)以及毫米波太赫茲波業(yè)務(wù)），并以簡(jiǎn)化的方式在同一鏈路中融合傳輸，從而大幅提高網(wǎng)絡(luò)的兼容性與可拓展性，支撐未來(lái)5G/B5G，甚至6G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

▲圖6 被動(dòng)式微波光子射頻鏈路穩(wěn)相傳輸原理圖

▲圖7 基于一體化光收發(fā)模塊的微波光子射頻鏈路系統(tǒng)及多業(yè)務(wù)演示

早在2007年，英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員詳細(xì)研究了支持3G和無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）兩種制式的RoF系統(tǒng)。丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員[49]在長(zhǎng)達(dá)78 km的既有光纖傳輸鏈路中以波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了250 Mbit/s的5 GHz射頻、3.125 Gbit/s的超寬帶（UWB）、WiMax業(yè)務(wù)融合[50]。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究人員提出了一種基于MPRL的多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Wi-Fi、WiMAX、60 GHz毫米波 3種不同業(yè)務(wù)的融合傳輸[51]。中國(guó)臺(tái)北科技大學(xué)的研究人員利用多個(gè)注入鎖定的FP激光器以及波分復(fù)用技術(shù)，同時(shí)傳輸了20 GHz的微波信號(hào)、60 GHz的毫米波信號(hào)以及550 MHz的有線電視信號(hào)[52]。日本國(guó)立信息與通信研究所的研究人員利用波分復(fù)用技術(shù)同時(shí)傳輸了2.6 GHz 4G LTE-A信號(hào)和35.4 GHz毫米波信號(hào)，并探討了該方案在未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景[53]。西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的研究人員利用基于多模光纖的RoF系統(tǒng)，同時(shí)傳輸了2G/3G/4G 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）信號(hào)[54]。南京航空航天大學(xué)的研究人員利用雙偏振雙平行馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器作為RoF系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)了11.1 Gbit/s的高清視頻信號(hào)和多個(gè)不同頻段的16 QAM信號(hào)（3 GHz、5 GHz、60 GHz）的融合傳輸[55]。英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員致力于更高頻段信號(hào)的融合傳輸，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了5個(gè)頻段覆蓋220～280 GHz的亞太赫茲信號(hào)在10 km RoF系統(tǒng)中的同時(shí)傳輸[56]。

西南交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)圍繞多通道微波光子收發(fā)陣列封裝設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，研制了集成寬帶一體化光收發(fā)模塊，并實(shí)施了低成本、小尺寸、低功耗高速寬帶無(wú)線接入方案，搭建了具有5個(gè)節(jié)點(diǎn)的多業(yè)務(wù)融合的MPRL演示平臺(tái)，如圖7所示。研究人員進(jìn)而在該平臺(tái)上驗(yàn)證和演示了2.97 Gbit/s的高速無(wú)線接入、無(wú)壓縮1 080 P制式高清視頻傳輸、TD-LTE視頻通信，以及高速移動(dòng)場(chǎng)景下（如350 km/h高鐵）500 Mbit/s的無(wú)線接入速率。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于微波光子技術(shù)的智能射頻前端與鏈路具有大帶寬、可重構(gòu)、業(yè)務(wù)透明等優(yōu)勢(shì)，能夠充分滿足新一代信息技術(shù)的智能化發(fā)展需求。全球大量的課題組已經(jīng)在此領(lǐng)域辛勤耕耘，并取得了一系列創(chuàng)新成果。與此同時(shí)，微波光子智能射頻前端與鏈路還需要進(jìn)一步解決成本、功耗、體積、噪聲等方面的問(wèn)題，為新一代信息技術(shù)的演進(jìn)和變革提供核心支撐。

致謝

西南交通大學(xué)信息光子與通信研究中心潘煒教授、閆連山教授、羅斌教授，以及全體師生在論文撰寫(xiě)過(guò)程中給予了很多支持和貢獻(xiàn)，在此深表感謝！