一種基于波分復用的射頻光傳輸系統(tǒng)設計

柴 俊，張必龍，楊崢崢

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

鑒于大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等一些獨特優(yōu)勢，微波光子技術在國防軍事領域內的應用已受到國內外的普遍重視[1]。當前應用于國防軍事領域的微波光子技術主要有射頻光傳輸技術、光控陣雷達系統(tǒng)、高頻微波信號的光學產生與處理技術、光子變頻技術、微波光子濾波技術、微波光子頻率測量技術等[2]。

主要研究基于波分復用的射頻光傳輸技術。射頻光傳輸是指在光載波上調制射頻信號，利用光纖的低損耗、大帶寬優(yōu)勢進行遠距離傳輸。光波分復用是指將2種或多種不同波長的光載波信號在發(fā)送端經復用器耦合，在同一根光纖中進行傳輸的技術[3]。在接收端，通過解復用器分離出各種波長的光載波，再由光接收機進行處理，恢復成原射頻信號。

1 射頻光傳輸系統(tǒng)方案設計

本文所研究的射頻光傳輸系統(tǒng)需將6路射頻信號經波分復用在光子頻段功分為128路，功分后通過光纖將信號傳輸到光接收模塊，在光接收模塊中對光子信號進行解波分復用，后由探測器將射頻信號恢復。表1為傳輸系統(tǒng)主要指標，圖1為射頻信號的傳輸過程圖。

圖1 模擬信號流程圖

表1 傳輸系統(tǒng)主要指標

1.1 電光調制與光電解調電路設計

1.1.1 電光調制電路設計

根據本項目中不同通道信號的指標要求，通道RF1，RF6(8～20 GHz)采用外調制方式，RF2，RF3，RF4，RF5采用直接調制的方式。

直接調制是指信號電平直接控制激光器的驅動電流，從而獲得光信號輸出功率的變化來實現調制。直接調制成本低，技術簡單，調試方便，傳輸能力強。盡管直接調制也會帶來激光器譜線的展寬、色散變差等缺點，但在頻率較低、傳輸距離較近的情況下這些缺點對信號指標影響不明顯。從成本考慮，RF2，RF3，RF4，RF5 4個低頻通道采用直接調制的方式。直調電路設計包括阻抗匹配電路、直流偏置電路、光功率自動控制、自動溫度控制電路和光功率檢測電路等幾部分模塊，原理框圖如圖2所示。

圖2 直接調制電路設計框圖

外調制技術指射頻信號控制外調制器改變輸出光信號功率的調制方法。選用鈮酸鋰晶體調制器，由于其具有較高的半波驅動電壓，因此必須加入直流偏置電壓，調制器才能正常工作。理論分析表明調制器存在最佳偏置點，在該點可消除二次諧波失真。但最佳偏置點并不穩(wěn)定，它會隨著時間、環(huán)境溫度、激光器輸入光功率及光纖插入和耦合損耗等因素的變化而漂移，導致調制器輸出信號出現比較大的二次失真,因此必須加入直流偏置點自動控制電路最大程度抑制失真[4]。外調制電路設計框圖如圖3所示。

圖3 外調制器偏置點自動控制電路原理框圖

1.1.2 光電解調電路設計

光電解調電路用于完成光信號至射頻信號的解調，即將光信號重新轉化成射頻信號。光電調制采用的是強度調制的方式，即光功率與射頻信號功率成正比。解調時，采用光探測器(PD)將光信號按照光功率大小成比例地轉化成光電流[5]。光電解調電路包括偏置電路、阻抗匹配網絡等，其構成框圖見圖4。

圖4 光電解調電路電路構成框圖

解調電路中完成光電轉換的核心是光電探測器。光信號在光纖中輸出會帶來損耗和失真，這就要求光檢測器需滿足以下條件：在工作波長范圍內轉換效率高，檢測過程引入的附加噪聲盡可能小，響應速度快，線性好，頻帶寬，壽命長等。本方案采用PIN光探測器，所選探測器的帶寬為20 GHz，具體參數見表2。

表2 PIN光探測器參數表

1.2 波分復用系統(tǒng)選控

波分復用系統(tǒng)主要包括波分復用器及解波分復用器，兩者在原理上相同。波分復用器選用密集波分復用(DWDM)間隔為200 GHz，有效帶寬為0.25 nm，為了提高通道1和通道6之間的隔離度，盡量選用離這2個通道較遠的通道，同時在通道1和通道6之間各增加一級濾波器，用于提高通道之間的隔離度。波分復用系統(tǒng)的引入,極大降低了光纖的使用量及整個傳輸系統(tǒng)的建設成本,提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。波分復用器具體參數見表3。

表3 波分復用器具體參數

1.3 增益匹配控制

射頻光傳輸系統(tǒng)中對于功率影響較大的模塊主要包括3個部分：光分路器、光放大器以及射頻低噪聲放大器。

光分路器的選取：由于后端需要分出128路信號，需要在波分復用器(合波)后經過光放大器然后再經過4×32路光分路器，光分路器采用等功率分配。在光輸入端口進行處理，使得該光分路器可以承受2 W的光功率，后面進行等功率分配后采用無偏振損耗抑制技術進行設計，在插入損耗上達到最小值，滿足光鏈路要求。

光放大器選取：光路信號經過電光轉換模塊后進入波分復用器，合成1路光信號，然后經過光衰減器再進入光放大器(光放大器的最大可輸入光功率是10 dBm)，然后經過光放大輸出，與4×32光分路器相連接，用于補充光分路器帶來的損耗，大約為24 dBm。設置光放大器固定輸出光功率為27 dBm，這樣可以保證96路光的每一路信號輸出光功率為3 dBm，然后傳輸給96個后端光轉換設備。

射頻低噪放選取：為使整個鏈路的增益滿足0 dB，同時設備輸入功率P-1≤10 dBm的要求，射頻電路放大器只能放在后端設備中，用于補充電光/光電轉換帶來的損耗。后端放大器各路增益為30 dB，對各個通道的增益進行微調可滿足整個鏈路增益為0 dB的要求。

2 試驗系統(tǒng)與測試結果

搭建的射頻光傳輸系統(tǒng)詳細框圖如圖5所示，物理構成上包括1個光發(fā)射模塊、128個光接收模塊。對該傳輸系統(tǒng)進行了測試，在光發(fā)射端用信號源灌入射頻信號，將光接收模塊輸出端連入頻譜儀。表4為光傳輸系統(tǒng)的測試結果，滿足了前期設計的各項指標。其中對于雷達射頻前端意義最大的通道間幅度一致性以及相位一致性，分別達到了±2 dB與±5°，與傳統(tǒng)同軸電纜傳輸相比，優(yōu)勢明顯。

圖5 射頻光傳輸系統(tǒng)框圖

宏觀上，本傳輸系統(tǒng)所實現的射頻傳輸功能與傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸相比，在重量、體積、成本以及調試難度上優(yōu)勢更為明顯。

3 結束語

主要介紹了一種基于波分復用的雷達前端六通道射頻光傳輸系統(tǒng)的設計與搭建，并對實物進行了測試與分析，顯示了光傳輸系統(tǒng)對比傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸的優(yōu)越性，希望文中的研究對射頻工程師具有借鑒意義。