射頻光發(fā)收機的探究及優(yōu)化設計

段振英 鄒琴

摘要 ：伴隨著射頻通信技術的升級換代，老射頻光發(fā)收機已不能適應新業(yè)務拓展需求，針對其上下行業(yè)務走向特點，以及客戶對傳輸距離和容量需求的提升，我們不僅對關鍵電路做了新增防浪涌和防靜電保護電路設計，還在各功能模塊間新增匹配電路增強增益變化的自適應性。并通過樣機實驗驗證，使新一代射頻光發(fā)收機獲得更好的結構性和增益平坦度、更強的發(fā)光功率和更高的接收靈敏度，從而提高光纖傳輸距離，使射頻系統(tǒng)獲得更大布局空間和更強的隱蔽性，有利于射頻通信成為通信系統(tǒng)中的重要一員。鑒于此本文就射頻光發(fā)收機遇到的相關問題進行深刻的研究與設計。

關鍵詞 ：射頻光發(fā)收機;前端處理模塊;耦合電路;增益平坦度;光電調(diào)制

一、引言

近年來隨著無線射頻技術與光纖通信的融合，老一代射頻光發(fā)收機的弊端暴露無遺，比如射頻發(fā)射機與接收機分離設計、結構偏大、發(fā)光功率不強、接收靈敏度不夠等因素已經(jīng)嚴重影響射頻光傳輸系統(tǒng)的推廣與應用。特別是在無線通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)應用場合，為了擴大空間布局和增強業(yè)務隱蔽性，需要把天線的射頻電信號信轉換成光信號，再進行一段距離的光纖傳輸，至終端機房再把光信號轉換成射頻電信號。

相對于傳統(tǒng)的射頻電纜傳輸方式，射頻光傳輸具有距離遠、隱蔽性強、不受電磁干擾等優(yōu)點，因此射頻光傳輸系統(tǒng)在很多重要領域的應用越來越受到重視。相對于數(shù)字光端機，射頻光發(fā)收機內(nèi)部主要采用模擬光傳輸方式的復雜電路組成，各功能模塊輸出增益變化較大，系統(tǒng)設備聯(lián)調(diào)繁瑣，為了解決這些問題我們將對系統(tǒng)最關鍵的射頻光發(fā)收機進行深入分析，不僅對發(fā)收機的前后端信號處理電路進行優(yōu)化設計，還新增防浪涌和防靜電保護電路設計，外加在各個電路模塊間新增自適應匹配電路，并且通過樣機實驗驗證，使新一代射頻光發(fā)收機獲得更好的結構性和增益平坦度、更強的發(fā)光功率和更高的接收靈敏度。

二、射頻光發(fā)收機的探究及優(yōu)化設計

為了解決老一代射頻光發(fā)收機的諸多缺點，經(jīng)過對核心元器件嚴謹選型，精心設計整體結構和核心電路，根據(jù)上下行射頻業(yè)務走向特點，把射頻光發(fā)收機一體化整合設計，使其結構小型輕便化、電磁兼容性更強，通過特殊電路設計增大激光器的發(fā)光功率和接收靈敏度，提高光纖傳輸?shù)木嚯x，拓展射頻系統(tǒng)空間布局組網(wǎng)能力。射頻光發(fā)收機優(yōu)化設計如圖1所示。

（一） 射頻光發(fā)射機原理簡析及優(yōu)化設計

對于來自天線、衛(wèi)星等射頻信號來說，前端接收到的電信號是非常微弱的，必須經(jīng)前端信號處理電路進行射頻電信號的放大處理，其中最為關鍵的設計包括增加防浪涌電流和防靜電保護電路設計。經(jīng)過嚴格調(diào)制后的信號進入光電調(diào)制器進行電光變換，再次對前端射頻信號進行限幅限頻、數(shù)控衰減和信號放大采樣、調(diào)制耦合等處理，最后轉換成射頻光信號輸出，為了保證光電調(diào)制后射頻光信號的平穩(wěn)輸出，建議通過ATC/APC電路來控制激光器的工作溫度和電流，保持激光器輸出光功率的穩(wěn)定性。射頻光發(fā)射機工作原理如圖2所示。

1.前端信號處理電路設計

前端信號處理電路主要是完成輸入射頻電信號的耦合處理，并通過限幅限頻預防脈沖信號對放大電路的損傷，再經(jīng)衰減器和射頻信號放大器處理后輸出。其工作原理如圖3所示。

2. 核心激光器選型

激光器作為電光調(diào)制器轉換模塊的核心器件，其性能好壞影響著整個光發(fā)射機的核心性能。為了滿足低噪聲、寬動態(tài)和特定頻段的要求。優(yōu)先選擇波長為1310nm且支持DFB分布式反饋激光器，其相對噪聲強度（RIN）可達-160dBc/Hz，足以保證噪聲系數(shù)滿足設計指標。

相對其它常見激光器，DFB激光器具有低閾值工作電流、超寬帶響應的優(yōu)點;良好的光譜單色性和譜線寬度，可以減少光纖色散對傳輸系統(tǒng)的影響;比不小于40dB的光信噪指標滿足對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的抑制;合適的輻射角可以提高輸出光源與光纖介質的耦合效率。

3. ATC/APT自動控制電路設計

在激光器ATC自動溫控系統(tǒng)中，通過熱敏電阻來感應目標體溫度，TEC半導體制冷器來穩(wěn)定工作溫度。隨著激光器溫度的變化，熱敏電阻和分差放大器產(chǎn)生偏差電壓，根據(jù)偏差電壓值PID補償網(wǎng)絡通過H橋輸出電流來控制TEC調(diào)整激光器的工作溫度。激光器APC自動功率控制是利用激光器組件中的控制機制監(jiān)測背光數(shù)值，若輸出功率小于額定值，通過反饋電路驅動工作電流增大，使之達到額定輸出功率值。若輸出功率大于額定值，則減小驅動電流，使激光器輸出功率保持基本恒定。激光器ATC/APT自動控制原理如圖4所示。

4. 光電調(diào)制的偏置控制模塊設計

光電調(diào)制就是將所傳遞的信息加載到激光上，將激光作為信息的載體，通過改變激光的振幅、頻率、相位等參量，使光攜帶信息的過程。光電調(diào)制過程中最關鍵的是對非線性失真的補償和消除。光電調(diào)制偏置控制模塊的工作原理如圖5所示。

（二） 射頻光接收機原理及優(yōu)化設計

1.射頻光接收機原理簡析及優(yōu)化設計

在接收端經(jīng)過長距離光纖傳輸?shù)纳漕l光信號進入光接收耦合電路后，首先進行光功率自適應控制調(diào)整得到相對穩(wěn)定的光信號，弱光信號接著進入多級光放大電路進行信號再生放大處理，并經(jīng)過高頻光接收電路將射頻光信號轉換變成射頻電信號，再進入終端信號解調(diào)模塊進行射頻信號的放大耦合處理，最終輸出固定頻率的射頻電信號。工作原理如圖6所示。

2.光接收耦合電路分析與設計

光接收耦合電路主要完成輸入光信號的功率自適應控制調(diào)整，保偏分光探測器主要任務是分光探測出接收到的光功率并提供給CPU控制模塊。其工作原理如圖7所示。

3.高頻光接收電路分析與設計

高頻光接收電路主要由APD雪崩光電二極管探測器電路組成，具有很高的接收靈敏度。相對于市面常見的PIN探測器，APD探測器具有更高的接收靈敏度和3dB帶寬富余度。接收同樣強度的射頻光信號，APD探測器可以產(chǎn)生更強大的激光器工作電流強度，從設計電路來講，可以減少了后面多級放大電路的級數(shù)，降低了引入多級放大器而產(chǎn)生的總噪聲，從而提高了射頻接收機的信噪比。偏壓控制電路示意如圖8所示。

4. 終端信號解調(diào)模塊分析與設計

終端信號解調(diào)模塊功能和前置信號調(diào)制模塊功能類似，但過程相反，主要對經(jīng)光電變換后夸阻放大的射頻電信號進行信號限幅限頻、數(shù)控衰減、放大和耦合處理，最終輸出射頻電信號給射頻系統(tǒng)終端設備使用。終端信號解調(diào)模塊工作原理如圖9所示。

三、射頻發(fā)收機關鍵電路優(yōu)化設計

（一）功能模塊間新增自適應匹配電路設計

在電路設計驗證及系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們注意到不同關鍵部位的通信接口與標準矢量網(wǎng)絡測試儀，或者不同功能模塊與探測器之間一直存在差異的增益值，比如前端信號處理模塊和光接收耦合器件，多級光放大器和光電調(diào)制器之間也存在一定范圍的差異值。因此需要在各個功能模塊接口增加相對應的匹配電路來改善射頻發(fā)收機的性能指標，增強器件的可替換性。

增加各個模塊間的增益輸出匹配度應遵循以下原則：優(yōu)先采用自適應補償電路來調(diào)整接口增益輸出范圍，合理設計放大級數(shù)使光放大器輸出最佳增益值和平坦度，綜合考慮選用效率更高的激光器或其他元器件。

（二）增加防浪涌電流電路設計

光耦合電路和放大電路中有很多敏感器件。同時為了滿足長距離光纖傳輸所需的增益，光信號需要進行多級放大設計，不僅要預防第一級和第二級放大芯片極易受到電壓電流沖擊而損壞，還要綜合考慮在實際應用維護中光模塊需要進行帶電熱插拔，這也造成了電路中浪涌電流瞬間極大沖擊，為了避免浪涌電流產(chǎn)生的影響，我們在光接收耦合電路和光放大電路前端加入防浪涌電流電路設計。其工作原理如圖10所示。

（三）增加防靜電保護電路設計

在插拔電路板或測試操作時人體與設備之間均可產(chǎn)生靜電釋放現(xiàn)象，這些都會對電路敏感元器件產(chǎn)生嚴重影響甚至破壞，必須考慮引進靜電保護電路機制。常見的靜電保護電路設計是給各級電路接口器件添加ESD接地處理;在此我們使用了TVS設計，它是一種特殊二極管瞬態(tài)電壓電流抑制器，具有極快的響應速度和相當高的浪涌吸收能力，最大程度上降低靜電釋放所帶來的損害。此外考慮到靜電釋放時間短的特點，在重要電路前端添加敏感的供電延遲電路，待電源穩(wěn)定后再給后端電路供電，可更進一步降低靜電釋放產(chǎn)生的影響。

四、結束語

本文針對老射頻光發(fā)收機的缺點進行梳理，對關鍵環(huán)節(jié)進行深入剖析和優(yōu)化設計。根據(jù)實際應用的射頻業(yè)務走向特點，把射頻光發(fā)收機結構優(yōu)化;在關鍵電路新增了防浪涌和防靜電保護電路，并對核心激光器件升級了ATC/APT自動控制電路，特別是在各功能模塊間新增相對應的自適應匹配電路來改善增益輸出，最后完成了射頻光發(fā)收機的實驗驗證，使新一代射頻光發(fā)收機獲得更好的增益平坦度、更強的發(fā)光功率和更高接收靈敏度。從而大幅度提高光傳輸距離、擴大射頻系統(tǒng)空間布局和增強隱蔽性，突出射頻通信在通信領域的重要地位。

參? 考? 文? 獻

[1] 林錫貴 . 寬帶無線通信射頻收發(fā)前端設計研究分析 [J]. 電子測試，2018（13）：89-90.

[2] 葉暉，李斌，黃沫，梁振，徐肯.TDD 射頻收發(fā)機中的本振泄漏片上數(shù)字補償技術 [J/OL]. 微電子學，1-7[2019-03-24].

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作者單位：段振英? ? 鄒琴? ? 中國電子科技集團公司第三十四研究所

段振英（1982.07-）女，漢族，四川內(nèi)江，碩士，工程師，研究方向：光通信技術;

鄒琴（1990.09-）男，漢族，廣西桂林，本科，工程師，研究方向：光通信技術。