探究射频微波信号在光纤中传输及处理技术

严堰，余炜坤

（西南电子设备研究所，四川成都，610036）

0 前言

在射频微波信号与光电子传输处理工程结合日益紧密之际，微波光子学得到了迅速的发展，不仅扩展了室内无线接入网的覆盖面积，而且降低了信号泄露的风险。特别是在射频微波信号传输方面，利用光纤射频微波信号传输处理技术，可以突破传统相控阵天线仅可向特定方向辐射波数的弊端，尽可能压缩相控阵天线的雷达尺寸，降低信号传输损失。基于此，探究光纤中射频微波信号的传输及处理技术非常必要。

1 射频微波信号概述及传输特性

■1.1 概述

射频特指向空间内辐射电磁波的系统，是一种随时间变化的时变电磁波。射频微波是某一频段（300MHz~300GHz）的射频，又可称之为超高频电磁波，波长在1.0m~1.0mm之间，涵盖了分米级波、厘米级波、毫米级波、亚毫米级波。在射频微波信号传输过程中，关键线性参数主要为信噪比、动态范围、3阶互调失真、杂散信号、输出3阶交调截取点等[1]。

■1.2 传输特性

射频微波信号传输函数为非线性函数，传输过程中电光转换的过程也是非线性的转换过程，为减弱链路三阶失真，需要进行系统增益的调低，或者链路偏置点的调整。整个过程中光纤无线系统重要参照为链路增益，与输入光功率、调制器传递系数、偏置电压、半波电压、光电探测器响应度具有较大关系，为获得更大的链路增益，需要在正交偏置位置设置偏置电压，并尽可能压缩调制器的数值。

除非线性特征以外，射频微波信号传输还具有散粒噪声特性。具体表现为：链路噪声系数受调制器的斜率系数、接收光电流的影响，前者决定了电光转换效率、接收光电流，且不受光电探测器响应度的影响；光电探测器接收光功率增加，射频微波信号传输链路噪声系数下降，最终趋于稳定。此时，为改善噪声系数特性，就需要进行电光调制器调制系数的改善。

2 光纤中射频微波信号的传输技术

■2.1 基于动态范围的传输技术

动态范围特指光纤传输系统高性能运作中可承受的射频微波信号变化范围，下限为灵敏度（最小分辨信号或基底噪声），与基底噪声有关，上限则为双频信号输入与最大可允许信号失真指标有关。动态范围可以利用无杂散动态范围进行含义划定，此时，3阶产物与基底噪声（输入信号下限）相等。而无杂散动态范围SFDR与输入3阶截点IIP3之间的关系为：

公式（1）中EIN为等效输入噪声密度（dBm/Hz），BW为工作带宽（Hz）。如在光纤传输系统输入3阶截点为25dBm时，激光器等效输入噪声密度为-120dBm/Hz，射频带宽为35MHz，可以得出无杂散动态范围为47dB。此时，在设定光纤传输系统前放增益为30dB时，激光器1dB压缩点为+13dBm，光传输系统指标为85dB，激光器等效输入噪声密度优于射频微波信号输出总功率，无杂散动态范围优于光纤传输系统设计需求，满足光纤传输射频微波信号要求。

■2.2 基于非线性指标的传输技术

非线性指标是光纤中射频微波信号直接传输时需要突破的首要问题，涉及了系统输入端仅具有一个有价值信号输入、传输多路信号两种情况，对应的衡量参数具有较大差异。对于前者，鉴于系统非线性特征，谐波的产生不可避免，而谐波信号是基波信号频率的2倍甚至3倍频信号。在宽带传输系统（或线性传输系统中）中，因谐波距离基波较远（或谐波幅度远小于基波信号），可滤除（或可忽略），但在光纤传输系统中，因输入端偶次谐波影响较大，不可滤除或忽略。同时在输入信号增加到一定幅度后，具有价值信号增益向会涌现与输入信号幅度具有一定关联的失真项，致使增益、输入信号幅值呈现出相反的变化。一般系统增益较理想状态下降1dB，输入信号幅度值也会下降1dB。此时，在光纤传输系统中，应调低输入信号电平，调低幅度为6dB。

对于系统输入端传输多路信号的情况，系统的非线性决定了各信号频率分量相互作用，形成互相调制、阻塞、交叉调制等情况。在光纤传输系统中，输入信号互相调制问题出现频率较高，会直接产生互调信号，可通过互调失真比、3阶互调截点进行衡量。后者较为常用，需要在忽略增益压缩情况下，分别输入、输出3阶截点，相对应的功率分别为IIP3、OIP3，两者关系可以通过等效3阶互调增益G3判定，即

需要注意的是，光纤传输系统中，1dB压缩点位置输入信号电平、输出信号电平均低于3阶截点相应电平，幅度在10dB左右，可以通过预失真电路，在保证1dB压缩点一定的情况下进行3阶截点电平的提升，达到扩大线性范围的目的。

■2.3 基于链路结构的传输技术

基于链路结构的传输是光纤中射频微波信号常见传输技术。整个传输过程中，基于链路结构的射频微波信号光纤传输系统下行链路可以在中心站经中频振荡器将处理后的数据调制到中频副载波上，进而经高频振荡器将调制后数据变频到所需射频频段，最终经光电调制器将所在频段的数据调制到光载波上，完成射频微波信号在光纤中的传输。在射频微波信号到达基站后，仅需经过光电探测器转化为射频信号，就可馈送至天线，进而发送至用户终端。与此同时，基于链路结构的射频微波信号光纤传输系统上行链路可以经光电调制接收射频微波信号，并将接收的射频微波信号传输到系统中心站。整个过程中，基站负责光电、电光之间转换，无本地振荡上下变频过程，实现短距离高频化光纤中射频微波信号传输。

在基于链路结构的光纤射频微波信号传输过程中，因光纤色散效应的存在，传统双边带强度调制系统必然会引入光载波、上下边带之间的相位差，进而加剧距离层面的周期功率损耗，干扰远距离传输高频信号的效果。为避免上述现象出现，传输时可以输入电信号（输入射频微波信号驱动电压、频率、输入偏置电压），结合光载波频率，利用马赫曾德调制器的半波电压对电信号进行归一化处理完成光电场调制。通过光电场调制，可以规避基于链路结构的光纤射频微波信号传输时特定载波频率、光纤长度的周期性衰落问题。部分情况下，对于光纤传输距离被限制在数百米范围内的基于链路结构的传输系统而言，可以利用双电机驱动的单边带调制技术消除色散效应的影响。即假定经射频微波信号调制后的光波在光谱上仅存在光载波，在双电极驱动下，将射频微波输入信号同时加载到双驱动两路电极上。

3 光纤中射频微波信号的处理技术

■3.1 光纤光栅传感技术

光纤光栅传感技术主要是根据所选择光纤光栅（光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅），以应变、温度等外界物理量调节的方式进行光栅谐振波长调制，实现谐波波长解调，获得传感参量[2]。在微波光子链路中，选择使用光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅需要依据具体的系统应用背景，其中光纤布拉格光栅可以与光—电整合电路结合，获得更大的功率增益效率；而长周期光纤光栅则可以与光纤传输系统接口联系，获得更小的噪音、最小调制频率。

在射频微波信号处理时，主要利用可为微波信号提供更长时间延迟的光纤延迟线，比如，经直接调制半导体光源处理8GHz微波信号，可以获得100μs的光纤延迟线结构，保证最终链路信噪比较初始超127dB·Hz；再如，对于并行信号，可以利用基于光纤光栅的波分复用信号处理器，通过基于光纤光栅的波分复用信号自带Bragg光栅阵列结构处理随机信号的优势，随机加入窗口函数，在多个波长选择反射率存在差异的光纤光栅，实现Kaiser窗口函数在射频微波信号处理中的有效应用。

有条件的情况下，还可以使用多波长光源光纤光栅，通过变更多波长光源的输出光之间波长间隔，促使射频微波信号处理器基本延迟时间发生变化，达到变更滤波器中心频率的目的，或者进行每一波长分量输出功率变更，达到变更信号处理器时间响应、实现信号处理器传输函数重构并消除处理器输出端口相位噪声的目的。这主要是由于在光纤光栅传感技术中，若不同波长射频微波信号进入光电探测器，激光器任意噪声出现形式为拍频形式，与波长间隔相对应，在拍频信号频率达到一个极高的数值时（超过光电探测器带宽）就会自动将相位噪声滤除。而通过波分复用技术处理器则可以通过执行高效率的并行延迟射频微波信号处理，在有限数量连接的前提下，促使处理器抽头数量无限增加，实现任意正系数、负系数以及离散脉冲响应。

除了基于光纤光栅的波分复用技术外，基于光纤光栅的信号处理器也可以应用于射频微波信号之间相关性的高速处理。即基于射频微波信号调谐需求，选择具有光纤Bragg光栅阵列的全光相关器，发掘光纤光栅波长选择特性，落实光纤传输系统中射频微波信号的可重构性，为系统相关函数编码识别设计提供依据。在具有光纤Bragg光栅阵列的全光相关器中，每一光栅均可与压电材料控制设备监理练习，便于每一光栅中心波长的随时控制，并在0~1间进行光栅反射率的任意调节。

■3.2 微波光子滤波技术

微波光子滤波技术是利用一个光学子系统，构建可调谐、可重构的滤波器，具有结构灵活、多功能滤波响应、大带宽、低光纤损耗的特点。在微波光子滤波技术应用过程中，可以利用直接调制、外调制的手段，将射频微波信号加载在单波长光源、多波长光源上，并经光纤放大器构成的光子链路进行加权、采样、时延等操作，最终在光电探测器中叠加输出射频微波信号[3]。

微波光子滤波器的实现原理与光源个数紧密相关，对于单光源微波光子滤波器，主要为FIR型，经微波信号调制后，在1×N耦合器内将光信号均分，每一路光信号相对强度均可由衰减器变更，在获得每一路加权后强度后经若干个存在差异时延、N×1耦合器进入PD光电转换叠加，即可完成射频微波信号处理。以基于光纤环的单光源射频微波光子滤波器为例，其主要是利用光纤耦合器输入端口、输出端口相连接的方式，构成光纤环。进而由源于光源的光经电光调制器完成射频微波信号调制，调制后的微波信号可以进入光纤环输入端口，经采样、加权、延迟后进入光电探测器后输出。在光纤耦合器的分光比为1/1时，第m次采样输出端功率Pm为：

公式（3）中P0为入射光功率，在入射光功率一定时，微波光子滤波器的自由频谱范围为fFSR=c/nL。其中L为光纤环长度，n为光纤有效折射率，c为真空光速，在光纤环长度为28.0cm时，微波光子滤波器抑制比在8dB左右[4]。

对于多光源微波光子滤波器，需要经色散介质进行若干个被调制器同时加载射频微波信号光源时延，进而在PD光电转换上叠加获得所需射频微波信号。在滤波器内，激光器阵列、宽带光谱分割均可应用于多光源滤波。比如，利用激光器阵列+色散介质，在调制前光源电场一定的情况下，根据某激光单元强度、中心频率、相位之间的关系，由色散介质完成时延。

4 光纤中射频微波信号传输与处理技术的应用效果

■4.1 分析方法

利用误码率分析仪（BERT）进行光纤传输系统上行、下行链路中射频微波信号传输与处理误码率检测。

■4.2 效果讨论

接收端光功率上行误码率、下行误码率如表1和表2所示。

表2 接收端光功率下行误码率

如表1所示，通过对光纤传输系统上行链路信号分布进行分析可知，信号处理后串绕问题出现缝隙显著下降。在处理前，光纤传输系统上行链路有线信号误码率灵敏度较之以往点对点传输下降，下降幅度为3.0dB。同时光纤传输系统上行链路信号串扰问题远高于下行信号。随着光纤传输系统接收检测端光功率数值下降，光纤传输系统上行链路射频微波信号传输误码率也呈现出线性下降趋势。一般在光纤传输系统射频微波信号传输功率小于-24dBm时，存在较为恶劣的误码率情况；而在光纤传输系统上行射频微波信号传输功率超过-21dBm时，可以将误码率控制在10-10下，与光纤传输系统误码率性能要求相符。

表1 接收端光功率上行误码率

如表2可知，光纤传输系统下行链路中射频微波信号处理之前，有线信号误码率低于处理后误码率，且射频微波信号传输误码率随着接收检测端光功率数值的下降而呈现出线性下降取值。在光纤传输系统接收端下行链路光功率小于-19dBm时，误码率存在极其显著的恶化现象；在光纤传输系统接收端下行链路光功率超过-17dBm时，只有将链路传输误码率控制在10-11内且接收端灵敏度差值在1.5dB左右，才可以满足光纤传输射频微波信号误码率性能要求。

通过分析表1、表2，光纤中射频微波信号处理后误码率满足上行链路、下行链路传输性能要求。同时考虑到功率冗余度配置、上行信号串绕对光纤中射频微波信号传输工程上下行链路误码率的干扰，可以适当调低光纤传输系统下行链路功率冗余度，并促使光纤传输系统上行链路功率冗余度配置高于光纤传输系统下行链路功率冗余度，高出幅度在2.0~3.0dB左右，弥补信号串扰，解决误码率突出问题。

5 总结

综上所述，作为一种新兴的通信技术，光纤射频微波信号传输及处理技术具有大宽带、低损耗、安全保密、覆盖面广等优良特点，应用前景极其广阔。因此，应立足微波信号光学发展背景，发掘光纤射频微波信号传输技术、处理技术的优势，降低网络维护与安装成本，为车载通信、移动通信等多个行业的升级提供支持。