射频微波信号在光纤中传输及处理技术探析

2020-05-06侯俊杰

通信电源技术 2020年24期

侯俊杰

（陕西国际商贸学院，陕西咸阳 712000）

0 引言

随着现代微波光子学的快速发展，其在现代社会中得到了广泛应用，且近些年来微波射频工程与其他学科之间的交融越来越密切，能够有效地提高带宽并降低传输损耗，这也使得微波光子系统具备更大的优势[1]。微波光子技术的快速发展为射频无线通信网络及宽带网络的发展提供了有效支持，从而推动通信处理技术的集成化和高效化发展，在电子通信、光纤通信、军事领域以及医学领域等方面都有广泛的应用。文章主要针对射频微波信号在光纤中传输及处理技术展开探讨。

1 射频微波信号概述

射频为在3 kHz～300 GHz这个范围内的振荡频率，这个频率相当于无线电波的频率以及携带着无线电信号的交流电频率。微波是指波长介于红外线和无线电波之间的电磁波，频率范围大约在300 MHz～300 GHz，所对应的波长为1 mm～1 m[2]。射频与微波具体无线电频率划分如表1所示。

表1 射频与微波具体无线电频率划分

随着现代信息技术的快速发展，微波信号问题在实际应用中所造成的影响越来越受到人们的关注。由于微波传输过程中会产生一定量的损耗，尤其是在长距离传输过程中，而带宽则无明显影响，因此需要借助微波射频工程及相关技术的支持，进一步解决实际工作中存在的问题。随着射频微波信号与其他学科之间的交融越来越密切，推动了微波光子学的快速发展[3]。微波光子学不但能够有效解决电子传输过程中的大量损耗，并且具有更高的性能，其主要是利用射频微波信号及光纤接入的方式来传输射频信号，从而推动通信技术逐渐向高效化发展，并且能够有效降低损耗。

如图1所示，微波射频工程由BPF带通滤波器、DRIVER驱动器、Variable attenuator可调衰减器、AMP放大器以及RF（TX）射频天线几部分协同完成，频率和合成器生成需要发射的干扰信号，通过带通滤波、驱动、衰减以及放大等由射频天线发射出去。干扰以功率占用为主，同向发射大功率同频信号，对卫星接收通道在一定频率范围内实行功率占用，使得干扰信号的场强远远大于正常卫星到达地面的信号场强，达到压制卫星信号接收的目的[4]。

图1 射频微波信号工作原理

微波信号光学主要是关于微波与光波的研究与应用，其核心技术主要包括光源调节、传输介质、光学可控性及可探测性等。近些年来，随着微波信号光学的快速发展，其在电子工程、光纤通信、军事以及医药等领域得到了推广应用，使得微波光子学与其他学科支架的交融越来越密切[5]。由于光纤传输的多重优势，因此采用光纤传输的方式能够为射频微波信号提供更多的处理事件，并且能够有效处理传输信号，提高采样率及抗干扰性，尤其是在变频处理、数据转化以及滤波处理等环节中，ROF传输微波信号技术不断完善，能够满足实际应用的需求。

2 射频微波信号的应用价值分析

在进入21世纪之后，互联网在我国社会中得到了快速发展，通信技术作为现代信息技术中发展速度最快的技术之一，成为人们生活生产中的重要技术，也成为我国经济重要的推动力。在过去20年内，我国互联网发展速度快，随着语音、图像以及视频等多媒体技术的快速发展，宽带和信息网络也不断升级，随之而来的是我国经济社会的快速发展。在近些年来的统计调查中指出，宽带网络的快速发展会提高国内生产总值的1.0%～1.5%，在我国网民巨大需求量的推动下，光纤通信仪器无尽带宽及低成本的优势成为信息技术研究的重要技术[6]。

目前，光纤通信网络已经覆盖我国各行各业，并且随着密集波分复用技术的支持，光纤通信容量已经达到了甚至超过100 Tb/s。但是从我国目前互联网带宽现状来看，与全球平均水平相比仍存在较大的差异，具有广阔的发展空间。移动通信技术作为信息技术中的重要分支，其目前正朝着综合化发展，不仅仅是企业对无线网络有更高的要求，而且个人与家庭对于无线网络也更加关注[7]。人们越来越重视通信的顺畅度，在过去的20年间，移动通信技术快速发展，随着4G网络的普及与5G技术的研发，百兆流量的移动通信网络已经成为人们家庭中的重要工具。

微波光子学推动了移动通信及信号处理技术的快速发展，能够有效提高光纤通信网络的性能，其主要研究内容包括微波信号处理光子器件与光子器件在微波系统中的有效利用，前者主要与激光器和光电调制器等设备有关，极大推动了光纤通信技术的发展，后者则主要应用于光纤通信数字信号、模拟微波信号以及各种微波信号的处理与应用中。光学传输与光电解调主要是由3个部分组成，在输入微波信号后首先利用光电调制器进行光电转化，之后将广电信号通过光学处理器进行处理，最后再进行光电转换并在输出设备的处理下转变为微波信号[8]。在微波光子系统中，微波信号传输相比于传统的系统来说能够进一步降低损耗与成本，且安装更加灵活，不容易受电磁的影响，具有较高的抗干扰性。在传输2 GHz的微波信号中，传统传输系统的损耗为360 dB/km，而光纤传输的光学损耗仅有0.2 dB/km，电学损耗为0.4 dB/km，由此可见微波信号光纤传输技术的应用价值较高。

3 射频微波信号的光学处理

3.1 ROF系统

ROF系统能够为移动互联网及无线接入网络提供优质的宽带服务，该系统主要包括复杂射频微波信号处理中心、光电转换、发射无线基点以及光纤网络。其工作原理与云计算技术有一定的相似之处，在ROF系统内，射频微波信号能够通过处理中心传输到无线基点，之后通过光纤网络进行传输。基点在接收与发射信号时不需要转换频率，信号处理中心能够实现多个基点的信息共享，从而实现不同频率数据之间的相互传输，优化网络资源配置，对资源进行动态管理，降低网络维护的成本，有助于提高网络服务效率。因此该系统可在移动通信、车载通信以及宽带上网等方面推广应用[9]。

3.2 射频信号光纤传输技术

射频信号光纤传输技术主要是利用光纤网络的直接链路实现信号传输。由于IF-OVER-FIBRE系统传输的信号不容易受干扰，因此双边带调制技术的应用能够满足系统的实际需求。该技术主要将射频微波及光纤通信的优势相结合，其中射频微波信号能够进行长距离传输，从而将线路与中心站分离，降低损耗并且提高通信的稳定性，具有较高的抗干扰性与隐蔽性，同时高宽带能够保障各种通信信号传输过程中的完整性。在标准信号范围内，该技术能够确保系统运行的稳定性，且不会因为长距离传输而损失信号，最重要的是能够确保光纤传输的安全性，避免发生信号泄露的情况，不容易受周围电磁环境的影响，具有较高的稳定性。目前，欧美国家已经应用该技术进行光纤信号传输。该系统中最标准的单模光纤传输1 300 nm波段的损耗仅有0.5 dB/km，其中应用了各种光线信号处理器，包括光纤布拉格光缆、光纤耦合器以及光纤环形器等设备。光纤信号处理器的不断更新使得该技术更加完善和成熟。虽然微波信号光纤传输带宽为500 MHz/km，但是由于目前多数地区已经建设了完善的光纤网络，因此能够进一步降低建设成本[10]。同时国外对于该技术在室内通信系统中的研发已经获得了较多的成果，但是对于长距离高频信号传输仍旧需要采取一些特殊的技术来消除各方面的干扰，进一步提高传输信号的稳定性。光纤色散是指光线信号不同传输速度对微波光子系统的影响，色散效应会导致发生相位差，增加传输损耗，且随着信号频率的升高及传输距离的增大更加突出。为了减少这一效应带来的影响，目前主要是采取单边调制技术进行干预，能够通过色散位移光纤及色散补偿等方式来弥补色散效应的缺陷。总体来说，该技术具有较好的应用价值，能够有效解决实际传输过程中的各种缺陷。

3.3 光电调制技术

射频微波信号传输的过程中对于光源的调制主要是通过两种方式实现，一种是激光二极管的直接调制，另一种则是利用外部光电调制器。后者虽然比前者拥有更高的性能，但是前者的成本低，因此在实际生产中的应用更加广泛。直接调制主要是通过激光二极管的驱动电流来改变光源的传输强度，具有结构紧凑且集成度高的优势，在单频信号调制方面具有较好的应用价值。采用直接调制方法构成的微波光子系统存在带宽低（30 GHz）的问题，不过由于系统结构简单且建设成本低，因此应用范围较广，但仍旧需要不断研发与完善。外部调制技术主要是利用外部光电调制器进行调制，虽然会导致系统复杂程度及成本增加，但是能够有效提高调制带宽（100 GHz），使得该系统在实际应用中也表现出较好的效果，调节输出光波的强度[11]。

3.4 光电探测技术

广电解调是将光信号转变为电信号的重要过程，其在微波光子系统中扮演着重要的角色。高带宽和高光电转化效率是评价系统性能的重要指标，目前市场中主要应用的光电探测器主要包括雪崩二极管和PIN光电二极管等设备。其中以PIN光电二极管在微波光子系统中的应用最为频繁，该设备能够提高系统转化效率，具有较好的应用效果。雪崩二极管主要是利用雪崩效益放大光电流来提高转换效率，容易受周围温度的影响且对驱动电压有着较高的要求，主要用于高速长距离光纤通信系统中。此外，近些年来研发的较多光电探测器也受到了学界的广泛关注。

4 射频微波信号在光纤传输过程中的应用

信号传输过程中光纤传输技术能够有效避免传统传输系统的弊端，从而降低损耗和成本，使得传输信号不失真。采用分布式光纤布局的方式能够将控制中心建设在远离天线的区域，天线可以分布在郊区从而提高传输信号强度，而数据处理设备及调节器等安装在城市中心则比较方便维修。同时，由于射频信号光纤传输技术具有抗干扰性好、宽带大且数据传输稳定性高等优势，能够有效避免微波信号频率过高与测量范围大等问题的影响，因此在军事和国防等领域也可以推广使用。在4G/5G覆盖区域能够灵活利用商场、车站以及地铁等建筑群建立数据中心控制站，从而提高信号覆盖率和数据传输的稳定性。在生物医学领域中，射频微波信号多应用于光学生物学及光学分子影像学等方面，例如在医学检查中可以利用水听器校准100 MNz超声波。在无线网连接上，可以通过简化系统结构提高WLAN的覆盖率。欧美国家已经开始将该技术应用于无线网络覆盖处理，使得无线网络覆盖率更高。