一种基于波分复用的射频光传输系统设计

柴 俊，张必龙，杨峥峥

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

鉴于大带宽、低损耗、抗电磁干扰等一些独特优势，微波光子技术在国防军事领域内的应用已受到国内外的普遍重视[1]。当前应用于国防军事领域的微波光子技术主要有射频光传输技术、光控阵雷达系统、高频微波信号的光学产生与处理技术、光子变频技术、微波光子滤波技术、微波光子频率测量技术等[2]。

主要研究基于波分复用的射频光传输技术。射频光传输是指在光载波上调制射频信号，利用光纤的低损耗、大带宽优势进行远距离传输。光波分复用是指将2种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器耦合，在同一根光纤中进行传输的技术[3]。在接收端，通过解复用器分离出各种波长的光载波，再由光接收机进行处理，恢复成原射频信号。

1 射频光传输系统方案设计

本文所研究的射频光传输系统需将6路射频信号经波分复用在光子频段功分为128路，功分后通过光纤将信号传输到光接收模块，在光接收模块中对光子信号进行解波分复用，后由探测器将射频信号恢复。表1为传输系统主要指标，图1为射频信号的传输过程图。

图1 模拟信号流程图

表1 传输系统主要指标

1.1 电光调制与光电解调电路设计

1.1.1 电光调制电路设计

根据本项目中不同通道信号的指标要求，通道RF1，RF6(8～20 GHz)采用外调制方式，RF2，RF3，RF4，RF5采用直接调制的方式。

直接调制是指信号电平直接控制激光器的驱动电流，从而获得光信号输出功率的变化来实现调制。直接调制成本低，技术简单，调试方便，传输能力强。尽管直接调制也会带来激光器谱线的展宽、色散变差等缺点，但在频率较低、传输距离较近的情况下这些缺点对信号指标影响不明显。从成本考虑，RF2，RF3，RF4，RF5 4个低频通道采用直接调制的方式。直调电路设计包括阻抗匹配电路、直流偏置电路、光功率自动控制、自动温度控制电路和光功率检测电路等几部分模块，原理框图如图2所示。

图2 直接调制电路设计框图

外调制技术指射频信号控制外调制器改变输出光信号功率的调制方法。选用铌酸锂晶体调制器，由于其具有较高的半波驱动电压，因此必须加入直流偏置电压，调制器才能正常工作。理论分析表明调制器存在最佳偏置点，在该点可消除二次谐波失真。但最佳偏置点并不稳定，它会随着时间、环境温度、激光器输入光功率及光纤插入和耦合损耗等因素的变化而漂移，导致调制器输出信号出现比较大的二次失真,因此必须加入直流偏置点自动控制电路最大程度抑制失真[4]。外调制电路设计框图如图3所示。

图3 外调制器偏置点自动控制电路原理框图

1.1.2 光电解调电路设计

光电解调电路用于完成光信号至射频信号的解调，即将光信号重新转化成射频信号。光电调制采用的是强度调制的方式，即光功率与射频信号功率成正比。解调时，采用光探测器(PD)将光信号按照光功率大小成比例地转化成光电流[5]。光电解调电路包括偏置电路、阻抗匹配网络等，其构成框图见图4。

图4 光电解调电路电路构成框图

解调电路中完成光电转换的核心是光电探测器。光信号在光纤中输出会带来损耗和失真，这就要求光检测器需满足以下条件：在工作波长范围内转换效率高，检测过程引入的附加噪声尽可能小，响应速度快，线性好，频带宽，寿命长等。本方案采用PIN光探测器，所选探测器的带宽为20 GHz，具体参数见表2。

表2 PIN光探测器参数表

1.2 波分复用系统选控

波分复用系统主要包括波分复用器及解波分复用器，两者在原理上相同。波分复用器选用密集波分复用(DWDM)间隔为200 GHz，有效带宽为0.25 nm，为了提高通道1和通道6之间的隔离度，尽量选用离这2个通道较远的通道，同时在通道1和通道6之间各增加一级滤波器，用于提高通道之间的隔离度。波分复用系统的引入,极大降低了光纤的使用量及整个传输系统的建设成本,提高了传输系统的可靠性。波分复用器具体参数见表3。

表3 波分复用器具体参数

1.3 增益匹配控制

射频光传输系统中对于功率影响较大的模块主要包括3个部分：光分路器、光放大器以及射频低噪声放大器。

光分路器的选取：由于后端需要分出128路信号，需要在波分复用器(合波)后经过光放大器然后再经过4×32路光分路器，光分路器采用等功率分配。在光输入端口进行处理，使得该光分路器可以承受2 W的光功率，后面进行等功率分配后采用无偏振损耗抑制技术进行设计，在插入损耗上达到最小值，满足光链路要求。

光放大器选取：光路信号经过电光转换模块后进入波分复用器，合成1路光信号，然后经过光衰减器再进入光放大器(光放大器的最大可输入光功率是10 dBm)，然后经过光放大输出，与4×32光分路器相连接，用于补充光分路器带来的损耗，大约为24 dBm。设置光放大器固定输出光功率为27 dBm，这样可以保证96路光的每一路信号输出光功率为3 dBm，然后传输给96个后端光转换设备。

射频低噪放选取：为使整个链路的增益满足0 dB，同时设备输入功率P-1≤10 dBm的要求，射频电路放大器只能放在后端设备中，用于补充电光/光电转换带来的损耗。后端放大器各路增益为30 dB，对各个通道的增益进行微调可满足整个链路增益为0 dB的要求。

2 试验系统与测试结果

搭建的射频光传输系统详细框图如图5所示，物理构成上包括1个光发射模块、128个光接收模块。对该传输系统进行了测试，在光发射端用信号源灌入射频信号，将光接收模块输出端连入频谱仪。表4为光传输系统的测试结果，满足了前期设计的各项指标。其中对于雷达射频前端意义最大的通道间幅度一致性以及相位一致性，分别达到了±2 dB与±5°，与传统同轴电缆传输相比，优势明显。

图5 射频光传输系统框图

宏观上，本传输系统所实现的射频传输功能与传统的同轴电缆传输相比，在重量、体积、成本以及调试难度上优势更为明显。

3 结束语

主要介绍了一种基于波分复用的雷达前端六通道射频光传输系统的设计与搭建，并对实物进行了测试与分析，显示了光传输系统对比传统的同轴电缆传输的优越性，希望文中的研究对射频工程师具有借鉴意义。