射频光发收机的探究及优化设计

段振英 邹琴

摘要 ：伴随着射频通信技术的升级换代，老射频光发收机已不能适应新业务拓展需求，针对其上下行业务走向特点，以及客户对传输距离和容量需求的提升，我们不仅对关键电路做了新增防浪涌和防静电保护电路设计，还在各功能模块间新增匹配电路增强增益变化的自适应性。并通过样机实验验证，使新一代射频光发收机获得更好的结构性和增益平坦度、更强的发光功率和更高的接收灵敏度，从而提高光纤传输距离，使射频系统获得更大布局空间和更强的隐蔽性，有利于射频通信成为通信系统中的重要一员。鉴于此本文就射频光发收机遇到的相关问题进行深刻的研究与设计。

关键词 ：射频光发收机;前端处理模块;耦合电路;增益平坦度;光电调制

一、引言

近年来随着无线射频技术与光纤通信的融合，老一代射频光发收机的弊端暴露无遗，比如射频发射机与接收机分离设计、结构偏大、发光功率不强、接收灵敏度不够等因素已经严重影响射频光传输系统的推广与应用。特别是在无线通信和卫星通信系统应用场合，为了扩大空间布局和增强业务隐蔽性，需要把天线的射频电信号信转换成光信号，再进行一段距离的光纤传输，至终端机房再把光信号转换成射频电信号。

相对于传统的射频电缆传输方式，射频光传输具有距离远、隐蔽性强、不受电磁干扰等优点，因此射频光传输系统在很多重要领域的应用越来越受到重视。相对于数字光端机，射频光发收机内部主要采用模拟光传输方式的复杂电路组成，各功能模块输出增益变化较大，系统设备联调繁琐，为了解决这些问题我们将对系统最关键的射频光发收机进行深入分析，不仅对发收机的前后端信号处理电路进行优化设计，还新增防浪涌和防静电保护电路设计，外加在各个电路模块间新增自适应匹配电路，并且通过样机实验验证，使新一代射频光发收机获得更好的结构性和增益平坦度、更强的发光功率和更高的接收灵敏度。

二、射频光发收机的探究及优化设计

为了解决老一代射频光发收机的诸多缺点，经过对核心元器件严谨选型，精心设计整体结构和核心电路，根据上下行射频业务走向特点，把射频光发收机一体化整合设计，使其结构小型轻便化、电磁兼容性更强，通过特殊电路设计增大激光器的发光功率和接收灵敏度，提高光纤传输的距离，拓展射频系统空间布局组网能力。射频光发收机优化设计如图1所示。

（一） 射频光发射机原理简析及优化设计

对于来自天线、卫星等射频信号来说，前端接收到的电信号是非常微弱的，必须经前端信号处理电路进行射频电信号的放大处理，其中最为关键的设计包括增加防浪涌电流和防静电保护电路设计。经过严格调制后的信号进入光电调制器进行电光变换，再次对前端射频信号进行限幅限频、数控衰减和信号放大采样、调制耦合等处理，最后转换成射频光信号输出，为了保证光电调制后射频光信号的平稳输出，建议通过ATC/APC电路来控制激光器的工作温度和电流，保持激光器输出光功率的稳定性。射频光发射机工作原理如图2所示。

1.前端信号处理电路设计

前端信号处理电路主要是完成输入射频电信号的耦合处理，并通过限幅限频预防脉冲信号对放大电路的损伤，再经衰减器和射频信号放大器处理后输出。其工作原理如图3所示。

2. 核心激光器选型

激光器作为电光调制器转换模块的核心器件，其性能好坏影响着整个光发射机的核心性能。为了满足低噪声、宽动态和特定频段的要求。优先选择波长为1310nm且支持DFB分布式反馈激光器，其相对噪声强度（RIN）可达-160dBc/Hz，足以保证噪声系数满足设计指标。

相对其它常见激光器，DFB激光器具有低阈值工作电流、超宽带响应的优点;良好的光谱单色性和谱线宽度，可以减少光纤色散对传输系统的影响;比不小于40dB的光信噪指标满足对系统噪声系数的抑制;合适的辐射角可以提高输出光源与光纤介质的耦合效率。

3. ATC/APT自动控制电路设计

在激光器ATC自动温控系统中，通过热敏电阻来感应目标体温度，TEC半导体制冷器来稳定工作温度。随着激光器温度的变化，热敏电阻和分差放大器产生偏差电压，根据偏差电压值PID补偿网络通过H桥输出电流来控制TEC调整激光器的工作温度。激光器APC自动功率控制是利用激光器组件中的控制机制监测背光数值，若输出功率小于额定值，通过反馈电路驱动工作电流增大，使之达到额定输出功率值。若输出功率大于额定值，则减小驱动电流，使激光器输出功率保持基本恒定。激光器ATC/APT自动控制原理如图4所示。

4. 光电调制的偏置控制模块设计

光电调制就是将所传递的信息加载到激光上，将激光作为信息的载体，通过改变激光的振幅、频率、相位等参量，使光携带信息的过程。光电调制过程中最关键的是对非线性失真的补偿和消除。光電调制偏置控制模块的工作原理如图5所示。

（二） 射频光接收机原理及优化设计

1.射频光接收机原理简析及优化设计

在接收端经过长距离光纤传输的射频光信号进入光接收耦合电路后，首先进行光功率自适应控制调整得到相对稳定的光信号，弱光信号接着进入多级光放大电路进行信号再生放大处理，并经过高频光接收电路将射频光信号转换变成射频电信号，再进入终端信号解调模块进行射频信号的放大耦合处理，最终输出固定频率的射频电信号。工作原理如图6所示。

2.光接收耦合电路分析与设计

光接收耦合电路主要完成输入光信号的功率自适应控制调整，保偏分光探测器主要任务是分光探测出接收到的光功率并提供给CPU控制模块。其工作原理如图7所示。

3.高频光接收电路分析与设计

高频光接收电路主要由APD雪崩光电二极管探测器电路组成，具有很高的接收灵敏度。相对于市面常见的PIN探测器，APD探测器具有更高的接收灵敏度和3dB带宽富余度。接收同样强度的射频光信号，APD探测器可以产生更强大的激光器工作电流强度，从设计电路来讲，可以减少了后面多级放大电路的级数，降低了引入多级放大器而产生的总噪声，从而提高了射频接收机的信噪比。偏压控制电路示意如图8所示。

4. 终端信号解调模块分析与设计

终端信号解调模块功能和前置信号调制模块功能类似，但过程相反，主要对经光电变换后夸阻放大的射频电信号进行信号限幅限频、数控衰减、放大和耦合处理，最终输出射频电信号给射频系统终端设备使用。终端信号解调模块工作原理如图9所示。

三、射频发收机关键电路优化设计

（一）功能模块间新增自适应匹配电路设计

在电路设计验证及系统调试过程中，我们注意到不同关键部位的通信接口與标准矢量网络测试仪，或者不同功能模块与探测器之间一直存在差异的增益值，比如前端信号处理模块和光接收耦合器件，多级光放大器和光电调制器之间也存在一定范围的差异值。因此需要在各个功能模块接口增加相对应的匹配电路来改善射频发收机的性能指标，增强器件的可替换性。

增加各个模块间的增益输出匹配度应遵循以下原则：优先采用自适应补偿电路来调整接口增益输出范围，合理设计放大级数使光放大器输出最佳增益值和平坦度，综合考虑选用效率更高的激光器或其他元器件。

（二）增加防浪涌电流电路设计

光耦合电路和放大电路中有很多敏感器件。同时为了满足长距离光纤传输所需的增益，光信号需要进行多级放大设计，不仅要预防第一级和第二级放大芯片极易受到电压电流冲击而损坏，还要综合考虑在实际应用维护中光模块需要进行带电热插拔，这也造成了电路中浪涌电流瞬间极大冲击，为了避免浪涌电流产生的影响，我们在光接收耦合电路和光放大电路前端加入防浪涌电流电路设计。其工作原理如图10所示。

（三）增加防静电保护电路设计

在插拔电路板或测试操作时人体与设备之间均可产生静电释放现象，这些都会对电路敏感元器件产生严重影响甚至破坏，必须考虑引进静电保护电路机制。常见的静电保护电路设计是给各级电路接口器件添加ESD接地处理;在此我们使用了TVS设计，它是一种特殊二极管瞬态电压电流抑制器，具有极快的响应速度和相当高的浪涌吸收能力，最大程度上降低静电释放所带来的损害。此外考虑到静电释放时间短的特点，在重要电路前端添加敏感的供电延迟电路，待电源稳定后再给后端电路供电，可更进一步降低静电释放产生的影响。

四、结束语

本文针对老射频光发收机的缺点进行梳理，对关键环节进行深入剖析和优化设计。根据实际应用的射频业务走向特点，把射频光发收机结构优化;在关键电路新增了防浪涌和防静电保护电路，并对核心激光器件升级了ATC/APT自动控制电路，特别是在各功能模块间新增相对应的自适应匹配电路来改善增益输出，最后完成了射频光发收机的实验验证，使新一代射频光发收机获得更好的增益平坦度、更强的发光功率和更高接收灵敏度。从而大幅度提高光传输距离、扩大射频系统空间布局和增强隐蔽性，突出射频通信在通信领域的重要地位。

参  考  文  献

[1] 林锡贵 . 宽带无线通信射频收发前端设计研究分析 [J]. 电子测试，2018（13）：89-90.

[2] 叶晖，李斌，黄沫，梁振，徐肯.TDD 射频收发机中的本振泄漏片上数字补偿技术 [J/OL]. 微电子学，1-7[2019-03-24].

[3] 叶晖，李斌，黄沫，梁振，徐肯.FDD 射频收发机 IQ 不平衡的片上数字补偿方法 [J]. 微学，2018，48（06）： 710-715+721.

作者单位：段振英    邹琴    中国电子科技集团公司第三十四研究所

段振英（1982.07-）女，汉族，四川内江，硕士，工程师，研究方向：光通信技术;

邹琴（1990.09-）男，汉族，广西桂林，本科，工程师，研究方向：光通信技术。