射頻微波信號(hào)在光纖中傳輸及處理技術(shù)探析

侯俊杰

（陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代微波光子學(xué)的快速發(fā)展，其在現(xiàn)代社會(huì)中得到了廣泛應(yīng)用，且近些年來微波射頻工程與其他學(xué)科之間的交融越來越密切，能夠有效地提高帶寬并降低傳輸損耗，這也使得微波光子系統(tǒng)具備更大的優(yōu)勢(shì)[1]。微波光子技術(shù)的快速發(fā)展為射頻無線通信網(wǎng)絡(luò)及寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了有效支持，從而推動(dòng)通信處理技術(shù)的集成化和高效化發(fā)展，在電子通信、光纖通信、軍事領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面都有廣泛的應(yīng)用。文章主要針對(duì)射頻微波信號(hào)在光纖中傳輸及處理技術(shù)展開探討。

1 射頻微波信號(hào)概述

射頻為在3 kHz～300 GHz這個(gè)范圍內(nèi)的振蕩頻率，這個(gè)頻率相當(dāng)于無線電波的頻率以及攜帶著無線電信號(hào)的交流電頻率。微波是指波長(zhǎng)介于紅外線和無線電波之間的電磁波，頻率范圍大約在300 MHz～300 GHz，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1 mm～1 m[2]。射頻與微波具體無線電頻率劃分如表1所示。

表1 射頻與微波具體無線電頻率劃分

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，微波信號(hào)問題在實(shí)際應(yīng)用中所造成的影響越來越受到人們的關(guān)注。由于微波傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的損耗，尤其是在長(zhǎng)距離傳輸過程中，而帶寬則無明顯影響，因此需要借助微波射頻工程及相關(guān)技術(shù)的支持，進(jìn)一步解決實(shí)際工作中存在的問題。隨著射頻微波信號(hào)與其他學(xué)科之間的交融越來越密切，推動(dòng)了微波光子學(xué)的快速發(fā)展[3]。微波光子學(xué)不但能夠有效解決電子傳輸過程中的大量損耗，并且具有更高的性能，其主要是利用射頻微波信號(hào)及光纖接入的方式來傳輸射頻信號(hào)，從而推動(dòng)通信技術(shù)逐漸向高效化發(fā)展，并且能夠有效降低損耗。

如圖1所示，微波射頻工程由BPF帶通濾波器、DRIVER驅(qū)動(dòng)器、Variable attenuator可調(diào)衰減器、AMP放大器以及RF（TX）射頻天線幾部分協(xié)同完成，頻率和合成器生成需要發(fā)射的干擾信號(hào)，通過帶通濾波、驅(qū)動(dòng)、衰減以及放大等由射頻天線發(fā)射出去。干擾以功率占用為主，同向發(fā)射大功率同頻信號(hào)，對(duì)衛(wèi)星接收通道在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)行功率占用，使得干擾信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常衛(wèi)星到達(dá)地面的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，達(dá)到壓制衛(wèi)星信號(hào)接收的目的[4]。

圖1 射頻微波信號(hào)工作原理

微波信號(hào)光學(xué)主要是關(guān)于微波與光波的研究與應(yīng)用，其核心技術(shù)主要包括光源調(diào)節(jié)、傳輸介質(zhì)、光學(xué)可控性及可探測(cè)性等。近些年來，隨著微波信號(hào)光學(xué)的快速發(fā)展，其在電子工程、光纖通信、軍事以及醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，使得微波光子學(xué)與其他學(xué)科支架的交融越來越密切[5]。由于光纖傳輸?shù)亩嘀貎?yōu)勢(shì)，因此采用光纖傳輸?shù)姆绞侥軌驗(yàn)樯漕l微波信號(hào)提供更多的處理事件，并且能夠有效處理傳輸信號(hào)，提高采樣率及抗干擾性，尤其是在變頻處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化以及濾波處理等環(huán)節(jié)中，ROF傳輸微波信號(hào)技術(shù)不斷完善，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

2 射頻微波信號(hào)的應(yīng)用價(jià)值分析

在進(jìn)入21世紀(jì)之后，互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)社會(huì)中得到了快速發(fā)展，通信技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展速度最快的技術(shù)之一，成為人們生活生產(chǎn)中的重要技術(shù)，也成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)重要的推動(dòng)力。在過去20年內(nèi)，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展速度快，隨著語音、圖像以及視頻等多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，寬帶和信息網(wǎng)絡(luò)也不斷升級(jí)，隨之而來的是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。在近些年來的統(tǒng)計(jì)調(diào)查中指出，寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展會(huì)提高國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的1.0%～1.5%，在我國(guó)網(wǎng)民巨大需求量的推動(dòng)下，光纖通信儀器無盡帶寬及低成本的優(yōu)勢(shì)成為信息技術(shù)研究的重要技術(shù)[6]。

目前，光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋我國(guó)各行各業(yè)，并且隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的支持，光纖通信容量已經(jīng)達(dá)到了甚至超過100 Tb/s。但是從我國(guó)目前互聯(lián)網(wǎng)帶寬現(xiàn)狀來看，與全球平均水平相比仍存在較大的差異，具有廣闊的發(fā)展空間。移動(dòng)通信技術(shù)作為信息技術(shù)中的重要分支，其目前正朝著綜合化發(fā)展，不僅僅是企業(yè)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)有更高的要求，而且個(gè)人與家庭對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)也更加關(guān)注[7]。人們?cè)絹碓街匾曂ㄐ诺捻槙扯龋谶^去的20年間，移動(dòng)通信技術(shù)快速發(fā)展，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及與5G技術(shù)的研發(fā)，百兆流量的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們家庭中的重要工具。

微波光子學(xué)推動(dòng)了移動(dòng)通信及信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，能夠有效提高光纖通信網(wǎng)絡(luò)的性能，其主要研究?jī)?nèi)容包括微波信號(hào)處理光子器件與光子器件在微波系統(tǒng)中的有效利用，前者主要與激光器和光電調(diào)制器等設(shè)備有關(guān)，極大推動(dòng)了光纖通信技術(shù)的發(fā)展，后者則主要應(yīng)用于光纖通信數(shù)字信號(hào)、模擬微波信號(hào)以及各種微波信號(hào)的處理與應(yīng)用中。光學(xué)傳輸與光電解調(diào)主要是由3個(gè)部分組成，在輸入微波信號(hào)后首先利用光電調(diào)制器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，之后將廣電信號(hào)通過光學(xué)處理器進(jìn)行處理，最后再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并在輸出設(shè)備的處理下轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ㄐ盘?hào)[8]。在微波光子系統(tǒng)中，微波信號(hào)傳輸相比于傳統(tǒng)的系統(tǒng)來說能夠進(jìn)一步降低損耗與成本，且安裝更加靈活，不容易受電磁的影響，具有較高的抗干擾性。在傳輸2 GHz的微波信號(hào)中，傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的損耗為360 dB/km，而光纖傳輸?shù)墓鈱W(xué)損耗僅有0.2 dB/km，電學(xué)損耗為0.4 dB/km，由此可見微波信號(hào)光纖傳輸技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值較高。

3 射頻微波信號(hào)的光學(xué)處理

3.1 ROF系統(tǒng)

ROF系統(tǒng)能夠?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)及無線接入網(wǎng)絡(luò)提供優(yōu)質(zhì)的寬帶服務(wù)，該系統(tǒng)主要包括復(fù)雜射頻微波信號(hào)處理中心、光電轉(zhuǎn)換、發(fā)射無線基點(diǎn)以及光纖網(wǎng)絡(luò)。其工作原理與云計(jì)算技術(shù)有一定的相似之處，在ROF系統(tǒng)內(nèi)，射頻微波信號(hào)能夠通過處理中心傳輸?shù)綗o線基點(diǎn)，之后通過光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。基點(diǎn)在接收與發(fā)射信號(hào)時(shí)不需要轉(zhuǎn)換頻率，信號(hào)處理中心能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)基點(diǎn)的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率數(shù)據(jù)之間的相互傳輸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置，對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的成本，有助于提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率。因此該系統(tǒng)可在移動(dòng)通信、車載通信以及寬帶上網(wǎng)等方面推廣應(yīng)用[9]。

3.2 射頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)

射頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)主要是利用光纖網(wǎng)絡(luò)的直接鏈路實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。由于IF-OVER-FIBRE系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)不容易受干擾，因此雙邊帶調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際需求。該技術(shù)主要將射頻微波及光纖通信的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，其中射頻微波信號(hào)能夠進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，從而將線路與中心站分離，降低損耗并且提高通信的穩(wěn)定性，具有較高的抗干擾性與隱蔽性，同時(shí)高寬帶能夠保障各種通信信號(hào)傳輸過程中的完整性。在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍內(nèi)，該技術(shù)能夠確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，且不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)距離傳輸而損失信號(hào)，最重要的是能夠確保光纖傳輸?shù)陌踩裕苊獍l(fā)生信號(hào)泄露的情況，不容易受周圍電磁環(huán)境的影響，具有較高的穩(wěn)定性。目前，歐美國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行光纖信號(hào)傳輸。該系統(tǒng)中最標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖傳輸1 300 nm波段的損耗僅有0.5 dB/km，其中應(yīng)用了各種光線信號(hào)處理器，包括光纖布拉格光纜、光纖耦合器以及光纖環(huán)形器等設(shè)備。光纖信號(hào)處理器的不斷更新使得該技術(shù)更加完善和成熟。雖然微波信號(hào)光纖傳輸帶寬為500 MHz/km，但是由于目前多數(shù)地區(qū)已經(jīng)建設(shè)了完善的光纖網(wǎng)絡(luò)，因此能夠進(jìn)一步降低建設(shè)成本[10]。同時(shí)國(guó)外對(duì)于該技術(shù)在室內(nèi)通信系統(tǒng)中的研發(fā)已經(jīng)獲得了較多的成果，但是對(duì)于長(zhǎng)距離高頻信號(hào)傳輸仍舊需要采取一些特殊的技術(shù)來消除各方面的干擾，進(jìn)一步提高傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性。光纖色散是指光線信號(hào)不同傳輸速度對(duì)微波光子系統(tǒng)的影響，色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)生相位差，增加傳輸損耗，且隨著信號(hào)頻率的升高及傳輸距離的增大更加突出。為了減少這一效應(yīng)帶來的影響，目前主要是采取單邊調(diào)制技術(shù)進(jìn)行干預(yù)，能夠通過色散位移光纖及色散補(bǔ)償?shù)确绞絹韽浹a(bǔ)色散效應(yīng)的缺陷。總體來說，該技術(shù)具有較好的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效解決實(shí)際傳輸過程中的各種缺陷。

3.3 光電調(diào)制技術(shù)

射頻微波信號(hào)傳輸?shù)倪^程中對(duì)于光源的調(diào)制主要是通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是激光二極管的直接調(diào)制，另一種則是利用外部光電調(diào)制器。后者雖然比前者擁有更高的性能，但是前者的成本低，因此在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用更加廣泛。直接調(diào)制主要是通過激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流來改變光源的傳輸強(qiáng)度，具有結(jié)構(gòu)緊湊且集成度高的優(yōu)勢(shì)，在單頻信號(hào)調(diào)制方面具有較好的應(yīng)用價(jià)值。采用直接調(diào)制方法構(gòu)成的微波光子系統(tǒng)存在帶寬低（30 GHz）的問題，不過由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且建設(shè)成本低，因此應(yīng)用范圍較廣，但仍舊需要不斷研發(fā)與完善。外部調(diào)制技術(shù)主要是利用外部光電調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，雖然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜程度及成本增加，但是能夠有效提高調(diào)制帶寬（100 GHz），使得該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也表現(xiàn)出較好的效果，調(diào)節(jié)輸出光波的強(qiáng)度[11]。

3.4 光電探測(cè)技術(shù)

廣電解調(diào)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的重要過程，其在微波光子系統(tǒng)中扮演著重要的角色。高帶寬和高光電轉(zhuǎn)化效率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，目前市場(chǎng)中主要應(yīng)用的光電探測(cè)器主要包括雪崩二極管和PIN光電二極管等設(shè)備。其中以PIN光電二極管在微波光子系統(tǒng)中的應(yīng)用最為頻繁，該設(shè)備能夠提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率，具有較好的應(yīng)用效果。雪崩二極管主要是利用雪崩效益放大光電流來提高轉(zhuǎn)換效率，容易受周圍溫度的影響且對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓有著較高的要求，主要用于高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中。此外，近些年來研發(fā)的較多光電探測(cè)器也受到了學(xué)界的廣泛關(guān)注。

4 射頻微波信號(hào)在光纖傳輸過程中的應(yīng)用

信號(hào)傳輸過程中光纖傳輸技術(shù)能夠有效避免傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的弊端，從而降低損耗和成本，使得傳輸信號(hào)不失真。采用分布式光纖布局的方式能夠?qū)⒖刂浦行慕ㄔO(shè)在遠(yuǎn)離天線的區(qū)域，天線可以分布在郊區(qū)從而提高傳輸信號(hào)強(qiáng)度，而數(shù)據(jù)處理設(shè)備及調(diào)節(jié)器等安裝在城市中心則比較方便維修。同時(shí)，由于射頻信號(hào)光纖傳輸技術(shù)具有抗干擾性好、寬帶大且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，能夠有效避免微波信號(hào)頻率過高與測(cè)量范圍大等問題的影響，因此在軍事和國(guó)防等領(lǐng)域也可以推廣使用。在4G/5G覆蓋區(qū)域能夠靈活利用商場(chǎng)、車站以及地鐵等建筑群建立數(shù)據(jù)中心控制站，從而提高信號(hào)覆蓋率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，射頻微波信號(hào)多應(yīng)用于光學(xué)生物學(xué)及光學(xué)分子影像學(xué)等方面，例如在醫(yī)學(xué)檢查中可以利用水聽器校準(zhǔn)100 MNz超聲波。在無線網(wǎng)連接上，可以通過簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高WLAN的覆蓋率。歐美國(guó)家已經(jīng)開始將該技術(shù)應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋處理，使得無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率更高。

5 結(jié) 論

射頻微波信號(hào)作為一種信息技術(shù)在光纖傳輸領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，基于其低損耗、寬帶高以及傳輸穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)通信、電子傳輸、無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用價(jià)值。