微波光子的原理及其在機(jī)載中的應(yīng)用

1、微波光子的原理及其在機(jī)載 中的應(yīng)用 1.1.微波光子的簡(jiǎn)介 微波光子學(xué)(microwave photonic)是一門研究微波與光子間的相互 作用及其應(yīng)用的學(xué)科。微波光子學(xué)的一項(xiàng)最重要應(yīng)用是無線通信中利用 光纖進(jìn)行微波載波信號(hào)的傳輸，被稱為光載無線(rof,radio over fiber) 通信系統(tǒng)。 rof通信系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)微波通信與光通信的優(yōu)勢(shì)，利用光纖拉遠(yuǎn)延 長(zhǎng)了高頻微波信號(hào)的空間傳輸距離，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)高達(dá)gbps量級(jí) 的無線寬帶接入，將網(wǎng)絡(luò)通信容量提升一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 光載無線通信在機(jī)載上的應(yīng)用較之傳統(tǒng)通信的優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)抗 電磁干擾能力；(2)重量更輕；(3)成本低。 2.2.

2、微波光子的原理 微波光子學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)是光載無線通信（rof）技術(shù)。在rof系統(tǒng) 中，中心站(central station:cs)產(chǎn)生的光載射頻信號(hào)，通過光纖傳輸至 基站(base station: bs)，基站取下射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并送往無線 局域網(wǎng)以便移動(dòng)終端用戶接收，從而實(shí)現(xiàn)了利用光載波來傳輸射頻信號(hào) 的目的。 由于光載無線信號(hào)的產(chǎn)生、交換及控制都集中在中心站，基站僅實(shí) 現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，從而將復(fù)雜昂貴的設(shè)備均集中在了中心站點(diǎn)，多個(gè)遠(yuǎn)端基 站可共享這些設(shè)備，減少了基站的功耗和成本。 下圖為rof系統(tǒng)的原理圖 3.rof3.rof技術(shù)研究的近況和熱點(diǎn) 目前有關(guān)rof技術(shù)的研究與應(yīng)用備受國(guó)內(nèi)外

3、研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注， 國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)主要有：清華大學(xué)、北京大學(xué)、電子科技大學(xué)、北 京郵電大學(xué)、北京交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、及華中科 技大學(xué)等一些科研院。國(guó)際上比較活躍的研究小組有:美國(guó)nec實(shí)驗(yàn) 室，英國(guó)university college london，口本大阪大學(xué)及韓國(guó)yonsei大 學(xué)等。 目前rof還處于發(fā)展階段，研究的熱點(diǎn)主要包括：光生毫米波 技術(shù)、rof接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光子射頻信號(hào)處理、rof系統(tǒng)信號(hào)的調(diào) 制和檢測(cè)、rof系統(tǒng)的性能優(yōu)化（其中包括線性度和動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu) 化） 4. 4. 光載毫米波的產(chǎn)生 基帶信號(hào)在中心站有三種方式加載到載波的方式：光載基帶信號(hào)傳輸、 光載中頻

4、信號(hào)傳輸、光載毫米波信號(hào)傳輸。 前兩種加載到方式在基站解調(diào)后都需要采用上變頻技術(shù)使其信號(hào)頻率增 大到射頻頻段，從而增加了基站的復(fù)雜度和成本。而光載毫米波信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī) 載，只需由光電探測(cè)器拍頻就能還原出毫米波信號(hào)。不需要上變頻等技術(shù)，從 而光載毫米波生成成為rof技術(shù)研究的熱點(diǎn)。 由于高質(zhì)量毫米波是提高rof系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，許多 文獻(xiàn)都研究出了各種各樣的毫米波產(chǎn)生方式:接強(qiáng)度調(diào)制、外部強(qiáng)度調(diào)制、遠(yuǎn) 程光外差、布里淵散射、波長(zhǎng)卷積和連續(xù)光信號(hào)濾波等，但在實(shí)際研究中較多 的主要有三種:包括外部調(diào)制法，光學(xué)外差法以及直接調(diào)制法。 三種主要生成光載毫米波方式比較： 直接強(qiáng)度調(diào)制是采用外調(diào)

5、制器直接將毫米波調(diào)制到光載波上。 在激光器進(jìn)行振蕩的過程中直接加載調(diào)制信號(hào)。光外差的方法是傳 輸兩個(gè)頻率差等于所需要的毫米波頻率的窄線寬光波，在基站通過 探測(cè)器拍頻外差的方式產(chǎn)生毫米波載波信號(hào)。 外部調(diào)制產(chǎn)生光毫米波有許多種方式，比如使用相位調(diào)制器，電 吸收調(diào)制器，強(qiáng)度調(diào)制器等。但是一般采用雙臂linb03 mach-zehnder 強(qiáng)度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制格式的毫米波產(chǎn)生。 優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 直接強(qiáng)度調(diào)制簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、損耗 小、容易實(shí)現(xiàn) 頻率響應(yīng)比較低、 受激光惆啾的影響、 光載毫米波速率低 光外差技術(shù)可產(chǎn)生高頻信號(hào)、 諧波分量低、信噪 比高 相位噪聲大、系統(tǒng) 復(fù)雜、成本高 外部調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)單、有效、成本

6、 低、相位噪聲低 比直接強(qiáng)度調(diào)制結(jié) 構(gòu)復(fù)雜 5.5.微波光信號(hào)在光纖傳播的色散因素 研究毫米波頻段光載無線(radio over fiber)通信系統(tǒng)，首要解 決的是射頻功率周期性衰落，而引起射頻功率衰落的原因在于受光 纖色散的影響。 傳統(tǒng)的光雙邊帶(odsb)調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光邊帶相對(duì)于中心 光載波獲得了一個(gè)與色散有關(guān)的相移量，使得光電探測(cè)時(shí)，odsb信 號(hào)的上下兩個(gè)光邊帶分別與光載波拍頻，獲得兩項(xiàng)同頻但不同相的 射頻信號(hào)的迭加，當(dāng)這個(gè)相位差達(dá)到180o時(shí)，射頻項(xiàng)互相抵消。 為解決這個(gè)問題，可采用電域預(yù)補(bǔ)償、載波相移雙邊帶調(diào)制、光 單邊帶(ossb)調(diào)制和載波抑制調(diào)制（ocs）等技術(shù)。其中

7、現(xiàn)在研究 的的熱點(diǎn)有用ossb調(diào)制和ocs調(diào)制。 5.1 5.1 ocsrocsr對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響 同時(shí)ossb調(diào)制信號(hào)的光載波邊帶比(ocsr)是影響rof模擬光 鏈路接收靈敏度的重要指標(biāo)，最佳的ocsr在0db附近。從而各研究 機(jī)構(gòu)都在爭(zhēng)相研究產(chǎn)生0db的ocsr的調(diào)制信號(hào)的方法。 2 sin cos ocsr 6.rof6.rof系統(tǒng)性能優(yōu)化 在rof系統(tǒng)中，線性度和動(dòng)態(tài)范圍表征其正常工作所允許的輸入 強(qiáng)度范圍，由于射頻信號(hào)是通過模擬光強(qiáng)度調(diào)制到光載波上，所以線性 度直接影響模擬光鏈路的屋無雜散動(dòng)態(tài)范圍sfdr。 隨著無線信號(hào)調(diào)制格式的復(fù)雜化和信號(hào)帶寬的增加，對(duì)系統(tǒng)線性 度的要求越來

8、越高。對(duì)于rof應(yīng)用而言，其無雜散動(dòng)態(tài)范圍至少需要大 約95 db.hz2/3甚至更高。隨著頻率的升高，需要采用合適的高線性化 rof系統(tǒng)。 對(duì)于信號(hào)而言，非線性所帶來的直接影響在頻譜上表現(xiàn)為由原來 的頻率分量產(chǎn)生出新的頻率分量。2階交調(diào)失真(imd2)和3階交調(diào)失真 (imd3)對(duì)非線的貢獻(xiàn)最大。在微波、毫米波系統(tǒng)中，通常信號(hào)的帶寬遠(yuǎn) 小于載波頻率，此時(shí)imd2通常在倍頻程以外，可直接使用帶通濾波器 濾除，從而imd3的大小成為影響信號(hào)質(zhì)量的決定性因素。 比較直接的方式是對(duì)rof系統(tǒng)中的非線性失真進(jìn)行抑制。通過 抑制電光調(diào)制器的imd3以提高光載無線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。其中主要 有兩種方式:光電

9、法和全光法。 其中光電法包括預(yù)矯正、反饋和前饋技術(shù)來抑制非線性。下圖為 前饋法的簡(jiǎn)單示意圖，圖中有兩個(gè)環(huán)路分別為信號(hào)消除環(huán)路和失真消 除環(huán)路，前一環(huán)路用于提取imd3，后一環(huán)路用于消除imd3。 dalma novak等人在2008年用前饋系統(tǒng)自適應(yīng)控制得到無雜散動(dòng) 態(tài)范圍116db/hz2/3。 其中全光法包括載波相位偏移、載波抑制等方式來抑制非線性。下圖 為載波相位調(diào)制抑制非線性法示意圖。imd3主要來源于基波與二階分 量、中心光載波與三階分量的振幅疊加。此結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)偏壓調(diào)節(jié)載波 相位。使得兩者的imd3相位相差180o，振幅相等。從而imd3相互抵消 其和值為0。 清華大學(xué)的張國(guó)強(qiáng)在2

10、012年運(yùn)用載波相位偏移系統(tǒng)得到無雜散動(dòng)態(tài)范 圍122.9db/hz2/3。 7.rof7.rof在機(jī)載中的應(yīng)用 rof技術(shù)在一些軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，機(jī)載光纖傳輸系統(tǒng)是 一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。 如下圖所示，話音、傳感信號(hào)、視頻信號(hào)以及控制數(shù)據(jù)等等經(jīng)過業(yè)務(wù) 接口與交換單元后利用光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，可以在一根光纖中傳輸 大量的多業(yè)務(wù)信號(hào)，并且減少系統(tǒng)的總重量，提高了電磁抗干擾的能力， 對(duì)提高飛機(jī)的戰(zhàn)斗力起到巨大的作用。 傳統(tǒng)的機(jī)載通信系統(tǒng)，通常采用同軸電纜傳輸，其存在較大缺陷有: 重量大、電磁干擾嚴(yán)重和傳輸損耗大。而機(jī)載rof系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的帶 寬較寬、抗電磁干擾、容錯(cuò)及可靠性高而且光纖的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)

11、比電纜輕。 下圖為無人機(jī)rof系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖。 7.1 fc-ae-15537.1 fc-ae-1553總線協(xié)議 美國(guó)軍方為了統(tǒng)一航空總線的網(wǎng)絡(luò)接口提出了 mil-std-1553b (military standard digital timedivisioncommand/response multiplex data bus), mil-std-1553b數(shù)據(jù)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有雙向傳輸、實(shí)時(shí)性 傳輸和傳輸可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，使mil-std-1553b協(xié)議,在航空電子中得 到了廣泛的應(yīng)用。 但是隨著科技進(jìn)步，mil-std-1553b總線逐漸不能適應(yīng)高精尖的 高速通信設(shè)備，美國(guó)軍方在近年又在fc-

12、ae協(xié)議子集中提出了fc-ae- 1553(fibre channel avion environment upper layer protocol mil- std-1553b)總線協(xié)議，來滿足高速傳輸?shù)囊?。fc-ae-1553作為光纖 通道技術(shù)映射，具有光纖通道的良好高速網(wǎng)絡(luò)性能，又具有mil-std- 1553b總線的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。 與osi模型類似，光纖通道分5個(gè)層次。fc-0為物理層，描述物理接 口，包括傳送介質(zhì)，發(fā)送機(jī)及接口規(guī)范；fc-1為鏈路層，描述了 8b/10b傳送碼的使用協(xié)議，串行編碼和解碼的規(guī)范；fc-2傳輸層，規(guī) 定了光纖通道m(xù)ac層的功能，主要描述成塊數(shù)據(jù)的規(guī)則和機(jī)制；fc-3 為通用服務(wù)層，主要為映射層映射協(xié)議的如服務(wù)包的注冊(cè)交換服務(wù)； fc-4為為上層協(xié)議層，它為運(yùn)行于光纖通道之上的通信協(xié)議提供映射接 口。 光纖通道fc-ae-1553