微波光子的原理及其在機載中的應用

1、微波光子的原理及其在機載中的應用1.1.微波光子的簡介 微波光子學(Microwave Photonic)是一門研究微波與光子間的相互作用及其應用的學科。微波光子學的一項最重要應用是無線通信中利用光纖進行微波載波信號的傳輸，被稱為光載無線(RoF,Radio over Fiber)通信系統。 RoF通信系統結合傳統微波通信與光通信的優勢，利用光纖拉遠延長了高頻微波信號的空間傳輸距離，在此基礎上可實現高達Gbps量級的無線寬帶接入，將網絡通信容量提升一至兩個數量級。 光載無線通信在機載上的應用較之傳統通信的優點主要有：(1)抗電磁干擾能力；(2)重量更輕；(3)成本低。2.2.微波光子的原理 微

2、波光子學的關鍵技術是光載無線通信（RoF）技術。在RoF系統中，中心站(Central station:CS)產生的光載射頻信號，通過光纖傳輸至基站(Base station: BS)，基站取下射頻信號實現光電轉換，并送往無線局域網以便移動終端用戶接收，從而實現了利用光載波來傳輸射頻信號的目的。 由于光載無線信號的產生、交換及控制都集中在中心站，基站僅實現光電轉換，從而將復雜昂貴的設備均集中在了中心站點，多個遠端基站可共享這些設備，減少了基站的功耗和成本。下圖為ROF系統的原理圖3.RoF3.RoF技術研究的近況和熱點 目前有關RoF技術的研究與應用備受國內外研究機構的廣泛關注，國內的研究機構

3、主要有：清華大學、北京大學、電子科技大學、北京郵電大學、北京交通大學、上海交通大學、浙江大學、及華中科技大學等一些科研院。國際上比較活躍的研究小組有:美國NEC實驗室，英國University College London，口本大阪大學及韓國Yonsei大學等。 目前ROF還處于發展階段，研究的熱點主要包括：光生毫米波技術、ROF接入系統設計、光子射頻信號處理、ROF系統信號的調制和檢測、ROF系統的性能優化（其中包括線性度和動態范圍的優化）4. 4. 光載毫米波的產生 基帶信號在中心站有三種方式加載到載波的方式：光載基帶信號傳輸、光載中頻信號傳輸、光載毫米波信號傳輸。 前兩種加載到方式在基站

4、解調后都需要采用上變頻技術使其信號頻率增大到射頻頻段，從而增加了基站的復雜度和成本。而光載毫米波信號傳輸到機載，只需由光電探測器拍頻就能還原出毫米波信號。不需要上變頻等技術，從而光載毫米波生成成為ROF技術研究的熱點。 由于高質量毫米波是提高ROF系統性能的關鍵技術之一。近年來，許多文獻都研究出了各種各樣的毫米波產生方式:接強度調制、外部強度調制、遠程光外差、布里淵散射、波長卷積和連續光信號濾波等，但在實際研究中較多的主要有三種:包括外部調制法，光學外差法以及直接調制法。 三種主要生成光載毫米波方式比較： 直接強度調制是采用外調制器直接將毫米波調制到光載波上。在激光器進行振蕩的過程中直接加載調

5、制信號。光外差的方法是傳輸兩個頻率差等于所需要的毫米波頻率的窄線寬光波，在基站通過探測器拍頻外差的方式產生毫米波載波信號。 外部調制產生光毫米波有許多種方式，比如使用相位調制器，電吸收調制器，強度調制器等。但是一般采用雙臂LiNb03 Mach-Zehnder強度調制器實現不同調制格式的毫米波產生。優點缺點直接強度調制簡單、經濟、損耗小、容易實現頻率響應比較低、受激光惆啾的影響、光載毫米波速率低光外差技術可產生高頻信號、諧波分量低、信噪比高相位噪聲大、系統復雜、成本高外部調制技術簡單、有效、成本低、相位噪聲低比直接強度調制結構復雜5.5.微波光信號在光纖傳播的色散因素 研究毫米波頻段光載無線(

6、Radio over Fiber)通信系統，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。 傳統的光雙邊帶(ODSB)調制信號對應的兩個光邊帶相對于中心光載波獲得了一個與色散有關的相移量，使得光電探測時，ODSB信號的上下兩個光邊帶分別與光載波拍頻，獲得兩項同頻但不同相的射頻信號的迭加，當這個相位差達到180o時，射頻項互相抵消。 為解決這個問題，可采用電域預補償、載波相移雙邊帶調制、光單邊帶(OSSB)調制和載波抑制調制（OCS）等技術。其中現在研究的的熱點有用OSSB調制和OCS調制。5.1 5.1 OCSROCSR對接收機靈敏度的影響 同時OSSB調制信號

7、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，最佳的OCSR在0dB附近。從而各研究機構都在爭相研究產生0dB的OCSR的調制信號的方法。2sincosOCSR6.ROF6.ROF系統性能優化 在ROF系統中，線性度和動態范圍表征其正常工作所允許的輸入強度范圍，由于射頻信號是通過模擬光強度調制到光載波上，所以線性度直接影響模擬光鏈路的屋無雜散動態范圍SFDR。 隨著無線信號調制格式的復雜化和信號帶寬的增加，對系統線性度的要求越來越高。對于ROF應用而言，其無雜散動態范圍至少需要大約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。 對于信

8、號而言，非線性所帶來的直接影響在頻譜上表現為由原來的頻率分量產生出新的頻率分量。2階交調失真(IMD2)和3階交調失真(IMD3)對非線的貢獻最大。在微波、毫米波系統中，通常信號的帶寬遠小于載波頻率，此時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質量的決定性因素。 比較直接的方式是對ROF系統中的非線性失真進行抑制。通過抑制電光調制器的IMD3以提高光載無線系統的動態范圍。其中主要有兩種方式:光電法和全光法。 其中光電法包括預矯正、反饋和前饋技術來抑制非線性。下圖為前饋法的簡單示意圖，圖中有兩個環路分別為信號消除環路和失真消除環路，前一環路用于提取IMD

9、3，后一環路用于消除IMD3。 Dalma Novak等人在2008年用前饋系統自適應控制得到無雜散動態范圍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。此結構通過調節偏壓調節載波相位。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。清華大學的張國強在2012年運用載波相位偏移系統得到無雜散動態范圍122.9dB/Hz2/3。7.ROF7.ROF在機載中的應用 RoF技術在一些軍事領域有著重要的應用，機載光纖傳輸系統是一個典型的

10、應用實例。如下圖所示，話音、傳感信號、視頻信號以及控制數據等等經過業務接口與交換單元后利用光纖傳輸系統進行傳輸，可以在一根光纖中傳輸大量的多業務信號，并且減少系統的總重量，提高了電磁抗干擾的能力，對提高飛機的戰斗力起到巨大的作用。 傳統的機載通信系統，通常采用同軸電纜傳輸，其存在較大缺陷有:重量大、電磁干擾嚴重和傳輸損耗大。而機載ROF系統，網絡的帶寬較寬、抗電磁干擾、容錯及可靠性高而且光纖的重量遠遠比電纜輕。下圖為無人機ROF系統簡易圖。7.1 FC-AE-15537.1 FC-AE-1553總線協議 美國軍方為了統一航空總線的網絡接口提出了 MIL-STD-1553B (Military

11、Standard Digital TimeDivisionCommand/Response Multiplex Data Bus), MIL-STD-1553B數據總線拓撲結構具有雙向傳輸、實時性傳輸和傳輸可靠性高的優點，使MIL-STD-1553B協議,在航空電子中得到了廣泛的應用。 但是隨著科技進步，MIL-STD-1553B總線逐漸不能適應高精尖的高速通信設備，美國軍方在近年又在FC-AE協議子集中提出了FC-AE-1553(Fibre Channel Avion Environment Upper Layer Protocol MIL-STD-1553B)總線協議，來滿足高速傳輸的要求。FC-AE-1553作為光纖通道技術映射，具有光纖通道的良好高速網絡性能，又具有MIL-STD-1553B總線的傳統優勢。 與OSI模型類似，光纖通道分5個層次。FC-0為物理層，描述物理接口，包括傳送介質，發送機及接口規范；FC-1為鏈路層，描述了8B/10B傳送碼的使用協議，串行編碼和解碼的規范；FC-2傳輸層，規定了光纖通道MAC層的功能，主要描述成塊數據的規則和機制；FC-3為通用服務層，主要為映射層映射協議的如服務包的注冊交換服務；FC-4為為上層協議層，它為運行于光纖通道之上的通信協議提供映射接口。光纖通道FC-AE-155