微波光子的原理及其在機載中的應(yīng)用

1、微波光子的原理及其在機載 中的應(yīng)用 1.1.微波光子的簡介 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)的一項最重要應(yīng)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(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，利用光纖拉遠(yuǎn)延 長了高頻微波信號的空間傳輸距離，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)高達(dá)gbps量級 的無線寬帶接入，將網(wǎng)絡(luò)通信容量提升一至兩個數(shù)量級。 光載無線通信在機載上的應(yīng)用較之傳統(tǒng)通信的優(yōu)點主要有：(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，通過光纖傳輸至 基站(base station: bs)，基站取下射頻信號實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并送往無線 局域網(wǎng)以便移動終端用戶接收，從而實現(xiàn)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(chǎn)生、交換及控制都集中在中心站，基站僅實 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，多個遠(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 目前有關(guān)rof技術(shù)的研究與應(yīng)用備受國內(nèi)外

3、研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注， 國內(nèi)的研究機構(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(xué)及韓國yonsei大 學(xué)等。 目前rof還處于發(fā)展階段，研究的熱點主要包括：光生毫米波 技術(shù)、rof接入系統(tǒng)設(shè)計、光子射頻信號處理、rof系統(tǒng)信號的調(diào) 制和檢測、rof系統(tǒng)的性能優(yōu)化（其中包括線性度和動態(tài)范圍的優(yōu) 化） 4. 4. 光載毫米波的產(chǎn)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

4、信號傳輸、光載毫米波信號傳輸。 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。而光載毫米波信號傳輸?shù)綑C 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(shù)，從 而光載毫米波生成成為rof技術(shù)研究的熱點。 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 文獻都研究出了各種各樣的毫米波產(chǎn)生方式:接強度調(diào)制、外部強度調(diào)制、遠(yuǎn) 程光外差、布里淵散射、波長卷積和連續(xù)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(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。 在激光器進行振蕩的過程中直接加載調(diào)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(chǎn)生毫米波載波信號。 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，強度調(diào)制器等。但是一般采用雙臂linb03 mach-zehnder 強度調(diào)制器實現(xiàn)不同調(diào)制格式的毫米波產(chǎn)生。 優(yōu)點缺點 直接強度調(diào)制簡單、經(jīng)濟、損耗 小、容易實現(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、 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)簡單、有效、成本

6、 低、相位噪聲低 比直接強度調(diào)制結(jié) 構(gòu)復(fù)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(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)制信號對應(yīng)的兩個光邊帶相對于中心 光載波獲得了一個與色散有關(guān)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(dāng)這個相位差達(dá)到180o時，射頻項互相抵消。 為解決這個問題，可采用電域預(yù)補償、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 的的熱點有用ossb調(diào)制和ocs調(diào)制。 5.1 5.1 ocsrocsr對接收機靈敏度的影響 同時ossb調(diào)制信號的光載波邊帶比(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 機構(gòu)都在爭相研究產(chǎn)生0db的ocsr的調(diào)制信號的方法。 2 sin cos ocsr 6.rof6.rof系統(tǒng)性能優(yōu)化 在rof系統(tǒng)中，線性度和動態(tài)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(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態(tài)范圍sfdr。 隨著無線信號調(diào)制格式的復(fù)雜化和信號帶寬的增加，對系統(tǒng)線性 度的要求越來

8、越高。對于rof應(yīng)用而言，其無雜散動態(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)。 對于信號而言，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)對非線的貢獻最大。在微波、毫米波系統(tǒng)中，通常信號的帶寬遠(yuǎn) 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(zhì)量的決定性因素。 比較直接的方式是對rof系統(tǒng)中的非線性失真進行抑制。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 前饋法的簡單示意圖，圖中有兩個環(huán)路分別為信號消除環(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 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)的張國強在2

10、012年運用載波相位偏移系統(tǒng)得到無雜散動態(tài)范 圍122.9db/hz2/3。 7.rof7.rof在機載中的應(yīng)用 rof技術(shù)在一些軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，機載光纖傳輸系統(tǒng)是 一個典型的應(yīng)用實例。 如下圖所示，話音、傳感信號、視頻信號以及控制數(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)進行傳輸，可以在一根光纖中傳輸 大量的多業(yè)務(wù)信號，并且減少系統(tǒng)的總重量，提高了電磁抗干擾的能力， 對提高飛機的戰(zhàn)斗力起到巨大的作用。 傳統(tǒng)的機載通信系統(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。而機載rof系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)遠(yuǎn)

11、比電纜輕。 下圖為無人機rof系統(tǒng)簡易圖。 7.1 fc-ae-15537.1 fc-ae-1553總線協(xié)議 美國軍方為了統(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、實時性 傳輸和傳輸可靠性高的優(yōu)點，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蟆c-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。 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(zhì)，發(fā)送機及接口規(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)包的注冊交換服務(wù)； fc-4為為上層協(xié)議層，它為運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