宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的研究与实现

方案。系统在射频信号频率宽带从500MHz到5.5GHz、传输距离为250km无中继的条件下，光链路增益超过40.15dB，幅度平坦度优于±3.5dB，带内噪声输出功率降低到-62.80dBm（测试条件：RBW：10kHz；VBW：10kHz），并实现了宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的工程化应用。

关键词：模拟射频；长距离；无中继；色散补偿；光放大器

1 概述

射频光传输由于其具有频带宽、体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰、低色散等多方面的优良特性，在电子战、雷达、无线通信、射电天文和有线电视等军事和民用方面都获得了广泛的应用[1]。射频光传输主要功能是将射频信号调制到光上实现信号的远距离传输。

宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统实现光发射机和远端光接收机之间无中继的光纤直接连接，也就是说光纤线路中间没有光放大器或光电转换器等中继设备，这种宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的一个应用方向为通信线路经过沙漠、沼泽以及海底等无人区的问题，同是还可以应用于超长距离的分布式雷达，大幅度降低中继站的建设与维护成本[2-3]。

与传统的短距离射频光传输系统相比，存在很多需要克服的新的技术难点；由于光传输距离变长后，光链路中的噪声会变差，光线长度带来信号的衰减以及光色散引起的周期性衰弱等成了宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输所面临的技术难点。目前国内外研究及工程应用主要是针对数字方面的光传输系统，研究模拟的超长无中继射频光传输的相关报道非常少。因此，研究宽带射频信号的低噪声、大动态超长距离传输及其工程实现具有重要意义。

2 宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统分析

2.1 长距离光传输影响因素

虽然光信号在光纤中传输的损耗很低（0.2dB/km），但在光调制解调过程中也会引入损耗，同时也还会出现非线性失真和噪声。激光光源产生的频率不完全是一个点频的光波长，有一定的带宽，同时不同频率光信号在光纤传输的速度是不同的，速率不同即时延不同从而引起色散，当色散累积将最终导致宽带射频信号的幅度平坦度、噪声等信号质量严重恶化[4]。

因此长距离光传输链路与传统光链路相比必须重新设计，以改善长距离光链路带来的性能恶化。为了保证宽带信号超长距离光传输的可行性，光链路的优化设计所采取的关键技术是至关重要的。

2.2 长距离光传输的关键技术

2.2.1 光功率补偿

光链路功率的衰减可以通过光放大器放大来补偿，但光放大信号的的同是也会产生大的噪声，所以长距离光传输必须采用超低噪声的拉曼放大器（RA）来实现；由于长距离光的差损非常大，在放大链路中把噪声降到系统可以接受的同时还需要高增益的掺铒光纤放大器（EDFA）。

掺铒光纤放大器（EDFA）一般由主要有放大介质和可以提供高能量的泵浦源组成。泵浦光提供能量使铒纤中的铒离子由基态向高能级跃迁，实现粒子束反转分布而产生放大[5]。由于EDFA具有泵浦效率高、工作性能稳定、带宽大、增益曲线好以及技术成熟等特点，在模拟和数字领域的应用已经相当成熟，解决了链路中传输距离受光纤损耗的限制。与数字超长距离光链路相比，模拟超长距离光链路的对噪声恶化要求更高，如果在链路采用级联多个EDFA将会使链路中产生很大的自发辐射噪声（ASE）而建的信号的信噪比。

拉曼放大器（RA）工作原理是向光纤输入高功率泵浦将信号放大，传输光纤得到大的能量而产生增益。由于其具有极低的噪声系数等特点，与EDFA放大器一起配合使用，在跨长距离的发射端或接收端等应用场合使用。

2.2.2 色散补偿

由于不同波长的光信号在光纤中的折射率是不一样的，所以在光纤中的传播速度也不相同，从而在光纤中产生光的色散现象[6]。

在超长距离微波信号传输过程中，光纤自身产生色散效应会导致传输信号功率周期性衰减的同时，还会引起微波信号波形失真，从而导致传输带宽受限，随着传输信号频率越来越高和传输距离的增长将使这一效应更加明显。因此在超长距离光传输系统中色散是限制微波光传输的主要原因。在模拟超长距离光传输中，为了尽可能减小色散对系统信号的影响就必须采取一定的色散补偿技术，即采用负色散器件对光纤的正色散实施抵消。同时必须准确的计算光链路所需要补偿的距离，来保证链路既没有欠补偿，也没有过补偿带来浪费成本，从而提高链路的性能指标。

2.2.3 非线性效应

光链路中进入光纤的光功率不高时，光纤的折射率和损耗基本是线性的；然而光功率非常大时，则会产生受激布里渊反射，大部分的输入光功率在光纤传输过程中被转换成反向传输的斯托克斯光，从而正向传输的光信号大幅度的衰减，同时造成系统链路插损和噪声系数的恶化[7]。因此，在光链路设计中充分考虑非线性效应的影响，提高光信号功率在光纤传输的有效性。

3 宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的实现

根据图1中宽带模拟射频信号长距离无中继光传输系统的链路结构，采用光放大与色散补偿技术，传输距离大于200km的无中继宽带射频信号的光传输。研究项目中射频信号频率宽带从500MHz到5.5GHz，信号输入最大不超过-30dBm，整个链路在传输距离为250km的情况下增益要求大于30dB，带内噪声输出功率：≤-50dBm（测试条件：RBW：10kHz；VBW：10kHz）。

长距离无中继光传输系统在实现过程中为了提高整个链路增益、降低链路的带内噪声输出功率，我们在射频输入端加一定增益的低噪声放大器，同时保证输入射频信号在光调制的线性输入区，同时在光解调模块输出端同样加低噪声放大器来补偿光链路的增益。

根据图3到图7的仿真和实测结果可以看出，当长距离无中继光传输系统没有做色散补偿时，链路幅度平坦度摆幅非常大，不平坦度大于40dB，根本无法满足系统使用要求；当进行一定的色散补偿后，链路幅度平坦度在短接时与长距离光有色散补偿测曲线基本一致，同时长距离光链路中采用拉曼放大器与EDFA光放大器结合补偿光路带来的插损，整个光链路增益超过40.15dB（射频放大器与光放大器增益超过170dB），幅度平坦度优于±3.5dB，带内噪声输出功率降低到-62.80dBm（测试条件：RBW：10kHz；VBW：10kHz）。同时我们做了相应的环境适应性试验，系统各个性能指标稳定，完全能够满足后续工程项目使用要求。

4 结束语

文章对宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统中的关键技术进行了分析研究，提出了包括功率衰减补偿、色散补偿和非线性等光链路设计搭建方案，最终实现了宽带模拟射频信号超长距离无中继光传输系统的工程化应用。为后续需经过沙漠、沼泽以及海底等无人区问题的军民用超大规模雷达天线组阵、超长距离的远程测控提供很好的解决方案，并大幅度降低中继站的建设与维护成本。

参考文献

[1]A. Karim， J.Devenport.High dynamic range microwave photonic links for RF signal transport and RF-IF conversion[J].Lightw. Technol，2008，26（15）：2718-2724.

[2]Lu Haihan， Lin Yingcong， Su Yuanhong Su， etal. A radio-on-fiberintelligence transport system based on electroabsorptionmodulator and semiconductor optical amplifier. Photon.Technol. Lett，2004，16（1）：251-253.

[3]PINCEMINE， GROT D， BORSIER C， etal. Impact of thefiber type and dispersionm anagem en t on theperformance of anNRZ 16×40 Gb/s DWDM transmission system[J].IEEEPhotonics Technology Letters，2004，16（10）：2362-2371.

[4]Li Yupeng， Zhang Yangan， Huang Yongqing. Slope value detection-based ditherless bias control technique for Mach-Zehnder modulator[J].Optical Engineering，2013，52（8）：087109

[5]顾畹仪，闻和，喻松，等.WDM超长距离光传输技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2006：224-251.

[6]龚倩，徐荣，叶小华，等.高速超长距离光传输技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：191-232.

[7]Urich V J，Bucholtz F，Mckinney J D，etal.Long-haul analog photonics[J].J.Lightwave Techol，2011，29：1182-1205.

作者简介：李波（1980-），男，2009年毕业于重庆邮电大学信息与通信工程专业，获硕士学位，现为工程师，主要从事光通信相关技术研究工作。

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