微波光子的原理及其在机载中的应用.

微波光子的原理及其在机载中的应用1.微波光子的简介微波光子学(MicrowavePhotonic)是一门研究微波与光子间的相互作用及其应用的学科。微波光子学的一项最重要应用是无线通信中利用光纤进行微波载波信号的传输，被称为光载无线(RoF,RadiooverFiber)通信系统。RoF通信系统结合传统微波通信与光通信的优势，利用光纤拉远延长了高频微波信号的空间传输距离，在此基础上可实现高达Gbps量级的无线宽带接入，将网络通信容量提升一至两个数量级。光载无线通信在机载上的应用较之传统通信的优点主要有：(1)抗电磁干扰能力；(2)重量更轻；(3)成本低。2.微波光子的原理微波光子学的关键技术是光载无线通信（RoF）技术。在RoF系统中，中心站((Centralstation:CS)产生的光载射频信号，通过光纤传输至基站(Basestation:BS)，基站取下射频信号实现光电转换，并送往无线局域网以便移动终端用户接收，从而实现了利用光载波来传输射频信号的目的。由于光载无线信号的产生、交换及控制都集中在中心站，基站仅实现光电转换，从而将复杂昂贵的设备均集中在了中心站点，多个远端基站可共享这些设备，减少了基站的功耗和成本。下图为ROF系统的原理图3.RoF技术研究的近况和热点目前有关RoF技术的研究与应用备受国内外研究机构的广泛关注，国内的研究机构主要有：清华大学、北京大学、电子科技大学、北京邮电大学、北京交通大学、上海交通大学、浙江大学、及华中科技大学等一些科研院。国际上比较活跃的研究小组有:美国NEC实验室，英国UniversityCollegeLondon，口本大阪大学及韩国Yonsei大学等。目前ROF还处于发展阶段，研究的热点主要包括：光生毫米波技术、ROF接入系统设计、光子射频信号处理、ROF系统信号的调制和检测、ROF系统的性能优化（其中包括线性度和动态范围的优化）4.光载毫米波的产生基带信号在中心站有三种方式加载到载波的方式：光载基带信号传输、光载中频信号传输、光载毫米波信号传输。前两种加载到方式在基站解调后都需要采用上变频技术使其信号频率增大到射频频段，从而增加了基站的复杂度和成本。而光载毫米波信号传输到机载，只需由光电探测器拍频就能还原出毫米波信号。不需要上变频等技术，从而光载毫米波生成成为ROF技术研究的热点。由于高质量毫米波是提高ROF系统性能的关键技术之一。近年来，许多文献都研究出了各种各样的毫米波产生方式:接强度调制、外部强度调制、远程光外差、布里渊散射、波长卷积和连续光信号滤波等，但在实际研究中较多的主要有三种:包括外部调制法，光学外差法以及直接调制法。三种主要生成光载毫米波方式比较：直接强度调制是采用外调制器直接将毫米波调制到光载波上。在激光器进行振荡的过程中直接加载调制信号。光外差的方法是传输两个频率差等于所需要的毫米波频率的窄线宽光波，在基站通过探测器拍频外差的方式产生毫米波载波信号。外部调制产生光毫米波有许多种方式，比如使用相位调制器，电吸收调制器，强度调制器等。但是一般采用双臂LiNb03Mach-Zehnder强度调制器实现不同调制格式的毫米波产生。优点缺点直接强度调制简单、经济、损耗小、容易实现频率响应比较低、受激光惆啾的影响、光载毫米波速率低光外差技术可产生高频信号、谐波分量低、信噪比高相位噪声大、系统复杂、成本高外部调制技术简单、有效、成本低、相位噪声低比直接强度调制结构复杂5.微波光信号在光纤传播的色散因素研究毫米波频段光载无线(RadiooverFiber)通信系统，首要解决的是射频功率周期性衰落，而引起射频功率衰落的原因在于受光纤色散的影响。传统的光双边带(ODSB)调制信号对应的两个光边带相对于中心光载波获得了一个与色散有关的相移量，使得光电探测时，ODSB信号的上下两个光边带分别与光载波拍频，获得两项同频但不同相的射频信号的迭加，当这个相位差达到180o时，射频项互相抵消。为解决这个问题，可采用电域预补偿、载波相移双边带调制、光单边带(OSSB)调制和载波抑制调制（OCS）等技术。其中现在研究的的热点有用OSSB调制和OCS调制。5.1OCSR对接收机灵敏度的影响同时OSSB调制信号的光载波边带比(OCSR)是影响RoF模拟光链路接收灵敏度的重要指标，最佳的OCSR在0dB附近。从而各研究机构都在争相研究产生0dB的OCSR的调制信号的方法。2sincosOCSR6.ROF系统性能优化在ROF系统中，线性度和动态范围表征其正常工作所允许的输入强度范围，由于射频信号是通过模拟光强度调制到光载波上，所以线性度直接影响模拟光链路的屋无杂散动态范围SFDR。随着无线信号调制格式的复杂化和信号带宽的增加，对系统线性度的要求越来越高。对于ROF应用而言，其无杂散动态范围至少需要大约95dB.HZ2/3甚至更高。随着频率的升高，需要采用合适的高线性化ROF系统。对于信号而言，非线性所带来的直接影响在频谱上表现为由原来的频率分量产生出新的频率分量。2阶交调失真(IMD2)和3阶交调失真(IMD3)对非线的贡献最大。在微波、毫米波系统中，通常信号的带宽远小于载波频率，此时IMD2通常在倍频程以外，可直接使用带通滤波器滤除，从而IMD3的大小成为影响信号质量的决定性因素。比较直接的方式是对ROF系统中的非线性失真进行抑制。通过抑制电光调制器的IMD3以提高光载无线系统的动态范围。其中主要有两种方式:光电法和全光法。其中光电法包括预矫正、反馈和前馈技术来抑制非线性。下图为前馈法的简单示意图，图中有两个环路分别为信号消除环路和失真消除环路，前一环路用于提取IMD3，后一环路用于消除IMD3。DalmaNovak等人在2008年用前馈系统自适应控制得到无杂散动态范围116dB/Hz2/3。其中全光法包括载波相位偏移、载波抑制等方式来抑制非线性。下图为载波相位调制抑制非线性法示意图。IMD3主要来源于基波与二阶分量、中心光载波与三阶分量的振幅叠加。此结构通过调节偏压调节载波相位。使得两者的IMD3相位相差180o，振幅相等。从而IMD3相互抵消其和值为0。清华大学的张国强在2012年运用载波相位偏移系统得到无杂散动态范围122.9dB/Hz2/3。7.ROF在机载中的应用RoF技术在一些军事领域有着重要的应用，机载光纤传输系统是一个典型的应用实例。如下图所示，话音、传感信号、视频信号以及控制数据等等经过业务接口与交换单元后利用光纤传输系统进行传输，可以在一根光纤中传输大量的多业务信号，并且减少系统的总重量，提高了电磁抗干扰的能力，对提高飞机的战斗力起到巨大的作用。传统的机载通信系统，通常采用同轴电缆传输，其存在较大缺陷有:重量大、电磁干扰严重和传输损耗大。而机载ROF系统，网络的带宽较宽、抗电磁干扰、容错及可靠性高而且光纤的重量远远比电缆轻。下图为无人机ROF系统简易图。7.1FC-AE-1553总线协议美国军方为了统一航空总线的网络接口提出了MIL-STD-1553B(MilitaryStandardDigitalTimeDivisionCommand/ResponseMultiplexDataBus),MIL-STD-1553B数据总线拓扑结构具有双向传输、实时性传输和传输可靠性高的优点，使MIL-STD-1553B协议,在航空电子中得到了广泛的应用。但是随着科技进步，MIL-STD-1553B总线逐渐不能适应高精尖的高速通信设备，美国军方在近年又在FC-AE协议子集中提出了FC-AE-1553(FibreChannelAvionEnvironmentUpperLayerProtocolMIL-STD-1553B)总线协议，来满足高速传输的要求。FC-AE-1553作为光纤通道技术映射，具有光纤通道的良好高速网络性能，又具有MIL-STD-1553B总线的传统优势。与OSI模型类似，光纤通道分5个层次。FC-0为物理层，描述物理接口，包括传送介质，发送机及接口规范；FC-1为链路层，描述了8B/10B传送码的使用协议，串行编码和解码的规范；FC-2传输层，规定了光纤通道MAC层的功能，主要描述成块数据的规则和机制；FC-3为通用服务层，主要为映射层映射协议的如服务包的注册交换服务；FC-4为为上层协议层，它为运行于光纤通道之上的通信协议提供映射接口。光纤通道FC-AE-1553网络互连模型总结由于机载电子网络通信系统采用的是综合化、模块化的结构设计，并且多总线互联。这就导致了网络复杂性增加、体积庞大和维护困难。FC协议具有拓扑结构灵活、高带宽、高可靠性、低迟延。且ROF系统具有大容量、低损耗、高速率和无缝覆盖等优势，有效的结合光载无线系统和FC-AE-1553总线技术，既能有效提高网络的容量和传输速率，又能使原有的电子网络通信系统平滑得升级。