張瑞玨 趙克俊 康成彬 鄭傳榮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

近年來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)飛速發(fā)展，雷達(dá)通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離不斷提高，為滿(mǎn)足雷達(dá)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理、同步數(shù)據(jù)所需的快速、大量、準(zhǔn)確、保密的要求，在雷達(dá)系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用光纖傳輸技術(shù)。未來(lái)雷達(dá)通信需求的最大特點(diǎn)也是最大難點(diǎn)在于超寬帶大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。寬帶通信光網(wǎng)絡(luò)是各個(gè)雷達(dá)的主干神經(jīng)系統(tǒng)，雷達(dá)信號(hào)和控制信息的傳輸完全依賴(lài)于光網(wǎng)絡(luò)的支持。光波分復(fù)用技術(shù)以其大容量低成本的特點(diǎn)成為擴(kuò)充雷達(dá)光信息網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的首選方案。

1 波分復(fù)用技術(shù)的進(jìn)展

1.1 波分復(fù)用技術(shù)

波分復(fù)用(WDM，Wavelength Division Mulitiplexing)技術(shù)本質(zhì)上是一種光波長(zhǎng)分割復(fù)用或者光頻率分割復(fù)用技術(shù)，即在一根光纖中，同時(shí)傳輸幾個(gè)，甚至幾十、成百乃至上千個(gè)不同波長(zhǎng)光載波的技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。

因?yàn)閃DM 是對(duì)許多個(gè)光波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用的，所以波分復(fù)用技術(shù)可以按照被復(fù)用的波道間隔不同分為三類(lèi):寬波分復(fù)用(WWDM，Wide Wavelength Division Multiplexing)、密集波分復(fù)用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)、粗波分復(fù)用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)。

WWDM 僅指1310nm 和1550nm 兩個(gè)窗口的簡(jiǎn)單復(fù)用，在早期的光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用。由于傳輸容量有限和沒(méi)有有效解決1310nm 波長(zhǎng)的光放大問(wèn)題，因此WWDM 的推廣應(yīng)用受到了限制。

DWDM 是指在石英玻璃光纖的低衰減窗口(1520～1620nm 波長(zhǎng)區(qū)段)內(nèi)，一般情況下，按照波長(zhǎng)間隔小于2nm 的方式，進(jìn)行32 波乃至更多波長(zhǎng)的復(fù)用。DWDM 以高速率、大容量、遠(yuǎn)距離為特點(diǎn)，其主要應(yīng)用在核心網(wǎng)的長(zhǎng)途傳輸干線(xiàn)和城域網(wǎng)絡(luò)的骨干層。

CWDM 是指波長(zhǎng)間隔為20nm 的4 波、8 波、12波、16 波長(zhǎng)的復(fù)用。CWDM 以短距離、低成本而著稱(chēng)。CWDM 主要應(yīng)用在城域網(wǎng)的匯集層、邊緣層等。CWDM 是通過(guò)使用非制冷和放寬要求的激光器及光濾波器來(lái)降低DWDM 系統(tǒng)成本的一種新的、便宜的波分復(fù)用技術(shù)。鑒于CWDM 的傳輸容量處在DWDM 和WWDM 之間，所以CWDM 特別適用于短距離雷達(dá)中網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，或者對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)已有的光纖線(xiàn)路進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)，下面對(duì)粗波分復(fù)用技術(shù)作進(jìn)一步介紹。

1.2 粗波分復(fù)用技術(shù)

在雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用中，CWDM 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要包括更低的硬件成本，更小的功耗和體積［1］。在雷達(dá)信號(hào)傳輸距離通常不超過(guò)100km，其中有許多不同協(xié)議和不同速率的信號(hào)，與傳統(tǒng)的TDM 方式相比，CWDM 具有速率和協(xié)議透明性，提供了在一根光纖上不同速率的對(duì)協(xié)議透明的傳輸通道，同時(shí)CWDM 不必使用電信長(zhǎng)途核心網(wǎng)必須用的外調(diào)制器和光放大器，這使之更適應(yīng)各種雷達(dá)信號(hào)的傳輸［2］。如圖1 是一個(gè)CWDM 傳輸雷達(dá)傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖1 CWDM 傳輸原理圖

粗波分復(fù)用技術(shù)波長(zhǎng)通路間隔達(dá)20nm 之寬，允許波長(zhǎng)漂移±6.5nm，大大降低了對(duì)激光器的要求，只需采用多通道的激光收發(fā)器和粗波分的復(fù)用/解復(fù)用器，無(wú)須引入比較復(fù)雜的控制技術(shù)以維護(hù)較高的系統(tǒng)要求，其成本可以大大降低。此外，由于CWDM 系統(tǒng)對(duì)激光器的波長(zhǎng)精度要求很低，無(wú)須致冷器和波長(zhǎng)鎖定器，功耗低、尺寸小。從濾波器角度看，以典型的100GHz 間隔的介質(zhì)薄膜濾波器為例，需要150 層鍍膜，而20nm 間隔的CWDM 濾波器只需要50 層鍍膜即可，其成品率和成本都可以獲得有效改進(jìn)，預(yù)計(jì)成本可以至少降低1/2。簡(jiǎn)言之，CWDM 系統(tǒng)無(wú)論是對(duì)激光器輸出功率的要求，還是對(duì)溫度的敏感度要求以及對(duì)色散容忍度的要求，乃至對(duì)封裝的要求都遠(yuǎn)低于DWDM 激光器，再加上對(duì)濾波器要求的降低，使系統(tǒng)成本和復(fù)雜度大幅度下降。目前商用4 路光收發(fā)器模塊的尺寸僅為16cm×9cm×1.65cm。同時(shí)，CWDM 設(shè)備被設(shè)計(jì)成緊湊的臺(tái)式或盒式結(jié)構(gòu)，所以非常便于安裝和維護(hù)。在局域網(wǎng)中，850nm 的CWDM 系統(tǒng)正走向?qū)嵱?，利?50nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光器在已鋪設(shè)的傳統(tǒng)62.5μm 多模光纖上可實(shí)現(xiàn)8 ×10Gbit/s 的傳輸，傳輸距離可達(dá)100km。表1 是有代表性的幾個(gè)國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)商的CWDM 產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)比。

表1 幾個(gè)廠(chǎng)商的CWDM 設(shè)備對(duì)比

2 波分復(fù)用技術(shù)雷達(dá)系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用

2.1 艦載機(jī)載雷達(dá)光纖通信［1，3］

采用波分復(fù)用光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，不僅會(huì)大大減輕艦載雷達(dá)系統(tǒng)的重量，縮小體積，而且會(huì)大大提高其戰(zhàn)斗力。美國(guó)海軍于70 年代中期就開(kāi)始了對(duì)艦載光纖通信系統(tǒng)的研究，把60 部AN/SPS-48 遠(yuǎn)距離雷達(dá)分別安裝在巡洋艦，驅(qū)逐艦和航空母艦上。AN/SPS-48 是比較先進(jìn)的多波束三坐標(biāo)雷達(dá)，它與指揮中心之間有三類(lèi)信號(hào)要傳輸。一種是三維警戒雷達(dá)產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)，另一種是由收發(fā)報(bào)機(jī)和控制站產(chǎn)生的數(shù)字式控制信號(hào)，第三種是由5 種基本邏輯狀態(tài)產(chǎn)生的定時(shí)脈沖信號(hào)。并且它與指揮中心之間的距離有幾百英尺，甚至上千英尺，兩者之間的信號(hào)線(xiàn)有三百多條，若用電纜傳輸，要47 根電纜束，其體積和重量(14000 磅，約6350 千克)都非常大，它們?cè)谂灱装迳弦紦?jù)很大空間，而且易受射頻干擾，易遭敵方火力破壞。改用光纖傳輸系統(tǒng)后，采用多路波分復(fù)用技術(shù)，只需一根8 信道的光纜，其重量?jī)H150 磅(約68kg)，可以大大降低安裝成本，使抗電磁干擾和抗電磁脈沖的能力顯著提高。

隨著機(jī)載雷達(dá)飛速發(fā)展，飛機(jī)本身也日益現(xiàn)代化，機(jī)載控制和通信等電子設(shè)備的數(shù)量日益增多，連接各種設(shè)備的線(xiàn)纜的數(shù)量也在增加。飛機(jī)上的機(jī)載雷達(dá)通信系統(tǒng)所處理的信號(hào)種類(lèi)多，有操作控制、通信等多種復(fù)雜信息;通信距離不長(zhǎng)，但分路多，連接器和分路器引起的損耗比光纖本身的損耗還大，因此，一般都選用大芯徑和大數(shù)值孔徑光纖;此外，各種器件要能經(jīng)受住溫度、濕度的變化以及振動(dòng)和沖擊的影響;由于維修檢查困難，因而對(duì)可靠性要求更高，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)要簡(jiǎn)單、適用。CWDM 系統(tǒng)可滿(mǎn)足機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，因此有廣闊發(fā)展前景。

2.2 在某地面雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用［4］

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，地面雷達(dá)對(duì)信號(hào)的傳輸提出了很多新要求?，F(xiàn)代很多新體制雷達(dá)系統(tǒng)由多個(gè)雷達(dá)站協(xié)同工作，各雷達(dá)站相距較遠(yuǎn)，達(dá)幾十公里甚至幾百公里，雷達(dá)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸是多站協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

某地面雷達(dá)需傳輸接收信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)回波數(shù)據(jù)，大容量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸。該系統(tǒng)由一個(gè)聯(lián)合處理控制中心和多個(gè)發(fā)射站及多個(gè)接收站組成。聯(lián)合處理控制中心產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)送到各雷達(dá)，使各雷達(dá)具有相同的時(shí)間基準(zhǔn)，便于各雷達(dá)之間的時(shí)間同步;不同接收站、不同頻率的接收信號(hào)傳輸?shù)铰?lián)合處理控制中心，綜合起來(lái)進(jìn)行信號(hào)級(jí)的積累處理。雷達(dá)的本質(zhì)特征是:采用多個(gè)同頻或不同頻輻射信號(hào)，采用多個(gè)接收站接收信號(hào)，將多站接收到的多個(gè)頻段信號(hào)傳輸?shù)教幚碇行倪M(jìn)行積累處理。

寬帶通信網(wǎng)絡(luò)是該雷達(dá)的主干神經(jīng)，雷達(dá)信號(hào)和控制信息的傳輸完全依賴(lài)于通信網(wǎng)絡(luò)的支持，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能發(fā)揮。

圖2 寬帶通信網(wǎng)絡(luò)

在這種地面雷達(dá)通信系統(tǒng)中采用波分復(fù)用技術(shù)，可滿(mǎn)足雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)實(shí)時(shí)性要求，數(shù)據(jù)傳輸能達(dá)到的速率更高，能避免將雷達(dá)視頻進(jìn)行壓縮傳輸而產(chǎn)生信號(hào)損傷，使雷達(dá)系統(tǒng)得到更多的細(xì)節(jié)信息。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的較長(zhǎng)距離傳輸，使雷達(dá)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用成為可能。采用模塊化設(shè)計(jì)和波分復(fù)用技術(shù)，便于系統(tǒng)的維修和擴(kuò)展，可提高雷達(dá)系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。因此，將波分復(fù)用技術(shù)引入該雷達(dá)信號(hào)的傳輸，能夠有效提高該地面雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

2.3 在數(shù)字陣列雷達(dá)中的應(yīng)用

隨著數(shù)字陣列雷達(dá)的天線(xiàn)陣面越來(lái)越大，從戰(zhàn)術(shù)安全角度考慮，當(dāng)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能變差時(shí)，為保障操作者的人身安全，希望人機(jī)能夠分離，即雷達(dá)天線(xiàn)陣面與控制方艙之間的距離要比較遠(yuǎn)，這種情況下光纖傳輸方式是最優(yōu)的選擇。此外，光纖傳輸方式還可以較好地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的輕型化，目前2.5Gbit/s 的光波分復(fù)用傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟，通過(guò)采用波分復(fù)用技術(shù)后可以在一根光纖上達(dá)到數(shù)百Gbit/s 的傳輸容量，從而滿(mǎn)足數(shù)字陣列雷達(dá)越來(lái)越大的數(shù)據(jù)容量傳輸要求。光纖滑環(huán)技術(shù)的成熟，則為旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)天線(xiàn)陣面與固定的基座之間數(shù)據(jù)交換提供了可靠的傳輸途徑［6-9］。這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展使得光波分復(fù)用系統(tǒng)在數(shù)字陣列雷達(dá)中的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際使用情況表明該光纖傳輸系統(tǒng)可在各種軍標(biāo)要求的環(huán)境下穩(wěn)定地傳輸多路光信號(hào)，并且信號(hào)穩(wěn)定，可靠性高。

3 結(jié)束語(yǔ)

從上述涉及光纖波分復(fù)用在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用來(lái)看，波分復(fù)用技術(shù)確實(shí)具有巨大的發(fā)展?jié)撃?，它的發(fā)展必然會(huì)引起雷達(dá)通信系統(tǒng)中光纖通信網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。隨著光纖傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，超高速光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，波分復(fù)用技術(shù)將在其他體制的雷達(dá)中得到更為廣泛的應(yīng)用。波分復(fù)用技術(shù)的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定雷達(dá)通信系統(tǒng)的未來(lái)格局，也將會(huì)對(duì)國(guó)家軍事通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。

［1］馬東堂，魏急波，莊釗，空間激光通信及應(yīng)用［J］.半導(dǎo)體光電，2003，24(2) ：139-144.

［2］Michael La Ha，CWDM for very short reach and optical back plane interconnections ［J］.Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering 465：205-212.

［3］劉俊剛，楊清宗，用于現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的光波導(dǎo)［J］.半導(dǎo)體光電，2003，24(2) ：73-78.

［4］黃琳.SDH 和WDM 光通信技術(shù)在分布式雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子工程師，2008，10：5-8.

［5］Hu S，Liu F，Long T.Design and realization of phased array radar optical fiber transmission system［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2007，16(1) ：87-92.

［6］龍偉軍，王查散，光纖傳輸在數(shù)字陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30(10) ：57-60.

［7］James W.An overview of fiber optic rotary joint technology and recent advances［C］.Proc.of the IFAC workshop on space robotics，1998，10：77-81.

［8］Thibant J.Rotating Optical Joint［P］.US Patent：2003/0210859A1，2003-11-13.