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        射頻光發(fā)收機的探究及優(yōu)化設(shè)計

        2022-05-30 08:53:38段振英鄒琴
        中國新通信 2022年12期

        段振英 鄒琴

        摘要 :伴隨著射頻通信技術(shù)的升級換代,老射頻光發(fā)收機已不能適應(yīng)新業(yè)務(wù)拓展需求,針對其上下行業(yè)務(wù)走向特點,以及客戶對傳輸距離和容量需求的提升,我們不僅對關(guān)鍵電路做了新增防浪涌和防靜電保護(hù)電路設(shè)計,還在各功能模塊間新增匹配電路增強增益變化的自適應(yīng)性。并通過樣機實驗驗證,使新一代射頻光發(fā)收機獲得更好的結(jié)構(gòu)性和增益平坦度、更強的發(fā)光功率和更高的接收靈敏度,從而提高光纖傳輸距離,使射頻系統(tǒng)獲得更大布局空間和更強的隱蔽性,有利于射頻通信成為通信系統(tǒng)中的重要一員。鑒于此本文就射頻光發(fā)收機遇到的相關(guān)問題進(jìn)行深刻的研究與設(shè)計。

        關(guān)鍵詞 :射頻光發(fā)收機;前端處理模塊;耦合電路;增益平坦度;光電調(diào)制

        一、引言

        近年來隨著無線射頻技術(shù)與光纖通信的融合,老一代射頻光發(fā)收機的弊端暴露無遺,比如射頻發(fā)射機與接收機分離設(shè)計、結(jié)構(gòu)偏大、發(fā)光功率不強、接收靈敏度不夠等因素已經(jīng)嚴(yán)重影響射頻光傳輸系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。特別是在無線通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用場合,為了擴大空間布局和增強業(yè)務(wù)隱蔽性,需要把天線的射頻電信號信轉(zhuǎn)換成光信號,再進(jìn)行一段距離的光纖傳輸,至終端機房再把光信號轉(zhuǎn)換成射頻電信號。

        相對于傳統(tǒng)的射頻電纜傳輸方式,射頻光傳輸具有距離遠(yuǎn)、隱蔽性強、不受電磁干擾等優(yōu)點,因此射頻光傳輸系統(tǒng)在很多重要領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。相對于數(shù)字光端機,射頻光發(fā)收機內(nèi)部主要采用模擬光傳輸方式的復(fù)雜電路組成,各功能模塊輸出增益變化較大,系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)調(diào)繁瑣,為了解決這些問題我們將對系統(tǒng)最關(guān)鍵的射頻光發(fā)收機進(jìn)行深入分析,不僅對發(fā)收機的前后端信號處理電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,還新增防浪涌和防靜電保護(hù)電路設(shè)計,外加在各個電路模塊間新增自適應(yīng)匹配電路,并且通過樣機實驗驗證,使新一代射頻光發(fā)收機獲得更好的結(jié)構(gòu)性和增益平坦度、更強的發(fā)光功率和更高的接收靈敏度。

        二、射頻光發(fā)收機的探究及優(yōu)化設(shè)計

        為了解決老一代射頻光發(fā)收機的諸多缺點,經(jīng)過對核心元器件嚴(yán)謹(jǐn)選型,精心設(shè)計整體結(jié)構(gòu)和核心電路,根據(jù)上下行射頻業(yè)務(wù)走向特點,把射頻光發(fā)收機一體化整合設(shè)計,使其結(jié)構(gòu)小型輕便化、電磁兼容性更強,通過特殊電路設(shè)計增大激光器的發(fā)光功率和接收靈敏度,提高光纖傳輸?shù)木嚯x,拓展射頻系統(tǒng)空間布局組網(wǎng)能力。射頻光發(fā)收機優(yōu)化設(shè)計如圖1所示。

        (一) 射頻光發(fā)射機原理簡析及優(yōu)化設(shè)計

        對于來自天線、衛(wèi)星等射頻信號來說,前端接收到的電信號是非常微弱的,必須經(jīng)前端信號處理電路進(jìn)行射頻電信號的放大處理,其中最為關(guān)鍵的設(shè)計包括增加防浪涌電流和防靜電保護(hù)電路設(shè)計。經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)制后的信號進(jìn)入光電調(diào)制器進(jìn)行電光變換,再次對前端射頻信號進(jìn)行限幅限頻、數(shù)控衰減和信號放大采樣、調(diào)制耦合等處理,最后轉(zhuǎn)換成射頻光信號輸出,為了保證光電調(diào)制后射頻光信號的平穩(wěn)輸出,建議通過ATC/APC電路來控制激光器的工作溫度和電流,保持激光器輸出光功率的穩(wěn)定性。射頻光發(fā)射機工作原理如圖2所示。

        1.前端信號處理電路設(shè)計

        前端信號處理電路主要是完成輸入射頻電信號的耦合處理,并通過限幅限頻預(yù)防脈沖信號對放大電路的損傷,再經(jīng)衰減器和射頻信號放大器處理后輸出。其工作原理如圖3所示。

        2. 核心激光器選型

        激光器作為電光調(diào)制器轉(zhuǎn)換模塊的核心器件,其性能好壞影響著整個光發(fā)射機的核心性能。為了滿足低噪聲、寬動態(tài)和特定頻段的要求。優(yōu)先選擇波長為1310nm且支持DFB分布式反饋激光器,其相對噪聲強度(RIN)可達(dá)-160dBc/Hz,足以保證噪聲系數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)。

        相對其它常見激光器,DFB激光器具有低閾值工作電流、超寬帶響應(yīng)的優(yōu)點;良好的光譜單色性和譜線寬度,可以減少光纖色散對傳輸系統(tǒng)的影響;比不小于40dB的光信噪指標(biāo)滿足對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的抑制;合適的輻射角可以提高輸出光源與光纖介質(zhì)的耦合效率。

        3. ATC/APT自動控制電路設(shè)計

        在激光器ATC自動溫控系統(tǒng)中,通過熱敏電阻來感應(yīng)目標(biāo)體溫度,TEC半導(dǎo)體制冷器來穩(wěn)定工作溫度。隨著激光器溫度的變化,熱敏電阻和分差放大器產(chǎn)生偏差電壓,根據(jù)偏差電壓值PID補償網(wǎng)絡(luò)通過H橋輸出電流來控制TEC調(diào)整激光器的工作溫度。激光器APC自動功率控制是利用激光器組件中的控制機制監(jiān)測背光數(shù)值,若輸出功率小于額定值,通過反饋電路驅(qū)動工作電流增大,使之達(dá)到額定輸出功率值。若輸出功率大于額定值,則減小驅(qū)動電流,使激光器輸出功率保持基本恒定。激光器ATC/APT自動控制原理如圖4所示。

        4. 光電調(diào)制的偏置控制模塊設(shè)計

        光電調(diào)制就是將所傳遞的信息加載到激光上,將激光作為信息的載體,通過改變激光的振幅、頻率、相位等參量,使光攜帶信息的過程。光電調(diào)制過程中最關(guān)鍵的是對非線性失真的補償和消除。光電調(diào)制偏置控制模塊的工作原理如圖5所示。

        (二) 射頻光接收機原理及優(yōu)化設(shè)計

        1.射頻光接收機原理簡析及優(yōu)化設(shè)計

        在接收端經(jīng)過長距離光纖傳輸?shù)纳漕l光信號進(jìn)入光接收耦合電路后,首先進(jìn)行光功率自適應(yīng)控制調(diào)整得到相對穩(wěn)定的光信號,弱光信號接著進(jìn)入多級光放大電路進(jìn)行信號再生放大處理,并經(jīng)過高頻光接收電路將射頻光信號轉(zhuǎn)換變成射頻電信號,再進(jìn)入終端信號解調(diào)模塊進(jìn)行射頻信號的放大耦合處理,最終輸出固定頻率的射頻電信號。工作原理如圖6所示。

        2.光接收耦合電路分析與設(shè)計

        光接收耦合電路主要完成輸入光信號的功率自適應(yīng)控制調(diào)整,保偏分光探測器主要任務(wù)是分光探測出接收到的光功率并提供給CPU控制模塊。其工作原理如圖7所示。

        3.高頻光接收電路分析與設(shè)計

        高頻光接收電路主要由APD雪崩光電二極管探測器電路組成,具有很高的接收靈敏度。相對于市面常見的PIN探測器,APD探測器具有更高的接收靈敏度和3dB帶寬富余度。接收同樣強度的射頻光信號,APD探測器可以產(chǎn)生更強大的激光器工作電流強度,從設(shè)計電路來講,可以減少了后面多級放大電路的級數(shù),降低了引入多級放大器而產(chǎn)生的總噪聲,從而提高了射頻接收機的信噪比。偏壓控制電路示意如圖8所示。

        4. 終端信號解調(diào)模塊分析與設(shè)計

        終端信號解調(diào)模塊功能和前置信號調(diào)制模塊功能類似,但過程相反,主要對經(jīng)光電變換后夸阻放大的射頻電信號進(jìn)行信號限幅限頻、數(shù)控衰減、放大和耦合處理,最終輸出射頻電信號給射頻系統(tǒng)終端設(shè)備使用。終端信號解調(diào)模塊工作原理如圖9所示。

        三、射頻發(fā)收機關(guān)鍵電路優(yōu)化設(shè)計

        (一)功能模塊間新增自適應(yīng)匹配電路設(shè)計

        在電路設(shè)計驗證及系統(tǒng)調(diào)試過程中,我們注意到不同關(guān)鍵部位的通信接口與標(biāo)準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)測試儀,或者不同功能模塊與探測器之間一直存在差異的增益值,比如前端信號處理模塊和光接收耦合器件,多級光放大器和光電調(diào)制器之間也存在一定范圍的差異值。因此需要在各個功能模塊接口增加相對應(yīng)的匹配電路來改善射頻發(fā)收機的性能指標(biāo),增強器件的可替換性。

        增加各個模塊間的增益輸出匹配度應(yīng)遵循以下原則:優(yōu)先采用自適應(yīng)補償電路來調(diào)整接口增益輸出范圍,合理設(shè)計放大級數(shù)使光放大器輸出最佳增益值和平坦度,綜合考慮選用效率更高的激光器或其他元器件。

        (二)增加防浪涌電流電路設(shè)計

        光耦合電路和放大電路中有很多敏感器件。同時為了滿足長距離光纖傳輸所需的增益,光信號需要進(jìn)行多級放大設(shè)計,不僅要預(yù)防第一級和第二級放大芯片極易受到電壓電流沖擊而損壞,還要綜合考慮在實際應(yīng)用維護(hù)中光模塊需要進(jìn)行帶電熱插拔,這也造成了電路中浪涌電流瞬間極大沖擊,為了避免浪涌電流產(chǎn)生的影響,我們在光接收耦合電路和光放大電路前端加入防浪涌電流電路設(shè)計。其工作原理如圖10所示。

        (三)增加防靜電保護(hù)電路設(shè)計

        在插拔電路板或測試操作時人體與設(shè)備之間均可產(chǎn)生靜電釋放現(xiàn)象,這些都會對電路敏感元器件產(chǎn)生嚴(yán)重影響甚至破壞,必須考慮引進(jìn)靜電保護(hù)電路機制。常見的靜電保護(hù)電路設(shè)計是給各級電路接口器件添加ESD接地處理;在此我們使用了TVS設(shè)計,它是一種特殊二極管瞬態(tài)電壓電流抑制器,具有極快的響應(yīng)速度和相當(dāng)高的浪涌吸收能力,最大程度上降低靜電釋放所帶來的損害。此外考慮到靜電釋放時間短的特點,在重要電路前端添加敏感的供電延遲電路,待電源穩(wěn)定后再給后端電路供電,可更進(jìn)一步降低靜電釋放產(chǎn)生的影響。

        四、結(jié)束語

        本文針對老射頻光發(fā)收機的缺點進(jìn)行梳理,對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行深入剖析和優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)實際應(yīng)用的射頻業(yè)務(wù)走向特點,把射頻光發(fā)收機結(jié)構(gòu)優(yōu)化;在關(guān)鍵電路新增了防浪涌和防靜電保護(hù)電路,并對核心激光器件升級了ATC/APT自動控制電路,特別是在各功能模塊間新增相對應(yīng)的自適應(yīng)匹配電路來改善增益輸出,最后完成了射頻光發(fā)收機的實驗驗證,使新一代射頻光發(fā)收機獲得更好的增益平坦度、更強的發(fā)光功率和更高接收靈敏度。從而大幅度提高光傳輸距離、擴大射頻系統(tǒng)空間布局和增強隱蔽性,突出射頻通信在通信領(lǐng)域的重要地位。

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

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        作者單位:段振英? ? 鄒琴? ? 中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所

        段振英(1982.07-)女,漢族,四川內(nèi)江,碩士,工程師,研究方向:光通信技術(shù);

        鄒琴(1990.09-)男,漢族,廣西桂林,本科,工程師,研究方向:光通信技術(shù)。

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