光纤无线电和微波 Radio and microwave over fiber

2022-11-09 09:41:59 浏览:270

定义

通过光纤传输射频信号。

原则上,射频(RF)和微波信号(例如,携带音频,视频或一般互联网数据)可以通过合适的电缆(例如同轴电缆)直接传输。 然而,这种电缆表现出很大的衰减损耗,随着频率的增加而迅速增加。 这些损耗的频率依赖性也会引入信号失真。 由于这些原因,通常很难到达超过几十米的距离,即使这样,也可能需要额外的RF放大器和信号再生器,以将信号功率保持在足够高的水平并保持信号质量。

光纤无线电原理

所解释的问题可以用光纤无线电或光纤微波方法解决,前者简而言之通常称为光纤射频,有时称为光纤射频。 从本质上讲,这个想法是用无线电或微波频率信号调制光波,在光纤中传输该光,最后检测光以恢复射频信号。 因此,在光传输介质的两端采用电到光(E / O)转换和光到电(O / E)转换。 实际上,人们实现了无线和光纤网络的集成,并进入了射频或微波光子学领域。

虽然传输的信号频率可能相差很大,从几兆赫兹到几十千兆赫甚至更多,但基本技术总是相同的;只有各种技术细节在不同的频率区域可能会以不同的方式进行优化。 该技术在某种程度上甚至可以适应太赫兹信号,尽管在该领域检测很困难。

在最简单的情况下,使用单频激光源(例如DFB激光器),由射频信号驱动的强度调制器(例如,马赫-曾德尔调制器),光纤(通常是单模光纤,或者可能是梯度折射率多模光纤)和快速光电二极管作为光电探测器,然后是简单的电子设备,将射频信号放大到所需的功率水平。 具有直接调制的单向链路的基本设置如图1所示。

图1:通过光纤链路实现射频的简单实现。

一种更简单的发射器方法,但质量暂时较低,涉及直接调制半导体激光器,而不是使用单独的调制器。

也可以实现双向链路,其中使用两根光纤只有一根,如果在右侧我们有信号发射器和接收器,则可能使用公共天线。

在某些情况下,使用光学外差检测,可能还涉及来自两个不同激光源的光传输,其中差异频率通过光学锁相环(OPLL)稳定。 例如,当要传输带宽适中但载波频率非常高的信号时,这可能很方便。 然后可以只用中等频率调制其中一个激光器,得到的中心频率是两个激光器的平均频率差。 然而,这种方法对激光器的相位噪声非常敏感。 因此,最好使用单个激光源并通过强高频相位调制生成多个边带。

信号传输通常是模拟的,而不是像典型的光纤通信系统那样是数字的。 但是,也有数字光纤无线电(D-RoF)解决方案,涉及数字检测。

使用更复杂的技术,可以通过单根光纤同时传输许多不同的RF信号,通常使用波分复用,其中每个信号通道获得自己的中心波长和一定的光带宽。 所需的组件在光纤通信中很常见。 通过这种方法,人们可以更好地利用光纤的巨大光带宽,它比要传输的典型RF带宽大几个数量级。

一种变体是光纤上的IF,其中光纤传输以较低的中射频频率进行,在光检测后将信号上变频到所需的射频频率。 这种方法降低了对光电系统的频率要求,也减少了光纤色散的影响,但在接收端需要更复杂的技术。

另一个朝这个方向走得更远的变体是光纤基带,其中光信号携带基带数据,射频载波仅添加到接收器中。 这种方法使光学部分更简单,而接收器端的电子设备需要更复杂的技术。 人们还可能降低链路透明度,即以后更改传输格式的灵活性降低。

当然,类似的技术也可以基于自由空间光通信来实现,只需在一定距离的自由空间周围用光束准直器和透镜或类似物代替光纤。

发射的RF带宽通常受发射器和接收器(即E/O和O/E转换器)带宽的限制,但不受光纤的限制。

通常,如果使用低噪声激光源和高质量光电探测器,射频或光纤微波仅引入适量的传输噪声。 光纤本身只产生相对较低的相位噪声水平。

与射频电缆相比的优势

与光纤相比,无线电或微波的主要优点如下:

即使在极高频率下,低传播损耗也可能是该技术的主要优势。

  • 由于光纤中的传播损耗非常小 - 例如在1550 nm左右的单模电信光纤中仅0.2 dB / km的数量级 - 并且这些在整个感兴趣的光频率范围(平坦频率响应)中几乎与频率无关,因此可以轻松使用数公里长的光纤。 此外,当使用光纤放大器时,甚至可以轻松实现更长的传输距离。 在如此长的长度上,射频甚至微波电缆的传播损耗将是令人望而却步的。 (对于中等传播距离,也可以使用其他光波长区域,其中传输损耗较高,但发射器和接收器更便宜 - 例如,0.8μm区域。
  • 由于RF或微波带宽远低于可以通过光纤传输的光频率范围的宽度,传播损耗低,因此该电缆是面向未来的:如果以后需要更大的RF带宽或平均频率,则可能只需要调整发射器和接收器,而不需要调整光缆。 与此相反,建筑物中的许多同轴电缆装置在转向基于卫星的电视信号时变得毫无用处,其中需要更高的频率并且电缆损耗变得太高。
  • 与射频同轴电缆相比,光纤电缆可以更细,可能更灵活,例如,更容易将它们铺设在建筑物中。 此外,每米电缆的成本可以大大降低。

在某些情况下,可以节省大量成本。

  • 由于接收器端可以相对简单,同时可以进一步改变传输格式(见下文),因此该技术可以节省大量成本,特别是在需要操作许多远程站的情况下。
  • 通过光纤传输信号不受电磁干扰。
  • 例如,对于带有天线的应用,电缆不导电可能是一个优势,因为低端的电子设备可以更好地防止雷击。

典型应用

以下各节将简要介绍一些典型应用。

广播和电视广播网络

使用光纤无线电技术,可以轻松创建具有中央站和多个无线电天线单元作为基站的基础设施,这些基站通过光纤无线电连接到中心。 对于每个基站,只需要相对简单和廉价的技术,这也为我们的传输性能(格式透明度)示例的未来变化开放。 对发送信号的更改可以在中心位置轻松实现,而不会影响基站。 该技术也广泛用于有线电视(CATV),其中需要多点视频分配系统。

请注意,传输的电视频道数量越多,所需的频率范围就越大,使用同轴电缆进行信号分配的传统方式就越困难或越昂贵。

卫星通信

地球轨道上的卫星通常通过微波与地面站通信。 最好在发射机/接收站和包含控制中心的建筑物之间使用光纤微波,特别是如果它们之间的距离大于例如50 m。

人们还可以使用多个天线站点,所有这些天线站点都通过光纤通过微波连接到操作中心,甚至距离数公里。 这样,例如,如果当地天气条件对其中一个车站不利,或者一个车站有技术缺陷,则可以将交通转移到另一个车站。

关闭死区

一些偏远地区,如公路隧道,仅使用宽带无线技术很难提供互联网接入。 然后,从外部世界到本地无线站的光纤射频可以成为一种解决方案。 或者,可以使用数字通信电缆将区域与外部世界连接起来,但这需要在远程位置使用更复杂的技术。 特别是当需要大量天线单元时,光纤无线电往往更经济。

手机通信天线

对于手机通信网络的基站,天线需要放置在高空,而最好将大多数电子设备放在地面附近,以便于访问,例如在维护操作期间。 然而,如果天线和电子设备只是用一根长RF电缆连接,那么大量的传播损耗是有问题的,特别是因为需要大量的发射器功率:底部的RF功率放大器需要产生更多的功率,以便在天线上有足够的功率,尽管电缆损耗很大。 使用无线电或光纤微波技术,可以在天线旁边放置一个简单的光接收器和微波功率放大器,同时将所有其他电子设备放在底部。 这可以节省大量电能。

请注意,传输方法的重大变化 - 例如,从3G到4G和5G - 可以很容易地实现,而不会影响顶部的功率放大器,至少只要频率区域不扩展。

光纤的不导电特性使得保护大多数电子设备免受通过裸露天线的雷击变得非常简单;只有功率放大器的风险仍然较高。

甚至可以将多个基站(远程天线单元,RAU)与单个电子站连接,以生成传感器信号并处理接收信号。 城市中此类站点之间的典型距离 - 大约数百米或几公里 - 很容易用光缆桥接。 通过这种方法,所需的硬件可以更便宜,并且可以在一个位置完成多个站点的维护操作。

请注意,更高的传输带宽(数据速率)和相应的更高传输频率的总体趋势,这暂时导致更小的蜂窝尺寸和更多的所需天线单元,完全有利于使用射频或微波而不是光纤,主要是由于降低了天线单元的复杂性,从而节省了成本。

车辆通信之路

未来道路到车辆通信有各种初步概念,传统的手机系统可能不适合这些概念。 然后,人们可能会沿道路使用大量天线单元,这些天线单元可能会通过光纤与微波连接。

宽带无线室内外通信

WLAN等室内通信以及手机系统以几千兆赫兹的高无线电或微波频率工作,未来(例如5G)甚至以数十千兆赫兹工作,这几乎无法通过电缆传输。 然后,如果不希望它们靠近在一起,例如出于易于维护的原因,则可以在发射器/接收器天线和相应的电子设备之间使用光纤微波。 该技术对于未来的系统可能变得非常重要,这些系统以大幅增加的频率运行,其中数据速率相当高,而可用范围(小区大小)很小,因此需要许多基站。 然后,可以通过光纤将许多这样的基站与远程访问节点连接起来,远程访问节点本身通过宽带宽光核心网络连接,例如基于密集波分复用(DWDM)。

非电信应用

射频和光纤微波不仅可以应用于通信信号,还可以应用于其他射频或微波信号,例如携带GPS数据或传感器数据,或用于某些技术(如粒子加速器和射频天文学)的信号。

参考文献

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