CN111193546A - 基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统 - Google Patents

基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，本方案采用超宽带微波单片集成电路放大，再采用直接调制技术，将射频信号调制到非常规波长的光信号进行传输，再利用波分复用技术把射频光信号和高速数字信号同时传输。由于采用MMIC放大+宽制直调技术+波分复用技术，不但解决了超宽带射频传输问题，而且本方案不需要对射频信号进行上、下变频，原理精简。改善了电路性能，减小了信号的延迟，降低了噪声、功率损耗和产品功耗，产品体积可以大幅减小，重量更轻；因为射频信号调制到非常规波长，与现有光纤网络波长错开，可以兼容现有光纤网络，避免二次施工，给工程安装节省时间和费用。

Description

基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统。
背景技术
随着现代科技的发展，光纤通信已经被大量采用。现阶段光纤通信主要传输高速数字信号，随着移动通信的发展，需要一种传输技术解决射频信号同轴传输损耗大的技术问题，于是出现了光纤传输入射频技术，目前基于光纤传输射频信号有两种方式：一种是射频数字化光纤传输技术，这种传输原理是把射频信号下变频到ADC的采样频率范围内，利用ADC将射频信号转换成数字信号，通过光纤把数字信号传输到终端，终端将数字信号转换成射频信号。由于受ADC的制约，这种数字化纤传输技术的带宽非常有限，大部分低于100MHz，最大不会超过1GHz；经过上下变频、转换和放大处理，产品原理复杂，外形尺寸大，成本高；由于电路的复杂不但信号延时增加；而且信号质量也会恶化。由于这种技术本身的缺点，这种传输方式只适用于窄带传输，且对信号延时不高的场景。另一种是射频信号直接调试光信号技术，这种传输原理是把射频信号直接调制到光信号进行传输入，终端把光信号还原成射频信号，这种传输方式克服了信号延时和信号质量问题，但传输带宽目前只做到3GHz。现有射频光纤传输技术带宽窄、功耗高、产品外形大，给工程施带来困难，且均是不带高速数字信号传输，随着现在通信技术的发展，通信与反通信的带宽逐年增加，需要一种超宽带射频、数字混叠光纤传输技术来解决宽带射频和数字传输问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，将超宽带射频信号直接调制到光信号上，再利用波分复用技术把射频信号和高速数字信号同时传输。不但解决信号延时、质量和带宽问题，还融合高速数字传输技术。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，该系统包括：
与射频同轴连接器（SSMA）连接的宽带放大单元，宽带放大单元连接至电光转换单元或光电转换单元；
与所述电光转换单元或光电转换单元连接的数据处理单元，数据处理单元与数据交换单元和J30J连接；
以及与所述电光转换单元和数据处理单元连接的波分复用单元，波分复用单元的输出端连接至主光纤；
以及为系统提供电源的电源处理单元。
进一步的，所述电光转换单元由宽带激光器、驱动电路、制冷电路、电流监测电路和功率控制电路组成。
进一步的，所述宽带激光器的工作温度控制上采用PID制冷技术。
进一步的，所述光电转换元包括宽带光电探测器、驱动电路和功率监测电路。
进一步的，所述数据处理单元包括温度补偿晶体振荡器TCXO、时钟管理芯片、单片机、FPGA电路和光模块。
进一步的，所述宽带放大单元是MMIC放大电路，其工作频率2~20GHz，带宽高达18GHz。
进一步的，当系统发射宽带信号时，高速数字信号由RJ45连接到数据交换单元，数据交换后连接到FPGA的高速差分接口，FPGA根据协议进行解析，送电光转换单元进行电光转换，高速数字光信号通过波分复用单元到主光纤上；
当系统接收宽带信号时，宽带射频光信号由FC/APC连接到波分复用单元，波分复用单元通过波长不同分为宽带射频光信号和数字光信号，宽带射频光信号由光电转换元转成宽带射频信号，经宽带放大单元把宽带射频信号放大，采用微组装可以使产品工作频率2~20GHz，工作带宽18GHz，工作带宽是分离器件无法实现的带宽，同时还可以使产品体积大幅缩小，信号放大器后由SSMA输出；
数字光信号流向：数字光信号由光电转换元分为高速数字信号和低速电平信号，分别连到FPGA差分接口上，低速电平信号经FPGA解析后直接连接到J30J接口，高速数定信号经FPGA解析后连接到数据交换单元，高速数字信号经数据交换后连接到RJ45进行数据收发。
进一步的，各芯片之间的安装互连采用玻璃纤维材料，芯片与芯片、芯片与封装之间的安装间隙小于3mil（1mil=0.0254mm）。
本发明的有益效果是：
（1）采用MMIC放大设计、宽带直调设计和波分复用技术实现超宽带射频、高速数字混叠光纤传输，工作频率最高20GHZ，工作带宽18GHz，高速数字传输速率为10Gb/s；
（2）采用创新PID制冷电路使激光器管芯工作于设定温度的±0.001度内；
（3）本方案采用超宽带射频信号MMIC放大，再采用直接调制技术，将射频信号调制到非常规波长的光信号进行传输，再利用波分复用技术把射频光信号和高速数字信号同时传输。由于采用MMIC放大+宽制直调技术+波分复用技术，不但解决了超宽带射频传输问题，而且本方案不需要对射频信号进行上、下变频，原理精简。改善了电路性能，减小了信号的延迟，降低了噪声、功率损耗和产品功耗，产品体积可以大幅减小，重量更轻；因为射频信号调制到非常规波长，与现有光纤网络波长错开，可以兼容现有光纤网络，避免二次施工，给工程安装节省时间和费用。
附图说明
图1为发射模块原理示意图；
图2为接收模块原理示意图；
图3为恒流驱动电路；
图4为功率控制电路；
图5为制冷电路；
图6为电流监测电路；
图7为MMIC放大电路；
图8为MMIC放大电路增益测试曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，该系统包括：
与SSMA（SSMA，工作频率为DC~30GHZ）连接的宽带放大单元1，宽带放大单元1连接至电光转换单元2或光电转换元2’；
与电光转换单元2或光电转换元2’连接的数据处理单元5，数据处理单元5与数据交换单元4和J30J连接；
以及与电光转换单元2和数据处理单元5连接的波分复用单元6，波分复用单元6的输出端连接至主光纤；
以及为系统提供电源的电源处理单元3。
本系统分为发射模块和接收模块，其中发射模块包括宽带放大单元1、电光转换单元2、电源处理单元3、数据交换单元4、数据处理单元5和波分复用单元6。接收模块包括宽带放大单元1、光电转换元2’、电源处理单元3、数据交换单元4、数据处理单元5和波分复用单元6。其结构可参考图1和图2所示，两者在组成上基本相似，区别在于因为收发信号使得信号处理方向完全相反。
作为一种优选实施例，电光转换单元2由宽带激光器、驱动电路、制冷电路、电流监测电路和功率控制电路组成，宽带激光器及其外围电路可参考图3所示，驱动电路如图4所示，功率控制电路如图5所示，电流监测电路如图7所示。
更为优选的，宽带激光器的工作温度控制上采用PID制冷技术，制冷电路如图6所示。光电转换元2’包括宽带光电探测器、驱动电路和功率监测电路。数据处理单元5包括温度补偿晶体振荡器TCXO、时钟管理芯片、单片机、FPGA电路和光模块。如图1和图2所示，温度补偿晶体振荡器TCXO与时钟管理芯片连接，时钟管理芯片与FPGA电路连接，FPGA电路与光模块连接，单片机用于与电光转换单元2或光电转换元2’连接，用于接收数据信号。
更为优选的，宽带放大单元1是MMIC放大电路，其工作频率2~20GHz，带宽高达18GHz。当系统发射宽带信号时，高速数字信号由RJ45连接到数据交换单元4，数据交换后连接到FPGA的高速差分接口，FPGA根据协议进行解析，送电光转换单元2进行电光转换，高速数字光信号通过波分复用单元6到主光纤上；当系统接收宽带信号时，宽带射频光信号由FC/APC连接到波分复用单元6，波分复用单元6通过波长不同分为宽带射频光信号和数字光信号，宽带射频光信号由光电转换元2’转成宽带射频信号，经宽带放大单元1把宽带射频信号放大，采用微组装可以使产品工作频率2~20GHz，工作带宽18GHz，工作带宽是分离器件无法实现的带宽，同时还可以使产品体积大幅缩小，信号放大器后由SSMA输出；数字光信号流向：数字光信号由光电转换元2’分为高速数字信号和低速电平信号，分别连到FPGA差分接口上，低速电平信号经FPGA解析后直接连接到J30J接口，高速数定信号经FPGA解析后连接到数据交换单元4，高速数字信号经数据交换后连接到RJ45进行数据收发。各芯片之间的安装互连采用玻璃纤维材料，芯片与芯片、芯片与封装之间的安装间隙小于3mil。
更为具体的，一种光纤超宽带射频、数字混叠传输系统，分为超宽带射频发射部分和超宽带射频接收部分，两部分通过光纤连接成对使用，实现数据交互与射频信号传递。
其中超宽带射频发射部分原理框图如图1，包括与SSMA连接的宽带MMIC放大单元1、电光转换单元2、电源处理单元3、数据交换单元4、数据处理单5和波分复用单元6组成。电光转换单元2还包含宽带激光器、激光器驱动电路、激光器电流监控电路和激光器功率控制电路；电源处理单元3包含输入电源滤波电路、DC/DC降压电路、负压电路和输出滤波电路；数据处理单元5包含温度补偿晶体振荡器TCXO、时钟管理芯片、单片机、FPGA电路和光模块。
宽带射频信号流向：宽带射频信号由SSMA输入连接到MMIC放大电路，工作频率2~20GHz，带宽高达18GHz，是分离器件无法实现的带宽，MMIC电路如图7，增益测试曲线如图8。MMIC尺寸为：3040*1540*100um，相比普通SOT-89封装的体积4500*4100*1600 um，体积缩小97%以上，所以产品体积可以大幅度减小。信号放大器后由电光转换单元转换成光信号，光信号为非常规的1310nm或1550nm波长,而是1270、1290、1330、1350等波长，宽带射频光信号通过波分复用到输出光纤上，由FC/APC输出。
高速数字信号流向：高速数字信号为双向，可以同时发送和接收高速数字信号，发送高速数字信号由RJ45连接到数据交换单元4，数据交换后连接到FPGA的高速差分接口，FPGA根据协议进行解析，送数字光模块进行电光转换。高速数字光信号通过波分复用到输主光纤上，由FC/APC输出。接收信号与发射信号流向相反，不再仔细说明。
低速电平信号流向：低速电平信号为单向传输，信号由J30J输入，直接送FPGA处理，FPGA处理后的电平信号送数字光模块进行电光转换，光信号通过波分复用到主光纤上，由FC/APC输出。
超宽带射频接收部分原理框图如图2，包括MMIC放大单元1、光电转换单元2’、电源处理单元3、数据交换单元4、数据处理单5和波分复用单元6组成。光电转换单元2’还包含宽带光电探测器、驱动电路和功率监测电路；电源处理单元3包含输入电源滤波电路、DC/DC降压电路和输出滤波电路；数据处理单元5温度补偿晶体振荡器TCXO、时钟管理芯片、单片机、FPGA电路和光模块。
超宽带射频光信号流向：宽带射频光信号由FC/APC连接到波分复用单元5，波分复用通过波长不同分为宽带射频光信号和数字光信号，宽带射频光信号由光电转换单元2转成宽带射频信号，经MMIC放大电路把宽带射频信号放大，采用微组装可以使产品工作频率2~20GHz，工作带宽18GHz，工作带宽是分离器件无法实现的带宽，同时还可以使产品体积大幅缩小，信号放大器后由SSMA输出。
数字光信号流向：数字光信号由光模块分为高速数字信号和低速电平信号，分别连到FPGA差分接口上，低速电平信号经FPGA解析后直接连接到J30J接口，高速数定信号经FPGA解析后连接到数据交换单元4，高速数字信号经数据交换后连接到RJ45进行数据收发。
本方案通过光纤传输宽带射频信号，工作频率高达20GHZ，工作带宽18GHZ，对整过射频链路设计要求非常高，本发明主要从两方面解决，一方面是原理上采用MMIC放大设计和宽制直调设计，各芯片与芯片、芯片与封装之间的安装互连采用玻璃纤维材料；另一方面从装配工艺上采用精密微组装，使芯片与芯片、芯片与封装之间的安装间隙小于3mil，同时键合的引线尽量短，保证各电路的输入、输出电压驻波比，让传输的以射系数尽量小。
本方案在激光器的工作温度控制上采用PID制冷技术（Proportional：比例、Integral：积分、Differential：微分的缩写，以下简称PID制冷技术）。通过激光器内部热敏电阻采样芯片工作环境温度，采样电压经过高速低噪声放大器电路，迅速反应误差；再经过高速积分电路，只要系统有误差存在，积分电路就不断地积累，输出控制量，以消除误差；微分电路可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度；输出控制量控制H桥改变TEC的工作电流，电路图如图5，使激光器管芯工作于设定温度的±0.001度内。
本方案中TCXO提供高精度参考时钟，供时钟管理芯片和单片机使用，时钟管理芯片输出多路时钟信号供FPGA使用。单片机用于配置时钟管理芯片、监控激光器工作电流、发光功率、功率控制、FPGA工作状态和与FPGA通信，并提供外部调试接口和通信接口。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，该系统包括：
与射频同轴连接器SSMA连接的宽带放大单元（1），宽带放大单元（1）连接至电光转换单元（2）或光电转换元（2’）；
与所述电光转换单元（2）或光电转换元（2’）连接的数据处理单元（5），数据处理单元（5）与数据交换单元（4）和J30J连接；
以及与所述电光转换单元（2）和数据处理单元（5）连接的波分复用单元（6），波分复用单元（6）的输出端连接至主光纤；
以及为系统提供电源的电源处理单元（3）。
2.根据权利要求1所述的基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，所述电光转换单元（2）由宽带激光器、驱动电路、制冷电路、电流监测电路和功率控制电路组成。
3.根据权利要求2所述的基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，所述宽带激光器的工作温度控制上采用PID制冷技术。
4.根据权利要求1所述的基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，所述光电转换元（2’）包括宽带光电探测器、驱动电路和功率监测电路。
5.根据权利要求1所述的基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，所述数据处理单元（5）包括温度补偿晶体振荡器、时钟管理芯片、单片机、FPGA电路和光模块。
6.根据权利要求1所述的基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，所述宽带放大单元（1）是MMIC放大电路，其工作频率2~20GHz，带宽高达18GHz。
7.根据权利要求1所述的基于光纤通信的射频、数字混叠传输系统，其特征在于，各芯片之间的安装互连采用玻璃纤维材料，芯片与芯片、芯片与封装之间的安装间隙小于3mil。
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