基于微波光子技術(shù)的智能射頻前端與鏈路

射頻（RF）前端與鏈路是雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)中的核心功能模塊。新一代智能無線系統(tǒng)的大帶寬、多頻段、可重構(gòu)信號處理與傳輸需求對RF 前端與鏈路的研發(fā)提出一系列挑戰(zhàn)。基于微波光子技術(shù)的RF 前端與鏈路具有大帶寬、低損耗和抗電磁干擾等優(yōu)勢，能夠很好地滿足新一代智能無線系統(tǒng)的需求。重點(diǎn)圍繞可重構(gòu)、多信道/ 陣列化收發(fā)RF 前端和大動態(tài)范圍、高相位穩(wěn)定性、多業(yè)務(wù)融合的微波光子RF 鏈路，介紹與分析智能微波光子射頻前端與鏈路的發(fā)展現(xiàn)狀與研究動態(tài)。

隨著新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展演進(jìn)，各種不同頻段、制式的通信標(biāo)準(zhǔn)和無線業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致無線系統(tǒng)的多樣性與異構(gòu)性越來越明顯，主要表現(xiàn)為：多種不同通信制式、標(biāo)準(zhǔn)共存，例如, 已經(jīng)開始商用的5G、目前主流的4G 以及擁有一定用戶存量的3G 和2G；各種不同功能的無線業(yè)務(wù)共存，例如，無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、北斗和全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航等；不同頻段射頻信號共存，覆蓋幾十兆赫茲的微波到幾十吉赫茲的毫米波甚至太赫茲波。在此背景下，無線系統(tǒng)不斷朝著智能化方向發(fā)展，一方面能夠進(jìn)行寬帶多頻段、多功能、多標(biāo)準(zhǔn)信號的無縫兼容與融合；另一方面具有靈活可重構(gòu)特性，可根據(jù)系統(tǒng)功能、服務(wù)對象、應(yīng)用場景進(jìn)行不同頻段、標(biāo)準(zhǔn)無線信號的切換與優(yōu)化組合，以達(dá)到資源利用最大化。

射頻前端與鏈路是無線系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，承擔(dān)著無線信號的收發(fā)處理與傳輸?shù)汝P(guān)鍵任務(wù)；因此，發(fā)展具有大帶寬、多頻段以及可重構(gòu)特性的智能射頻前端與鏈路對無線系統(tǒng)的進(jìn)一步演進(jìn)至關(guān)重要。現(xiàn)有基于傳統(tǒng)電子技術(shù)的射頻前端與鏈路存在著高頻損耗大、帶寬窄、處理速度低等諸多瓶頸問題，難以滿足無線系統(tǒng)的智能化發(fā)展需求。近些年來，微波光子學(xué)的快速興起、成熟為上述問題的解決提供了新的方法和思路。微波光子系統(tǒng)將傳統(tǒng)電子學(xué)難以處理的高頻、寬帶微波信號調(diào)制到光域上，借助于光子學(xué)器件或者技術(shù)的低損耗、大帶寬以及抗電磁干擾等本征優(yōu)勢進(jìn)行寬帶、高頻微波信號的產(chǎn)生、傳輸、處理、檢測和控制等[1]。微波光子技術(shù)能夠有效地緩解傳統(tǒng)電子學(xué)技術(shù)在處理和傳輸高頻段、大帶寬、動態(tài)時(shí)變微波信號時(shí)所面臨的困境；因此，滿足寬帶、多頻段以及可重構(gòu)等特性的微波光子智能射頻前端與鏈路是近些年來微波射頻器件研究的熱點(diǎn)。

1、智能微波光子射頻前端

射頻前端位于無線系統(tǒng)最前端，負(fù)責(zé)連接收發(fā)機(jī)與天線，是整個(gè)系統(tǒng)性能好壞的決定性因素之一。隨著5G移動通信及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用部署，以及為滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)中雷達(dá)的高性能需求，射頻前端需要處理的信號不斷變得更加復(fù)雜，向著超高頻、多種調(diào)制格式、多頻段、多波束收發(fā)和多點(diǎn)無線資源協(xié)同等智能化方向發(fā)展。然而，由于不同頻段使用的電子元件截然不同，電子射頻前端難以通過堆疊射頻模塊來實(shí)現(xiàn)跨多波段甚至全通信波段的可調(diào)諧和可重構(gòu)功能；因此，具有可調(diào)諧可重構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的寬帶微波光子射頻前端應(yīng)運(yùn)而生，并日益發(fā)展壯大。

1.1 可重構(gòu)收發(fā)射頻前端

微波光子收發(fā)射頻前端主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示 。同傳統(tǒng)的電射頻前端一樣，微波光子射頻前端（MPRF）需要完成信號放大、濾波、本地振蕩（LO）信號產(chǎn)生、針對發(fā)送和接收的上下變頻等。而不一樣的是，MPRF 一方面將射頻信號變換到光域，利用微波光子技術(shù)的大帶寬優(yōu)勢替代電子器件實(shí)現(xiàn)信號濾波和混頻等處理功能，以兼容多頻段、多制式、多功能信號；另一方面可通過光子技術(shù)產(chǎn)生高頻、可調(diào)諧的LO 信號。

圖1、微波光子收發(fā)前端示意圖

目前，可重構(gòu)MPRF 的研究主要集中于利用微波光子混頻技術(shù)的寬帶優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收信號的寬帶可調(diào)諧上、下變頻，以滿足智能系統(tǒng)的多頻段信號兼容與靈活可重構(gòu)需求。美國Vencore 實(shí)驗(yàn)室的研究人員針對接收射頻前端，利用外調(diào)制產(chǎn)生光梳多頻本振，在實(shí)驗(yàn)中將2 ～18 GHz 范圍的射頻信號下變頻至2 GHz 中頻頻段[3]。南京航空航天大學(xué)的研究人員利用外調(diào)制產(chǎn)生雙光梳本振，研制了S 波段到Ka 波段的收發(fā)射頻前端[4]。意大利國家光電實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用鎖模激光器產(chǎn)生光頻梳本振，實(shí)現(xiàn)了信號的可調(diào)諧上、下變頻接收與發(fā)送，頻率調(diào)諧范圍為2 ～18 GHz[5]。清華大學(xué)的研究人員提出了一種基于光電振蕩器（OEO）的可調(diào)諧寬帶光子射頻前端方案，可調(diào)諧頻率范圍可覆蓋X 波段到Ka 波段[6]。此外，該課題組還利用基于光頻梳和色散介質(zhì)的微波光子濾波器構(gòu)造接收射頻前端，在實(shí)現(xiàn)信號下變頻接收的同時(shí)進(jìn)行中頻濾波，頻率覆蓋范圍大于20 GHz[7]。

此外，可重構(gòu)MPRF 的芯片集成是最近興起的熱點(diǎn)研究方向，以提供低成本、小體積和高可靠的光子射頻前端解決方案。清華大學(xué)的研究人員提出一種基于硅基集成的微波光子收發(fā)前端[8]，利用片上相位外調(diào)制產(chǎn)生光本振，實(shí)現(xiàn)的發(fā)送信號調(diào)諧范圍為2 ～10 GHz，可處理的接收信號頻率覆蓋為2 ～15 GHz。西南交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種通用的微波光子集成芯片（PIC）[9]，如圖2 所示。該芯片單片集成了多個(gè)可調(diào)諧的激光器、調(diào)制器和耦合器，實(shí)現(xiàn)微波光子鏈路結(jié)構(gòu)和信號流向的重構(gòu)，能夠靈活配置，跨越微波信號產(chǎn)生、傳輸和處理3 大核心領(lǐng)域?qū)嵤┒囗?xiàng)功能，包括遠(yuǎn)端信號產(chǎn)生、強(qiáng)度/ 相位調(diào)制的微波光子傳輸鏈路、可調(diào)諧帶通/ 帶阻濾波器、微波瞬時(shí)頻率測量、微波脈沖重復(fù)頻率測量等。該芯片直接應(yīng)用于承載室內(nèi)和室外場景的日常實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)：直接部署在成都- 重慶（成渝）高鐵線路沿線，針對電磁干擾進(jìn)行監(jiān)測；被嵌入到4G/5G 無線通信系統(tǒng)和4K 高清視頻接入系統(tǒng)，支撐日常實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

圖2、通用微波光子芯片及其應(yīng)用于室內(nèi)和室外場景的日常實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)承載示意圖[10]

1.2 多信道/ 陣列化收發(fā)射頻前端

多信道/ 陣列化收發(fā)前端分為兩部分討論：一部分是光子真時(shí)延相控陣收發(fā)前端，另一部分是寬帶信號的信道化接收前端。

相控陣收發(fā)前端通過控制各個(gè)陣元幅度和相位來實(shí)現(xiàn)射頻信號的高效定向覆蓋，能夠有效降低系統(tǒng)損耗，增加覆蓋范圍，降低附加干擾；因此，相控陣收發(fā)前端在雷達(dá)、無線通信等射頻微波領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用?；诠庾诱鏁r(shí)延的波束賦形技術(shù)因其能夠充分利用光子技術(shù)的抗電磁干擾、重量輕、體積小、低損耗、高帶寬等優(yōu)勢，有望替代現(xiàn)有帶寬受限電子技術(shù)來滿足射頻智能系統(tǒng)的寬譜靈活覆蓋需求。基于光子真時(shí)延波束賦形的陣列化收發(fā)前端基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示：射頻信號經(jīng)電光轉(zhuǎn)換至光域，通過光子學(xué)手段對射頻信號進(jìn)行群時(shí)延調(diào)控，最終獲得多路不同延時(shí)的天線饋送射頻信號。實(shí)現(xiàn)光子真時(shí)延相控陣收發(fā)前端的關(guān)鍵在于光域群時(shí)延操控方法。1991 年，美國W. NG 等首次利用固定長度的光纖和光開關(guān)實(shí)現(xiàn)了光子真時(shí)延相控陣天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了2 GHz 和9 GHz 射頻信號的波束掃描[11]。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了利用波長相關(guān)的色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光子真時(shí)延的方案，在2 ～18 GHz 工作帶寬內(nèi)波束掃描角大于100°[12]。西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用受激布里淵（SBS）散射的慢光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光子真時(shí)延，延遲時(shí)間為0 ～10 ns[13]。澳大利亞斯溫伯恩技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)的研究人員基于小型化的微諧振腔產(chǎn)生光學(xué)頻率梳作為多波長光源，有效增加光子真時(shí)延相控陣系統(tǒng)可支持的天線單元數(shù)目[14-15]，最高可達(dá)81 個(gè)。美國俄亥俄州立大學(xué)的研究人員則基于集成的空間光學(xué)器件提供光子真時(shí)延，可支持的天線單元數(shù)目高達(dá)112 個(gè)，射頻覆蓋范圍超過20 GHz[16]。南京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出利用微波光子濾波方法實(shí)現(xiàn)多波束光子真時(shí)延相控陣系統(tǒng)[17]。

圖3、基于光子真時(shí)延的相控陣收發(fā)前端示意圖

微波光子信道化接收機(jī)通過光子技術(shù)、器件在光域?qū)拵漕l信號劃分成若干均勻/ 非均勻子信道，便于后續(xù)的進(jìn)一步精細(xì)處理，能夠滿足智能系統(tǒng)的寬帶多頻段信號感知接收需求。根據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不同，微波光子信道化接收機(jī)大致可分為3 類，分別為空分復(fù)用型（SDM）、波分復(fù)用型（WDM）以及時(shí)分復(fù)用型（TDM）[18]。SDM 型號微波光子信道化接收機(jī)利用空間濾波器將射頻信號分離成多個(gè)并行信道，每個(gè)信道包含一部分射頻信號頻譜的分離。美國New Focus 公司的研究人員基于自由空間衍射光纖對射頻信號實(shí)施信道化，獲得了1 GHz 的信道分辨率，總瞬時(shí)帶寬超過了100 GHz[19]。WDM 微波光子信道化接收機(jī)利用光信道化濾波在光波長域?qū)ι漕l信號進(jìn)行頻譜切割，使得每個(gè)光波長信道對應(yīng)于一部分射頻信號的頻譜分量，最終通過波分解復(fù)用獲得多個(gè)平行且頻譜分離的信道。西南交通大學(xué)課題組基于多個(gè)不同中心頻率的SBS 增益譜進(jìn)行光域信道化濾波，信道分辨率可達(dá)十幾兆赫茲[20]。北京郵電大學(xué)研究人員結(jié)合兩個(gè)相干光頻率梳和相干解調(diào)技術(shù)解決了WDM 方案需要頻域精細(xì)濾波和精確波長對準(zhǔn)的問題，實(shí)驗(yàn)中獲得了7 個(gè)帶寬為0.5 GHz 的信道，頻譜覆蓋3.75 ～7.25 GHz[21]。南京航空航天大學(xué)研究人員利用2 個(gè)相干光頻率梳以及SBS 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信道化接收機(jī)，獲得的信道間隔可以小于80 MHz[22]。TDM 型微波光子信道化接收機(jī)主要通過光波長掃描或者光頻循環(huán)模塊將射頻信號的頻譜映射至?xí)r域，借助于時(shí)域控制開關(guān)在時(shí)間域進(jìn)行射頻信號頻譜分離，即一段時(shí)間對應(yīng)于一部分頻譜分量。清華大學(xué)研究人員結(jié)合循環(huán)光頻移和時(shí)域光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了20 GHz 寬譜信號的信道化，系統(tǒng)分辨率可達(dá)2 MHz[23]。

2、智能微波光子射頻鏈路

微波光子射頻鏈路（MPRL）的基本模型如圖4 所示：首先將模擬射頻信號經(jīng)電光調(diào)制器件加載至光載波上，再利用光纖鏈路進(jìn)行遠(yuǎn)端分發(fā)，最后經(jīng)光電解調(diào)器件恢復(fù)出射頻信號。面向智能化系統(tǒng)的應(yīng)用，MPRL 面臨的核心挑戰(zhàn)是如何保證多種不同頻段、不同制式射頻信號的高保真度輸出，涉及的鏈路特性有動態(tài)范圍、相位穩(wěn)定度以及不同頻段、制式射頻信號的兼容性。下面我們圍繞上述3 個(gè)問題，分別介紹大動態(tài)范圍MPRL、高相位穩(wěn)定性MPRL，以及多業(yè)務(wù)融合MPRL。

圖4、微波光子鏈路基本模型

2.1 大動態(tài)范圍微波光子射頻鏈路

MPRL 的動態(tài)范圍表征鏈路可處理信號的幅度范圍，其下限取決于鏈路的噪聲性能，上限取決于鏈路的非線性特性；因此，抑制噪聲和消除非線性是提升動態(tài)范圍的關(guān)鍵。MPRL的噪聲抑制主要有兩種方法：一種是低偏置馬赫- 曾德爾調(diào)制器（MZM）[24]，通過將低光生電流抑制光電探測器散粒噪聲和激光器相對強(qiáng)度噪聲（RIN）；另一種基于平衡探測技術(shù)[25]抑制激光器的RIN。相較于噪聲的隨機(jī)性，MPRL 的非線性失真來源明確（主要來源于調(diào)制器件與光電探測器件的非線性，且在絕大多數(shù)情況下，調(diào)制器件的調(diào)制非線性作用占主導(dǎo)地位），產(chǎn)生機(jī)理又較為清楚，通過鏈路的非線性失真補(bǔ)償往往能夠以較小的代價(jià)獲得較大的動態(tài)范圍的收益提升；因此，MPRL 線性化一直以來都是大動態(tài)范圍MPRL 研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。已報(bào)道的MPRL 線性化方法大致可分為前饋線性化、模擬預(yù)失真、數(shù)字線性化和全光線性化等。

前饋線性化與模擬預(yù)失真技術(shù)均借鑒于傳統(tǒng)的電放大器線性化方法。前饋線性化方案需要兩條光電鏈路：一條鏈路進(jìn)行錯(cuò)誤信息提取，另外一條將此錯(cuò)誤信息傳輸至接收端與接收信號結(jié)合以實(shí)現(xiàn)非線性失真消除。美國霍普金斯大學(xué)的研究人員利用前饋線性化技術(shù)該技術(shù)對MZM 強(qiáng)度調(diào)制MPRL 進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償，獲得的鏈路無雜散動態(tài)范圍（SFDR）為110 dB·Hz2/3[26]。模擬預(yù)失真技術(shù)通過外部模擬電路在信號未調(diào)制光載波前進(jìn)行預(yù)失真處理。模擬電路的傳輸函數(shù)與MPRL 相反，兩者級聯(lián)最終可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的線性化。加拿大康考迪亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于零偏振二極管[27]進(jìn)行了直接調(diào)制MPRL 的線性化，獲得的鏈路SFDR 大于110 dB·Hz4/5。

數(shù)字線性化技術(shù)將模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變換到數(shù)字域，利用數(shù)字信號處理（DSP）算法進(jìn)行鏈路的非線性失真補(bǔ)償。線性化實(shí)現(xiàn)方法與模擬預(yù)失真類型類似：構(gòu)造與MPRL 的相反傳遞函數(shù)并對射頻信號進(jìn)行預(yù)先或后處理，以抵消MPRL 的非線性失真。北京郵電大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用記憶多項(xiàng)式線性化模型，采用數(shù)字預(yù)失真的方式對寬帶的射頻信號進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)超過15 dB 的三階交調(diào)失真（IMD3）抑制[28]。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員提出了一種數(shù)字后處理算法將MPRL 的SFDR 性能提高至120 dB·Hz2/3[29]。美國霍普金斯大學(xué)的研究人員基于相位調(diào)制I/Q 解調(diào)MPRL，利用數(shù)字后處理的方法獲得的鏈路SFDR 超過126.8 dB·Hz4/5[30]。

全光線性化利用光子技術(shù)進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償，具有大帶寬的優(yōu)勢，是近幾年來的研究熱點(diǎn)。全光線性化的主流方法為利用較為復(fù)雜的級聯(lián)或并聯(lián)調(diào)制結(jié)構(gòu)，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化設(shè)置獲得兩路非線性特性相反或相同的調(diào)制路徑，最終通過兩路非線性失真的相互抵消實(shí)現(xiàn)鏈路的線性化。美國麻省理工學(xué)院的課題組利用級聯(lián)MZM 結(jié)構(gòu)，并通過非線性失真的抑制獲得了132 dB·Hz4/5的SFDR 性能[31]。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員基于雙MZM 并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行MPRL 的線性化，理論上可獲得144 dB·Hz4/5的SFDR性能[32]。清華大學(xué)的研究人員進(jìn)一步地提出了更為簡單、穩(wěn)定的基于雙平行MZM（DPMZM） 的線性化方案，實(shí)驗(yàn)上獲得了122.9 dB·Hz2/3的SFDR性能[33]。加拿大渥太華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于偏振調(diào)制器和Sagnac 環(huán)方案，實(shí)現(xiàn)超過50 dB 的IMD3 抑制，SFDR 可達(dá)121 dB·Hz2/3[34]。西南交通大學(xué)課題組利用鈮酸鋰相位調(diào)制器的偏振特性實(shí)現(xiàn)了MPRL 的線性化[35]，結(jié)構(gòu)簡單且無偏置漂移。

2.2 高相位穩(wěn)定性微波光子射頻鏈路

利用MPRL 的低損耗、抗電磁干擾、大帶寬等優(yōu)勢進(jìn)行射頻信號的長距離穩(wěn)相傳輸，在射電天文學(xué)、深空網(wǎng)絡(luò)、分布式合成孔徑雷達(dá)、高精度時(shí)鐘信號分配以及粒子加速器等系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。溫度變化、機(jī)械振動等環(huán)境擾動所造成的光纖有效折射率與長度變化會引起MPRL 傳輸射頻信號的相位隨機(jī)抖動，經(jīng)時(shí)間積累，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作；因此，實(shí)現(xiàn)高相位穩(wěn)定射頻信號傳輸是MPRL 非常重要的研究方向。

當(dāng)前，MPRL 穩(wěn)相傳輸方法主要分為兩大類，一類為主動式穩(wěn)相傳輸技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示[36]，其核心思路為提取鏈路往返信號的相位抖動信息，以此反饋控制電路或者光路時(shí)延，從而補(bǔ)償射頻信號在MPRL傳輸中的相位抖動。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的研究人員通過壓控振蕩器（VCO）反饋控制進(jìn)行電路時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了射頻信號的146 km 長距離穩(wěn)相傳輸，1 s 和30 000 s 頻率穩(wěn)定度分別為3×10-15和1×10-19[37]。法國巴黎天文臺的研究人員利用了VCO 電路延時(shí)反饋控制，實(shí)現(xiàn)了176 km 的射頻信號穩(wěn)相傳輸，1 s 和10 000 s 頻率穩(wěn)定度分別達(dá)到了10-16和10-19量級[38]。北京大學(xué)的研究人員反饋控制電相移器實(shí)現(xiàn)了100 MHz 信號的100 km 穩(wěn)相傳輸，1 s 和4 000 s 頻率穩(wěn)定度分別為3×10-14和3×10-17[39]。法國巴黎大學(xué)的研究人員利用壓電陶瓷光纖延遲線的反饋控制補(bǔ)償光路時(shí)延抖動，實(shí)現(xiàn)了1 s 和1 d 頻率穩(wěn)定度分別為1.3×10-15和1×10-18，傳輸距離為86 km，射頻信號頻率為9.15 GHz[40]。北京郵電大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過激光器波長的反饋控制進(jìn)行光路時(shí)延抖動補(bǔ)償，在45 km 光纖鏈路和2.5 GHz傳輸射頻信號情況下，獲得的1 s 和104 s 頻率穩(wěn)定度分別為3.3×10-13和7.5×10-17[41]。

圖5、主動式微波光子射頻鏈路穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)示意圖

主動式補(bǔ)償方法的性能直接取決于電相移器、VCO 和光可調(diào)延時(shí)線等補(bǔ)償器件的自身特性，具有響應(yīng)速度慢和調(diào)諧范圍窄等限制。另一類穩(wěn)相傳輸技術(shù)為被動式補(bǔ)償方法，即利用混頻相消的原理進(jìn)行鏈路的時(shí)延抖動補(bǔ)償。我們以如圖6 所示的方案[42]為例，簡要闡述被動式補(bǔ)償方法的一般原理：射頻信號cos(ω0t)在本地端二分頻后經(jīng)MPRL 傳輸至遠(yuǎn)端，設(shè)鏈路傳輸帶來的相位變化為θ，則在遠(yuǎn)端的射頻信號變?yōu)閏os[(0.5ω0(t-θ)]。該信號分成兩路，一路回傳至本地端與發(fā)送射頻信號混頻后得到的第二路的發(fā)送信號cos[(0.5ω0(t+θ)]，另外一路與該混頻信號在遠(yuǎn)端混頻，最終消除相位項(xiàng)θ，從而有效補(bǔ)償光纖鏈路的相位抖動。

圖6、被動式微波光子射頻鏈路穩(wěn)相傳輸原理圖

該方法不僅結(jié)構(gòu)簡單、補(bǔ)償速度快，且理論上具有無限的補(bǔ)償范圍；因此是近些年來高穩(wěn)相MPRL 的研究熱點(diǎn)。北京郵電大學(xué)的研究人員利用三級混頻的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相位抖動小于0.25 rad 的2.8 GHz 射頻信號10 km穩(wěn)相傳輸[43]，并進(jìn)一步優(yōu)化了方案，在僅需本地端一級混頻情況下，實(shí)現(xiàn)了2.42 GHz 射頻信號在30 km 光纖鏈路中的穩(wěn)相傳輸，獲得的均方根相位漂移小于0.026 rad[44]。南京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在僅需一個(gè)微波源和兩級混頻情況下進(jìn)行了6 GHz 射頻信號的20 km 光纖穩(wěn)相傳輸，信號的均方根時(shí)間抖動小于1.33 ps[45]。澳大利亞麥考瑞大學(xué)的研究人員則在100 km MPRL 中驗(yàn)證了混頻相消方法的可行性，1 萬秒頻率穩(wěn)定度為1×10-17[46]。中國計(jì)量科學(xué)研究院- 清華大學(xué)精密測量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)的研究人員進(jìn)一步將混頻相消方法拓展至多點(diǎn)穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)，獲得的頻率穩(wěn)定度分別可達(dá)7×10-17/104 s[47]和2 000 s[48]。

2.3 多業(yè)務(wù)融合的微波光子射頻鏈路

對不同頻段、調(diào)制格式和標(biāo)準(zhǔn)的信號“透明”是MPRL 核心優(yōu)勢之一。相較于傳統(tǒng)的數(shù)字基帶傳輸方式一次只能傳輸單一業(yè)務(wù)，基于MPRL 的光載無線（RoF）系統(tǒng)能夠支持多種不同頻段、制式的無線業(yè)務(wù)（包括較低頻段的傳統(tǒng)無線業(yè)務(wù)以及毫米波太赫茲波業(yè)務(wù)），并以簡化的方式在同一鏈路中融合傳輸，從而大幅提高網(wǎng)絡(luò)的兼容性與可拓展性，支撐未來5G/B5G，甚至6G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

早在2007 年，英國劍橋大學(xué)研究人員詳細(xì)研究了支持3G 和無線局域網(wǎng)（WLAN）兩種制式的RoF 系統(tǒng)。丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員[49]在長達(dá)78 km 的既有光纖傳輸鏈路中以波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了250 Mbit/s 的5 GHz射頻、3.125 Gbit/s 的超寬帶（UWB）、WiMax 業(yè)務(wù)融合[50]。美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員提出了一種基于MPRL的多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Wi-Fi、WiMAX、60 GHz 毫米波3 種不同業(yè)務(wù)的融合傳輸[51]。中國臺北科技大學(xué)的研究人員利用多個(gè)注入鎖定的FP 激光器以及波分復(fù)用技術(shù)，同時(shí)傳輸了20 GHz 的微波信號、60 GHz 的毫米波信號以及550 MHz 的有線電視信號[52]。日本國立信息與通信研究所的研究人員利用波分復(fù)用技術(shù)同時(shí)傳輸了2.6 GHz 4G LTE-A 信號和35.4 GHz 毫米波信號，并探討了該方案在未來通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景[53]。西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的研究人員利用基于多模光纖的RoF 系統(tǒng)，同時(shí)傳輸了2G/3G/4G 全球移動通信系統(tǒng)（GSM）信號[54]。南京航空航天大學(xué)的研究人員利用雙偏振雙平行馬赫- 曾德爾調(diào)制器作為RoF 系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)了11.1 Gbit/s 的高清視頻信號和多個(gè)不同頻段的16 QAM 信號（3 GHz、5 GHz、60 GHz）的融合傳輸[55]。英國倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員致力于更高頻段信號的融合傳輸，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了5個(gè)頻段覆蓋220 ～280 GHz 的亞太赫茲信號在10 km RoF系統(tǒng)中的同時(shí)傳輸[56]。

西南交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)圍繞多通道微波光子收發(fā)陣列封裝設(shè)計(jì)展開研究，研制了集成寬帶一體化光收發(fā)模塊，并實(shí)施了低成本、小尺寸、低功耗高速寬帶無線接入方案，搭建了具有5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的多業(yè)務(wù)融合的MPRL 演示平臺，如圖7 所示。研究人員進(jìn)而在該平臺上驗(yàn)證和演示了2.97 Gbit/s 的高速無線接入、無壓縮1 080 P 制式高清視頻傳輸、TD-LTE 視頻通信，以及高速移動場景下（如350 km/h 高鐵）500 Mbit/s 的無線接入速率。

圖7、基于一體化光收發(fā)模塊的微波光子射頻鏈路系統(tǒng)及多業(yè)務(wù)演示

3、結(jié)束語

基于微波光子技術(shù)的智能射頻前端與鏈路具有大帶寬、可重構(gòu)、業(yè)務(wù)透明等優(yōu)勢，能夠充分滿足新一代信息技術(shù)的智能化發(fā)展需求。全球大量的課題組已經(jīng)在此領(lǐng)域辛勤耕耘，并取得了一系列創(chuàng)新成果。與此同時(shí)，微波光子智能射頻前端與鏈路還需要進(jìn)一步解決成本、功耗、體積、噪聲等方面的問題，為新一代信息技術(shù)的演進(jìn)和變革提供核心支撐。