基于光波分復(fù)用的雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

漆先虎 蘇 巧

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局駐西安地區(qū)第六軍事代表室 西安 710100)

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求，雷達(dá)回波信號(hào)逐步由視頻采樣向中頻乃至射頻采樣延伸，部分雷達(dá)中所具備的光學(xué)視頻也由早期的模擬視頻或低分辨率數(shù)字信號(hào)向高清數(shù)字視頻發(fā)展，某些雷達(dá)系統(tǒng)中甚至同時(shí)集多個(gè)波段雷達(dá)傳感器和電視、紅外傳感器于一體，導(dǎo)致了雷達(dá)內(nèi)部、匯流環(huán)上下各分系統(tǒng)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)量高速增長(zhǎng)。同時(shí)，越來越多的雷達(dá)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸由速率較低的RS232、RS422、CAN等通信方式向速率更高的以太網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，采用以太網(wǎng)通信來完成各種雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸已成為大勢(shì)所趨[1]。目前，百兆、千兆以太網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)光纖“一纖一波”的方式[2]在雷達(dá)系統(tǒng)中的使用非常普遍，但依然滿足不了日益增長(zhǎng)的大容量數(shù)據(jù)傳輸需求。大容量數(shù)據(jù)傳輸逐漸成為系統(tǒng)突出的瓶頸問題。如何在兼顧可靠性、經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)展性、工藝性等方面的同時(shí)進(jìn)行科學(xué)合理的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)與帶寬擴(kuò)容，是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中必須綜合考慮的。

結(jié)合目前現(xiàn)有技術(shù)水平和雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際工程環(huán)境，本文提出了雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸中，采用光波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道、大容量數(shù)據(jù)的傳輸方法，利用光纖的帶寬資源，可以使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至數(shù)十倍，為雷達(dá)總體設(shè)計(jì)、升級(jí)改造等過程提供了良好的技術(shù)途徑。

1 光波分復(fù)用技術(shù)介紹

光波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)是將兩種或多種不同波長(zhǎng)、攜帶各種信息的光載波信號(hào)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)[3]，在接收端，通過解復(fù)用器分離出各種波長(zhǎng)的光載波，再由光接收機(jī)進(jìn)行處理恢復(fù)成原信號(hào)。其原理圖如圖1所示。合波、分波技術(shù)途徑主要有光柵型、干涉濾波片型、陣列光波導(dǎo)型和熔錐型四種基本形式，均為無源技術(shù)，因此，光波分復(fù)用技術(shù)具有天然的抗電磁干擾性能和高可靠性。

圖1 波分復(fù)用原理圖

與傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用(TDM)方式相比,WDM具有速率和協(xié)議透明性,提供了在一根光纖上對(duì)不同速率和協(xié)議的透明傳輸通道,這使之更適應(yīng)雷達(dá)各種回波信號(hào)、視頻信號(hào)、控制信號(hào)等的傳輸。

光波分復(fù)用按信道間隔的不同可細(xì)分為粗波分復(fù)用(CWDM)和密集波分復(fù)用(DWDM)兩種。CWDM的信道間隔較寬為20 nm，它能在1270 nm到1610 nm光譜中同時(shí)傳輸18個(gè)波長(zhǎng)；而DWDM的信道間隔較窄，從0.2 nm到1.2 nm，可以同時(shí)傳輸40到160個(gè)波長(zhǎng)。雖然密集波分復(fù)用設(shè)備的波長(zhǎng)在光纖傳輸過程中是高密集成，相比粗波分復(fù)用具有更高的傳輸容量和傳輸距離，但其所使用的調(diào)制激光需要溫度調(diào)節(jié)方式的冷卻激光器，消耗更多、成本更高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，密集波分復(fù)用器設(shè)備的系統(tǒng)通常比粗波分復(fù)用器設(shè)備系統(tǒng)貴五倍。

粗波分復(fù)用器設(shè)備充分利用其波長(zhǎng)間隔寬、傳輸距離短的特點(diǎn)，只需用粗波分復(fù)用器和解復(fù)用器即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建，也無需采用較為復(fù)雜的控制技術(shù)來維護(hù),配套設(shè)備需求少、器件成本低、對(duì)系統(tǒng)要求不高，對(duì)光纖亦無特殊要求，可靈活應(yīng)用于G.652、G.653、G.655光纖，因此，使得實(shí)現(xiàn)起來更加容易[4]。同時(shí)，粗波分復(fù)用器設(shè)備相比密集波分復(fù)用器設(shè)備具有更小的功耗和體積，由于設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，具有更高的可靠性、通用性和可維護(hù)性，在各種條件要求很高的雷達(dá)系統(tǒng)上使用具有巨大優(yōu)勢(shì)。

2 雷達(dá)系統(tǒng)光波分復(fù)用傳輸設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文以某雷達(dá)系統(tǒng)項(xiàng)目為工程應(yīng)用基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和闡述。該雷達(dá)系統(tǒng)采用一體化載車形式，集各種雷達(dá)、光電設(shè)備于一體。主要采集和傳輸?shù)拇笕萘啃盘?hào)包括雷達(dá)寬帶光信號(hào)、窄帶/步進(jìn)頻光信號(hào)、紅外數(shù)字視頻電信號(hào)、可見光數(shù)字視頻電信號(hào)以及千兆網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)等。傳感器部分的設(shè)備分布于載車方艙上部天線座上，通過匯流環(huán)與載車方艙內(nèi)終端及處理工作站計(jì)算機(jī)設(shè)備連接通信。

系統(tǒng)中，各光、電信號(hào)均需通過匯流環(huán)傳遞到車體艙內(nèi)，所傳輸?shù)男盘?hào)既包括多路單向光信號(hào)，又包括多路雙向千兆網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)，具有光電復(fù)合品種多、通道容量需求大的特點(diǎn)，主要信號(hào)傳輸需求框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信號(hào)傳輸需求框圖

根據(jù)主要光、電信號(hào)的傳輸容量需求，通過普通匯流環(huán)電信號(hào)傳輸已無法滿足需求，即使在匯流環(huán)內(nèi)部加裝光纖旋轉(zhuǎn)連接器[5](以下簡(jiǎn)稱光匯流環(huán))，采用傳統(tǒng)光纖“一纖一波”的傳輸方式也無法滿足大帶寬數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際需求。因此，本文根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際通信帶寬需求，采用粗波分復(fù)用技術(shù)，結(jié)合單模單芯光纖匯流環(huán)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)多路光、電信號(hào)的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 通道需求

依據(jù)系統(tǒng)框圖和需求，寬帶雷達(dá)信號(hào)采用4路光纖單向傳輸；窄帶/步進(jìn)頻信號(hào)采用2路光纖單向傳輸；紅外、可見光數(shù)字視頻以及天線座上部交換機(jī)級(jí)聯(lián)接口采用千兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，受千兆交換機(jī)級(jí)聯(lián)口千兆帶寬的限制，這幾路千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無法匯集到天線座交換機(jī)后再通過交換機(jī)級(jí)聯(lián)口向下級(jí)聯(lián)傳輸，因此，該4路千兆網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)采取各自獨(dú)立通道的雙向傳輸策略。

通過系統(tǒng)傳輸信號(hào)及其帶寬需求的梳理，采用粗波分復(fù)用器進(jìn)行傳輸應(yīng)具備至少10個(gè)光波道的通道需求。

2.2.2 傳輸原理

10個(gè)光波道由波分復(fù)用器將該不同光源波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行合波，經(jīng)單模單芯光纖匯流環(huán)傳輸?shù)椒脚撝薪獠ǚ謴?fù)用器進(jìn)行分波，完成各路光通道的分波。其中，6路雷達(dá)光信號(hào)采用單模光纖傳輸，從成本和通用性上設(shè)計(jì)考慮，使用的是市面通用1310 nm波長(zhǎng)光模塊，因此，需要通過波分轉(zhuǎn)換卡將各路光信號(hào)變換為波分復(fù)用器對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)再進(jìn)行合波與傳輸。同樣，通過千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓鈱W(xué)視頻信號(hào)以及千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)電信號(hào)亦需首先通過光電收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，再經(jīng)波分轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行波長(zhǎng)變換接入波分復(fù)用器。對(duì)于主要用于信號(hào)接收的解波分復(fù)用器端，進(jìn)行分波后，與波分復(fù)用器端進(jìn)行對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換和接收處理，光學(xué)視頻信號(hào)以及千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)光信號(hào)通過光電模塊變換為千兆網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)后接入到方艙中以太網(wǎng)交換機(jī)，供計(jì)算機(jī)設(shè)備使用。對(duì)于經(jīng)過解波分復(fù)用后不同光波波長(zhǎng)的雷達(dá)光信號(hào)，則可直接接入到具備普通單模光模塊的計(jì)算機(jī)工作站設(shè)備接收使用。系統(tǒng)波分復(fù)用傳輸原理框圖如圖3所示。

2.2.3 粗波分復(fù)用設(shè)備組成

系統(tǒng)粗波分復(fù)用設(shè)備主要由光復(fù)用盤及配對(duì)的光解復(fù)用盤、波分轉(zhuǎn)換卡、波分光模塊、電模塊以及機(jī)箱、電源等部件組成，主要組成部件見圖3中虛線框所標(biāo)注部分。

光復(fù)用盤和光解復(fù)用盤均為無源光器件，具備10路光波通道，用于將10路CWDM波長(zhǎng)復(fù)用到一根光纖中傳輸，同時(shí)可將一根光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)分解為10路CWDM波長(zhǎng)。各通道中心波長(zhǎng)為1430 nm、1450 nm、1470 nm、1490 nm、1510 nm、1530 nm、1550 nm、1570 nm、1590 nm、1610 nm。

波分光模塊和電模塊安裝在波分轉(zhuǎn)換卡中，用于實(shí)現(xiàn)光、電信號(hào)的收發(fā)和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

圖3 系統(tǒng)波分復(fù)用傳輸原理框圖

波分轉(zhuǎn)換卡用于光信號(hào)的單向或雙向傳輸，結(jié)合波分光模塊和電模塊對(duì)信號(hào)完成3R(再放大，再整形，再定時(shí))再生，將非標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合CWDM標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)信號(hào)。本系統(tǒng)中使用了2.5 G單向傳輸和1.25 G單纖雙向傳輸兩種轉(zhuǎn)換卡。其中，2.5 G單向傳輸波分轉(zhuǎn)換卡適用于2個(gè)通道的寬帶信號(hào)或窄帶/步進(jìn)頻信號(hào)，1.25 G單纖雙向波分轉(zhuǎn)換卡適用于千兆網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

機(jī)箱和電源主要為波分復(fù)用各部件提供結(jié)構(gòu)安裝、供電和對(duì)外接口。

2.2.4 系統(tǒng)連接關(guān)系

粗波分復(fù)用設(shè)備各通道間的正確連接是系統(tǒng)正常工作的重要保障，信號(hào)較多、關(guān)系復(fù)雜的連接關(guān)系在實(shí)際工程中極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。本系統(tǒng)中具備單向、雙向多種連接配置，且有源與無源部件間各個(gè)通道波長(zhǎng)應(yīng)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)和連接，否則容易導(dǎo)致鏈路不通現(xiàn)象。系統(tǒng)的連接示意圖如圖4所示。

3 測(cè)試

雷達(dá)粗波分復(fù)用設(shè)備測(cè)試主要進(jìn)行各鏈路的通斷測(cè)試和通道速率測(cè)試。

圖4 系統(tǒng)連接示意圖

各鏈路的通斷測(cè)試主要檢測(cè)10個(gè)通道的輸入輸出是否通暢并正確對(duì)應(yīng)，檢測(cè)方法是在波分復(fù)用器和解波分復(fù)用器兩端各連接一臺(tái)具備千兆網(wǎng)卡電腦，兩臺(tái)電腦間通過執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)Ping命令來檢查通道的連接狀態(tài)。其中，波分復(fù)用設(shè)備上的4路電口由千兆網(wǎng)線與測(cè)試電腦連接，其它光接口由于均為至上而下單向傳輸，則通過光纖跳線轉(zhuǎn)接兩個(gè)光波通道，形成一對(duì)收發(fā)通道，并通過光纖收發(fā)器后與測(cè)試電腦連接，光通道測(cè)試連接原理框圖如圖5所示。

圖5 光通道測(cè)試連接原理框圖

通道速率測(cè)試在上述光接口、電接口連接基礎(chǔ)上，采用IxChariot測(cè)試軟件對(duì)每個(gè)通道速率分別進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試，每個(gè)通道傳輸穩(wěn)定，平均速率均達(dá)到900Mbps以上，如圖6所示，基本接近各通道千兆的帶寬容量，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖6 通道測(cè)試截圖

4 結(jié)束語

雷達(dá)系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，很好解決了大容量數(shù)據(jù)的傳輸瓶頸問題，具有成本低、集成易、可靠性高、抗擾性強(qiáng)、傳輸容量大、信號(hào)適應(yīng)廣、擴(kuò)展性能好等特點(diǎn)，是當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)擴(kuò)容升級(jí)、新研雷達(dá)系統(tǒng)大容量數(shù)字化傳輸設(shè)計(jì)的良好手段，必要情況下還可使用密集波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大容量的數(shù)據(jù)傳輸，在未來雷達(dá)系統(tǒng)中的實(shí)用前景非常廣泛。