פתרונות רדיו על גבי סיבים (RFoF) לישומים צבאיים

תקשורת הינה אחד הגורמים החשובים ביותר להצלחת פעולות צבאיות. תקשורת תקינה, מאובטחת עם טווח משמעותי מצילה חיי אדם ומשפרת את ביצועי המערכת משמעותית. על מנת להבטיח את ביטחונו של הגורם האנושי חשוב למצוא דרכים להגדלת המרחק בין אנשי הצוות וקצוות ציוד התקשורת, בד בבד הכרחי לספק פתרונות התומכים בפריסה מהירה של ערוצי התקשורת ובשיפור האבטחה של קווי תקשורת במובן שלאויב יהיה קשה ליירט תשדורות ולייצר חסינות מפני צורות שונות של הפרעות.
ערוצי תקשורת מסוג Radio Frequency over Fiber הינם הפתרון האידיאלי עבור יישומי תקשורת מוגנים בעלי אבטחה משופרת וביצועים מערכתיים משופרים.
מערכות ה-RFoF מאפשרות טווחי תקשורת של 100 ק”מ ומעלה, צמצום משמעותי של הכבלים בתוך המערכות ופריסה מהירה- יתרונות חשובים אלו הופכים את מערכות הRFoF לחיוניות לביטחון הגורם האנושי.
שימוש בסיבים אופטיים, והעברת האותות על גבי אורך גל אופטי משפר משמעותית את טיב ערוצי התקשורת, ומקשה מאד להתערב בתשדורות.
בנוסף, שימוש בסיבים אופטיים מספק חסינות מפני הפרעות שנגרמות על ידי אותות רדיו, השפעות אלקטרו-מגנטיות וברקים.

מהו RFoF?
RFoF הינה טכנולוגיית המרת אות בתדר רדיו (RF), לאות אופטי בתוך הסיב (FO) וחזרה לתחום הרדיו. ההמרה הראשונה (מרמת הרדיו לרמה האופטית) מתבצעת באמצעות LED או דיודת לייזר. המרה זו הינה למעשה אפנון אנלוגי ישיר על רכיב הלייזר, לאחר ההמרה האות משודר על גבי הסיב האופטי עד למקלט האופטי, בו מתבצעת ההמרה השנייה (מהרמה האופטית לרמת הרדיו) באמצעות פוטודיודה.
קונפיגורציה בסיסית של RFoF מורכבת ממקור רדיו, משדר RFoF, סיב אופטי, מקלט RFoF ומקלט רדיו (ראו איור 1).
ערוץ RFoF מאפשר העברת אות למרחקים גדולים בהרבה מאלו הניתן לבצע על ידי כבלים קואקסיאלים, וזאת בזכות הניחות הנמוך אינהרנטית של הסיב האופטי. השימוש בסיב אופטי גם יוצר ערוץ חסין להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) וכן חסינות לפעימות אלקטרומגנטיות (EMP).
השימוש בערוצי RFoF עבור שידור אותות אנלוגים (RF) התרחב מאד בשני העשורים האחרונים, בתחילת דרכו השימוש היה בעיקר לטלוויזיית כבלים ומאז הוא התרחב גם לתחום המסחרי ולתחום הביטחוני.

למה RFoF?
היתרונות העיקרים של מערכות RFoF יחסית למערכת RF מסורתית הינם:
המערכת מאפשרת מרחק גדול יותר בין מקור אות ה-RF לבין מקלט ה-RF.
המערכת חסינה מפני EMI & RFI
המערכת חסינה מפני פעימות אלקטרומגנטיות
קשה יותר ליירט תשדורות מהערוץ
מערכת קלת משקל
רוחב סרט גדול מאוד
המערכת עמידה לתנאי סביבה של מים ולחות.
יתרונות אלה מתאפשרים על ידי אפנון אותות הRF על גבי נשא אופטי (אור) והעברתו על גבי הסיב (FO). הניחות הנמוך של הסיב האופטי, המאפשר להשיג מרחקים גדולים יותר, מבוסס על אופן (mode) ההתפשטות של האות ואורך הגל בו משתמשים להעברת האינפורמציה.

סוגי סיבים
סיבים אופטיים נחלקים לשני סוגים:
סיב רב-אופַן (multimode) – לסיבים אלו ליבה עבה יותר מזו של סיבי חד אופן ולכן האות מועבר בהם במספר אופנים (modes) במקביל. המשמעות של מעבר מספר אופנים הינה שבסיב כזה קיימים מספר מסלולים בהם האור יכול לעבור ולכן פעימת אור קצרה בכניסה תימרח במוצא (עקב מעבר במסלולים שונים), כך נוצר פיזור של אות המוצא – עובדה שמגבילה את קצב התקשורת בסיב ואת מרחק השידור. מצד שני סיבי multimode זולים וקלים לייצור ולכן הם בשימוש ביישומים שבהם לא נדרש רוחב פס גבוה או לינאריות אנלוגית טובה. בסיבים אלו משתמשים להעברת מידע למרחקים של עד 500 מטר, הם נפוצים לשימוש במיוחד ברשתות מקומיות דיגיטליות, בתוך בניינים או בין בניינים סמוכים. סיבי multimode עבים יותר מסיבי singlemode – הליבה שלהם היא בדרך כלל בקוטר 50 או 62.5 מיקרון (איור 2).
סיב חד-אופַן (singlemode) – בסיבים אלו ליבה דקה יותר ולכן האות מועבר בהם באופן (mode) יחיד, מכיוון שכך הפיזור במוצא קטן יותר וניתן לשדר את האות ולהגיע למרחקי שידור ארוכים. בסיבים אלו אפשר להעביר מידע למרחקים של מעל 100 קילומטר. סיבי singlemode לתקשורת הם בדרך כלל בעלי מעטפת בקוטר 125 מיקרון, וליבה בקוטר 9 מיקרון, והם עטופים בשכבת מגן בעובי 125 מיקרון. סיב כזה מסומן לעתים 9/125/125. סדר המספרים הוא ליבה, מעטפת, שכבת מגן (איור 3).
מקובל להבדיל בין סיבי singlemode לסיבי multimode על ידי שימוש במעטפת חיצונית בצבע שונה – צהוב ל-singlemode וכתום ל-multimode.
במערכות RFoF נהוג להשתמש באורכי גל של 1550nm ו-1310nm עקב ביצועי הניחות והפיזור הטובים (בהתאמה) בתחומים אלו. עבור אורכי גל אלו הניחות של הסיב הינו בין 0.2 ל-0.4dB/Km. מבחינה חישובית על מנת לקבל את הניחות של אות ה-RF (המאופנן על אורך הגל האופטי) יש להכפיל מספר זה ב-2 בסקלה לוגריתמית. למשל אם הניחות האופטי של הסיב הינו 0.3 ד”ב אזי ניחות האות ה-RF יהיה 0.6 ד”ב.

המפתח לתחום הדינמי של המערכת
אחד ההבדלים בין מערכת RFoF וקו קואקסיאלי מסורתי הינו השימוש ברכיבים אקטיביים ב-RFoF.
כמו בכל חישוב שרשרת RF, לרכיבים האקטיביים ישנה השפעה ישירה על ביצועיי המערכת. להלן מספר מאפיינים עיקריים של מערכות RFoF:
ספרת רחש (NF):
בדרך כלל ספרת הרחש מתייחסת לסכום הרעש במערכת ב-dB אשר המערכת תורמת מעבר לרעש התרמי.
רעש תרמי הינו רעש בלתי נמנע, המתייחס לנושאי מטען הנעים בצורה שרירותית בתוך מוליך.
בין היתר, ניתן לייחס את תוספת הרעש לגורמים הבאים:
רעש “ברד” מתייחס לשינויים שרירותיים של פוטונים המגיעים לפוטודיודה ולמחסום פוטנציאל ברכיב.
רעש לייזר מתייחס לשינויים אקראיים בעוצמת האות.
כאשר אנו מודדים את רצפת הרעש של אות הרדיו העובר דרך מערכת אופטית ב-spectrum analyzer אנו רואים את הרעש הכולל המורכב מתוספת רעש המערכת ומהרעש התרמי.
נקודת חיתוך מסדר שלישי:
Input/Output third order intercept point הינה הנקודה בה האינטרמודים מסדר שלישי במוצא המערכת הנובעים עקב חוסר הליניאריות שלה, זהים בעוצמתם לעוצמת האות המקורי במוצא. הנקודה הינה תיאורטית, המערכת נדחסת לפני הגעתה לנקודה זאת וניתן לחשבה על סמך ניסויים קודמים.
טווח דינמי Spurious Free Dynamic Range
פרמטר זה טומן בתוכו את שני הפרמטרים הראשונים ובמערכות RFoF מהווה את המדד הנכון ביותר למדוד מערכת. נכון שמערכת בעלת NF טוב יותר תקלוט אות בעוצמה נמוכה יותר, אולם תמיד ניתן יהיה להוסיף מגבר דל רחש בכניסה למערכת האופטית שתשפר את ה-NF הכללי של המערכת אך במקרה כזה ה-OIP3 יינזק.
ה-SFDR מוגדר כהפרש (בסקלה לוגריתמית) בין אות המינימאלי שניתן לזהות בכניסה Detectable signal והאות הנכנס שייצר עיוותים השווים בגודלם ל-MDS בהתייחסות לכניסת המערכת. בדר”כ עיוותים מסדר שני נוצרים במרחק ניכר מהאות המרכזי וניתן לסננם בקלות, לפיכך נדון בעיוותים מסדר שלישי אותם לא ניתן לסנן (איור 4).
התגובה הליניארית של המערכת מוצגת בקו ירוק עם שיפוע של 1, החיתוך של הקו עם ציר Y מייצג את ההגבר של המערכת (G) ב-dB. ה-MDS נקבע על ידי הרעש התרמי בתוספת ספרת הרחש (במקרה שרוחב הסרט של האות עדיין לא הוגדר). הקו האדום מיצג את האינטרמודולציה מסדר שלישי ובעל שיפוע של 3.
אם נשוטט על הקו הירוק, קוארדינטת עוצמת הכניסה של חיתוך התגובה הליניארית (קו ירוק) עם ה-MDS (קו אופקי כחול) הינו ה-MDS, כלומר האות בכניסת המערכת שממנו והלאה ניתן לראותו מעל הרעש במוצא המערכת (קו הירוק הפך ממקווקו למלא). נמשיך לשוטט מעלה עם הקו הירוק בהתאם לעוצמת הכניסה הגדלה עד לנקודה בה הקו האדום הופך ממקווקו למלא, במקום זה בו קוארדינטת עוצמת הכניסה של חיתוך קו אינטרמודלוציה מסדר 3 עם הקו הכחול של ה-MDS, הינו עוצמת הכניסה שבה מיוצרים אינטרמודולציות השוות ל-MDS. ולכן על פי ההגדרה, ה-SFDR הינו ההפרש של קוארדינטת עוצמת הכניסה בין חיתוך ירוק כחול לבין החיתוך אדום כחול. במקביל ניתן להשליך זאת על ציר המוצא.
בפיתוח הנוסחאות על מנת לשמור על כלליות, נשתמש באות n כדי לאפשר בניה של הנוסחאות גם לסדרים אחרים.
כפי שראינו התחום הדינמי מושפע מליניאריות ומספרת רחש

כאשר
NF=ספרת הרחש
OIPn=
G=הגבר\ניחות המערכת
בדר”כ SFDRn מבוטא ב-dB כאשר מיידעים את רוחב הסרט שבו רכיב הרעש נימדד. לדוגמא מערכת יכולה להיות מוגדרת עם SFDR3 של 70dB עבור רוחב סרט של 1MHz.
על מנת שנוכל להשוות בין מערכות נמדדות עבור רכיב רעש בעל רוחב סרט שונה יש לנרמל את רוחב הסרט ולכן לעיתים קרובות ה-SFDR מבוטא ברוחב סרט של 1Hz. במקרה זה ה-SFDRn, מבוטא ב-. זה בדיוק כמו לומר כי הSFDR נימדד ב-dB ברוחב סרט של 1Hz. מוסיפים ביחידות את הגורם Hz כדי להראות את הסדר של ה SFDR וכיוון ש ה SFDR מתנהג בצורה הבאה:

לדוגמא, בהנחה כי קיים ערוץ RFoF בעל SFDR3 של 100 dB Hz2/3. על מנת לחשב אתSFDR3 ברוחב סרט של 1MHz תחילה נחשב את הגורם 10log10 אשר נותן 60dB. לכן התחום הדינמי לרוחב סרט של 1MHz הינו

יש לשים לב כי בתכנון ערוץ RF הכולל יחידות RFoF, בניגוד לתכנון שרשרת RF סטנדרטית, במקרה זה לאחר ההגבר הראשון של המקלט (מגבר דל רחש במערכת מסורתית) לא ניתן להגביר את האות ברמה חזקה מדי שכן המערכת הינה בעלת OIP3 סופי ונמוך יחסית לקואקס, לכן אם בעבר הורגלנו להגביר ללא תנאי כעת אין אפשרות לבצע זאת, והמערכת האופטית הינה צוואר בקבוק של שרשרת הRF כולה.
מתוך כך יש לשים לב ל-SFDR האינהרנטי שהיצרן נותן הינו הקריטריון המשמעותי ביותר במערכת RFoF. פרמטר זה הטומן בחובו את כל תכנון חלקי מערכת ה-RFoF, הכוללים בין היתר מעגלי הכניסה והיציאה של הלייזר והפוטודיודה, מימתוח נכון של הרכיבים, תיאומים מושלמים, רכיבים אופטיים בעלי ביצועים אינהרנטיים טובים, בחירת נקודת עבודה של הרכיבים ועוד. כל אלו מבדילים מערכות אופטיות אחת מהשנייה.
נתון פרקטי נוסף הינו עוצמת כניסה מקסימלית למערכת, אשר מתאר את העוצמה שמעבר לה יתכן ויגרם נזק בלתי הפיך למערכת.
לא נדון במסגרת זאת בנקודת דחיסה של 1dB וברווית המערכת.

איזה מערכות RFoF ניתן לראות בשוק
קיימות מערכות RFoF סטנדרטיות שמאפשרות גמישות ומותאמות לאווירה מוקשחת, פתרונות שמאפשרת למערכת לגדול לצפיפות בלתי מוגבלת של ערוצי RF, תוך שימוש ברכיבים כמו RADOX ו- המבטיחות יכולת הטמעה של המערכות בכל סוג של תנאים סביבתיים עם כמות כבלים נמוכה בצורה משמעותית. מערכות בעלות 12 ערוצים המכסים רוחב סרט של 1MHz עד 40GHz נהיו סטנדרטיות.
מערכות GPS-over-Fiber – מערכות אשר מפיצות אות GPS ובעיקר שעון סינכרון למספר מקלטים, התומכים בספקטרום של L1 ו-L2. מערכות מסוג זה מפיצות את השעון לדוגמא בתוך בטן האונייה או מערכת מקלטים. בשוק גם נמצאות מערכות שבמקרה של אובדן אות GPS, דואגות לאות חליפי בעזרת שעון פנימי בעל 1PPS עד שיחזור אות ה-GPS (איור 5).
מערכות LAN-over-Fiber הדרישה במערכות צבאיות לשימוש במולטימדיה ובקישוריות דיגיטלית ממשיכה לגדול ולכן ניתן למצוא היום ערוצים שמותאמים להעברת רשת LAN על גבי הסיב בקצבים סטנדרטים של 1Gbps, המערכות מבצעיות בסביבות קשות החשופות לרעידות חזקות, ותומכות בקלות ב-12 ערוצי LAN תוך התממשקות שקופה אל תוך תשתיות רשת קיימות (איור 6).

מקורות:
RF-over-Fiber Solutions for Military Applications, by Chad Trevithick, HUBER+SUHNER, Program Manager: RF Systems Business

הכותב הוא נימרוד רוספשה, מומחה במערכות RFoF