楊 慧 周小芬 吳國成 肖永川 楊 陶

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毫秒級(jí)寬帶微波光鏈路性能分析

楊 慧1周小芬1吳國成1肖永川1楊 陶2

1.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060 2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)重慶有限公司，重慶 401121

針對(duì)傳統(tǒng)微波光鏈路長(zhǎng)距離傳輸性能指標(biāo)難以優(yōu)化的現(xiàn)狀，提出一種基于波分復(fù)用技術(shù)、EDFA光放大技術(shù)、DCM色散補(bǔ)償技術(shù)解決超長(zhǎng)距離光傳輸?shù)姆椒ā＝⒘嘶谠摲椒ǖ奈⒉▊鬏旀溌沸阅軈?shù)的理論模型，并對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過優(yōu)化光器件的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)的光纖延時(shí)線的延時(shí)量為2.2?ms，帶寬達(dá)600?MHz。通過對(duì)光纖插損和色散效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，得到系統(tǒng)的插入損耗為3?dB，幅度平坦度為±1?dB。

微波光鏈路；波分復(fù)用技術(shù)；色散補(bǔ)償技術(shù)；鏈路增益

引言

隨著微波光子技術(shù)的迅猛發(fā)展，長(zhǎng)距離寬帶微波光鏈路受到越來越多的重視[1]。與傳統(tǒng)的微波傳輸鏈路相比，光傳輸鏈路有著工作帶寬寬、體積小、損耗低、重量輕、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并廣泛應(yīng)用在無線通信、射電天文[2]、分布式雷達(dá)[3]、CATV以及現(xiàn)代空間技術(shù)中。

本設(shè)計(jì)根據(jù)使用的需要，運(yùn)用波分復(fù)用技術(shù)將光纖的長(zhǎng)度由原本的440?km縮減至220?km，并用光放大器和色散補(bǔ)償模塊對(duì)光纖的插入損耗和非線性效應(yīng)進(jìn)行了分段補(bǔ)償，滿足了微波傳輸光鏈路中對(duì)插損和幅度平坦度的要求。

1 光鏈路工作原理

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)延時(shí)為2.2?ms的超長(zhǎng)距離光傳輸鏈路系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。本鏈路運(yùn)用波分復(fù)用技術(shù)形成光傳輸鏈路環(huán)路，將所需光纖的長(zhǎng)度由原來的440?km縮減至220?km，將EDFA和色散補(bǔ)償模塊的數(shù)量減少了50%。

圖1 長(zhǎng)距離微波光傳輸鏈路原理框圖

1.1 鏈路增益

設(shè)激光器輸出的光載波信號(hào)它的光場(chǎng)表達(dá)式為

（1）

為了得到最佳的線性度，調(diào)制器需要工作在正交偏置點(diǎn)，則探測(cè)器輸出的光電流可以表示為

在小信號(hào)條件下，模擬光鏈路的線性射頻傳輸增益可以表示為

（3）

1.2 噪聲系數(shù)計(jì)算

1.2.1 光鏈路的噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)是用來衡量信噪比惡化程度的性能指標(biāo)，它可以表示為：

（4）

（5）

1.2.2 光放大器對(duì)鏈路噪聲系數(shù)的惡化

在長(zhǎng)距離傳輸鏈路中，摻鉺光纖放大器（EDFA）是常用的用于補(bǔ)償鏈路光損耗的器件。根據(jù)圖1所示的鏈路結(jié)構(gòu)，多個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖可以用圖2進(jìn)行表示：

圖2 EDFA級(jí)聯(lián)示意圖

光傳輸鏈路對(duì)射頻信號(hào)噪聲系數(shù)的惡化可用如下公式來表示：

式中：Fi、gi分別為第i個(gè)EDFA的噪聲因子和增益；li-1為第i個(gè)EDFA前級(jí)光衰減；為光鏈路的總增益。

1.3 長(zhǎng)距離光鏈路中的非線性效應(yīng)

1.3.1 色散效應(yīng)

光纖色散指的是不同頻率光信號(hào)在光纖中具有不同的傳輸速率，對(duì)于雙邊帶調(diào)制（DSB）直接探測(cè)的射頻光傳輸性能影響很大。色散會(huì)引起不同邊帶之間產(chǎn)生不同的相移，從而引起射頻信號(hào)功率隨頻率的周期性衰落、增大偶次諧波失真的影響及引起激光器相位噪聲向強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)化惡化噪聲性能。

在考慮色散影響的情況下，鏈路的小信號(hào)增益表達(dá)式為：

（7）

1.3.2 受激布里淵散射效應(yīng)

當(dāng)發(fā)生受激布里淵散射效應(yīng)時(shí)，正向輸入信號(hào)光功率在傳輸過程中呈指數(shù)形式衰減，因此受激布里淵散射效應(yīng)不僅會(huì)惡化鏈路的噪聲性能，還極大的限制了鏈路可傳輸?shù)淖畲蠊夤β始聪拗屏苏麄€(gè)鏈路的光功率水平。它的值可以表示為：

（8）

2 設(shè)計(jì)方法

上一節(jié)已經(jīng)進(jìn)行了理論計(jì)算和分析，找到了鏈路增益、噪聲系數(shù)、鏈路非線性與各參數(shù)的關(guān)系。在本節(jié)中，對(duì)主要參數(shù)的性能進(jìn)行仿真計(jì)算。各個(gè)器件的主要參數(shù)見下表所示：

表1 用于仿真計(jì)算的各個(gè)參數(shù)

2.1 減小非線性效應(yīng)對(duì)光鏈路性能的惡化

2.1.1 色散補(bǔ)償技術(shù)

由公式（7）可以看出，在未進(jìn)行色散補(bǔ)償時(shí)，光纖引起的色散距離積越大，會(huì)引起嚴(yán)重的功率周期性衰落，并且衰落的周期與鏈路的工作頻率有關(guān)。與理論計(jì)算得到的結(jié)果相符，從下面的仿真結(jié)果可以看出鏈路未進(jìn)行色散補(bǔ)償時(shí)的增益曲線。從圖3可知，色散補(bǔ)償對(duì)于高頻率信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)闹匾浴?/p>

圖3 色散引起的功率衰落對(duì)比

2.1.2 減小布里淵散射對(duì)光鏈路性能的影響

由公式（8）可以看出，進(jìn)入光纖光功率與光纖的長(zhǎng)度呈反比關(guān)系。輸入的閾值光功率與傳輸距離的關(guān)系見圖4所示。

圖4 輸入光功率與傳輸距離的關(guān)系

2.2 影響鏈路增益的因素

根據(jù)公式（3）可以看出，影響鏈路增益的因素主要有調(diào)制器半波電壓、探測(cè)器接收到的光電流。而調(diào)制器的半波電壓又隨著調(diào)制器的工作頻率而變化。具體的變化關(guān)系見圖5所示。

圖5 鏈路增益與器件參數(shù)之間的關(guān)系曲線

由圖4和圖5的仿真結(jié)果可知，傳輸光纖的長(zhǎng)度多于50?km時(shí)，輸入光功率值不大于2?MW時(shí)，光纖的布里淵散射效應(yīng)最弱。同時(shí)探測(cè)器探測(cè)到的光功率最強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)的增益最高。故在不超過探測(cè)器飽和功率點(diǎn)的前提下，盡量提高后級(jí)光放大器的輸出光功率。

2.3 影響鏈路噪聲系數(shù)的因素

由上節(jié)的分析可以看出，鏈路的噪聲系數(shù)與工作頻率、激光器的RIN噪聲、探測(cè)器接收的光功率和EDFA的噪聲系數(shù)相關(guān)。

圖6 噪聲系數(shù)與光電流和EDFA噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖6的仿真結(jié)果和前面的分析可得，當(dāng)器件定型后，激光器的RIN噪聲，EDFA的噪聲系數(shù)已經(jīng)確定。只能增加探測(cè)器接收到的光功率，來改善鏈路的噪聲系數(shù)。一般探測(cè)器的飽和光功率為10?MW。故設(shè)計(jì)時(shí)將后級(jí)的EDFA的輸出光功率設(shè)為15?dBm。

由上面的理論計(jì)算和仿真結(jié)論，可以得出光纖傳輸補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計(jì)，具體見圖7所示：

圖7 光纖傳輸補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述的理論計(jì)算和仿真分析，綜合生產(chǎn)成本，選擇激光器的發(fā)光功率為40?MW，增益穩(wěn)定輸出4?MW的EDFA。將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較可知，兩者能夠較好的吻合。最終的測(cè)試結(jié)果見表2所示。

表2 鏈路指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過對(duì)長(zhǎng)距離微波光傳輸鏈路進(jìn)行了詳盡的理論分析，并通過仿真計(jì)算得出參數(shù)數(shù)值的變化對(duì)鏈路性能的影響。主要討論了鏈路增益、噪聲系數(shù)、非線性效應(yīng)這些參數(shù)的性能。經(jīng)過與產(chǎn)品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，理論和實(shí)際測(cè)試值的吻合度較好。理論和仿真計(jì)算對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1]CapmanyJ，Novak D.Microwave photonics combines two worids[J].Nature Photon，2007，1；319-330.

[2Karim A, Devenport J. High Dynamic Range Microwave Photonic Links for RF Signal Transport and RF-IF Conversion[J]. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(15):2718-2724.

[3] Lu H H, Lin Y C, Su Y H, et al. A radio-on-fiber intelligence transport system based on electroabsorption modulator and semiconductor optical amplifier[J]. Photonics Technology Letters IEEE, 2004, 16(1):251-253.

Performance Analysis of Millisecond Broadband Microwave Optical Links

YangHui1Zhou Xiaofen1Wu Guocheng1Xiao Yongchuan1Yang Tao2

1.Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 40060 2.China Mobile Communications Corporation Cmcc Chongqing Co., Ltd., Chongqing 401121

Aiming at the situation which the long-distance transmission performance index for traditional microwave optical link is difficult to optimize, a method is proposed to solve the long distance optical transmission based on wavelength division multiplexing technology, EDFA optical amplification technology and DCM dispersion compensation technology.A theoretical model of microwave transmission link performance parameters based on this method is also established, and the main parameters are simulated and calculated too.By optimizing the performance parameters of the optical device, a delay time for the designed fiber delay line is 2.2ms and the bandwidth is up to 600MHz.The insertion loss of the system is 3dB and the amplitude flatness is ± 1dB by compensating the fiber insertion loss and dispersion effect.

microwave optical link; wavelength division multiplexing; dispersion compensation; link gain;

TN015

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1009-6434（2017）04-0061-04