吳 驊，左朋勃，龍 飛

（1.深圳金信諾高新技術(shù)股份有限公司，深圳 518000；2.中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司，漢中 723000）

1 微波光傳輸系統(tǒng)

微波光子學技術(shù)是將微波信號調(diào)制到光信號上，然后利用集成光電子器件對調(diào)制信號進行處理最終解調(diào)并輸出所需的微波信號。微波光傳輸系統(tǒng)（ROF）是用光纖作為介質(zhì)來傳輸射頻信號的傳輸技術(shù)，它具有帶寬大、體積小、重量輕、損耗小、抗干擾能力強、色散低等優(yōu)點，在移動通信[1]、雷達[2]、遙感探測[3]等領(lǐng)域得到廣泛的應用。

微波光傳輸系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制方式不同可分為兩大類，即直接調(diào)制和外部調(diào)制。外部調(diào)制方式由于增加了調(diào)制器件，不僅使鏈路結(jié)構(gòu)更加復雜，而且不易控制，所以并未得到大范圍應用。但是外調(diào)制結(jié)構(gòu)的增益與噪聲系數(shù)特性更好，調(diào)制速率更高，將會是未來ROF 鏈路的發(fā)展趨勢。

微波光傳輸鏈路是有源模塊，勢必會引入噪聲[4]。本文在研究鏈路小信號模型的基礎(chǔ)上，通過理論仿真與實驗相結(jié)合，分析研究了外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)的增益、噪聲系數(shù)，為優(yōu)化外調(diào)制鏈路的性能提供指導原則。

2 外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)理論模型

圖1 外調(diào)制微波光傳輸鏈路

圖1 為基本的外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)原理圖。它主要由激光器、微波信號源、外調(diào)制器、濾波器、偏置控制模塊、光纖以及光電探測模塊組成。

在外調(diào)制微波光子鏈路中，微波信號源發(fā)出的微波信號經(jīng)外調(diào)制器調(diào)制到激光器產(chǎn)生的光信號上后經(jīng)過光纖傳輸，光電探測器接收到光信號后解調(diào)出所需的微波信號，其小信號等效模型[5]如圖2所示。

圖2 外調(diào)制微波光傳輸鏈路小信號等效模型

2.1 傳輸鏈路增益

增益G（通常指固有增益）是鏈路性能的基本參數(shù)之一，是指傳輸?shù)截撦d的射頻功率與輸入鏈路的可用射頻功率之比，即：

根據(jù)外調(diào)制鏈路的特性[6]，式（1）增益表達式可變?yōu)椋?/p>

式中，PM為外調(diào)制器輸出光功率；PI為輸入激光器的射頻功率；TM=（1-α）為調(diào)制器輸出到探測器的傳輸系數(shù)（α 為光纖損耗）；PL為負載接收功率；PD為探測器檢測到的光功率。根據(jù)電路原理可得：

式中，RS為激光器的等效電阻；RM為外調(diào)制器的等效電阻；CM為外調(diào)制器的等效電容；SM調(diào)制器的斜率效率，其值為：

式中，Vπ為外調(diào)制器半波電壓；tff為外調(diào)制器最大光傳輸率；Pin為外調(diào)制器的輸入光功率。

根據(jù)光電探測器的工作原理，可知光電探測器產(chǎn)生的射頻電流為：

? ? Bargen， Mediation im Verwaltungsprozess， DVBI．2004，S．472．

式中，SD為光電探測器的斜度效率；流過負載的電流IL為：

式中，RD為光電探測器的等效電阻；CD光電探測器的等效電容。

將式（5）代入式（6），那么負載上的信號功率為：

結(jié)合式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（7），可得到鏈路的增益為：

從式（8）可以看出，外調(diào)制光傳輸鏈路的增益與光電探測器斜度效率SD、外調(diào)制器最大光傳輸率tff、外調(diào)制器輸入光功率pin、鏈路光傳輸系數(shù)TM成正比，與外調(diào)制器半波電壓Vπ成反比。因此，要提高鏈路增益，可通過提高外調(diào)制器輸入光功率、降低半波電壓、降低光纖本身的損耗、采用高斜度效率光探測器等方式實現(xiàn)。

2.2 噪聲系數(shù)

噪聲因子定義為：當輸入噪聲等于290 K 時產(chǎn)生的熱噪聲時，輸入信噪比與輸出信噪比比值，如式（9）：

式中，Sin為輸入信號功率；Sout為輸出信號功率；Gc為信號增益；Gn為噪聲增益；Nadd為引入輸出噪聲功率；Nin為輸入熱噪聲功率；玻爾茲曼常數(shù)kB=1.38×10-23J/K；T0=290K；B 為噪聲帶寬。

噪聲系數(shù)（dB）定義為NF=10log（F）。在小信號模型下，Gc=Gn=G 均由輸入功率決定，所以小信號模型下噪聲系數(shù)可表示為：

噪聲系數(shù)是微波光傳輸應用中的一個重要性能指標。在無放大器的光外調(diào)制鏈路中，主要噪聲源有：調(diào)制器和光電探測器阻抗引起的熱噪聲、光電探測過程中統(tǒng)計特性產(chǎn)生的散粒噪聲、激光器光功率波動產(chǎn)生的RIN 噪聲。根據(jù)Ackerman 等研究人員建立的固有MWPL 等效模型[7]，鏈路的輸出功率噪聲為：

式中，kBT0B 代表光電探測器的熱噪聲，NRIN（ID）2RLB 代表激光器的RIN 噪聲，2e（ID）RLB 代表散粒噪聲，a 為常數(shù)表示調(diào)制裝置中產(chǎn)生的附加熱噪聲影響因子。

必須指出的是如果鏈路中包含了其他設(shè)備，則其噪聲源的影響必須加以考慮。例如，如果鏈路中有摻雜光纖放大器，則式（11）中應加入其放大的自發(fā)輻射噪聲源效應。

將式（11）代入式（10）中，線性條件下工作的微波光鏈路的小信號噪聲系數(shù)表達式為：

對于大增益，式（12）導致噪聲系數(shù)的下限為

2dB（或3dB），不同于眾所周知的1dB（或0dB）下限。這是因為調(diào)制器產(chǎn)生的熱噪聲在鏈路系統(tǒng)輸出端達到與輸入熱噪聲相同的結(jié)果，從而使鏈路整體的噪聲系數(shù)產(chǎn)生新的下限。而式（12）的推導過程中，我們假定信號和噪聲的鏈路功率增益相同，且與輸入功率無關(guān)。

從式（10）可以看出，當Nadd=0時，噪聲系數(shù)達到最小值，且噪聲系數(shù)與信號和系統(tǒng)的帶寬無關(guān)，只與系統(tǒng)的噪聲有關(guān)。根據(jù)這點，再結(jié)合式（8）與式（12）可知，在外調(diào)制光鏈路中，由于受光器件本身的限制，熱噪聲、RIN 噪聲、散粒噪聲基本固定不變，可通過提高外調(diào)制器輸入光功率、降低半波電壓、降低光纖損耗等手段來提高鏈路增益，降低鏈路噪聲系數(shù)。

3 微波光傳輸系統(tǒng)性能仿真與驗證

3.1 外調(diào)制器偏置電壓仿真

外調(diào)制器直流偏置電壓與鏈路噪聲系數(shù)的關(guān)系見圖3。從圖中可以看出，隨著偏置電壓從0開始增加到Vπ，噪聲系數(shù)曲線呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，并在1/2Vπ左右出現(xiàn)了最低點；偏置電壓從Vπ開始增加到2Vπ重復之前的趨勢，并在3/2Vπ左右出現(xiàn)了最低點；這與外調(diào)制器的特性有關(guān)。

圖3 外調(diào)制器偏置電壓與鏈路噪聲系數(shù)關(guān)系的仿真結(jié)果

外調(diào)制器的傳遞函數(shù)曲線與輸出信號曲線見圖4，從圖中可以看出，當偏置電壓處于1/2Vπ、3/2Vπ附近時，調(diào)制器工作在線性區(qū)域，信號不會產(chǎn)生失真；當偏置電壓處于0、Vπ和Vπ附近時，調(diào)制器工作在非線性區(qū)域，信號有失真，從而引入噪聲。

圖4 外調(diào)制器傳遞函數(shù)及輸出信號

3.2 外調(diào)制器輸入光功率與噪聲系數(shù)關(guān)系仿真

理想情況下，設(shè)ND=20，NM=1，傳輸效率為1（忽略光纖損耗）；源阻抗與負載阻抗均完全匹配RS=RL=50 Ω，調(diào)制器的分布電容CM=0.7 pF，光電探測器的電阻RD=1000 Ω，分布電容CD=0.7 pF，響應度為0.85 A/W；激光器相對強度噪聲為RIN=-170 （dB/Hz）；玻爾茲曼常數(shù)kB=1.38×10-23J/K，信號的頻率為10 GHz，絕對溫度T=290 K。根據(jù)式（8）與（12），可得出不同半波電壓下，輸入外調(diào)制器的光功率與噪聲系數(shù)的關(guān)系，如圖5所示。由圖仿真曲線可見，隨著輸入光功率由0 dBm 增大到40 dBm，不同半波電壓下噪聲系數(shù)降低12 dB-20 dB；且隨著半波電壓降低，噪聲系數(shù)降低更明顯?？梢娊档驼{(diào)制器的半波電壓和提高輸入光功率均可以有效改善噪聲系數(shù)。

圖5 外調(diào)制器輸入光功率與鏈路噪聲系數(shù)關(guān)系的仿真結(jié)果

3.3 外調(diào)制器輸入光功率與噪聲系數(shù)關(guān)系測試

為驗證仿真結(jié)果，實驗中選用三個半波電壓分別為2 V、3.5 V和5 V 的外調(diào)制器，逐漸增加激光器的輸出功率，測得噪聲系數(shù)與激光器輸出功率大小的關(guān)系見圖6。由于外調(diào)制器的輸入光功率和激光器的輸出光功率成正比，本實驗中采集的是激光器的輸出光功率。由圖可見，鏈路的噪聲系數(shù)隨著激光器輸出光功率的增大逐漸減小，最終趨于飽和。說明提高輸入光功率、降低外調(diào)制器半波電壓可以降低鏈路噪聲系數(shù)；但當輸入光功率達到一定值時，噪聲系數(shù)不再隨功率增大而降低。

圖6 激光器輸出光功率與鏈路噪聲系數(shù)關(guān)系的實驗結(jié)果

圖7 光纖損耗與鏈路噪聲系數(shù)的關(guān)系

實驗測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)存在一些差異，主要是因為仿真時全部參數(shù)采用理想?yún)?shù)，也未考慮光纖損耗的影響。當輸入光功率恒定（激光器輸出光功率恒定為20 dBm），改變偏置電壓，鏈路的噪聲系數(shù)與光纖損耗α 之間的關(guān)系如圖7所示。可見，鏈路的噪聲系數(shù)隨著光纖損耗的增加而增大，因此采用低損耗光纖有利于提高鏈路的性能。

4 結(jié)束語

通過外調(diào)制微波光傳輸鏈路的小信號模型，推導出了鏈路的增益、噪聲系數(shù)的數(shù)學表達式，分析了輸入光調(diào)制器的光功率以及調(diào)制器的半波電壓與鏈路增益和噪聲系數(shù)的關(guān)系。在仿真分析的基礎(chǔ)上，搭建了外調(diào)制微波光鏈路，并對其進行了測試。仿真結(jié)果與實驗驗證表明，適當?shù)奶岣咻斎胪庹{(diào)制器的光功率、選用較低損耗的光纖、采用調(diào)制器低偏置技術(shù)等均可有效降低鏈路噪聲系數(shù)，提升鏈路性能。此外，研究表明還可以采用差分技術(shù)[8]、前端級聯(lián)低噪聲放大器技術(shù)[9]來降低鏈路噪聲系數(shù)以及在接收端抑制光載波的方式減小噪聲相對強度[10]，達到優(yōu)化鏈路性能的目的。