曹哲瑋, 陳心怡, 李思遠(yuǎn), 梅 坤, 孫東明

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

隨著大容量信息傳輸技術(shù)的高速發(fā)展,光子技術(shù)與微波技術(shù)的相互融合已經(jīng)成為一個(gè)重要的技術(shù)方向[1-2]。與傳統(tǒng)的微波傳輸技術(shù)相比,基于微波光子技術(shù)的通信系統(tǒng)具有體積小、重量輕、損耗低、帶寬大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、對(duì)調(diào)制格式透明等優(yōu)勢(shì)。近年來,微波光子技術(shù)已成功應(yīng)用于地面光載射頻(radio over fiber,ROF)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)中心工作站與各個(gè)通信基站之間的信號(hào)傳送和分配。其優(yōu)點(diǎn)在于可將復(fù)雜的微波處理單元置于中心工作站,而基站僅負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換和微波天線發(fā)射,基站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可大大降低建設(shè)成本,有利于提高頻率復(fù)用度和蜂窩密度。ROF通信系統(tǒng)對(duì)于頻率和調(diào)制格式完全透明,頻率和調(diào)制格式變化時(shí)不需要改變基站設(shè)置,只需對(duì)中心站進(jìn)行升級(jí),非常有利于無線通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)換代。微波光子技術(shù)同樣可應(yīng)用于衛(wèi)星通信。歐洲航空局(ESA)最早在20世紀(jì)90年代的SAT-NLIGHT計(jì)劃中就提出了基于微波光子技術(shù)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器概念。隨后十年中,美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)、ESA、泰雷茲阿萊尼亞宇航公司(TAS)相繼在該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)布了一系列研究計(jì)劃和預(yù)研項(xiàng)目[3-7],例如“基于光子技術(shù)的下一代衛(wèi)星通信載荷”、“星載寬帶光接收機(jī)(OWR)”、“衛(wèi)星寬帶模擬信號(hào)透明轉(zhuǎn)發(fā)器的光域變頻單元(OMCU)”等?？傊?微波光子技術(shù)在未來寬帶衛(wèi)星系統(tǒng),尤其是在低軌組網(wǎng)衛(wèi)星、天基分布式電子偵察等系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力,可以極大地簡(jiǎn)化衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)、增加載荷應(yīng)用靈活性、有效降低衛(wèi)星資源消耗。國(guó)內(nèi)衛(wèi)星微波光子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展較慢,且多側(cè)重于理論研究[8-15]。與地面利用光纖傳輸光信號(hào)不同,衛(wèi)星間只能在自由空間中傳輸光信號(hào),而目前國(guó)內(nèi)外尚未有真正基于空間光傳輸?shù)男情g微波光子鏈路技術(shù)研究的報(bào)道。

本文主要對(duì)基于強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(IM/DD)體制的外調(diào)制空間微波光子鏈路進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究,模擬星間遠(yuǎn)距離空間光傳輸,并分析空間光傳輸損耗、摻餌光纖放大器增益等參數(shù)對(duì)微波光子鏈路噪聲系數(shù)和射頻增益的影響。

1 理論與仿真

1.1 微波光子鏈路模型

基于IM/DD體制的外調(diào)制空間微波光子鏈路的基本模型如圖1所示。其中最核心的四個(gè)器件為激光器(LD)、馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)、摻餌光纖放大器(EDFA)和光電探測(cè)器(PD)。LD用于產(chǎn)生光載波,MZM將射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上,調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)發(fā)射EDFA放大后進(jìn)入空間信道。接收EDFA對(duì)空間光信號(hào)進(jìn)行前置低噪聲放大,并輸出至PD,PD再解調(diào)出射頻信號(hào)。為了獲得最大的基頻信號(hào)增益,通常使MZM工作在正交工作點(diǎn)。

圖1 基于IM/DD體制的空間微波光子鏈路模型

為了簡(jiǎn)化分析過程,鏈路不考慮發(fā)射EDFA、空間傳輸信道和接收EDFA的影響,即假設(shè)MZM與PD直接通過一根光纖相連。此時(shí)外調(diào)制微波光子鏈路的噪聲因子可以用Friis級(jí)聯(lián)公式表示為

式中:FMOD、FOF和FPD分別表示調(diào)制器、光纖和探測(cè)器的噪聲因子;GMOD和GOF分別是調(diào)制器和光纖的光電轉(zhuǎn)換增益。上述參數(shù)的表達(dá)式可分別寫成[2]

其中

式中:R是輸入阻抗;Z0是負(fù)載阻抗;Uπ是MZM的半波電壓;φ是MZM中光載波和射頻信號(hào)的相位差;NRF是激光器在指定射頻(RF)頻率ωRF處的相對(duì)強(qiáng)度噪聲;k是玻爾茲曼常數(shù);T是開氏溫度;q是基本電荷電量;PPD是PD的輸入光功率;h是普朗克常量;ν是光的頻率;ηP是PD的量子效率;LOF是MZM和PD之間的光纖衰減;Id是PD的暗電流;gD是PD的等效電導(dǎo)率;PMOD是MZM的輸入光功率;LMOD是MZM的調(diào)制深度;ne是MZM中電波導(dǎo)的折射率;n是MZM中光波導(dǎo)的折射率;c是光速。

通常將噪聲因子以dB為單位寫成噪聲系數(shù)的形式,表達(dá)式為

對(duì)簡(jiǎn)化后的IM/DD鏈路噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真。PD的輸入光功率PPD分別設(shè)置為10,0,-5,-10 dBm。計(jì)算IM/DD鏈路噪聲系數(shù)的其它參數(shù)取值如表1所示。

表1 計(jì)算IM/DD鏈路噪聲系數(shù)的參數(shù)

將式(1)、式(2)、式(3)帶入式(4),可仿真得到IM/DD鏈路的噪聲系數(shù)變化曲線,如圖2所示。從仿真曲線可知,IM/DD鏈路的噪聲系數(shù)會(huì)隨著PD的輸入光功率變化而劇烈變化,PD的輸入光功率越大,噪聲系數(shù)越小,反之則越大。衛(wèi)星間巨大的自由空間光傳輸損耗是導(dǎo)致光載微波信號(hào)噪聲系數(shù)惡化的重要因素,后續(xù)將通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 輸入光功率對(duì)IM/DD鏈路噪聲系數(shù)影響的仿真結(jié)果

1.2 星間傳輸損耗

低軌衛(wèi)星間的通信距離一般在幾百公里至幾千公里量級(jí),而到達(dá)光接收機(jī)的光功率與距離的平方成反比,因此接收光功率會(huì)隨通信距離的增加而急劇減小。由自由空間引入的幾何損耗可表示為

式中:λ是光波長(zhǎng);d是自由空間距離。假設(shè)λ=1 550 nm,d=400 km,可得Lr≈ -250 d B。為了克服如此大的光傳輸損耗,需要保證光學(xué)天線具備足夠大的增益。光學(xué)天線的增益是指將一個(gè)全向光信號(hào)壓縮到特定方向的能力。總的自由空間光傳輸損耗Lt與光發(fā)射束散角θd、光學(xué)天線口徑D以及兩星傳輸終端間的跟瞄誤差θe相關(guān),可表示為

式中:ηt和ηr分別表示發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)的效率。

表2給出了按式(6)計(jì)算自由空間光傳輸損耗時(shí),光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的一種典型取值情況。

表2 光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

在該特定條件下,可以得到星間光傳輸損耗的仿真曲線如圖3所示。當(dāng)傳輸距離從100 km增加至4 000 km時(shí),光傳輸損耗增加了約32 dB。當(dāng)傳輸距離為400 km時(shí),總的光傳輸損耗接近50 dB。

圖3 星間光傳輸損耗與傳輸距離的關(guān)系

1.3 EDFA的影響

補(bǔ)償空間損耗的另一種方法是使用EDFA。受益于其高增益、低噪聲系數(shù)和大帶寬的特性,EDFA被廣泛應(yīng)用于C波段和L波段光通信系統(tǒng)中。在空間微波光子鏈路中使用EDFA會(huì)影響整條鏈路的增益和噪聲系數(shù),EDFA的受激自發(fā)輻射(ASE)噪聲會(huì)在鏈路總噪聲中占據(jù)主導(dǎo)地位。ASE噪聲會(huì)在光電探測(cè)器中發(fā)生自拍頻或與光信號(hào)發(fā)生拍頻,產(chǎn)生ASE-ASE噪聲和ASE-信號(hào)噪聲,同時(shí)伴隨著由平均ASE噪聲引入的散彈噪聲。ASE引入的散彈噪聲可以表示為[2]

式中:Msp是ASE的模式數(shù);R是PD的響應(yīng)度;lo是EDFA和PD間的光插損;nsp是ASE的噪聲因子;go是EDFA的光增益;Bo是光帶寬;R是匹配阻抗。ASE-ASE噪聲和ASE-信號(hào)噪聲在電域可分別表示為[2]

式中:f是RF頻率;Psig是EDFA的輸入信號(hào)光功率。從式(7)和式(8)可以看出,ASE在PD中引入的電噪聲會(huì)隨著PD中光電流的增大而增大。

假設(shè)在空間微波光子鏈路中插入兩個(gè)EDFA,如圖4所示。第一個(gè)EDFA用于發(fā)射端的功率放大,第二個(gè)EDFA用于接收端的低噪聲放大,兩個(gè)EDFA之間的自由空間會(huì)引入一定的衰減。

圖4中EDFA級(jí)聯(lián)模型的噪聲因子和增益可以表示為

圖4 EDFA級(jí)聯(lián)鏈路模型

式中:F1和F2分別是兩個(gè)EDFA的噪聲因子;G1和G2分別是兩個(gè)EDFA的光增益;Lc是空間衰減量。將式(9)和式(10)代入式(1)可得到圖1所示整條鏈路的噪聲因子

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 基本實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證星間微波光子鏈路的RF性能,搭建基本實(shí)驗(yàn)裝置,如圖5所示。輸入RF信號(hào)的頻率范圍為(0.8～5.0)GHz。

圖5 星間微波光子鏈路基本實(shí)驗(yàn)框圖

圖5中的LD是一個(gè)1 550 nm波段的連續(xù)波分布反饋式(DFB)激光器,最大輸出光功率100 m W,線寬小于1 MHz,相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)小于-160 d Bc/Hz;電光調(diào)制器是一個(gè)帶寬20 GHz的鈮酸鋰(LiNb O3)馬赫-曾德爾調(diào)制器,具有較高的線性度和較低的插損,最大可承受27 d Bm的RF輸入功率,為了使鏈路獲得最大的RF基頻增益,MZM一般工作在正交工作點(diǎn)附近;PD是一個(gè)30 GHz帶寬的高線性度銦鎵砷(In Ga As)PIN探測(cè)器,最大可承受30 m W輸入光功率。MZM輸出的光信號(hào)經(jīng)過一段自由空間衰減后進(jìn)入一個(gè)95/5分光器,95%的光功率進(jìn)入PD,5%的光功率用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)中采用兩個(gè)小型光學(xué)天線模擬自由空間光傳輸,通過調(diào)節(jié)天線間距離來控制PD的輸入光功率。測(cè)試儀器主要使用的是Keysight N9020A信號(hào)分析儀和RF噪聲源,測(cè)試參數(shù)包括RF噪聲系數(shù)和增益。

2.2 PD輸入光功率對(duì)鏈路RF性能的影響

調(diào)節(jié)圖5中的自由空間衰減量,使PD的輸入光功率分別為10,0,-5,-10 d Bm,此時(shí)測(cè)得鏈路的RF增益分別為-14,-34,-44,-54 dB,鏈路的RF噪聲系數(shù)分別為25,37,45,55 dB,如圖6所示。總體上來說,鏈路RF噪聲系數(shù)會(huì)隨著RF增益的降低而增大,這主要是由于光功率變大使鏈路增益變大,進(jìn)而使得信號(hào)功率變大。但RF噪聲系數(shù)與增益又并非完全是線性關(guān)系,這是由于PD的散彈噪聲也與輸入光功率有關(guān),輸入光功率越大,散彈噪聲越大。

圖6 PD的輸入光功率對(duì)RF性能影響的測(cè)試結(jié)果

2.3 寬帶發(fā)射EDFA對(duì)鏈路RF性能的影響

為了探究寬帶發(fā)射EDFA對(duì)星間微波光子鏈路RF性能的影響,在基本實(shí)驗(yàn)裝置中的MZM之后接入一個(gè)發(fā)射EDFA,帶寬約20 nm,如圖7所示。發(fā)射EDFA將MZM的輸出光功率放大至25 dBm,再分別衰減至10,0,-5,-10 dBm輸入PD,與2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)中PD的輸入光功率保持一致。

圖7 增加寬帶發(fā)射EDFA后的實(shí)驗(yàn)裝置

發(fā)射EDFA對(duì)RF性能的影響如圖8所示。

圖8 發(fā)射EDFA對(duì)RF性能影響的測(cè)試結(jié)果

當(dāng)PD的輸入光功率分別為10,0,-5,-10 d Bm時(shí),鏈路RF增益分別為-14,-34,-44,-54 dB,對(duì)應(yīng)的RF噪聲系數(shù)約為30,37,45,55 d B,總體變化趨勢(shì)與圖6接近。不同的地方在于,當(dāng)PD的輸入光功率較小時(shí),如光功率為0,-5,-10 dBm,發(fā)射EDFA的存在與否對(duì)鏈路噪聲系數(shù)基本沒有影響;而當(dāng)PD的輸入光功率較大時(shí)(10 dBm),發(fā)射EDFA使鏈路噪聲系數(shù)增大了約5 dB。這可以用EDFA的ASE噪聲來解釋,當(dāng)PD中光電流較小時(shí),ASE在PD中引入的電噪聲較小,對(duì)鏈路基本沒有影響;而當(dāng)光電流增加到一定程度后,ASE噪聲在PD中引入的電噪聲在總噪聲中占主導(dǎo)地位,與沒有發(fā)射EDFA的鏈路相比,總噪聲的增加導(dǎo)致輸出信噪比下降。

2.4 窄帶接收EDFA對(duì)鏈路RF性能的影響

為了進(jìn)一步探究接收低噪聲EDFA對(duì)RF性能的影響,在圖7的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)窄帶低噪聲EDFA,帶寬約0.4 nm,如圖9所示。

圖9 增加窄帶接收EDFA后的實(shí)驗(yàn)裝置

窄帶低噪聲EDFA通常用作空間光傳輸系統(tǒng)接收機(jī)中的預(yù)放大器,在放大信號(hào)光的同時(shí)濾除ASE噪聲和空間背景光等噪聲,從而提高接收信號(hào)的信噪比。在實(shí)驗(yàn)中,MZM的輸入光功率首先被發(fā)射EDFA放大至25 dBm,接著被分別衰減至-10,-15,-20,-25 dBm,對(duì)應(yīng)總的空間衰減量為-35,-40,-45,-50 dB,最后被接收EDFA放大至10 dBm后進(jìn)入PD。窄帶接收EDFA對(duì)鏈路RF性能影響的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

由圖10(a)可以看出,由于進(jìn)入PD的光功率相同,不同空間衰減下的鏈路RF增益接近,在-14 dBm左右,差異在1 dB以內(nèi),差異可能是MZM的工作點(diǎn)漂移和測(cè)量誤差導(dǎo)致。同時(shí)對(duì)比2.2節(jié)～2.4節(jié)中的RF增益測(cè)量結(jié)果可以看出,只要PD的輸入光功率一致,鏈路的RF增益就基本保持不變,與EDFA的存在與否無關(guān)。由圖10(b)可以看出,鏈路的RF噪聲系數(shù)分別約為45,49,53,60 dB。通過對(duì)比2.3節(jié)和2.4節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)空間衰減同為-35 dB時(shí),窄帶低噪聲EDFA使鏈路噪聲系數(shù)從55 dB下降至45 d B,優(yōu)化了近10 d B。此外,結(jié)合圖3和圖10可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),當(dāng)空間傳輸損耗為50 d B時(shí),對(duì)應(yīng)的星間傳輸距離為400 km,此時(shí)的鏈路噪聲系數(shù)在60 dB左右,當(dāng)在鏈路前端配置一個(gè)增益為60 d B、噪聲系數(shù)為2.5 d B的射頻低噪放(LNA)模塊時(shí),整個(gè)星間鏈路的噪聲系數(shù)可控制在4.5 d B以內(nèi),可以滿足大部分的應(yīng)用需求。

圖10 窄帶接收EDFA對(duì)鏈路RF性能影響的測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文研究了空間微波光子鏈路用于星間射頻信號(hào)傳輸時(shí),鏈路的射頻增益和噪聲系數(shù)隨鏈路硬件參數(shù)變化的情況,并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:鏈路射頻增益只與PD的輸入光功率有關(guān),輸入光功率越大,射頻增益越高;鏈路的噪聲系數(shù)會(huì)隨著空間光傳輸損耗的增加而急劇惡化,在鏈路發(fā)射端和接收端分別配置寬帶和窄帶EDFA可以有效補(bǔ)償空間光傳輸損耗,提高PD的輸入光功率,進(jìn)而提高鏈路射頻增益并降低鏈路噪聲系數(shù)。鏈路性能的實(shí)測(cè)結(jié)果支撐了星間微波光子鏈路在軌應(yīng)用的可行性。