多模光纖RoF系統的模式噪聲分析

王旭昌， 侯韶華

（南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003）

0 引言

光載無線（RoF, Radio-over-Fiber）系統是將射頻（RF, Radio Frequence）信號調制到光頻率并在光纖網絡中進行傳播的技術，該技術綜合了無線電波通信和光纖傳輸的優點，具有低損耗、大帶寬、抗電磁干擾、接入方便等優勢，可廣泛應用于有線電視廣播、移動通信、智能交通等領域[1]。

多模光纖具有纖芯粗、數值孔徑大、易于安裝及配套元器件價格低廉等優點，這些優點使得多模光纖成為了短距離RoF鏈路中的首選介質，例如可實現“最后一公里”連接或建筑物內的分布式天線系統（DAS, Distributed Antenna Systems）等[2-3]。

當使用多模光纖作為傳輸介質時，第一個突出問題是由于模間色散，光纖的帶寬會因為色散而降低。最近已有文獻報道[4]，使用模場匹配中心入射技術使得多模光纖克服模間色散實現了類似單模光纖的性能。而且，當考慮短距離（幾百米）的鏈路或使用窄線寬激光器時，模間色散一般不構成主要限制效應[5]；相反，由模式噪聲導致的接收信號信噪比的惡化對系統性能有很大的影響。

已有文獻[6]直接借鑒了數字光纖通信系統中分析模式噪聲的方法對RoF系統的模式噪聲進行了分析，此方法得到的噪聲中包含了帶外噪聲，而且檢測電流的直流偏置也作為信號功率考慮，文章認為在短距離鏈路中模式噪聲不造成大的影響。于此不同，最近文獻[7]將檢測電流的平均交流分量作為RF信號，給出了射頻信號增益波動隨頻率啁啾、調制深度、光纖長度和檢測面積的關系，但并未給出具體載噪比范圍及其隨各參量的變化。

針對RoF鏈路特點對多模光纖中的模式噪聲進行分析能為提高鏈路性能提供途徑。

1 模式噪聲的產生及影響

當相干光在多模光纖中傳輸時，不同模式間會產生相互干涉，使得在光纖端面上產生散斑圖樣。激光器的啁啾、溫度起伏、光纖的振動都會引起散斑圖樣的隨機變化，當散斑通過具有模式選擇性損耗的元件（例如不完善的接頭，面積有限的檢測器等）時，只有一部分散斑通過元件，導致輸出功率隨時間變化，形成寄生調幅，成為噪聲，即模式噪聲。

圖1 光纖端面散斑圖樣及連接失配

因此，多模光纖系統產生模式噪聲的條件是[8]：

1）光源的相干性。假如模式m和模式n之間的時延差小于相干時間，則兩模式相干，進行矢量疊加，相互干涉；否則不相干，功率進行相加，不產生干涉。光源線寬越窄，色散越小，則相干性越強，散斑越明顯。

2）模式選擇性損耗。也稱為空間濾除，光纖接頭的不完善或者接收端的耦合不完全都會產生模式選擇性損耗，使得只有一部分功率傳到下級元件，接頭的橫向錯位導致的濾除效應如圖1所示。

3）光纖的微弱振動或頻率漂移。光纖的振動或微彎會使光纖內部橫截面的折射率產生變化，頻率漂移使模式間產生很大的相位差變化，從而影響各模式的傳播速度、模間時延差、散斑分布，這樣通過模式選擇性損耗元件就會產生功率變化，成為噪聲。

在RoF鏈路中，若使用相干性較弱的發光二極管（LED）作為光源，可以有效降低模式噪聲，但是調制帶寬只有幾百兆赫，出于鏈路性能考慮，使用線寬很窄、相干度很高的激光器。光纖接頭目前已經可以做得很好，失配在1 μm內，接收端光電二極管會有耦合不完全現象。光纖微弱振動和發射機頻率啁啾是影響模式噪聲的重要參數。

模式噪聲只有在傳送信號時才有，是一種乘性噪聲，它的產生會使數字光纖通信系統的誤碼率增加，使模擬光纖通信系統的信噪比下降，RoF鏈路屬于模擬調制光纖通信系統，模式噪聲影響表現為載噪比的惡化。

2 多模光纖RoF系統及模式噪聲模型

2.1 強度調制-直接檢測RoF系統結構

為保證基于多模光纖的短距離RoF鏈路的高性能，同時保持在成本方面的競爭優勢，使用基于激光二極管（LD）強度調制-直接檢測方案。發射機直接利用單模光纖RoF中的帶單模尾纖的激光二極管發射機，接收機使用PIN光電檢測二極管，簡單如圖2所示。

圖2 強度調制-直接檢測(IM-DD) RoF系統

系統由輸入放大器、激光二極管發射機、多模光纖（MMF）、光電檢測器（PD）、輸出放大器、帶通濾波器組成。

RF信號在經過放大后對激光二極管進行直接強度調制，通過單模尾纖將光功率導入多模光纖中，接收機檢測后將電信號進行放大、濾波，恢復 RF信號。

2.2 模式噪聲理論模型

當傳播距離z后，在多模光纖末端，電場為：

檢測電流正比于接收光功率，則檢測電流為：

Φ為各模式平均時延差的均值。

射頻分量的平均幅值及波動量近似解為：

由式（4）、式（5）可得出載噪比為：

3 結果分析

圖3 載噪比隨的變化

圖4 載噪比隨光纖長度的變化

4 結語

以上分析了模式噪聲的產生、短距離低成本的RoMMF鏈路中的模式噪聲，并給出了理論模型及結果。結果表明，對于給定的光纖長度和接頭質量，可以通過增大光調制深度、減小啁啾、增大檢測器面積來提高載噪比。調制深度并不能無限制增大，過大的調制深度會產生削波從而引入非線性失真；增大檢測面積可以降低模式選擇性損耗從而提高載噪比。

[1]柯賢文，張偉，張志謙,等.光載無線通信技術及其應用分析[J].通信技術, 2011, 44(04)：45-47.

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[5]朱軍，柴曉冬，劉志超.多模光纖鏈路信號傳輸特性分析[J].通信技術, 2008, 41(10)：15-16.

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[7]VISANI D, TARTARINI G, PETERSEN M N.Link Design Rules for Cost-effective Short-range Radio over Multimode Fiber Systems[J].IEEE Transations on Microwave Theory and Techniques, 2010, 58 (11):3144-3153.

[8]葉培大，林金桐.光纖通信系統中的模式噪聲[J].通信學報, 1981（04）：80-86.