外調制微波光傳輸鏈路性能優化研究

吳 驊，左朋勃，龍 飛

（1.深圳金信諾高新技術股份有限公司，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

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

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

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上，通過理論仿真與實驗相結合，分析研究了外調制微波光傳輸系統的增益、噪聲系數，為優化外調制鏈路的性能提供指導原則。

2 外調制微波光傳輸系統理論模型

圖1 外調制微波光傳輸鏈路

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

在外調制微波光子鏈路中，微波信號源發出的微波信號經外調制器調制到激光器產生的光信號上后經過光纖傳輸，光電探測器接收到光信號后解調出所需的微波信號，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之一，是指傳輸到負載的射頻功率與輸入鏈路的可用射頻功率之比，即：

根據外調制鏈路的特性[6]，式（1）增益表達式可變為：

式中，PM為外調制器輸出光功率；PI為輸入激光器的射頻功率；TM=（1-α）為調制器輸出到探測器的傳輸系數（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。根據電路原理可得：

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

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

根據光電探測器的工作原理，可知光電探測器產生的射頻電流為：

? ? 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，外調制光傳輸鏈路的增益與光電探測器斜度效率SD、外調制器最大光傳輸率tff、外調制器輸入光功率pin、鏈路光傳輸系數TM成正比，與外調制器半波電壓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。

2.2 噪聲系數

噪聲因子定義為：當輸入噪聲等于290 K 時產生的熱噪聲時，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kB=1.38×10-23J/K；T0=290K；B 為噪聲帶寬。

噪聲系數（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可表示為：

噪聲系數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制鏈路中，主要噪聲源有：調制器和光電探測器阻抗引起的熱噪聲、光電探測過程中統計特性產生的散粒噪聲、激光器光功率波動產生的RIN 噪聲。根據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 為常數表示調制裝置中產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表達式為：

對于大增益，式（12）導致噪聲系數的下限為

2dB（或3dB），不同于眾所周知的1dB（或0dB）下限。這是因為調制器產生的熱噪聲在鏈路系統輸出端達到與輸入熱噪聲相同的結果，從而使鏈路整體的噪聲系數產生新的下限。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。

從式（10）可以看出，當Nadd=0時，噪聲系數達到最小值，且噪聲系數與信號和系統的帶寬無關，只與系統的噪聲有關。根據這點，再結合式（8）與式（12）可知，在外調制光鏈路中，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。

3 微波光傳輸系統性能仿真與驗證

3.1 外調制器偏置電壓仿真

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

圖3 外調制器偏置電壓與鏈路噪聲系數關系的仿真結果

外調制器的傳遞函數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，調制器工作在線性區域，信號不會產生失真；當偏置電壓處于0、Vπ和Vπ附近時，調制器工作在非線性區域，信號有失真，從而引入噪聲。

圖4 外調制器傳遞函數及輸出信號

3.2 外調制器輸入光功率與噪聲系數關系仿真

理想情況下，設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kB=1.38×10-23J/K，信號的頻率為10 GHz，絕對溫度T=290 K。根據式（8）與（12），可得出不同半波電壓下，輸入外調制器的光功率與噪聲系數的關系，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降低12 dB-20 dB；且隨著半波電壓降低，噪聲系數降低更明顯。可見降低調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。

圖5 外調制器輸入光功率與鏈路噪聲系數關系的仿真結果

3.3 外調制器輸入光功率與噪聲系數關系測試

為驗證仿真結果，實驗中選用三個半波電壓分別為2 V、3.5 V和5 V 的外調制器，逐漸增加激光器的輸出功率，測得噪聲系數與激光器輸出功率大小的關系見圖6。由于外調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、降低外調制器半波電壓可以降低鏈路噪聲系數；但當輸入光功率達到一定值時，噪聲系數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關系的實驗結果

圖7 光纖損耗與鏈路噪聲系數的關系

實驗測試數據與仿真數據存在一些差異，主要是因為仿真時全部參數采用理想參數，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，鏈路的噪聲系數與光纖損耗α 之間的關系如圖7所示。可見，鏈路的噪聲系數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 結束語

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