微波光傳輸系統(tǒng)相位噪聲的優(yōu)化方法

唐 正，呂曉蕊，羅 偉

（1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通信息學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道通信與信號(hào)學(xué)院，湖北 武漢 430205；3.中信科移動(dòng)通信技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引 言

微波光傳輸系統(tǒng)在信號(hào)傳輸領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如全光雷達(dá)、高精度時(shí)鐘傳輸以及微波信號(hào)拉遠(yuǎn)等業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)具有低損耗、大帶寬及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，解決了微波信號(hào)在無線信道和射頻電纜中傳輸時(shí)的高損耗、頻譜受限及干擾大等方面的限制。但由于系統(tǒng)中存在光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，信號(hào)質(zhì)量下降，相位噪聲指標(biāo)發(fā)生劣化。在高精度微波光傳輸領(lǐng)域，往往通過提高信源質(zhì)量來滿足系統(tǒng)對(duì)輸出信號(hào)相位噪聲指標(biāo)的要求，該方法對(duì)信源要求很高，限制了微波光傳輸系統(tǒng)在高精度信號(hào)傳輸領(lǐng)域的使用。本文提出優(yōu)化微波光傳輸系統(tǒng)相位噪聲的方法，能有效提升系統(tǒng)相位噪聲指標(biāo)。

1 外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析

微波光傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)的調(diào)制有直接強(qiáng)度調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。本文主要研究分析外調(diào)制方式的微波光傳輸系統(tǒng)。外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由激光器、馬赫-曾德（Mach Zehnder，M-Z）調(diào)制器、微波信號(hào)源、光纖以及光電探測(cè)器組成[1-4]。由于在外調(diào)制系統(tǒng)中，微波信號(hào)不直接作用于激光器，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)“啁啾”效應(yīng)，故系統(tǒng)的傳輸頻率和帶寬可達(dá)百GHz。

圖1 外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)

M-Z調(diào)制器的輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系為：

式中：Po為調(diào)制器輸出光功率；Pi為調(diào)制器輸入的光功率；Vπ是調(diào)制器的半波電壓；Vb是調(diào)制器的直流偏壓；Vrf是輸入的微波信號(hào)的幅度；ω是輸入微波信號(hào)的角頻率。

將式（1）用麥克勞林展開，展開式保留到三次項(xiàng)，得：

式中：φ是調(diào)制器的偏置角，。由式（2）可知，M-Z調(diào)制器輸出的基波信號(hào)功率和各次諧波信號(hào)功率均受Vb控制，各次諧波信號(hào)的功率如表1所示。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)輸出的基波分量功率達(dá)到最大，偶次諧波消失。此時(shí)對(duì)應(yīng)的Vb為M-Z調(diào)制激光器的正交偏置點(diǎn)。

表1 M-Z調(diào)制器輸出諧波功率

2 外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)相位噪聲分析

微波光傳輸系統(tǒng)的單邊帶相位噪聲（Phase Noise，PN）指標(biāo)的數(shù)學(xué)表示為：

式中：Pfo是系統(tǒng)輸出頻率為fo的信號(hào)的功率，其中是頻率偏離時(shí)鐘信號(hào)Δfm處的噪聲功率。

微波光傳輸系統(tǒng)的噪聲主要由閃爍噪聲和白噪聲組成。閃爍噪聲功率與頻率成反比，是由半導(dǎo)體接觸面的不規(guī)則、接觸電阻上載流子密度起伏或者一些無源器件因工藝問題而造成的，又稱為1/f噪聲；白噪聲是由電子器件的熱噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲及散彈噪聲造成，其功率譜密度在很寬的頻譜范圍內(nèi)呈均勻分布特性。系統(tǒng)相位噪聲功率NΔfm可表示為：

式中：Nth是系統(tǒng)熱噪聲功率；Nshot是光電探測(cè)器的散彈噪聲功率；Nrin是激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲通過光電轉(zhuǎn)換后形成的電噪聲功率；N1/f是光電系統(tǒng)增加的閃爍噪聲功率。微波光傳輸系統(tǒng)近端相位噪聲的惡化主要來自閃爍噪聲；遠(yuǎn)端相位噪聲的惡化主要來自熱噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲及散彈噪聲的貢獻(xiàn)[5-9]。本節(jié)主要討論Vb對(duì)Nth、Nshot、Nrin以及系統(tǒng)增益G的影響。微波光傳輸系統(tǒng)中影響鏈路噪聲的參數(shù)及其數(shù)學(xué)模型如表2所示。

表2 鏈路噪聲參數(shù)的數(shù)學(xué)模型

3 微波光傳輸系統(tǒng)相位噪聲的優(yōu)化方法

3.1 光電器件選型

由第2節(jié)的理論推導(dǎo)知，微波光傳輸系統(tǒng)的光電、電光轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)相位噪聲惡化的主要原因。光電器件的選型對(duì)系統(tǒng)相位噪聲的影響很大。

在微波光傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)激光器輸出功率較大時(shí)，系統(tǒng)相位噪聲主要受限于激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲；當(dāng)激光器的輸出功率較小時(shí)，系統(tǒng)相位噪聲受限于散彈噪聲。在一般的微波光傳輸系統(tǒng)中，傳輸?shù)墓夤β试?10 dBm以上，系統(tǒng)相位噪聲主要受限于相對(duì)強(qiáng)度噪聲。進(jìn)行激光器選型時(shí)，要選擇相對(duì)強(qiáng)度噪聲小的激光器。

微波光傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)增益G與調(diào)制器的半波電壓Vπ成反比，調(diào)制器的Vπ越小，系統(tǒng)增益越大，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越小。M-Z調(diào)制器選型時(shí)，應(yīng)選擇半波電壓小的器件以獲得更大的系統(tǒng)增益，從而獲得更小的系統(tǒng)熱噪聲系數(shù)。當(dāng)偏置角時(shí)，微波光傳輸系統(tǒng)具有最大增益。但從后面的分析可知，在追求最佳相位噪聲的系統(tǒng)中，偏置角φ不取

3.2 調(diào)制器偏壓設(shè)置

由光電傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型知，G、Nshot以及Nrin均與偏置角φ有關(guān)，即與偏置電壓Vb相關(guān)。設(shè)置不同的Vb，將得到不同的系統(tǒng)參數(shù)。其中，系統(tǒng)增益G與(sinφ)2成正比；散彈噪聲功率Nshot與(1+cosφ)成正比；Nrin與 (1+cosφ)2成正比。因此在散彈噪聲受限系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出相位噪聲與因子正相關(guān)；在Nrin受限系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出相位噪聲與正相關(guān)。

圖2給出了兩種受限系統(tǒng)中系統(tǒng)相位噪聲隨偏置角變化的趨勢(shì)，相位噪聲與偏置角的關(guān)系并非單調(diào)的。系統(tǒng)要獲得最佳的系統(tǒng)相位噪聲，需要兼顧噪聲功率和增益的關(guān)系，偏置角φ在160o到180o之間時(shí)，系統(tǒng)具有最好的相位噪聲性能[10]。

圖2 偏置角對(duì)系統(tǒng)相位噪聲的影響

3.3 光纜敷設(shè)環(huán)境

微波光傳輸系統(tǒng)利用光纖傳輸損耗低的特點(diǎn)將信號(hào)拉遠(yuǎn)傳輸。但在傳輸過程中，信號(hào)特性會(huì)受溫度、壓強(qiáng)以及機(jī)械抖動(dòng)等外部因素的影響[11-13]。環(huán)境溫度與壓強(qiáng)變化造成的相位變化緩慢，其對(duì)系統(tǒng)的相位噪聲影響很小，可以忽略；而敷設(shè)在戶外的架空光纜的機(jī)械抖動(dòng)帶來的傳輸相位變化是劇烈的，需要關(guān)注光纜抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。有文獻(xiàn)指出，微波信號(hào)在野外傳輸過程中，光纜的晃動(dòng)會(huì)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)產(chǎn)生10～35 dB的惡化[14]。這是因?yàn)楣饫|的機(jī)械抖動(dòng)會(huì)使光纖產(chǎn)生形變，光信號(hào)傳輸路徑和傳輸模式發(fā)生變化，色散效應(yīng)加深，最終導(dǎo)致傳輸?shù)男盘?hào)相位噪聲指標(biāo)劣化嚴(yán)重。且光纜抖動(dòng)的幅度越大、頻率越高，系統(tǒng)的相位噪聲惡化越明顯。

為了避免機(jī)械抖動(dòng)等因素對(duì)光傳輸?shù)南辔辉肼晭碛绊?，高精度微波光傳輸系統(tǒng)的敷設(shè)方式應(yīng)采取直埋方式。光纜埋于地下，處于相對(duì)恒溫、恒壓的環(huán)境中，微波信號(hào)的慢速相位偏移得到遏制，同時(shí)光纜穩(wěn)定的固定方式避免了微波信號(hào)因傳輸介質(zhì)的機(jī)械抖動(dòng)帶來的相位噪聲劣化。

3.4 抖動(dòng)消除電路

相位噪聲的時(shí)域表達(dá)形式是信號(hào)抖動(dòng)，也可以用信號(hào)的抖動(dòng)指標(biāo)來描述信號(hào)的質(zhì)量，相位噪聲轉(zhuǎn)換為抖動(dòng)指標(biāo)的公式為：

式中：σrms是抖動(dòng)指標(biāo)；f0是信號(hào)頻率；PN是信號(hào)相位噪聲功率。由于相位噪聲對(duì)抖動(dòng)的貢獻(xiàn)主要來自遠(yuǎn)端相位噪聲[15]，頻率積分范圍一般為12 ～ 20 000 kHz。

在高精度微波信號(hào)光纖傳輸應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)對(duì)輸出信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)要求很高，信號(hào)的抖動(dòng)需達(dá)到飛秒級(jí)。通過前文的分析可知，信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)經(jīng)光傳輸系統(tǒng)傳輸后，會(huì)疊加散彈噪聲、相對(duì)強(qiáng)度噪聲及熱噪聲等，傳輸介質(zhì)的環(huán)境改變也會(huì)惡化相噪。圖1所示微波光傳輸系統(tǒng)輸出的時(shí)鐘信號(hào)很難達(dá)到飛秒級(jí)的抖動(dòng)指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)光傳輸系統(tǒng)的低抖動(dòng)傳輸，本文提出采用增加級(jí)聯(lián)鎖相環(huán)電路的方法來提高系統(tǒng)輸出信號(hào)質(zhì)量。本文討論的抖動(dòng)消除電路由兩級(jí)級(jí)聯(lián)的低噪聲鎖相環(huán)組成，如圖3所示。

微波光傳輸系統(tǒng)輸出的信號(hào)送入圖3所示的抖動(dòng)消除器，信號(hào)在第一級(jí)鎖相環(huán)電路中，電路利用外部高性能壓控振蕩器1和窄帶環(huán)路濾波器1，提高時(shí)鐘信號(hào)的近端相位噪聲；第二級(jí)鎖相環(huán)利用內(nèi)部集成高性能壓控振蕩器2實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘倍頻功能，從而提高信號(hào)遠(yuǎn)端相位噪聲指標(biāo)。

圖3 抖動(dòng)消除電路系統(tǒng)框架

經(jīng)仿真驗(yàn)證，100 MHz時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)微波光傳輸系統(tǒng)傳輸后，近端相噪為-110.4 dBc/Hz＠1 kHz，遠(yuǎn)端相噪為-120 dBc/Hz＠10 MHz，對(duì)應(yīng)的抖動(dòng)指標(biāo)為10.1 ps；時(shí)鐘信號(hào)送入抖動(dòng)消除電路后，輸出信號(hào)的近端相噪為-132.3 dBc/Hz＠1 kHz，遠(yuǎn)端相噪為-158.7 dBc/Hz＠10 MHz，對(duì)應(yīng)的抖動(dòng)指標(biāo)為236.6 fs。時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過抖動(dòng)消除器后，抖動(dòng)性能提高42.7倍，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文推導(dǎo)出外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)相位噪聲的數(shù)學(xué)模型，并分析外界環(huán)境因素對(duì)微波光傳輸系統(tǒng)相位噪聲的影響，從光電器件選型、調(diào)制器偏壓調(diào)試、傳輸敷設(shè)環(huán)境以及增加抖動(dòng)消除電路等4個(gè)維度出發(fā)，總結(jié)出外調(diào)制微波光傳輸系統(tǒng)的相位噪聲優(yōu)化方法，并在高精度微波光傳輸領(lǐng)域，創(chuàng)造性地增加抖動(dòng)消除電路提高信號(hào)質(zhì)量，使系統(tǒng)輸出信號(hào)的抖動(dòng)指標(biāo)達(dá)到飛秒級(jí)。