毫秒级宽带微波光链路性能分析

杨 慧 周小芬 吴国成 肖永川 杨 陶



毫秒级宽带微波光链路性能分析

杨 慧1周小芬1吴国成1肖永川1杨 陶2

1.重庆光电技术研究所，重庆 400060 2.中国移动通信集团重庆有限公司，重庆 401121

针对传统微波光链路长距离传输性能指标难以优化的现状，提出一种基于波分复用技术、EDFA光放大技术、DCM色散补偿技术解决超长距离光传输的方法。建立了基于该方法的微波传输链路性能参数的理论模型，并对主要参数进行了仿真计算。通过优化光器件的性能参数，设计的光纤延时线的延时量为2.2 ms，带宽达600 MHz。通过对光纤插损和色散效应进行补偿，得到系统的插入损耗为3 dB，幅度平坦度为±1 dB。

微波光链路；波分复用技术；色散补偿技术；链路增益

引言

随着微波光子技术的迅猛发展，长距离宽带微波光链路受到越来越多的重视[1]。与传统的微波传输链路相比，光传输链路有着工作带宽宽、体积小、损耗低、重量轻、抗电磁干扰强等优点。并广泛应用在无线通信、射电天文[2]、分布式雷达[3]、CATV以及现代空间技术中。

本设计根据使用的需要，运用波分复用技术将光纤的长度由原本的440 km缩减至220 km，并用光放大器和色散补偿模块对光纤的插入损耗和非线性效应进行了分段补偿，满足了微波传输光链路中对插损和幅度平坦度的要求。

1 光链路工作原理

本文设计了一个延时为2.2 ms的超长距离光传输链路系统，原理框图如图1所示。本链路运用波分复用技术形成光传输链路环路，将所需光纤的长度由原来的440 km缩减至220 km，将EDFA和色散补偿模块的数量减少了50%。

图1 长距离微波光传输链路原理框图

1.1 链路增益

设激光器输出的光载波信号它的光场表达式为

（1）

为了得到最佳的线性度，调制器需要工作在正交偏置点，则探测器输出的光电流可以表示为

在小信号条件下，模拟光链路的线性射频传输增益可以表示为

（3）

1.2 噪声系数计算

1.2.1 光链路的噪声系数

噪声系数是用来衡量信噪比恶化程度的性能指标，它可以表示为：

（4）

（5）

1.2.2 光放大器对链路噪声系数的恶化

在长距离传输链路中，掺铒光纤放大器（EDFA）是常用的用于补偿链路光损耗的器件。根据图1所示的链路结构，多个EDFA级联的结构示意图可以用图2进行表示：

图2 EDFA级联示意图

光传输链路对射频信号噪声系数的恶化可用如下公式来表示：

式中：Fi、gi分别为第i个EDFA的噪声因子和增益；li-1为第i个EDFA前级光衰减；为光链路的总增益。

1.3 长距离光链路中的非线性效应

1.3.1 色散效应

光纤色散指的是不同频率光信号在光纤中具有不同的传输速率，对于双边带调制（DSB）直接探测的射频光传输性能影响很大。色散会引起不同边带之间产生不同的相移，从而引起射频信号功率随频率的周期性衰落、增大偶次谐波失真的影响及引起激光器相位噪声向强度噪声转化恶化噪声性能。

在考虑色散影响的情况下，链路的小信号增益表达式为：

（7）

1.3.2 受激布里渊散射效应

当发生受激布里渊散射效应时，正向输入信号光功率在传输过程中呈指数形式衰减，因此受激布里渊散射效应不仅会恶化链路的噪声性能，还极大的限制了链路可传输的最大光功率即限制了整个链路的光功率水平。它的值可以表示为：

（8）

2 设计方法

上一节已经进行了理论计算和分析，找到了链路增益、噪声系数、链路非线性与各参数的关系。在本节中，对主要参数的性能进行仿真计算。各个器件的主要参数见下表所示：

表1 用于仿真计算的各个参数

2.1 减小非线性效应对光链路性能的恶化

2.1.1 色散补偿技术

由公式（7）可以看出，在未进行色散补偿时，光纤引起的色散距离积越大，会引起严重的功率周期性衰落，并且衰落的周期与链路的工作频率有关。与理论计算得到的结果相符，从下面的仿真结果可以看出链路未进行色散补偿时的增益曲线。从图3可知，色散补偿对于高频率信号长距离传输的重要性。

图3 色散引起的功率衰落对比

2.1.2 减小布里渊散射对光链路性能的影响

由公式（8）可以看出，进入光纤光功率与光纤的长度呈反比关系。输入的阈值光功率与传输距离的关系见图4所示。

图4 输入光功率与传输距离的关系

2.2 影响链路增益的因素

根据公式（3）可以看出，影响链路增益的因素主要有调制器半波电压、探测器接收到的光电流。而调制器的半波电压又随着调制器的工作频率而变化。具体的变化关系见图5所示。

图5 链路增益与器件参数之间的关系曲线

由图4和图5的仿真结果可知，传输光纤的长度多于50 km时，输入光功率值不大于2 MW时，光纤的布里渊散射效应最弱。同时探测器探测到的光功率最强时，系统的增益最高。故在不超过探测器饱和功率点的前提下，尽量提高后级光放大器的输出光功率。

2.3 影响链路噪声系数的因素

由上节的分析可以看出，链路的噪声系数与工作频率、激光器的RIN噪声、探测器接收的光功率和EDFA的噪声系数相关。

图6 噪声系数与光电流和EDFA噪声系数的关系曲线

由图6的仿真结果和前面的分析可得，当器件定型后，激光器的RIN噪声，EDFA的噪声系数已经确定。只能增加探测器接收到的光功率，来改善链路的噪声系数。一般探测器的饱和光功率为10 MW。故设计时将后级的EDFA的输出光功率设为15 dBm。

由上面的理论计算和仿真结论，可以得出光纤传输补偿网络的参数设计，具体见图7所示：

图7 光纤传输补偿网络参数值

3 测试结果

根据上述的理论计算和仿真分析，综合生产成本，选择激光器的发光功率为40 MW，增益稳定输出4 MW的EDFA。将测试结果与仿真结果进行比较可知，两者能够较好的吻合。最终的测试结果见表2所示。

表2 链路指标测试结果

4 结论

本文通过对长距离微波光传输链路进行了详尽的理论分析，并通过仿真计算得出参数数值的变化对链路性能的影响。主要讨论了链路增益、噪声系数、非线性效应这些参数的性能。经过与产品的实测数据进行对比，理论和实际测试值的吻合度较好。理论和仿真计算对产品设计和生产具有较强的指导意义。

[1]CapmanyJ，Novak D.Microwave photonics combines two worids[J].Nature Photon，2007，1；319-330.

[2Karim A, Devenport J. High Dynamic Range Microwave Photonic Links for RF Signal Transport and RF-IF Conversion[J]. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(15):2718-2724.

[3] Lu H H, Lin Y C, Su Y H, et al. A radio-on-fiber intelligence transport system based on electroabsorption modulator and semiconductor optical amplifier[J]. Photonics Technology Letters IEEE, 2004, 16(1):251-253.

Performance Analysis of Millisecond Broadband Microwave Optical Links

YangHui1Zhou Xiaofen1Wu Guocheng1Xiao Yongchuan1Yang Tao2

1.Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 40060 2.China Mobile Communications Corporation Cmcc Chongqing Co., Ltd., Chongqing 401121

Aiming at the situation which the long-distance transmission performance index for traditional microwave optical link is difficult to optimize, a method is proposed to solve the long distance optical transmission based on wavelength division multiplexing technology, EDFA optical amplification technology and DCM dispersion compensation technology.A theoretical model of microwave transmission link performance parameters based on this method is also established, and the main parameters are simulated and calculated too.By optimizing the performance parameters of the optical device, a delay time for the designed fiber delay line is 2.2ms and the bandwidth is up to 600MHz.The insertion loss of the system is 3dB and the amplitude flatness is ± 1dB by compensating the fiber insertion loss and dispersion effect.

microwave optical link; wavelength division multiplexing; dispersion compensation; link gain;

TN015

A

1009-6434（2017）04-0061-04