外调制微波光传输链路性能优化研究

吴 骅，左朋勃，龙 飞

（1.深圳金信诺高新技术股份有限公司，深圳 518000；2.中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，汉中 723000）

1 微波光传输系统

微波光子学技术是将微波信号调制到光信号上，然后利用集成光电子器件对调制信号进行处理最终解调并输出所需的微波信号。微波光传输系统（ROF）是用光纤作为介质来传输射频信号的传输技术，它具有带宽大、体积小、重量轻、损耗小、抗干扰能力强、色散低等优点，在移动通信[1]、雷达[2]、遥感探测[3]等领域得到广泛的应用。

微波光传输系统根据调制方式不同可分为两大类，即直接调制和外部调制。外部调制方式由于增加了调制器件，不仅使链路结构更加复杂，而且不易控制，所以并未得到大范围应用。但是外调制结构的增益与噪声系数特性更好，调制速率更高，将会是未来ROF 链路的发展趋势。

微波光传输链路是有源模块，势必会引入噪声[4]。本文在研究链路小信号模型的基础上，通过理论仿真与实验相结合，分析研究了外调制微波光传输系统的增益、噪声系数，为优化外调制链路的性能提供指导原则。

2 外调制微波光传输系统理论模型

图1 外调制微波光传输链路

图1 为基本的外调制微波光传输系统原理图。它主要由激光器、微波信号源、外调制器、滤波器、偏置控制模块、光纤以及光电探测模块组成。

在外调制微波光子链路中，微波信号源发出的微波信号经外调制器调制到激光器产生的光信号上后经过光纤传输，光电探测器接收到光信号后解调出所需的微波信号，其小信号等效模型[5]如图2所示。

图2 外调制微波光传输链路小信号等效模型

2.1 传输链路增益

增益G（通常指固有增益）是链路性能的基本参数之一，是指传输到负载的射频功率与输入链路的可用射频功率之比，即：

根据外调制链路的特性[6]，式（1）增益表达式可变为：

式中，PM为外调制器输出光功率；PI为输入激光器的射频功率；TM=（1-α）为调制器输出到探测器的传输系数（α 为光纤损耗）；PL为负载接收功率；PD为探测器检测到的光功率。根据电路原理可得：

式中，RS为激光器的等效电阻；RM为外调制器的等效电阻；CM为外调制器的等效电容；SM调制器的斜率效率，其值为：

式中，Vπ为外调制器半波电压；tff为外调制器最大光传输率；Pin为外调制器的输入光功率。

根据光电探测器的工作原理，可知光电探测器产生的射频电流为：

⑲ ㉕ Bargen， Mediation im Verwaltungsprozess， DVBI．2004，S．472．

式中，SD为光电探测器的斜度效率；流过负载的电流IL为：

式中，RD为光电探测器的等效电阻；CD光电探测器的等效电容。

将式（5）代入式（6），那么负载上的信号功率为：

结合式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（7），可得到链路的增益为：

从式（8）可以看出，外调制光传输链路的增益与光电探测器斜度效率SD、外调制器最大光传输率tff、外调制器输入光功率pin、链路光传输系数TM成正比，与外调制器半波电压Vπ成反比。因此，要提高链路增益，可通过提高外调制器输入光功率、降低半波电压、降低光纤本身的损耗、采用高斜度效率光探测器等方式实现。

2.2 噪声系数

噪声因子定义为：当输入噪声等于290 K 时产生的热噪声时，输入信噪比与输出信噪比比值，如式（9）：

式中，Sin为输入信号功率；Sout为输出信号功率；Gc为信号增益；Gn为噪声增益；Nadd为引入输出噪声功率；Nin为输入热噪声功率；玻尔兹曼常数kB=1.38×10-23J/K；T0=290K；B 为噪声带宽。

噪声系数（dB）定义为NF=10log（F）。在小信号模型下，Gc=Gn=G 均由输入功率决定，所以小信号模型下噪声系数可表示为：

噪声系数是微波光传输应用中的一个重要性能指标。在无放大器的光外调制链路中，主要噪声源有：调制器和光电探测器阻抗引起的热噪声、光电探测过程中统计特性产生的散粒噪声、激光器光功率波动产生的RIN 噪声。根据Ackerman 等研究人员建立的固有MWPL 等效模型[7]，链路的输出功率噪声为：

式中，kBT0B 代表光电探测器的热噪声，NRIN（ID）2RLB 代表激光器的RIN 噪声，2e（ID）RLB 代表散粒噪声，a 为常数表示调制装置中产生的附加热噪声影响因子。

必须指出的是如果链路中包含了其他设备，则其噪声源的影响必须加以考虑。例如，如果链路中有掺杂光纤放大器，则式（11）中应加入其放大的自发辐射噪声源效应。

将式（11）代入式（10）中，线性条件下工作的微波光链路的小信号噪声系数表达式为：

对于大增益，式（12）导致噪声系数的下限为

2dB（或3dB），不同于众所周知的1dB（或0dB）下限。这是因为调制器产生的热噪声在链路系统输出端达到与输入热噪声相同的结果，从而使链路整体的噪声系数产生新的下限。而式（12）的推导过程中，我们假定信号和噪声的链路功率增益相同，且与输入功率无关。

从式（10）可以看出，当Nadd=0时，噪声系数达到最小值，且噪声系数与信号和系统的带宽无关，只与系统的噪声有关。根据这点，再结合式（8）与式（12）可知，在外调制光链路中，由于受光器件本身的限制，热噪声、RIN 噪声、散粒噪声基本固定不变，可通过提高外调制器输入光功率、降低半波电压、降低光纤损耗等手段来提高链路增益，降低链路噪声系数。

3 微波光传输系统性能仿真与验证

3.1 外调制器偏置电压仿真

外调制器直流偏置电压与链路噪声系数的关系见图3。从图中可以看出，随着偏置电压从0开始增加到Vπ，噪声系数曲线呈现出先降低后增加的趋势，并在1/2Vπ左右出现了最低点；偏置电压从Vπ开始增加到2Vπ重复之前的趋势，并在3/2Vπ左右出现了最低点；这与外调制器的特性有关。

图3 外调制器偏置电压与链路噪声系数关系的仿真结果

外调制器的传递函数曲线与输出信号曲线见图4，从图中可以看出，当偏置电压处于1/2Vπ、3/2Vπ附近时，调制器工作在线性区域，信号不会产生失真；当偏置电压处于0、Vπ和Vπ附近时，调制器工作在非线性区域，信号有失真，从而引入噪声。

图4 外调制器传递函数及输出信号

3.2 外调制器输入光功率与噪声系数关系仿真

理想情况下，设ND=20，NM=1，传输效率为1（忽略光纤损耗）；源阻抗与负载阻抗均完全匹配RS=RL=50 Ω，调制器的分布电容CM=0.7 pF，光电探测器的电阻RD=1000 Ω，分布电容CD=0.7 pF，响应度为0.85 A/W；激光器相对强度噪声为RIN=-170 （dB/Hz）；玻尔兹曼常数kB=1.38×10-23J/K，信号的频率为10 GHz，绝对温度T=290 K。根据式（8）与（12），可得出不同半波电压下，输入外调制器的光功率与噪声系数的关系，如图5所示。由图仿真曲线可见，随着输入光功率由0 dBm 增大到40 dBm，不同半波电压下噪声系数降低12 dB-20 dB；且随着半波电压降低，噪声系数降低更明显。可见降低调制器的半波电压和提高输入光功率均可以有效改善噪声系数。

图5 外调制器输入光功率与链路噪声系数关系的仿真结果

3.3 外调制器输入光功率与噪声系数关系测试

为验证仿真结果，实验中选用三个半波电压分别为2 V、3.5 V和5 V 的外调制器，逐渐增加激光器的输出功率，测得噪声系数与激光器输出功率大小的关系见图6。由于外调制器的输入光功率和激光器的输出光功率成正比，本实验中采集的是激光器的输出光功率。由图可见，链路的噪声系数随着激光器输出光功率的增大逐渐减小，最终趋于饱和。说明提高输入光功率、降低外调制器半波电压可以降低链路噪声系数；但当输入光功率达到一定值时，噪声系数不再随功率增大而降低。

图6 激光器输出光功率与链路噪声系数关系的实验结果

图7 光纤损耗与链路噪声系数的关系

实验测试数据与仿真数据存在一些差异，主要是因为仿真时全部参数采用理想参数，也未考虑光纤损耗的影响。当输入光功率恒定（激光器输出光功率恒定为20 dBm），改变偏置电压，链路的噪声系数与光纤损耗α 之间的关系如图7所示。可见，链路的噪声系数随着光纤损耗的增加而增大，因此采用低损耗光纤有利于提高链路的性能。

4 结束语

通过外调制微波光传输链路的小信号模型，推导出了链路的增益、噪声系数的数学表达式，分析了输入光调制器的光功率以及调制器的半波电压与链路增益和噪声系数的关系。在仿真分析的基础上，搭建了外调制微波光链路，并对其进行了测试。仿真结果与实验验证表明，适当的提高输入外调制器的光功率、选用较低损耗的光纤、采用调制器低偏置技术等均可有效降低链路噪声系数，提升链路性能。此外，研究表明还可以采用差分技术[8]、前端级联低噪声放大器技术[9]来降低链路噪声系数以及在接收端抑制光载波的方式减小噪声相对强度[10]，达到优化链路性能的目的。