直調(diào)微波光鏈路噪聲系數(shù)的建模與仿真

文/賀文華 肖湘輝 洪俊

1 引言

微波光子學(xué)是近些年快速發(fā)展的一門學(xué)科，旨在采用先進(jìn)的光子學(xué)技術(shù)來突破“電子瓶頸”，處理微波的產(chǎn)生、傳輸與接收等系列問題，其能夠在電子通訊、航空航天、精確測量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前研究領(lǐng)域的熱點。微波光子學(xué)的研究熱點包括“光生微波源”、“微波信號的光子處理”、“微波光鏈路”等，其中，微波光鏈路是采用光纖來傳播微波信號，由于光纖的低損耗、大帶寬、抗電磁干擾等優(yōu)勢而備受關(guān)注，可應(yīng)用于微波信號產(chǎn)生、傳輸與接收等方面，具有很好的實用價值。

微波光鏈路根據(jù)微波調(diào)制光載波的方式不同，可分為直接調(diào)制（直調(diào)）與外調(diào)制微波光鏈路兩種形式。直接調(diào)制是通過輸入微波信號控制激光器的驅(qū)動電流，達(dá)到間接控制激光器輸出光功率，最終實現(xiàn)對光載波強(qiáng)度調(diào)制的目的；而外調(diào)制需要一電光調(diào)制器，激光器僅提高光載波，調(diào)制過程在電光調(diào)制器中進(jìn)行。相比較而言，直調(diào)微波光鏈路不需要電光調(diào)制器，可較好地簡化系統(tǒng)，降低成本，便于系統(tǒng)集成或模塊化設(shè)計。

本文立足直調(diào)型微波光鏈路的噪聲系數(shù)指標(biāo)，對其進(jìn)行了理論建模與仿真，并基于理論模型分析了激光器的相對強(qiáng)度噪聲、轉(zhuǎn)換效率以及光纖損耗對鏈路噪聲系數(shù)的影響，具有較強(qiáng)的實用價值。

2 理論建模

直接調(diào)制鏈路是微波光子鏈路的一種，它通過直接控制激光器的輸入電流的方式來控制輸出光的強(qiáng)度，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：直接調(diào)制微波光鏈路

圖2：噪聲系數(shù)和相對強(qiáng)度噪聲的關(guān)系

直接調(diào)制微波光鏈路主體部分由激光器、光纖和探測器三部分組成。其工作原理為：天線接收到的微波信號通過微波信號處理系統(tǒng)后進(jìn)入激光器，通過直接控制激光器的工作電流來調(diào)制激光器的輸出光功率，然后通過光纖拉遠(yuǎn)傳輸，最后通過探測器接收還原成微波信號。

對于微波光子鏈路來說，光功率和光纖損耗的變化都會影響鏈著路中的噪聲系數(shù)。游離電荷運(yùn)動在形成電流時會生成噪聲，這樣的噪聲叫做散彈噪聲，散彈噪聲是光電二級管中最為基本的噪聲。設(shè)iD(t)是光電二極管中的輸出電流，其表達(dá)式為：

isn(t)為散粒噪聲電流，且是電流的平均值。當(dāng)時間為τ其電流均方值是：

把散粒噪聲電流通過傅里葉變換，則表示為頻域為：

熱噪聲是導(dǎo)體中帶電粒子在熱運(yùn)動過程中生成的隨機(jī)噪聲，鏈路中所有器件都可以有熱噪聲生成：

相對強(qiáng)度噪聲平均值為：

對于微波光子鏈路，一般都能夠知道激光器的相對強(qiáng)度噪聲RIN，所以噪聲電流表達(dá)式為：

3 仿真與分析

設(shè)光電二極管電阻是RD=1000Ω，本征阻抗是R0=50Ω，負(fù)載阻抗是RLOAD=50Ω，二極管的阻抗是RL=5Ω，電量q=1.6×10-19J/V，絕對溫度T=290K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K，激光器轉(zhuǎn)換效率是0.2W/A，光纖損耗是可得到相對強(qiáng)度噪聲和噪聲系數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

可以很明顯的看出相對噪聲強(qiáng)度增大時，噪聲系數(shù)也會隨之增加。令激光器的相對強(qiáng)度噪聲轉(zhuǎn)換效率。在光電流不一樣時，鏈路中噪聲系數(shù)和光纖損耗的關(guān)系為如圖3所示。

圖3中橫坐標(biāo)表示的是光纖損耗，縱坐標(biāo)表示的噪聲系數(shù)，可以很明顯的看出當(dāng)光纖損耗增加時，噪聲系數(shù)也隨之增加的。令光電流光纖的損耗是如圖4所示選取四各不同值的相對強(qiáng)度噪聲來觀察噪聲系數(shù)和轉(zhuǎn)換的之間的關(guān)系，圖4中橫坐標(biāo)表示的是轉(zhuǎn)換效率，縱坐標(biāo)表示的噪聲系數(shù)，可以很明顯的看出當(dāng)因鏈路中的轉(zhuǎn)換效率提高時，鏈路中噪聲系數(shù)隨著增大。

通過以上分析可知，相對強(qiáng)度噪聲、光纖損耗和激光器轉(zhuǎn)換效率均會影響鏈路中的噪聲系數(shù)。

4 結(jié)論

直調(diào)型微波光鏈路目前已在電子通訊、航空航天、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文著手研究了鏈路的噪聲系數(shù)指標(biāo)，分析了激光器的相對強(qiáng)度噪聲、轉(zhuǎn)換效率，以及光纖損耗對噪聲系數(shù)的影響，結(jié)果表明，較小的相對強(qiáng)度噪聲、高的轉(zhuǎn)換效率與低光纖損耗有利于降低鏈路的噪聲系數(shù)，本研究所涉的一些方法、模型與仿真數(shù)據(jù)可在實際應(yīng)用得到借鑒，具有較好的實用價值。

圖3：噪聲系數(shù)和光纖損耗的關(guān)系

圖4：噪聲系數(shù)和激光器轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系