星間微波光子鏈路的可行性研究

曹哲瑋, 陳心怡, 李思遠, 梅 坤, 孫東明

(上海無線電設備研究所,上海201109)

0 引言

隨著大容量信息傳輸技術(shù)的高速發(fā)展,光子技術(shù)與微波技術(shù)的相互融合已經(jīng)成為一個重要的技術(shù)方向[1-2]。與傳統(tǒng)的微波傳輸技術(shù)相比,基于微波光子技術(shù)的通信系統(tǒng)具有體積小、重量輕、損耗低、帶寬大、抗電磁干擾能力強、對調(diào)制格式透明等優(yōu)勢。近年來,微波光子技術(shù)已成功應用于地面光載射頻(radio over fiber,ROF)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)中心工作站與各個通信基站之間的信號傳送和分配。其優(yōu)點在于可將復雜的微波處理單元置于中心工作站,而基站僅負責光電轉(zhuǎn)換和微波天線發(fā)射,基站結(jié)構(gòu)簡單,可大大降低建設成本,有利于提高頻率復用度和蜂窩密度。ROF通信系統(tǒng)對于頻率和調(diào)制格式完全透明,頻率和調(diào)制格式變化時不需要改變基站設置,只需對中心站進行升級,非常有利于無線通信網(wǎng)絡的升級換代。微波光子技術(shù)同樣可應用于衛(wèi)星通信。歐洲航空局(ESA)最早在20世紀90年代的SAT-NLIGHT計劃中就提出了基于微波光子技術(shù)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器概念。隨后十年中,美國國家宇航局(NASA)、ESA、泰雷茲阿萊尼亞宇航公司(TAS)相繼在該技術(shù)領域發(fā)布了一系列研究計劃和預研項目[3-7],例如“基于光子技術(shù)的下一代衛(wèi)星通信載荷”、“星載寬帶光接收機(OWR)”、“衛(wèi)星寬帶模擬信號透明轉(zhuǎn)發(fā)器的光域變頻單元(OMCU)”等?？傊?微波光子技術(shù)在未來寬帶衛(wèi)星系統(tǒng),尤其是在低軌組網(wǎng)衛(wèi)星、天基分布式電子偵察等系統(tǒng)中具有巨大的應用潛力,可以極大地簡化衛(wèi)星載荷設計、增加載荷應用靈活性、有效降低衛(wèi)星資源消耗。國內(nèi)衛(wèi)星微波光子技術(shù)領域發(fā)展較慢,且多側(cè)重于理論研究[8-15]。與地面利用光纖傳輸光信號不同,衛(wèi)星間只能在自由空間中傳輸光信號,而目前國內(nèi)外尚未有真正基于空間光傳輸?shù)男情g微波光子鏈路技術(shù)研究的報道。

本文主要對基于強度調(diào)制/直接探測(IM/DD)體制的外調(diào)制空間微波光子鏈路進行理論和實驗研究,模擬星間遠距離空間光傳輸,并分析空間光傳輸損耗、摻餌光纖放大器增益等參數(shù)對微波光子鏈路噪聲系數(shù)和射頻增益的影響。

1 理論與仿真

1.1 微波光子鏈路模型

基于IM/DD體制的外調(diào)制空間微波光子鏈路的基本模型如圖1所示。其中最核心的四個器件為激光器(LD)、馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)、摻餌光纖放大器(EDFA)和光電探測器(PD)。LD用于產(chǎn)生光載波,MZM將射頻信號調(diào)制到光載波上,調(diào)制后的光信號經(jīng)發(fā)射EDFA放大后進入空間信道。接收EDFA對空間光信號進行前置低噪聲放大,并輸出至PD,PD再解調(diào)出射頻信號。為了獲得最大的基頻信號增益,通常使MZM工作在正交工作點。

圖1 基于IM/DD體制的空間微波光子鏈路模型

為了簡化分析過程,鏈路不考慮發(fā)射EDFA、空間傳輸信道和接收EDFA的影響,即假設MZM與PD直接通過一根光纖相連。此時外調(diào)制微波光子鏈路的噪聲因子可以用Friis級聯(lián)公式表示為

式中:FMOD、FOF和FPD分別表示調(diào)制器、光纖和探測器的噪聲因子;GMOD和GOF分別是調(diào)制器和光纖的光電轉(zhuǎn)換增益。上述參數(shù)的表達式可分別寫成[2]

其中

式中:R是輸入阻抗;Z0是負載阻抗;Uπ是MZM的半波電壓;φ是MZM中光載波和射頻信號的相位差;NRF是激光器在指定射頻(RF)頻率ωRF處的相對強度噪聲;k是玻爾茲曼常數(shù);T是開氏溫度;q是基本電荷電量;PPD是PD的輸入光功率;h是普朗克常量;ν是光的頻率;ηP是PD的量子效率;LOF是MZM和PD之間的光纖衰減;Id是PD的暗電流;gD是PD的等效電導率;PMOD是MZM的輸入光功率;LMOD是MZM的調(diào)制深度;ne是MZM中電波導的折射率;n是MZM中光波導的折射率;c是光速。

通常將噪聲因子以dB為單位寫成噪聲系數(shù)的形式,表達式為

對簡化后的IM/DD鏈路噪聲系數(shù)進行仿真。PD的輸入光功率PPD分別設置為10,0,-5,-10 dBm。計算IM/DD鏈路噪聲系數(shù)的其它參數(shù)取值如表1所示。

表1 計算IM/DD鏈路噪聲系數(shù)的參數(shù)

將式(1)、式(2)、式(3)帶入式(4),可仿真得到IM/DD鏈路的噪聲系數(shù)變化曲線,如圖2所示。從仿真曲線可知,IM/DD鏈路的噪聲系數(shù)會隨著PD的輸入光功率變化而劇烈變化,PD的輸入光功率越大,噪聲系數(shù)越小,反之則越大。衛(wèi)星間巨大的自由空間光傳輸損耗是導致光載微波信號噪聲系數(shù)惡化的重要因素,后續(xù)將通過實驗來進行驗證。

圖2 輸入光功率對IM/DD鏈路噪聲系數(shù)影響的仿真結(jié)果

1.2 星間傳輸損耗

低軌衛(wèi)星間的通信距離一般在幾百公里至幾千公里量級,而到達光接收機的光功率與距離的平方成反比,因此接收光功率會隨通信距離的增加而急劇減小。由自由空間引入的幾何損耗可表示為

式中:λ是光波長;d是自由空間距離。假設λ=1 550 nm,d=400 km,可得Lr≈ -250 d B。為了克服如此大的光傳輸損耗,需要保證光學天線具備足夠大的增益。光學天線的增益是指將一個全向光信號壓縮到特定方向的能力。總的自由空間光傳輸損耗Lt與光發(fā)射束散角θd、光學天線口徑D以及兩星傳輸終端間的跟瞄誤差θe相關(guān),可表示為

式中:ηt和ηr分別表示發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的效率。

表2給出了按式(6)計算自由空間光傳輸損耗時,光學系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的一種典型取值情況。

表2 光學系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

在該特定條件下,可以得到星間光傳輸損耗的仿真曲線如圖3所示。當傳輸距離從100 km增加至4 000 km時,光傳輸損耗增加了約32 dB。當傳輸距離為400 km時,總的光傳輸損耗接近50 dB。

圖3 星間光傳輸損耗與傳輸距離的關(guān)系

1.3 EDFA的影響

補償空間損耗的另一種方法是使用EDFA。受益于其高增益、低噪聲系數(shù)和大帶寬的特性,EDFA被廣泛應用于C波段和L波段光通信系統(tǒng)中。在空間微波光子鏈路中使用EDFA會影響整條鏈路的增益和噪聲系數(shù),EDFA的受激自發(fā)輻射(ASE)噪聲會在鏈路總噪聲中占據(jù)主導地位。ASE噪聲會在光電探測器中發(fā)生自拍頻或與光信號發(fā)生拍頻,產(chǎn)生ASE-ASE噪聲和ASE-信號噪聲,同時伴隨著由平均ASE噪聲引入的散彈噪聲。ASE引入的散彈噪聲可以表示為[2]

式中:Msp是ASE的模式數(shù);R是PD的響應度;lo是EDFA和PD間的光插損;nsp是ASE的噪聲因子;go是EDFA的光增益;Bo是光帶寬;R是匹配阻抗。ASE-ASE噪聲和ASE-信號噪聲在電域可分別表示為[2]

式中:f是RF頻率;Psig是EDFA的輸入信號光功率。從式(7)和式(8)可以看出,ASE在PD中引入的電噪聲會隨著PD中光電流的增大而增大。

假設在空間微波光子鏈路中插入兩個EDFA,如圖4所示。第一個EDFA用于發(fā)射端的功率放大,第二個EDFA用于接收端的低噪聲放大,兩個EDFA之間的自由空間會引入一定的衰減。

圖4中EDFA級聯(lián)模型的噪聲因子和增益可以表示為

圖4 EDFA級聯(lián)鏈路模型

式中:F1和F2分別是兩個EDFA的噪聲因子;G1和G2分別是兩個EDFA的光增益;Lc是空間衰減量。將式(9)和式(10)代入式(1)可得到圖1所示整條鏈路的噪聲因子

2 實驗與討論

2.1 基本實驗裝置

為了驗證星間微波光子鏈路的RF性能,搭建基本實驗裝置,如圖5所示。輸入RF信號的頻率范圍為(0.8～5.0)GHz。

圖5 星間微波光子鏈路基本實驗框圖

圖5中的LD是一個1 550 nm波段的連續(xù)波分布反饋式(DFB)激光器,最大輸出光功率100 m W,線寬小于1 MHz,相對強度噪聲(RIN)小于-160 d Bc/Hz;電光調(diào)制器是一個帶寬20 GHz的鈮酸鋰(LiNb O3)馬赫-曾德爾調(diào)制器,具有較高的線性度和較低的插損,最大可承受27 d Bm的RF輸入功率,為了使鏈路獲得最大的RF基頻增益,MZM一般工作在正交工作點附近;PD是一個30 GHz帶寬的高線性度銦鎵砷(In Ga As)PIN探測器,最大可承受30 m W輸入光功率。MZM輸出的光信號經(jīng)過一段自由空間衰減后進入一個95/5分光器,95%的光功率進入PD,5%的光功率用于實時監(jiān)測。實驗中采用兩個小型光學天線模擬自由空間光傳輸,通過調(diào)節(jié)天線間距離來控制PD的輸入光功率。測試儀器主要使用的是Keysight N9020A信號分析儀和RF噪聲源,測試參數(shù)包括RF噪聲系數(shù)和增益。

2.2 PD輸入光功率對鏈路RF性能的影響

調(diào)節(jié)圖5中的自由空間衰減量,使PD的輸入光功率分別為10,0,-5,-10 d Bm,此時測得鏈路的RF增益分別為-14,-34,-44,-54 dB,鏈路的RF噪聲系數(shù)分別為25,37,45,55 dB,如圖6所示?？傮w上來說,鏈路RF噪聲系數(shù)會隨著RF增益的降低而增大,這主要是由于光功率變大使鏈路增益變大,進而使得信號功率變大。但RF噪聲系數(shù)與增益又并非完全是線性關(guān)系,這是由于PD的散彈噪聲也與輸入光功率有關(guān),輸入光功率越大,散彈噪聲越大。

圖6 PD的輸入光功率對RF性能影響的測試結(jié)果

2.3 寬帶發(fā)射EDFA對鏈路RF性能的影響

為了探究寬帶發(fā)射EDFA對星間微波光子鏈路RF性能的影響,在基本實驗裝置中的MZM之后接入一個發(fā)射EDFA,帶寬約20 nm,如圖7所示。發(fā)射EDFA將MZM的輸出光功率放大至25 dBm,再分別衰減至10,0,-5,-10 dBm輸入PD,與2.2節(jié)實驗中PD的輸入光功率保持一致。

圖7 增加寬帶發(fā)射EDFA后的實驗裝置

發(fā)射EDFA對RF性能的影響如圖8所示。

圖8 發(fā)射EDFA對RF性能影響的測試結(jié)果

當PD的輸入光功率分別為10,0,-5,-10 d Bm時,鏈路RF增益分別為-14,-34,-44,-54 dB,對應的RF噪聲系數(shù)約為30,37,45,55 d B,總體變化趨勢與圖6接近。不同的地方在于,當PD的輸入光功率較小時,如光功率為0,-5,-10 dBm,發(fā)射EDFA的存在與否對鏈路噪聲系數(shù)基本沒有影響;而當PD的輸入光功率較大時(10 dBm),發(fā)射EDFA使鏈路噪聲系數(shù)增大了約5 dB。這可以用EDFA的ASE噪聲來解釋,當PD中光電流較小時,ASE在PD中引入的電噪聲較小,對鏈路基本沒有影響;而當光電流增加到一定程度后,ASE噪聲在PD中引入的電噪聲在總噪聲中占主導地位,與沒有發(fā)射EDFA的鏈路相比,總噪聲的增加導致輸出信噪比下降。

2.4 窄帶接收EDFA對鏈路RF性能的影響

為了進一步探究接收低噪聲EDFA對RF性能的影響,在圖7的基礎上再增加一個窄帶低噪聲EDFA,帶寬約0.4 nm,如圖9所示。

圖9 增加窄帶接收EDFA后的實驗裝置

窄帶低噪聲EDFA通常用作空間光傳輸系統(tǒng)接收機中的預放大器,在放大信號光的同時濾除ASE噪聲和空間背景光等噪聲,從而提高接收信號的信噪比。在實驗中,MZM的輸入光功率首先被發(fā)射EDFA放大至25 dBm,接著被分別衰減至-10,-15,-20,-25 dBm,對應總的空間衰減量為-35,-40,-45,-50 dB,最后被接收EDFA放大至10 dBm后進入PD。窄帶接收EDFA對鏈路RF性能影響的測試結(jié)果如圖10所示。

由圖10(a)可以看出,由于進入PD的光功率相同,不同空間衰減下的鏈路RF增益接近,在-14 dBm左右,差異在1 dB以內(nèi),差異可能是MZM的工作點漂移和測量誤差導致。同時對比2.2節(jié)～2.4節(jié)中的RF增益測量結(jié)果可以看出,只要PD的輸入光功率一致,鏈路的RF增益就基本保持不變,與EDFA的存在與否無關(guān)。由圖10(b)可以看出,鏈路的RF噪聲系數(shù)分別約為45,49,53,60 dB。通過對比2.3節(jié)和2.4節(jié)的實驗結(jié)果可知,當空間衰減同為-35 dB時,窄帶低噪聲EDFA使鏈路噪聲系數(shù)從55 dB下降至45 d B,優(yōu)化了近10 d B。此外,結(jié)合圖3和圖10可以進一步發(fā)現(xiàn),當空間傳輸損耗為50 d B時,對應的星間傳輸距離為400 km,此時的鏈路噪聲系數(shù)在60 dB左右,當在鏈路前端配置一個增益為60 d B、噪聲系數(shù)為2.5 d B的射頻低噪放(LNA)模塊時,整個星間鏈路的噪聲系數(shù)可控制在4.5 d B以內(nèi),可以滿足大部分的應用需求。

圖10 窄帶接收EDFA對鏈路RF性能影響的測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文研究了空間微波光子鏈路用于星間射頻信號傳輸時,鏈路的射頻增益和噪聲系數(shù)隨鏈路硬件參數(shù)變化的情況,并進行了仿真實驗驗證。研究結(jié)果表明:鏈路射頻增益只與PD的輸入光功率有關(guān),輸入光功率越大,射頻增益越高;鏈路的噪聲系數(shù)會隨著空間光傳輸損耗的增加而急劇惡化,在鏈路發(fā)射端和接收端分別配置寬帶和窄帶EDFA可以有效補償空間光傳輸損耗,提高PD的輸入光功率,進而提高鏈路射頻增益并降低鏈路噪聲系數(shù)。鏈路性能的實測結(jié)果支撐了星間微波光子鏈路在軌應用的可行性。