基于光電振蕩器的射頻信號接收技術分析

劉鑫

中國電子科技集團公司第三十四研究所 廣西 桂林 541000

前言

在傳統(tǒng)的電子學技術基礎上發(fā)展起來的射頻信號感知以及接收系統(tǒng)的構建，過程較為復雜。會在使用的過程中面臨著帶寬窄、高頻高損以及頻響不平坦等諸多的問題，因此就成為電子領域的發(fā)展瓶頸。在現(xiàn)階段科學技術的發(fā)展過程中，對于高頻寬帶信號接收提出了越來越高的要求。而微波光子技術的出現(xiàn)，就很好的彌補上述缺陷，滿足人們的實際需求。

1 光電振蕩器

在光電振搗器的設計中，由于使用的是一些低損、大延時的光電反饋結構，就使得在實際的使用過程中，能夠形成高品質因素的閉環(huán)回路。這樣可以有效實現(xiàn)高頻譜純度、低相噪的振蕩信號，這是一種有著較大潛力的本振源。

為了對光電振蕩器進行深入的研究，與此同時對射頻感知以及接收系統(tǒng)進行了解，就需要首先對其工作機制以及相噪特性進行了解。

1.1 閾值條件

在本文的分析中，主要以單環(huán)光電振蕩器為例對閾值條件進行了分析，環(huán)路的初始信號主要來自原元器件的噪聲。而在內部結構上主要使用的是相位條件，同時還存在放大器，此部位可以有效提供環(huán)路，以此達到相應的增益效果。在充分的滿足了相位條件之后，便可以在增益帶寬的情況下有效地在微弱信號的環(huán)境中通過多次循環(huán)提升功率。另一方面，伴隨著功率方面的提升，也會使系統(tǒng)的非線性特征得到發(fā)揮，從而讓環(huán)路實現(xiàn)增益方面的壓縮。而在這種增益的效果趨近到1的時候，系統(tǒng)產(chǎn)生的震蕩就會處于穩(wěn)定的狀態(tài)。在本文的分析過程中，就基于準線性的角度，對其光電振蕩器的動態(tài)特性以及相噪模型進行相應的分析。在這樣的方法下，可以有效得出振搗信號的信號幅度，從而就可以在未來的分析中，可以很好地推導出廣電振搗器的功率頻譜密度。從而將密度數(shù)值應用到具體的分析過程中，為以光電振蕩器為基礎的射頻信號接收效果的改善提供保證[1]。

1.2 頻譜特性

在光電振蕩器的噪聲方面，主要分析的使熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲，以及在激光器的運行中出現(xiàn)的相對強度噪聲。為此，在進行分析的過程中，需要有效地將其數(shù)據(jù)都輸入到噪聲功率頻譜當中，以此推斷出振搗信號的功率譜密度。

1.3 相位噪聲

產(chǎn)生的相位噪聲，是一種對于震蕩信號頻譜質量進行評估的重要評估標準。這一評估標準在光電振蕩器的研究過程中，特別是針對高頻譜純度計算以及對一些低相噪的電信號進行研究的過程中，可以起到十分重要的作用。

在模型的建立中，僅僅是需要白噪聲進行考量，并且并沒有對其相位噪聲進行客觀的描述。這是由于在光電振蕩器當中有著一定的頻率噪聲，例如出現(xiàn)閃爍噪聲等噪聲，這就成為影響因素。

而在反饋型的振蕩器當中產(chǎn)生的相位噪聲，便可以有效利用Leeson進行表達。對于這種模型而言，可以很好地對于反饋式振動器當中的輸入噪聲以及振搗器的頻譜逆行分析。

2 光電振蕩器的射頻信號接收技術

2.1 主要性能指標

在廣電射頻接收機的性能方面，主要體現(xiàn)在變頻增益、噪聲系數(shù)以及無雜散動態(tài)范圍。因此就需要在分析的過程中能夠針對這三方面進行詳細的研究。

對于變頻增益而言，是一種在光子射頻接收機當中對于輸入射頻信號進行衡量的重要參數(shù)。在當下光子鏈路當中所使用的調制器，在進行電光調制的過程中效率始終不佳，而光子混頻的過程則是利用調制射頻以及本振光邊帶進行拍頻的過程，但是這樣的光電探測器在運行的過程中電光轉換效率較低，為此，就使得光子接收機的變頻效率也較低。為了解決這樣的問題，就在系統(tǒng)當中加入了光放大器，對其進行增益補償。同時，還需要在使用的過程中，使用半波電壓較小同時光插損較低的調制器，確保兩者能夠提供較高的響應度，這樣的設備便可以在運行的過程中提升系統(tǒng)的整體變頻效率。在光電探測器的使用中，其形成的光電轉換是一種基于平方律檢波的原理。因此，其系統(tǒng)當中的輸出電流與輸入光功率平方成正比例，在避免光電探測器輸入功率區(qū)域飽和的情況下，就需盡可能提升廣電探測器的輸入光功率，以此可以很好地提升系統(tǒng)的變頻增益效果。

在光子射頻接收機系統(tǒng)當中，主要存在著三個不同的噪聲源，分別為熱噪聲、散粒噪聲以及相對強度噪聲。對于這三種不同的噪聲而言，都相互獨立。其中熱噪聲主要是由于在系統(tǒng)的運行過程中電阻元件出現(xiàn)了熱運動，使得在調制器或者系統(tǒng)當中的半導體激光器內部出現(xiàn)了阻抗，并且包含著電阻性元件。熱噪聲是一種系統(tǒng)固有噪聲的重要組成，而對于散粒噪聲而言則是一種量子噪聲，是在系統(tǒng)運行的過程中由光電二極管所發(fā)出的一些固有噪聲，原理是由于光電在轉換的過程中所存在的間斷性所導致的。而在強度噪聲方面，是由于在系統(tǒng)的運行過程中激光器在輸出功率上存在的隨機抖動現(xiàn)象，之后再加上光子自發(fā)，或者受到了隨機輻射的作用產(chǎn)生了電流的抖動，以此形成了強度噪聲[2]。

2.2 主動連鎖原理以及實驗

在光纖激光器的使用過程中，主要使用的是泵浦光輔助，以此形成增益光纖，例如使用光濾波器。在光纖結構可以有效的構成一個良好的環(huán)形回路。同時由于在光纖激光器在實際的運行過程中，會受到環(huán)增益以及相位匹配條件方面的影響，導致其激光器內部結構上可以滿足震蕩條件，使得在多個模式當中都可以進行同時震蕩。而在處于初始狀態(tài)中的時候，對于不同的震蕩模式都會自由進行獨立的運轉，而對各個模式而言，其相位也會隨機進行發(fā)生變化，使得各個縱模之間，不需要確定出明確的幅度，以及相位的關系。

基于上述討論，為了有效保證在進行分析的過程中可以觀察到未鎖模以及鎖模光纖激光器當中的時域脈沖特性，則需要在實際的仿真試驗當中將其間隔為1MHz。在縱模的個數(shù)設定為10的時候，其未鎖模的激光器中的光脈沖串個數(shù)有著很多，而在幅度以及時間方面都有著不均勻的效果。在最大幅值方面，都在40以內。這樣的問題，就是由于在激光腔內的不同縱模相位互相無關。

同時，在進行試驗分析的過程中，有著一系列的1ms左右的間隔，使得光脈沖的峰值在100左右。而在頻率間隔以及功率分布方面，始終保持在較為合理的程度上。因此，在最終的情況下保持著相對穩(wěn)定的相干疊加，而在最終的時域上表現(xiàn)為超短脈沖。

2.3 基于主動鎖模光纖激光器的射頻信號放大

在上述的研究過程中，主要是基于主動諧波鎖模的試驗分析，在MZM進行射頻信號的頻率施加之后，其光纖激光環(huán)上基本可以保證基頻與其整數(shù)都保持著一致的效果。因此，在光纖激光器的使用過程中，就需要進行諧波鎖模的處理。而在特定的條件中，一旦輸入射頻信號頻率較低的情況下，其鎖模后的光場拍頻就會產(chǎn)生較高的功率輸出，所以還需要對其進行進一步的研究以及分析[3]。

2.4 實驗分析

在上述的研究過程中，主要針對光纖激光器的主動連鎖原理進行了詳細的分析，以此證明了激光器鎖模，以及未鎖模的狀態(tài)下可以有效實現(xiàn)光纖激光器鎖模增益的方式。在分析的過程中，基于主動鎖模光纖激光器的射頻技術的研究過程發(fā)現(xiàn)，在仿真實驗的作用下能夠提出進一步的驗證以及分析。此外，本文還基于光電耦合濾波器進行光電振蕩器方面的增益研究，證明了光電混合濾波器的結構類型可以有效地在運行的過程中能夠對產(chǎn)生的邊摸噪聲所產(chǎn)生的抑制效果的類型。在這樣的設計過程中，便形成了合理的技術方案。在相位相干、低相噪的COEO光頻梳的接受技術方式下，可以很好地實現(xiàn)諧波下變頻的效果。同時，也進一步的在使用的過程中，可以實現(xiàn)信號接收性能方面的有效驗證。以此進一步的提升寬帶信號接收方面的性能值，為相關工作人員提供較為可靠的數(shù)據(jù)信息。

3 結束語

綜上所述，在本文的分析過程中，主要很對現(xiàn)階段光電振蕩器的射頻信號接收技術進行詳細的分析。在對其技術進行設計的過程中，還需要從一些基礎設備的角度出發(fā)，有效的對其結構進行仿真驗算，以此保證其能夠可以很好地在運行的過程中，提升信號接收效果。