RoF外調制鏈路的噪聲系數分析

左 磊，侯韶華

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

0 引言

RoF技術是指利用光纖代替大氣作為傳輸媒質來傳送射頻信號的一種傳輸技術。這種技術結合了微波與光纖通信技術的優點，不僅能實現寬帶移動服務，擴展網絡覆蓋范圍，而且能夠促進網絡向微蜂窩、微微蜂窩發展，減小蜂窩范圍、簡化通信基站、降低運維成本、提高組網靈活性，是網絡融合的有效手段之一。RoF鏈路具有體積小、重量輕、帶寬大、強抗電磁干擾、傳輸損耗低等多方面的優良特性，其應用不僅包括了移動通信[1]，而且還運用到了雷達[2]和軍事領域[3]等方面。因此，RoF鏈路受到了人們廣泛的研究與關注。

RoF鏈路根據調制方式的不同可以分為直接調制鏈路和間接（外部）調制鏈路，目前使用較為普遍的是強度調制直接檢測（IMDD）鏈路結構中的直接調制鏈路。這種鏈路結構雖然簡單、容易實現、而且成本較低，但是存在顯著問題即噪聲系數較大，較大的噪聲系數影響了系統的靈敏度。相比于直接調制鏈路，外調制鏈路雖然結構復雜，不易控制，但是有更好的增益與噪聲系數特性[4]，而且調制速率高，這種鏈路的方式將是未來 RoF鏈路更好的選擇。

1 RoF外調制鏈路的噪聲系數理論模型

外調制鏈路是將承載信息的射頻信號與光信號一同注入到外部調制器（以MZM調制器為例），在調制器驅動電壓下，使得射頻信號對光信號進行連續調制，調制后經光纖傳輸，到達接收端由光電探測器恢復原來的射頻信號，外調制鏈路如圖1 所示。主要從小信號下等效電路的角度分析研究影響鏈路的噪聲系數NF，得出如何從根本上改善鏈路性能的辦法，小信號等效模型[5]如圖2所示。

圖1 外調制鏈路

圖2 外調制鏈路小信號下等效電路

1.1 外調制鏈路的增益

增益是鏈路性能的基本參數之一，這里討論鏈路的固有增益（不包含任何電或光的放大器）G，定義為傳輸到負載的射頻功率與輸入射頻功率之比，即：

根據外調制鏈路的特性，將式（1）變形為：

其中， ,moP 是調制器輸出的光功率，MDT-代表由調制器輸出到檢測器總的光纖損耗所產生的傳輸系數，其值為，(α為光纖損耗)，Pd,o是光電檢測器檢測到的光功率。根據電路理論，可以得到：

式中，Sm是調制器的斜度效率(WA)，其值大小為，該式中V表示調制器的半波電π壓，TFF表示為調制器偏置在最大傳輸點時輸出光功率與輸入光功率的比值。 Pin為入射到調制器的光功率，RM為調制器的等效電阻。接收端光電檢測器接收到的光功率為 Pd,o，由光電二極管產生的射頻電流為 id=，其中 Sd為光電二極管的斜度效率(AW)。流過負載的電流：

則負載接收到的射頻功率LP為：

從而鏈路的固有增益G為：

1.2 外調制鏈路的噪聲系數

RoF鏈路的噪聲有很多種，需要根據不同的來源來考慮它們對鏈路的影響。這里討論3種主要的噪聲源：熱噪聲、散粒噪聲和相對強度噪聲。

(1)熱噪聲

它是在導體中由于帶電粒子的熱運動而產生的隨機噪聲，它產生于電路中各種電阻器件。熱噪聲的均方值電流為其中T是絕對溫度，K為波爾茲曼常數，Δf為系統帶寬。

(2) 散粒噪聲

由于離散電荷的運動而形成電流所引起的隨機噪聲。散粒噪聲的均方值電流為其中e代表電荷，為平均檢測器電流。

(3) 相對強度噪聲(RIN)

描述的是光源輸出能量的振蕩波動大小。相對強度噪聲的均方電流值為i2= R IN · I2·Δf 。

rin D

噪聲系數NF也是鏈路性能重要參數之一，它定義為鏈路的輸入信噪比與輸出信噪比之比，表示為：

對于理想線性系統 Sout= G ·Sin，輸出噪聲功率為nout= G nin+ nadd。從而噪聲系數進一步表示為：

從式(8)可以看出，當鏈路中沒有引入其他噪聲即nadd= 0 時，噪聲系數達到最小 N F= 0 dB，而且，鏈路的噪聲系數與射頻信號功率無關，只與系統的噪聲有關。

RoF鏈路中輸入噪聲一般為熱噪聲，其功率為nin=KTΔf ，系統增加的噪聲功率nadd= AGnM+式中 nM和nPD分為調制器和光電檢測器輸出的熱噪聲功率其大小等于輸入熱噪聲功率，A是一個常量，表示調制部分的阻抗成分造成的熱噪聲對系統的影響，為散粒噪聲功率、為相對強度噪聲功率，將 nadd以及鏈路的增益G代入式(8)，可以得到外調制鏈路的噪聲系數總的表達式為：

2 仿真結果與分析

若令 ND=20，NM=1，TM-D=0.8，調制器的傳輸效率 TFF=0.8，源阻抗 RS=50，負載阻抗RL=50，調制器的電容 CM=0.7pF，探測器電阻RD=1 000Ω，電容CD=0.7pF斜度效率Sd=0.85A/W，信號的頻率為1 GHz，為了簡化起見設 A=1，相對強度噪聲 RIN=-170(dB/Hz)，波爾茲曼常數 K=1.38×10-23J/k，絕對溫度 T=290K，且=，η為比例常數設為0.2，根據式（6）和式（8），在半波電壓不同的情況下，輸入到調制器的光功率與鏈路噪聲系數的關系圖3 所示，由圖可見，隨著輸入光功率的增加，鏈路的噪聲系數呈下降趨勢，同時半波電壓的降低有利于降低噪聲系數。因此，可以通過靠降低調制器的半波電壓和適度的提高輸入到調制器的光功率來達到降低噪聲系數的目的。

圖3 輸入到調制器的光功率與噪聲系數的關系

若輸入光功率一定，in40P= dBm，在半波電壓不同的情況下，鏈路的噪聲系數隨光纖的損耗之間的關系如圖4 所示。可見隨著光纖損耗的增加，鏈路的噪聲系數增大，同時低的半波電壓有利于降低鏈路的噪聲系數，因此對于鏈路的傳輸采用低損耗光纖有利于提高性能。

圖4 光纖損耗與噪聲系數的關系

對于輸入到調制器不同光功率條件下，光電探測器的斜度效率與鏈路噪聲系數的關系曲線如圖 5所示，可以看出隨著光電探測器的斜度效率的提高，鏈路的噪聲系數隨之減小。同時，適度的增大輸入到調制器的光功率也可以達到降低噪聲系數的目的。

圖5 光電探測器斜度效率與噪聲系數的關系

圖6 系統頻率與噪聲系數的關系

此外，系統的頻率增加也會對鏈路的噪聲系數產生影響，這種影響在微波毫米波段尤為顯著。在相同的偏置(π5V= V)下，鏈路的噪聲系數同系統頻率的關系如圖6所示，可以看出，隨著頻率的增加，噪聲系數呈上升趨勢。

3 結語

由上面的分析可知，可以通過適當的增大激光器的輸入功率，提高光電檢測器的斜度效率，選用低損耗的光纖，以及采用調制器低偏置技術等來降低噪聲系數。然而，對于系統頻率的增加，鏈路的噪聲系數會產生明顯的上升趨勢，這就為系統傳輸高頻段（微波毫米波段）的使用帶來了困難，因此需要采用下變頻技術來降低這種影響。降低噪聲系數的方法除了增加鏈路增益的方法外，也可以通過在接收端抑制光載波來達到減小相對強度噪聲的目的[6]，同時也有利于增加了鏈路的動態范圍，此外可以使用差分技術[7]，以及在發射端添加級聯低噪聲放大器[8]的形式來降低總的噪聲系數。

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[8] 朱道偉，朱少林，席虹標.模擬信號光纖傳輸系統的噪聲系數分析[J].光通信技術，2011(06):61-62.