直調微波光鏈路噪聲系數的建模與仿真

文/賀文華 肖湘輝 洪俊

1 引言

微波光子學是近些年快速發展的一門學科，旨在采用先進的光子學技術來突破“電子瓶頸”，處理微波的產生、傳輸與接收等系列問題，其能夠在電子通訊、航空航天、精確測量等領域得到廣泛應用，是當前研究領域的熱點。微波光子學的研究熱點包括“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、抗電磁干擾等優勢而備受關注，可應用于微波信號產生、傳輸與接收等方面，具有很好的實用價值。

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

本文立足直調型微波光鏈路的噪聲系數指標，對其進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度噪聲、轉換效率以及光纖損耗對鏈路噪聲系數的影響，具有較強的實用價值。

2 理論建模

直接調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度，其基本結構如圖1所示。

圖1：直接調制微波光鏈路

圖2：噪聲系數和相對強度噪聲的關系

直接調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后進入激光器，通過直接控制激光器的工作電流來調制激光器的輸出光功率，然后通過光纖拉遠傳輸，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。游離電荷運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iD(t)是光電二極管中的輸出電流，其表達式為：

isn(t)為散粒噪聲電流，且是電流的平均值。當時間為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：

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

相對強度噪聲平均值為：

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

3 仿真與分析

設光電二極管電阻是RD=1000Ω，本征阻抗是R0=50Ω，負載阻抗是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k=1.38×10-23J/K，激光器轉換效率是0.2W/A，光纖損耗是可得到相對強度噪聲和噪聲系數的關系，如圖2所示。

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

圖3中橫坐標表示的是光纖損耗，縱坐標表示的噪聲系數，可以很明顯的看出當光纖損耗增加時，噪聲系數也隨之增加的。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度噪聲來觀察噪聲系數和轉換的之間的關系，圖4中橫坐標表示的是轉換效率，縱坐標表示的噪聲系數，可以很明顯的看出當因鏈路中的轉換效率提高時，鏈路中噪聲系數隨著增大。

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

4 結論

直調型微波光鏈路目前已在電子通訊、航空航天、雷達、電子戰等領域得到了廣泛應用。本文著手研究了鏈路的噪聲系數指標，分析了激光器的相對強度噪聲、轉換效率，以及光纖損耗對噪聲系數的影響，結果表明，較小的相對強度噪聲、高的轉換效率與低光纖損耗有利于降低鏈路的噪聲系數，本研究所涉的一些方法、模型與仿真數據可在實際應用得到借鑒，具有較好的實用價值。

圖3：噪聲系數和光纖損耗的關系

圖4：噪聲系數和激光器轉換效率的關系