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的高速發展,光子技術與微波技術的相互融合已經成為一個重要的技術方向[1-2]。與傳統的微波傳輸技術相比,基于微波光子技術的通信系統具有體積小、重量輕、損耗低、帶寬大、抗電磁干擾能力強、對調制格式透明等優勢。近年來,微波光子技術已成功應用于地面光載射頻(radio over fiber,ROF)通信系統。該系統主要用于實現中心工作站與各個通信基站之間的信號傳送和分配。其優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換和微波天線發射,基站結構簡單,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通信系統對于頻率和調制格式完全透明,頻率和調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絡的升級換代。微波光子技術同樣可應用于衛星通信。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的衛星轉發器概念。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)相繼在該技術領域發布了一系列研究計劃和預研項目[3-7],例如“基于光子技術的下一代衛星通信載荷”、“星載寬帶光接收機(OWR)”、“衛星寬帶模擬信號透明轉發器的光域變頻單元(OMCU)”等。總之,微波光子技術在未來寬帶衛星系統,尤其是在低軌組網衛星、天基分布式電子偵察等系統中具有巨大的應用潛力,可以極大地簡化衛星載荷設計、增加載荷應用靈活性、有效降低衛星資源消耗。國內衛星微波光子技術領域發展較慢,且多側重于理論研究[8-15]。與地面利用光纖傳輸光信號不同,衛星間只能在自由空間中傳輸光信號,而目前國內外尚未有真正基于空間光傳輸的星間微波光子鏈路技術研究的報道。

本文主要對基于強度調制/直接探測(IM/DD)體制的外調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對微波光子鏈路噪聲系數和射頻增益的影響。

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-曾德爾調制器(MZM)、摻餌光纖放大器(EDFA)和光電探測器(PD)。LD用于產生光載波,MZM將射頻信號調制到光載波上,調制后的光信號經發射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。此時外調制微波光子鏈路的噪聲因子可以用Friis級聯公式表示為

式中:FMOD、FOF和FPD分別表示調制器、光纖和探測器的噪聲因子;GMOD和GOF分別是調制器和光纖的光電轉換增益。上述參數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;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的形式,表達式為

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

表1 計算IM/DD鏈路噪聲系數的參數

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,噪聲系數越小,反之則越大。衛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惡化的重要因素,后續將通過實驗來進行驗證。

圖2 輸入光功率對IM/DD鏈路噪聲系數影響的仿真結果

1.2 星間傳輸損耗

低軌衛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,可表示為

式中:ηt和ηr分別表示發射光學系統和接收光學系統的效率。

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

表2 光學系統關鍵參數

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,EDFA的受激自發輻射(ASE)噪聲會在鏈路總噪聲中占據主導地位。ASE噪聲會在光電探測器中發生自拍頻或與光信號發生拍頻,產生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;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級聯模型的噪聲因子和增益可以表示為

圖4 EDFA級聯鏈路模型

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;電光調制器是一個帶寬20 GHz的鈮酸鋰(LiNb O3)馬赫-曾德爾調制器,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,通過調節天線間距離來控制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,測試參數包括RF噪聲系數和增益。

2.2 PD輸入光功率對鏈路RF性能的影響

調節圖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噪聲系數分別為25,37,45,55 dB,如圖6所示。總體上來說,鏈路RF噪聲系數會隨著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噪聲系數與增益又并非完全是線性關系,這是由于PD的散彈噪聲也與輸入光功率有關,輸入光功率越大,散彈噪聲越大。

圖6 PD的輸入光功率對RF性能影響的測試結果

2.3 寬帶發射EDFA對鏈路RF性能的影響

為了探究寬帶發射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之后接入一個發射EDFA,帶寬約20 nm,如圖7所示。發射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節實驗中PD的輸入光功率保持一致。

圖7 增加寬帶發射EDFA后的實驗裝置

發射EDFA對RF性能的影響如圖8所示。

圖8 發射EDFA對RF性能影響的測試結果

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,發射EDFA的存在與否對鏈路噪聲系數基本沒有影響;而當PD的輸入光功率較大時(10 dBm),發射EDFA使鏈路噪聲系數增大了約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,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～2.4節中的RF增益測量結果可以看出,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。由圖10(b)可以看出,鏈路的RF噪聲系數分別約為45,49,53,60 dB。通過對比2.3節和2.4節的實驗結果可知,當空間衰減同為-35 dB時,窄帶低噪聲EDFA使鏈路噪聲系數從55 dB下降至45 d B,優化了近10 d B。此外,結合圖3和圖10可以進一步發現,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可控制在4.5 d B以內,可以滿足大部分的應用需求。

圖10 窄帶接收EDFA對鏈路RF性能影響的測試結果

3 結論

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隨鏈路硬件參數變化的情況,并進行了仿真實驗驗證。研究結果表明:鏈路射頻增益只與PD的輸入光功率有關,輸入光功率越大,射頻增益越高;鏈路的噪聲系數會隨著空間光傳輸損耗的增加而急劇惡化,在鏈路發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。鏈路性能的實測結果支撐了星間微波光子鏈路在軌應用的可行性。