引言

微 波 光 子 学 中 的 光 纤 无 线 电技 术 既 有 光 纤 通 信 带 宽 大成 本 低 的 优 势又 能 发 挥 无 线 接 入 的 便 捷 性 是未来超宽带无线接 入 最 有 前 景 的 技 术 之 一 马 赫曾 德 尔 调 制器是光纤无线系统中使用最广泛的调制器之一其直流偏置工作点的选取会直接影响光纤无线链 路 的 性 能 包 括 链 路 射 频 增 益噪 声 系 数 以 及动 态 范 围已 有 文 献 从 不 同 角 度 对 调 制 器 偏 置 点 优 化 进行了研究 文献 通过调制器偏置控制实现了射频增益的优化然而并未考虑偏置点对噪声系数和动态范围的影响 文献 通过调制器偏置控制使噪声系数最小然而并未考虑偏置点对射频增益的影响 文献 从 噪 声 系 数 三 阶 交 调 截 点 以 及 功率损耗角度研究偏置点的优化 然而未考虑射频增益的性能 文 献 通 过 偏 置 控 制 实 现 射 频 增益噪声系数以及动态范围的优化然 而 只 考 虑 了单路射频信号输入的情形本文在考虑三路射频信号输入的条件下 建立了基于单驱动马赫曾德尔调 制 器 的 光 纤 无 线 链 路模型分析了调制器偏置点对链路射频增益 噪 声系数以及动态范围的影响 在此基础上实现调制器偏置点优化收 稿 日 期 修 回 日 期通 讯 地 址 陕西省西安市沣镐东路 号 网 络 工 程 系计算机工程与科学 第 卷 第 期 年 月文 章 编 号调制器偏置点对链路射频增益的影响图 为 典 型 的 系 统 结 构 图 在 中 心 站分 布反馈式 激光器提供连续 光 载 波 马 赫曾 德 尔 调 制 器将输入射频信号调制到光载波上经过掺 饵 光 纤 放 大 器放 大 后 传 输 到 基 站由 光 电 探 测器将光信号转换为电信号图 典 型 系 统 结 构 图对于 链 路 来 说 链路的增益一般都小于这是由链路本质和能量 守 恒 决 定 的 链路需要经过电光转换和光电转换才能实现射频信号的传输 虽然光纤传输距离长 损耗低带宽宽但在目前使用的器件中 电光转换和光电转换的效率都很低这 直 接 导 致 链 路 的 射 频 插 损 大 因 此需要优化射频增益外调制链路的增益不仅与传输损耗探测器的转换效率以及 负 载 阻 抗 有 关还与调制器的损耗输入到调制器的光功率和调制器的半波电压有关它可以表示为考虑三路射频信号输入的情形 单驱动平衡方式马赫曾德尔调制器输出信号为其中 为 输 入 光 信 号 为 三 路 射 频信号的角频率 为 调 制 系 数 为 射 频 信号幅度 为调制器半波电压 为直流偏置相移经 放大光纤传 输 后 到 达 接 收 端 光 电探测器输出信号为频率为 的 射 频 输 出 功 率 与 频 率 为的射频输出功率相等其中 为光电探 测 器 响 应 度 为 调 制 器 插 入 损耗 为光纤传 输 损 耗 为调制器输入射频信号功 率 为 负 载 阻 抗 表 示 阶 第 一 类 贝塞尔函数 为 增益可以表示为其中 为 小 信 号 增 益 为 经 验 常 量为放大器饱和输出功率 为调制器输出功率因此射频增益为设置如表 所示的仿真参数 仿真射频链路增益随直流偏置变 化 关 系 如 图 所 示 从 图 中 可以看出射 频 增 益 随 偏 置 相 移 的 增 大 先 增 大 后 减小当 时射频增益最大表 仿 真 参 数参 数 值激光器输出功率调制器半波电压调制器插入损耗光 纤 传 输 损 耗光电探测器响应度阻 抗小 信 号 增 益饱 和 输 出 功 率经 验 常 量输入射频信号功率调制器偏置点对链路噪声系数的影响噪声系数的定义为系统输入信噪比与输出信噪比的比值可以表征信号经系统传输后输入信噪计算机工程与科学图 射频增益和直流偏置关系图比恶化的程度表示为其中 表示系统所有噪声为波尔兹曼常数 为绝对温度其中 和 分别表示热噪声 散弹噪声激光器相对强度噪声和 噪声热噪声不仅包括射频源和调制器件的热噪声还包括了电路接口之间的欧姆损耗产生的热噪声链路中所有的热噪声都会随着信号一起调制到光波上经过光纤 传 输 到 达 光 电 探 测 器 上 而 光 电 探测电路上同样存在欧姆损耗 热噪声可以表示为除了 热 噪 声 以 外 链路中还引入了两种其他的噪声它们都是由光链路的本质引起的 一个是光的 散 弹 噪 声 另一个是光源的相对强度噪声光电转换散弹噪声的定义为 由于光生电流是一种随机产生的 电 流 是 一 个 统 计 平 均 值 存 在 一个随机的起伏这种无规则的起伏称为散弹噪声或者散粒噪声 散弹噪声和热噪声一样 都是具有均匀频谱的 白 噪 声 其电流谱密度与平均电流成正比 光电探测器的散弹噪声有量子噪声暗电流噪声等其中量子噪声由光生电子与空穴的随机产生与复合造成的 当暗电流的存在不可忽略时 均方散粒噪声电流表示为其中 为 电 子 电 量 为 光 电 探测器输入电流光源相对强度噪声 指光源输出能量的振荡是宽带光源 各 种 分 量 之 间 的 拍 频 引 起的附加噪声 它定义为均方光强度噪声均方光强度在 带 宽 内 的 波 动 与 平 均 光 功 率 的 平 方 之间的比值可 以 用 来 描 述 光 源 的 最 大 可 用 振 幅 范围 光源相对强度噪声随着温度的升高而增大 注入电流为阈值 时 达 到 最 大 与 谱 宽 成 反 比 的 光 源附加噪声是光 源 相 对 强 度 噪 声 的 主 要 噪 声 源 相对强度噪 声 是 影 响 信 噪 比 的 一 个 关 键 可 以 表 示为激光器本身的相对强度噪声 假 定 为噪 声 假 定 为背景噪声 假 定 为 则 可 得到噪声系数随直流偏置变化如 图 所 示 从 图中可以看出噪声系数随偏置相移的增大先减小后增大当 时噪声系数最小图 噪声系数和直流偏置关系图调制器偏置点对链路动态范围的影响动态范围界定输入信号的上限和下限 下 限是输入信号为灵敏度或者基底噪声上限是输入信号在输出端引起的三阶交调失真分量折合到输入端恰好等于基 底 噪 声 它主要由三阶交调截点和噪声系数决定将式 利用贝塞尔函数展开得到李 勇 军 等多路射频信号的光纤无线系统调制器偏置点优化其中表示 阶第一类贝塞尔函数根据 加 法 理 论 经 光 电 探 测 后 的 输 出 信号频谱为其中 为 任 意 整 数 但 满 足通过式 可以计算任意阶的谐波失真和交调失真项 三阶交调截点是一阶输出和三阶输出相等的点因此三阶交调点为可以看出三阶交调截点与激光器输出功率和直流偏置都无关无杂散动态范围为图 给出了动态范围随直流偏置变化关系从图 中可以看出动态范围随偏置相移的增大先增大后减小当 时动态范围最大图 动态范围和直流偏置关系图因此当 时射 频 增 益 最 大 噪 声 系数最小动态范围最大此时链路性能达到最优

结束语

本文推导出了三路射频信号输入条件下光纤无线链路中射频增益 噪声系数和动态范围关于调制器偏置相移的表达式 对调制器偏置点进行了优化 仿真结果表明当 偏 置 相 移 为 时链 路射频增益最大噪声系数最小动态范围最大此时链路性能达到 最 优 下 一 步 将 从 接 收 灵 敏 度 的 角度优化调制器偏置点

    参考文献附中文参考文献方 祖 捷 叶 青 刘 峰等毫米波副载波光纤通信技术的研究进 展 中 国 激 光杨 志 高 陈 福 深 光通信链路模型分析与调制器偏置点修正东华理工大学学报自 然 科 学 版