直调微波光链路噪声系数的建模与仿真

文/贺文华 肖湘辉 洪俊

1 引言

微波光子学是近些年快速发展的一门学科，旨在采用先进的光子学技术来突破“电子瓶颈”，处理微波的产生、传输与接收等系列问题，其能够在电子通讯、航空航天、精确测量等领域得到广泛应用，是当前研究领域的热点。微波光子学的研究热点包括“光生微波源”、“微波信号的光子处理”、“微波光链路”等，其中，微波光链路是采用光纤来传播微波信号，由于光纤的低损耗、大带宽、抗电磁干扰等优势而备受关注，可应用于微波信号产生、传输与接收等方面，具有很好的实用价值。

微波光链路根据微波调制光载波的方式不同，可分为直接调制（直调）与外调制微波光链路两种形式。直接调制是通过输入微波信号控制激光器的驱动电流，达到间接控制激光器输出光功率，最终实现对光载波强度调制的目的；而外调制需要一电光调制器，激光器仅提高光载波，调制过程在电光调制器中进行。相比较而言，直调微波光链路不需要电光调制器，可较好地简化系统，降低成本，便于系统集成或模块化设计。

本文立足直调型微波光链路的噪声系数指标，对其进行了理论建模与仿真，并基于理论模型分析了激光器的相对强度噪声、转换效率以及光纤损耗对链路噪声系数的影响，具有较强的实用价值。

2 理论建模

直接调制链路是微波光子链路的一种，它通过直接控制激光器的输入电流的方式来控制输出光的强度，其基本结构如图1所示。

图1：直接调制微波光链路

图2：噪声系数和相对强度噪声的关系

直接调制微波光链路主体部分由激光器、光纤和探测器三部分组成。其工作原理为：天线接收到的微波信号通过微波信号处理系统后进入激光器，通过直接控制激光器的工作电流来调制激光器的输出光功率，然后通过光纤拉远传输，最后通过探测器接收还原成微波信号。

对于微波光子链路来说，光功率和光纤损耗的变化都会影响链着路中的噪声系数。游离电荷运动在形成电流时会生成噪声，这样的噪声叫做散弹噪声，散弹噪声是光电二级管中最为基本的噪声。设iD(t)是光电二极管中的输出电流，其表达式为：

isn(t)为散粒噪声电流，且是电流的平均值。当时间为τ其电流均方值是：

把散粒噪声电流通过傅里叶变换，则表示为频域为：

热噪声是导体中带电粒子在热运动过程中生成的随机噪声，链路中所有器件都可以有热噪声生成：

相对强度噪声平均值为：

对于微波光子链路，一般都能够知道激光器的相对强度噪声RIN，所以噪声电流表达式为：

3 仿真与分析

设光电二极管电阻是RD=1000Ω，本征阻抗是R0=50Ω，负载阻抗是RLOAD=50Ω，二极管的阻抗是RL=5Ω，电量q=1.6×10-19J/V，绝对温度T=290K，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K，激光器转换效率是0.2W/A，光纤损耗是可得到相对强度噪声和噪声系数的关系，如图2所示。

可以很明显的看出相对噪声强度增大时，噪声系数也会随之增加。令激光器的相对强度噪声转换效率。在光电流不一样时，链路中噪声系数和光纤损耗的关系为如图3所示。

图3中横坐标表示的是光纤损耗，纵坐标表示的噪声系数，可以很明显的看出当光纤损耗增加时，噪声系数也随之增加的。令光电流光纤的损耗是如图4所示选取四各不同值的相对强度噪声来观察噪声系数和转换的之间的关系，图4中横坐标表示的是转换效率，纵坐标表示的噪声系数，可以很明显的看出当因链路中的转换效率提高时，链路中噪声系数随着增大。

通过以上分析可知，相对强度噪声、光纤损耗和激光器转换效率均会影响链路中的噪声系数。

4 结论

直调型微波光链路目前已在电子通讯、航空航天、雷达、电子战等领域得到了广泛应用。本文着手研究了链路的噪声系数指标，分析了激光器的相对强度噪声、转换效率，以及光纤损耗对噪声系数的影响，结果表明，较小的相对强度噪声、高的转换效率与低光纤损耗有利于降低链路的噪声系数，本研究所涉的一些方法、模型与仿真数据可在实际应用得到借鉴，具有较好的实用价值。

图3：噪声系数和光纤损耗的关系

图4：噪声系数和激光器转换效率的关系