左 磊，侯韶華

(南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引言

RoF技術(shù)是指利用光纖代替大氣作為傳輸媒質(zhì)來(lái)傳送射頻信號(hào)的一種傳輸技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了微波與光纖通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅能實(shí)現(xiàn)寬帶移動(dòng)服務(wù)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且能夠促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)向微蜂窩、微微蜂窩發(fā)展，減小蜂窩范圍、簡(jiǎn)化通信基站、降低運(yùn)維成本、提高組網(wǎng)靈活性，是網(wǎng)絡(luò)融合的有效手段之一。RoF鏈路具有體積小、重量輕、帶寬大、強(qiáng)抗電磁干擾、傳輸損耗低等多方面的優(yōu)良特性，其應(yīng)用不僅包括了移動(dòng)通信[1]，而且還運(yùn)用到了雷達(dá)[2]和軍事領(lǐng)域[3]等方面。因此，RoF鏈路受到了人們廣泛的研究與關(guān)注。

RoF鏈路根據(jù)調(diào)制方式的不同可以分為直接調(diào)制鏈路和間接（外部）調(diào)制鏈路，目前使用較為普遍的是強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IMDD）鏈路結(jié)構(gòu)中的直接調(diào)制鏈路。這種鏈路結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、而且成本較低，但是存在顯著問(wèn)題即噪聲系數(shù)較大，較大的噪聲系數(shù)影響了系統(tǒng)的靈敏度。相比于直接調(diào)制鏈路，外調(diào)制鏈路雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易控制，但是有更好的增益與噪聲系數(shù)特性[4]，而且調(diào)制速率高，這種鏈路的方式將是未來(lái) RoF鏈路更好的選擇。

1 RoF外調(diào)制鏈路的噪聲系數(shù)理論模型

外調(diào)制鏈路是將承載信息的射頻信號(hào)與光信號(hào)一同注入到外部調(diào)制器（以MZM調(diào)制器為例），在調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓下，使得射頻信號(hào)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行連續(xù)調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)光纖傳輸，到達(dá)接收端由光電探測(cè)器恢復(fù)原來(lái)的射頻信號(hào)，外調(diào)制鏈路如圖1 所示。主要從小信號(hào)下等效電路的角度分析研究影響鏈路的噪聲系數(shù)NF，得出如何從根本上改善鏈路性能的辦法，小信號(hào)等效模型[5]如圖2所示。

圖1 外調(diào)制鏈路

圖2 外調(diào)制鏈路小信號(hào)下等效電路

1.1 外調(diào)制鏈路的增益

增益是鏈路性能的基本參數(shù)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?shù)截?fù)載的射頻功率與輸入射頻功率之比，即：

根據(jù)外調(diào)制鏈路的特性，將式（1）變形為：

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

式中，Sm是調(diào)制器的斜度效率(WA)，其值大小為，該式中V表示調(diào)制器的半波電π壓，TFF表示為調(diào)制器偏置在最大傳輸點(diǎn)時(shí)輸出光功率與輸入光功率的比值。 Pin為入射到調(diào)制器的光功率，RM為調(diào)制器的等效電阻。接收端光電檢測(cè)器接收到的光功率為 Pd,o，由光電二極管產(chǎn)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(guò)負(fù)載的電流：

則負(fù)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(diào)制鏈路的噪聲系數(shù)

RoF鏈路的噪聲有很多種，需要根據(jù)不同的來(lái)源來(lái)考慮它們對(duì)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(duì)強(qiáng)度噪聲。

(1)熱噪聲

它是在導(dǎo)體中由于帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，它產(chǎn)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(duì)溫度，K為波爾茲曼常數(shù)，Δf為系統(tǒng)帶寬。

(2) 散粒噪聲

由于離散電荷的運(yùn)動(dòng)而形成電流所引起的隨機(jī)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(cè)器電流。

(3) 相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)

描述的是光源輸出能量的振蕩波動(dòng)大小。相對(duì)強(qiáng)度噪聲的均方電流值為i2= R IN · I2·Δf 。

rin D

噪聲系數(shù)NF也是鏈路性能重要參數(shù)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(duì)于理想線性系統(tǒng) Sout= G ·Sin，輸出噪聲功率為nout= G nin+ nadd。從而噪聲系數(shù)進(jìn)一步表示為：

從式(8)可以看出，當(dāng)鏈路中沒(méi)有引入其他噪聲即nadd= 0 時(shí)，噪聲系數(shù)達(dá)到最小 N F= 0 dB，而且，鏈路的噪聲系數(shù)與射頻信號(hào)功率無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)的噪聲有關(guān)。

RoF鏈路中輸入噪聲一般為熱噪聲，其功率為nin=KTΔf ，系統(tǒng)增加的噪聲功率nadd= AGnM+式中 nM和nPD分為調(diào)制器和光電檢測(cè)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(gè)常量，表示調(diào)制部分的阻抗成分造成的熱噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，為散粒噪聲功率、為相對(duì)強(qiáng)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(diào)制鏈路的噪聲系數(shù)總的表達(dá)式為：

2 仿真結(jié)果與分析

若令 ND=20，NM=1，TM-D=0.8，調(diào)制器的傳輸效率 TFF=0.8，源阻抗 RS=50，負(fù)載阻抗RL=50，調(diào)制器的電容 CM=0.7pF，探測(cè)器電阻RD=1 000Ω，電容CD=0.7pF斜度效率Sd=0.85A/W，信號(hào)的頻率為1 GHz，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)設(shè) A=1，相對(duì)強(qiáng)度噪聲 RIN=-170(dB/Hz)，波爾茲曼常數(shù) K=1.38×10-23J/k，絕對(duì)溫度 T=290K，且=，η為比例常數(shù)設(shè)為0.2，根據(jù)式（6）和式（8），在半波電壓不同的情況下，輸入到調(diào)制器的光功率與鏈路噪聲系數(shù)的關(guān)系圖3 所示，由圖可見(jiàn)，隨著輸入光功率的增加，鏈路的噪聲系數(shù)呈下降趨勢(shì)，同時(shí)半波電壓的降低有利于降低噪聲系數(shù)。因此，可以通過(guò)靠降低調(diào)制器的半波電壓和適度的提高輸入到調(diào)制器的光功率來(lái)達(dá)到降低噪聲系數(shù)的目的。

圖3 輸入到調(diào)制器的光功率與噪聲系數(shù)的關(guān)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(shù)隨光纖的損耗之間的關(guān)系如圖4 所示?？梢?jiàn)隨著光纖損耗的增加，鏈路的噪聲系數(shù)增大，同時(shí)低的半波電壓有利于降低鏈路的噪聲系數(shù)，因此對(duì)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(shù)的關(guān)系

對(duì)于輸入到調(diào)制器不同光功率條件下，光電探測(cè)器的斜度效率與鏈路噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線如圖 5所示，可以看出隨著光電探測(cè)器的斜度效率的提高，鏈路的噪聲系數(shù)隨之減小。同時(shí)，適度的增大輸入到調(diào)制器的光功率也可以達(dá)到降低噪聲系數(shù)的目的。

圖5 光電探測(cè)器斜度效率與噪聲系數(shù)的關(guān)系

圖6 系統(tǒng)頻率與噪聲系數(shù)的關(guān)系

此外，系統(tǒng)的頻率增加也會(huì)對(duì)鏈路的噪聲系數(shù)產(chǎn)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(shù)同系統(tǒng)頻率的關(guān)系如圖6所示，可以看出，隨著頻率的增加，噪聲系數(shù)呈上升趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

由上面的分析可知，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑龃蠹す馄鞯妮斎牍β?，提高光電檢測(cè)器的斜度效率，選用低損耗的光纖，以及采用調(diào)制器低偏置技術(shù)等來(lái)降低噪聲系數(shù)。然而，對(duì)于系統(tǒng)頻率的增加，鏈路的噪聲系數(shù)會(huì)產(chǎn)生明顯的上升趨勢(shì)，這就為系統(tǒng)傳輸高頻段（微波毫米波段）的使用帶來(lái)了困難，因此需要采用下變頻技術(shù)來(lái)降低這種影響。降低噪聲系數(shù)的方法除了增加鏈路增益的方法外，也可以通過(guò)在接收端抑制光載波來(lái)達(dá)到減小相對(duì)強(qiáng)度噪聲的目的[6]，同時(shí)也有利于增加了鏈路的動(dòng)態(tài)范圍，此外可以使用差分技術(shù)[7]，以及在發(fā)射端添加級(jí)聯(lián)低噪聲放大器[8]的形式來(lái)降低總的噪聲系數(shù)。

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