论文 |ARTICLE 微波光链路的噪声系数分析 AnalysisofNoiseFigureforMicrowavePhotonicLinks 金丽丽 1,2 陈福深 1 陈吉欣 2 1 电子科技大学 通信与信息工程学院，四川 成都 610054 2 信息综合控制国家重点实验室 ，四川 成都 610036 JinLili 1,2 ChenFushen 1 ChenJixin 2 1 SchoolofCommunicationandInformationEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyof 晌 China,Chengdu,Sichuan 2 NationalInformationControlLaboratory,Chengdu,Sichuan 610054,China 610036,China 蔀 蓸 上上上上上上上上 尚 裳 梢梢梢梢梢梢梢梢 捎 摘 要 微波光链路 (MPL)是利用光纤传输微波信号，与传统的射频链路相比具有带宽大 、损耗小、质量轻、抗电磁 干扰等 优势，但也存在噪声系数较 大的问题，从而影响链路的 动态范围。建立了直接调制 的微波光链路 模 型，在不考虑频响的情况下推导出 链路固有增益和噪声系数 的表达式，研究了激光器的转换效 率、光纤的 损耗和相 对强度噪声(RIN)对链路噪声系数的影响。还建立 了链路频响的模型，推导出固 有增益与频率关 系的表达式，分析仿真了频率对链路固有增益和噪声系数的影响，并与实验结果进行了比较 。 关键 词 微波光子学 ；微波光链路 ；固有增益；噪声系数；相对强度噪声 Abstract Comparedwiththeconventionalmicrowavelinks,microwavephotoniclinks(MPL)canprovidemuch widerbandwidth,lowerloss,reducedweightandsusceptibilitytoelectromagneticinterferenceinthe propagationofmicrowavesignalbyopticalfiber.HoweverMPLisgenerallylimitedbyhighnoise figure,whichaffectsthedynamicrangeofsystem.AmodelaboutdirectlymodulatedMPLisbuilt,and theexpressionaboutnoisefigureofignoringfrequencydependenceisdeduced.Therelationship betweennoisefigureandmodulationefficiency,thelossofthefiber,aswellasRINissimulated.The frequencyresponsemodelofthelinkisalsobuilt,andthentheeffectsoffrequencyontheintrinsic gainandnoisefigureofMPLareinvestigatedandcomparedwiththeresultofexperiments. Keywords microwavephotonics;microwavephotoniclinks;intrinsicgain;noisefigure;relativeintensitynoise 中图分类号 TN929.1 doi：10.3788/LOP20094611.0092 1 引言 微 波光子链路 (MPL) 受到 广 泛 的 关 注 和 研 究 ，得 益于近年来微波光子学的快速发展和进步。微波光子 学是微波与光子技术结合的一种新兴学科 ，其中光 生 毫米波技 术 [1]，光纤无线电（ROF）技 术[2]，光控 相 控 阵 技术 [3]等微波光子学技术的分支成为近年来国内外研 究的热点。微波光子链路作为这些技术的一个重要部 分 ，具有体 积 小 、质量 轻、损耗小、抗 电 磁干扰、大 带 宽、低色散等多方面优点，因此它在 电子战 [4]、雷 达 [5]、 遥感探测 [6]、无线通信[7]等领域得到广泛的 应用。 微波光子链 路 根据调制 方式的不同，可以分为 直 接调制和外调制链路。外 调制链路和 直接调制 链路相 比，具有更好的噪声特性 [8]，然而由于外调制链路 增加 了调制器件 ，使链路结 构复杂，并且难于控制，所以 目 前外调制链路并未得到广泛的 应用。因 此，本文以 简 单的强度调制直接探测（IMDD）结构的微波光链路为 例进 行分 析 ，这种链路 结构简 单 、容 易 实 现 、成 本 低 ， 是目前使用较普遍 的一种链路结 构。 虽然微波光链路有许多优点，但是它也存在噪声 系数较大的问题。目前在实验室测 得，频率为 2耀6GHz 激光与光电子学进展 2009.11 

范围内，噪声系数 为 35耀45dB ，而 6耀12GHz 范围内， 噪声就高达 45耀50dB ，这个 实验结果与参考文献[9] 接近。较大的噪声系数严重影响了系统的灵 敏度，只 有通 过 在 前 端 加 上 高 增 益 的 低 噪 声 微 波 放 大 器 来 降 低系统的噪声系数，而这反过来又会严重影响系 统的 动态范围 。因此，如何从根本上提高微波光链路的 性 能具有重要的 意义。 2 噪声系数的理论模型 直 接 调 制 链路 是 将 射 频 信 号 直接加 在 半 导 体 激 光器上，激光器发出调幅光信号，经过光纤传输后，由 光电二极管转换 为射频信号。本文给出链路噪声系数 的数 学 模型 ，研究了 影 响 它 的 各 种 因 素 ，并 分 析 其 随 频率变化的情况。 2.1 增益 链路的增益是链路的 基本参数，它与激光器 转 换 效率、光纤的损耗、探测器 转换效率、激光器和探测 器 的阻抗以及链路的 负载有关。图 1 为忽略了系统频响 的直接调制 链路的小 信号模型 [10]。 图 1 直调链路的小信号模型 通 常考虑 链 路 的 固 有 增 益 ，用 gi 表 示 ，其 定 义 为 传输到匹配负载 的功率 pload 与源功率 pin 的比值，即 （1） 设输入 到阻抗匹配网络 的射频功率为 pin，则耦合 , gi= ploadpin 到半导体激光器的射频功率为 pl = 1- R0 -RL R0 +RL 蓘 蓸 蓡 pin = 4R0 RL （R0 +RL） 蔀 2 式中 R 0 为 匹 配 网 络 的 本 征 阻 抗 ，R L 为 半 导 体 激 光 器 的阻抗。 假 设 通 过 半 导 体 激 光 器 的 电 流 为 iL ， 则 iL= 2 pin , （2） pl /RL 姨 ，所以激光器的发光 功率为 4R0 pL,o =hL iL =hL 2 pin ， （3） （R0 +RL） 姨 id RD RLOAD RD +RLOAD RLOAD pload = 蓸 蔀 2 d R2 = i2 D RLOAD （RD +RLOAD） 2 , （5） ARTICLE | 论文 其中，hL 为激光器的转换效 率。 激光器发射 的光信号耦 合到光纤中，通过光纤 传 输到光电二极管上后 ，转 换为光电 流。若定义 光信号 通过光纤传输后，剩余的光功率与传输前 光功率的比 值为光 纤的损 耗 率 琢o，光 电 二极管 的转 换 效率 为 d （A/W），那么，光电二极管输出 的光电 流为 （4） 光电流经过 光电二极管 电阻 RD 和负载电 阻 RLOAD 后， 得到需要的射频信号的功率为 id=琢ohd pL,o , 将（3）~（5）式 代 入（1）式 得微波光 链路 的 固 有 增 益 为 2hL 2hd 4R0 2 2 （R0 +RL） gi =琢o 2.2 噪声源 RD 2RLOAD （RD +RLOAD） 2 . （6） 在 微 波 光 链 路 中 ，噪 声 主 要 包 括 热 噪 声 、相 对 强 度噪声和散粒噪声。 1）热噪声：热噪声 主要来自于链路中 各种 电阻元 件的热运动，其电流均方值为 2 〈it 〉=4kT驻f/R, 其中 k 为玻耳曼 常数，T 为绝对温度。 （7） 2）散粒噪声：散粒 噪声是所有光电 二极管 的基本 噪声 ，是 由 光 子 转 换 成 自 由 电 子 的 间 断 性 造 成 的 。 〈ID〉为 电 流 的 平均 值,散 粒 噪 声 电 流在 时 间 t 内 的 均 方值为 2 〈isn 〉= q t 〈ID〉, （8） 将散粒噪声电流进行傅里叶 变换，表示成频域为 2 〈isn 〉=2q〈ID〉驻f. （9） 3）相对强度噪声 ：相对强度噪 声 表示激光 器输出 功率 的波 动 值，设平 均 光功 率为 P0，光 功 率 的 波 动 值 为 Prin（t），且 由 光 电 流 和 光 功 率 成 正 比 ，则 相 对 强 度 噪声的平均值为 Rrin=10lg 2〈P2 rin（t）〉 〈P2 2 ·驻f 0〉 10lg 2〈i2 rin（t）〉 . 2 ·驻f 〈ID〉 （10） 在一般的链路设计中，通常给出激 光器的相对 强度噪 声，则噪声电流可以表示为 2 〉=〈ID〉 2 2 〈irin 10 驻f. （11） 10 Rrin 中国光学期刊网 www .opticsjournal.net 

论文 |ARTICLE 2.3 噪声系数 噪声系数 NF 定义为输入的信噪比 与输出信噪比 的比值，其推导过 程为 NF= nreal nideal = nout gi nin = sin /nin sout /nout , （12） 数明显升 高 ，这是因 为 光 电 流 的 增 加 ，提 高 了 链 路 的 相对强度噪声 和散粒噪声。 其中理想噪声就是匹配电阻产生的热噪声，理 想的 系 统为线性 系统，所以 nideal=gikTB。将 噪声系数 表 示 成 dB 形式为 sin/nin sout /nout NF=10lg （13） 其中输 出的信号功 率为 sout=gisin，输出 的噪声功率 为 nout=ginin+nadd，则 蓸 蔀 ， 蔀 =10lg 1+ nadd 蓸 gi nin 蔀 .（14） NF=10lg sin /nin gi sin /gi nin +nadd 蓸 由(14) 式 可 以 看 出 ，当 nadd=0 W 时 ，噪 声 系 数 达 到 最 小值 NF=0dB ，而且噪声系数 与信号和系统的带宽无 关，只与系统的噪声有关。 2.4 仿真与分析 直 接 调 制 链路 的 噪 声 通 常 以 激 光 器 的 相 对 强 度 噪声为主，但是热噪声和散粒噪声也不可以 忽 略。则 （14） 式 中 的 nadd 由 3 部 分 组 成 ， 即 链 路 的 热 噪 声 kT驻f；相 对强度噪 声 RIN，其噪 声 功率 可表 示 为〈i2 rin〉 RLOAD；以及散粒噪声，其噪声功率可表 示为〈i2 sn〉RLOAD。 在（14）式 中，还 需要计 算的一个 噪声 功 率是 nin，它 只 是源电阻的 热噪声功 率，即 nin=kT驻f。则将以上分 析 代 入（14）式 可 得 带 阻 抗 匹 配 的 直 接 调 制 链 路 的 噪 声 系数 蔀 ， （15） 梢梢梢梢梢梢梢梢 .（16） 裳 捎 NF=10lg 1+ 1 gi 2 +〈irin 2 〉+〈isn gikT驻f 〉 RLOAD 则将相对强度噪声 的平 均电流 （11） 式代 入 （15）式 可得 NF=10lg 1+ 1 gi 210 +〈ID〉 2gi kT Rrin 10 RLOAD 晌 上上上上上上上上 尚 + 2q〈ID〉RLOAD gi kT 设本征阻抗 R0=50 赘，激光二极管 的阻抗为 RL= 5 赘，光电 二极管的电阻为 RD=1000 赘，负载阻抗 为 RLOAD=50 赘，探测器 的效率为 0.85 ，光纤的损耗为0.8 ， 设负载 阻 抗 为 RLOAD=50 赘， 玻耳 兹 曼 常 数 k=1.38 伊 10-23 J/K，绝对温度 T=290 K 。根据（16）式可以 得出直 接调制 微波光链路的 噪声系数 。 若激光器的转换效率为 0.2W/A ，则在光电流不 同的情况下 ，噪声系数 与相对强度噪声 的关系如图 2 所示 ，可 以看 出随 着 相 对 强 度 噪 声 的 增 加，链 路 的噪 声系 数 增 大 ，并且 随 着 光 电 流 的 增 大，链 路 的噪 声 系 蓸 激光与光电子学进展 2009.11 图 2 噪声系数与相对强度噪声的关系 若 假设 光 电 流〈ID〉=2mA ，则 在 相 对 强 度噪声 不 同的情况下，噪声系数与激光器转换效 率的关 系如图 3 所示，可见随着激光器转换效 率的提高，链路的噪声 系数 降低 。以 RIN=-150（dBc/Hz）为例，当 激光 器 的 转换效率 hL =0.2W/A 时，链路的噪声系数 为 36.7dB ， 当 hL=0.4W/A 时，链路的噪声系数 降为 30.7dB 。也就 是说，激光器的转换效 率提高 3dB 的情况下，链路的 噪声系数 将下降 6dB 。 图 3 噪声系数与激光器转换效率的关系 图 4 噪声系数与光纤损耗率的关系 

若 激 光器 的转 换 效率 为 hL =0.2W/A ， 相 对 强 度 噪 声 RIN=-150（dBc/Hz），则 在不 同 光 电 流 下 ，链 路 的噪声系数 与光纤损耗 率的关系如图 4 所示。对光纤 损耗率 琢0 的定义可知，琢0 越小，光纤的损耗越大。可 见随着光纤损耗的 增加，噪声系数增 大，如果在链路 中加入光放大器，虽然可以 提高链路的 增益，但是同 时会提高 直流光功率，也就是光电 流增大，因此也 会 提高链路的噪声系数 。 3 噪声系数的频响分析与实验证明 对 噪声系数的 分析，都是在忽略 频率响应情 况 下完成的，然而 实 际的调制 和探测器件 都 与链路的 频率有关 。 将 电容与光电 器件并联，从而分 析链路 的噪声系 数 随频率的 变化情况 。图 5 为链路的小 信 号模型。 图 5 高频链路的链路小信号模型 由于激光器和探测器 的匹配情况 不同，链路的 频 响也会不同。以激光器完全匹配，探测器不 匹配为 例，来研究链路的频响。设输入 到匹配网络 的射频功 率为 pin，耦合到激光器的功率为 p1，由于是完全匹配， 所以 p1=pin。 由于激光器的阻抗为 （1/sCL）渣渣 RL= 1 则 iL= sCLRL+1 il= 那么激光器的发光 功率为 RL sCLRL+1 , pl RL（sCL RL+1） （17） （18） , pL,o=hLil=hL pin RL（sCLRL+1） . （19） 激光耦合到光纤中， 经光纤传到光电 二极管上 后 ，转 换为 光 电流 ，若光 纤的损耗为 琢o，光 电二极 管 的 转 换 效率为 hD（A/W），则光电二极管的输出电流为 iD=琢ohDhL 那么 pin RL（sCLRL+1） , （20） 姨 姨 姨 ARTICLE | 论文 · 琢ohDhL sCD（RD+RLOAD）+1 , （21） pin i2= 姨 RL（sCL RL+1） 则输出的射频信号功率为 2hL 2hD pout = RL（sCLRL+1）[sCD（RD +RLOAD）+1] 2 , （22） 2·pin·RLOAD 琢 o 所以链路的内部 增益为 2hD 2hL 2·RLOAD 琢 o gi= RL（sCLRL+1）[sCD（RD +RLOAD）+1] 2 , （23） 式中 s=jw=j·2仔f，可 见 链 路 的 增 益 是系 统 频 率 的 函 数。（23）式中的参数主要依据文献[11] ，即激光器的发 光效率 为 hL=0.2 ，电容 为 CL=17pF ，探测器 的 效率 为 hD=0.85 ，阻 抗 为 RD=23 赘，电 容 为 CD=0.35pF ；由 分 析可知，链路的 增益和噪声系数 会随 着光纤损耗、平 均电流以及相对强度噪声的 变化而改变，这里只取各 种参数的一个典型值，来分析增益和噪声系数 随频率 的 变 化 情 况 。 设 光 纤 损 耗 率 琢o=0.8 ，平 均 电 流〈ID〉= 2mA ，负载 阻 抗 为 RLOAD=50 赘，相 对 强 度 噪 声 RIN= -150dBc/Hz ，玻 耳 兹 曼 常 数 k=1.38 伊10 -23 J/K，绝 对 温 度 T=290 K ，则 由（23）式 可 以 得 到链路 的 固 有 增 益。图 6 表示在激光器电阻 RL 不同的情况下，链路的 固有增益与系统频率的关系。可以看出，随着 系统频 率的 增加 ，链路的固 有 增 益 会 降 低 ，也 就 是 链 路 的 损 耗增大；并且激光器的内阻越小，链路的增益越大。 图 6 链路的固有增益与频率的关系 若将（23）式 代 入（16）式 即 可 得 出 链 路 的 噪 声 系 数。图 7 为 激光器的 电阻 RL 在不 同 的情况下， 链路 的噪声系 数 与 系 统 频 率 的 关 系。 图 中 五 角 星 是 在 实 验室中，用噪声分 析仪测得的 2~12GHz 直 调微波光 链路的 噪声系数。由图可知，实验结 果和仿真 结果一 致， 都 说 明 链 路 的 噪 声 系 数 会 随 着 系 统 频 率 的 增 加 而增大。 中国光学期刊网 www .opticsjournal.net 

论文 |ARTICLE 声系 数 ，但 是直 流 偏 置 功 率 降 低，会 减 少 系 统 的 动 态 范围，影响链路的性能；通过对链路频响的分析，可以 看出随着系统频率的增加，链路的 固有增益下 降，同 时噪声系数会提高 ，这就给微波光链路 在 高频段的使 用带来了困难，因此如何进一步降 低系统噪声系数 ， 是目前急待解决的问题。除了上面分析 的方法外，阻 抗匹配技术 [12]、差分技术 [13]以及低 偏置 技术等 都可以 用来降低微波光链路的 噪声系数 。 收稿日期：2009-02-26 ；收到修改稿日期 ：2009-04-28 基金项目：国防预研基金（YG0602）资助课题。 作者简介 ：金丽丽（1983原），女，满族 ，黑龙 江 人，硕士 研究生，主要 从事光纤通信，微波光子链路等方面的研究。 E-mail:lilys.jin@gmail.com 导师简介 ：陈福深（1945原），男，四川人，教授，博士生 导师，主要从 事集成光学与光电子技术等方 面的研究。 E-mail:fschen@uestc.edu.cn 图 7 噪声系数与频率的关系 4 结论 要降低链路的噪声系 数 ，需 要提高激光 器的转 换 效率 、降低 光纤损 耗 和 相 对 强 度 噪 声 ；同 时 降 低 链 路 的光电 流，也就是直流偏置功率也可以 减少系统的 噪 参 考 文 献 1X.SteveYa,LuteMalelu.Optoelectronicoscillatorforphotonicsystems[J]. 1141~1149 IEEEJ.Quant.Electron., 1996, 32(7): 2S.Betti,V.Carrozzo,E.Duca etal.. Radio-over-fiber(RoF)techniquesforbroadbandwirelessLAN[C]. ICTON,2007, 3(2):234~237 3AfshinS.Daryoush,RichardKunath.Opticallycontrolledphasedarrays-latesttechniques[J]. 4TimothyS.Priest,MichaelE.Manka.Demonstrationof amicrowavephotoniclinkinsertionintotheALR-2001EW IEEE,1993, 3:1530~1533 system[J]. ACOFT/AOS2006-ProceedingsMelbourne, 2006, 10(13):31~33 5 高学民. 光纤技术在雷达中的应用[J]. 光纤与电缆及其应用技术 ,1994,(1):8~16 6ErtelH.B.,CardieriA.,SoowerbyK.W. etal.. Overviewofspatialchannelmodelforantennaarraycommunication system[J]. IEEEPersonalCommunications ,1998, 5(1):10~22 7FuhlJ.,MolischA.F.,BonekE..Unifiedchannelmodelformobileradiosystemswithsmartantenna[J]. IEEProc. Radar.SonarNavig ,1998, 145(1):30~41 8AdilKarim,JasonDevenport.Noisefigurereductioninexternallymodulatedanalogfiber-opticlinks[J]. IEEEPhoton. Technol.Lett., 2007, 19(5):312~314 9CharlesH.Cox 芋.High-performancefiber-opticlinksformicrowaveapplications[J]. 719~722 10C.Cox,G.Betts,L.Johnson.Ananalyticandexperimentalcomparisonofdirectandexternalmodulationinanalog 1990, 38(5):501~509 IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques, fiber-opticlinks[J]. IEEEMTT-SDigest ,1993, X-1: 11CharlesH.Cox 芋.AnalogOpticalLinksTheoryandPractice[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress2004.127~128 Inputimpedanceconditionsforminimizingthenoisefigureofananalogoptical 12E.Ackerman,C.Cox,G.Betts etal.. link[J]. IEEETrans.MicrowaveTheoryTech., 1998, 46(12):2025~2031 13E.Ackerman,G.Betts,W.Burns etal.. Signalto-noiseperformanceoftwoanalogphotoniclinksusingdifferentnoise reductiontechniques[J]. IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.Dig., 2007, 6:51~54 激光与光电子学进展 2009.11