CN104639246B - 一种微波光子链路无杂散动态范围提高方法 - Google Patents
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Abstract
提出了一种提高微波光子链路无杂散动态范围的新方法。本方法在链路的光电探测器前增加一个光自动增益控制功能，通过对进入探测器的光功率进行跟踪调谐，使得三阶交调的功率总小于噪底，同时保证基频项功率在噪底之上，从而达到提高无杂散动态范围的目的。该自动增益链路由光分束器、环形器、布拉格光纤光栅、光电探测器、电压转换模块以及一个光强度调制器构成。分束器将接收到的光分为两束，其中一束作为监测光，经过光栅滤出载波后进行光电转换，形成控制电压信号。该控制电压注入探测器前强度调制器的直流偏置输入端口，利用光波干涉原理，实现对另一束光的强度控制，达到了光学自动增益控制的功能，从而提升了整条链路的无杂散动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高微波光子链路无杂散动态范围的方法，更具体的说，涉及电光强度调制与光自动增益控制的结合使用。
背景技术
微波光子学是一种交叉于微波领域与光子学领域的跨平台学科，于1991年被正式提出，其实质是利用光子学的技术去产生、消除、处理、分析微波信号。由于光信号低传输损耗等自身固有优势，微波光子学已经在众多的领域中得以研究和应用，比如宽带无线接入网络、卫星通信、光信号处理、电子战系统和光学相干断层成像技术等。这些应用领域中，人们在追求系统的高速率、高带宽和大动态范围的同时，还对传输设备的尺寸、重量、低功率表现、可调谐范围、抗电磁干扰能力有着很高的要求。
光载无线电(ROF)是微波光子学中一个主要的研究领域，相比传统的传输链路，它具有带宽大、体积小、重量轻、损耗小、抗电磁干扰能力强、低色散等多方面特点。对于最典型的ROF链路，发射端包括光源和电光调制设备，微波信号在此被调制到光载波上；在接收端，这个光载微波信号将会通过光探测器被解调出来。此外，ROF技术也被应用在很多领域，如相控阵天线、宽带无线接入网络等。
在描述ROF链路的性能时，无杂散动态范围是一个重要的评价指标，它可以衡量链路无解调杂散的情况下，接收微波功率的范围。在广泛应用的外调制ROF链路中，由于马赫曾德尔调制器(MZM)内在的非线性传递函数，调制在光载波上的信号会产生杂散频率成分，如谐波和交调失真(IMDs)。在单倍频程的系统中，由于三阶交调(IMD3)的频率与输入信号频率的间隔较小，不能通过滤波器将IMD3直接滤除，所以其成为了限制系统动态范围的主要因素。
为了解决这个问题，人们提出了很多抑制IMD3的方法，其中包括使用双平行MZM结合对其直流偏置的控制来实现IMD3抑制的方案和使用单MZM通过改变其边带相位关系来实现线性化的方案。第一种方案需要严格控制双平行MZM的三个直流偏置电压，很容易受到调制器直流漂移的影响，而第二种方案需要用到复杂的仪器去控制光学边带相位，大大增加了系统的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波光子链路无杂散动态范围提高方法。该方法可用于多种光载无线(ROF)系统中。
根据本发明，提供了一种光自动增益控制的方法。所谓光自动增益控制，指的是将光载波作为监测对象，利用光载波与交调或谐波信号之间的功率关系，控制光衰减器，对探测器前光强度实时调谐，从而锁定交调或谐波信号的功率在一定范围。
本发明在实现过程中，具体包括：
在发射端，用一个马赫增德尔强度调制器将微波信号调制在光上。在接收端，光经过分光器分为两路，一路进入环形器和布拉格光栅，滤出光载波，对其进行光电转换，利用光载波与光学三阶交调项之间的功率关系，产生控制电压；另一路光进入光强度调制器，控制电压加载在这个光强度调制器的直流偏置输入端口中，由于光波干涉原理，光电探测器接收到的光强度会随着控制电压而自动调谐，从而使三阶交调信号淹没在噪声之中，达到了提高系统无杂散动态范围的目的。
附图说明
通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出系统结构框图。
图2示出图一中电压转换模块的结构框图。
图3示出射频功率变化的情况下系统动态范围的改善图。
图4示出射频功率一定的情况下三阶交调抑制情况的改善图。
图5示出控制电压与输入微波功率的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
图1中描述了基于自动增益控制的高线性化微波光子链路的结构图。其中S101为输入的激光器，经过偏振控制器S102，进入S103单电极马赫曾德尔强度调制器，微波信号S104加载到S103的微波输入端口，直流偏置电压S105加载到S103的偏置电压输入端口，使S103的传输函数处于正交偏置点。调制后的光进入S106：50:50的光分束器，将光分为两路。其中一路作为监测光，通过S107光环形器进入S108：布拉格光栅，具有射频频率的光学边带被透射出去，光载波被反射回来注入S109光电探测器，探测出的电信号S110再经过电压转换模块S111产生控制电压S112，S112注入到S113单电极马赫曾德尔强度调制器的偏置电压输入端口；另一路光作为信号光，进入S113，光强度就会受到控制电压S112的控制，光被衰减之后，进入光电探测器S114，探测出的微波信号进入S115频谱分析仪进行信号分析。
系统的理论分析如下：经过光偏振控制器S102后，光进入S103马赫曾德尔强度调制器进行调制，注入的S103的驱动电信号表达式为：
其中VDC为输入的直流偏置电压S105的大小，VRF、ω1、ω2分别表示表示驱动双音信号信号S104的幅度与两个频率，则此时输出的光场可以表示为：
其中，E0为输入调制器的光场，ω0为光载波频率，Vπ1表示S103的半波电压，m表示S104相对于S103的调制深度，表示S103的直流偏置角。
经过S106，光被分为两束，其中一束作为监测光通过S107光环形器进入S108布拉格光纤光栅。S108的透射谱和反射谱将光的载波和调制边带进行分离，调制边带通过透射谱透射出去，而载波则被反射，表达式为：
该载波经过光探测器S109进行光电转换，探测出电信号S110为：
再经过S111对电压进行转换，就形成了控制电压S112，设其表达式为Vctrl，则：
Vctrl＝Ictrl·R·T
其中表示S109的响应度，R表示S109的匹配电阻，T是电压转换模块S111的转换系数，其大小随微波输入功率的改变而改变。
另一束光作为信号光，进入第二个马赫曾德尔强度调制器S113，将控制电压注入S113的偏置电压输入端口，输出光场可表示为：
这里我们设从上式我们可以看出，S113在这里起到一个电控光衰减器的作用，可以通过控制Vctrl的大小控制光场的强度。
光再经过光电探测器S114，可以得到基阶和三阶交调的数学表达式：
其中：
式中，表示S114的响应度，Vπ2表示S112的半波电压，由此我们可以看出，三阶交调项的功率随Vctrl值的变化而变化，所以我们可以通过改变Vctrl的值，使三阶交调功率小于噪声功率，从而达到提高动态范围的目的。
此时将Vctrl的表达式带入上式，可以得到三阶信号的功率为：
在光电流较小的情况下，链路的噪底(NF)随光电流变化而变化的幅度非常小，这里我们认为NF是一个常数，那么令IIMD3(t)＝NF，再经过化简，可以得到：
从上式我们可以看出，转换系数T随输入功率VRF的增加单调减小，所以只要我们找出链路中T与VRF的函数关系，就能够通过设置T自动的控制三阶交调的功率，使其淹没在噪底之下，达到提高无杂散动态范围的效果。
图2示出了图1中电压控制的电路示意图，电压控制模块主要由电放大器S201、模数转换模块S202、FPGA处理模块203和数模转换模块S204构成。因为由S109探测出的电压为毫伏量级，而控制S113的控制电压S112要求为伏量级，所以需要S201对电压进行放大。S202、S203、S204完成由S109探测出的电压向控制电压S111的转换任务，采用的方法是对模拟的电信号进行采样，转换为数字信号进行处理，再转换为模拟信号。
图3表示了与传统的未加增益控制链路的强度调制直接检测(IMDD)微波光子链路相比，本方案无杂散动态范围的改善程度。本实验激光器的输入光功率为15dBm，探测器响应度R＝0.6A/W，调制器S103偏置在正交偏置点，即偏置电压S105为4.5V，调制器S113的消光比为40dBm，S301为未采用光自动增益控制的IMDD链路的无杂散动态范围，为97dBm·Hz2 /3，S302为本方案无杂散动态范围，可以达到127dBm·Hz2/3。可以看出，即当输入功率达到0dBm时，三阶交调项功率超过噪底，开始抑制，当输入功率为30.2dBm时，光功率达到了探测器S114的接收下限，此时不再衰减光功率。红色虚线部分S303表示当S113停止增大对光功率的抑制后，三阶交调与基阶信号的变化情况。
图4为未采用增益控制IMDD链路的光谱S401与本方案链路的光谱S402仿真对比图。在输入功率为19dBm时，S401的三阶交调信号功率达到了-65dBm，严重干扰了对基阶信号的探测；而在S402中，三阶交调信号被抑制到了噪底之下，在探测过程中会被当作噪声对待，从而消除了对基阶信号的干扰。
图5给出了输入微波信号S104的功率与控制电压S112的对应关系，其中S501为实际测量得到的点，S502为根据这些点得出的拟合曲线。我们可以看出，S104功率在-1dBm以下时，S112为3.5V，即S113偏置在最大传输点；当S104功率超过-1dBm时，S112随S104的增加单调递增；当S104功率超过17dBm后，曲线趋于平坦，此时S112偏置接近于最小传输点，对光功率的抑制程度接近于S113的最大消光比。
Claims (1)
1.一种微波光子链路无杂散动态范围提高方法，其特征在于：在发射端，S101为输入的激光器，经过偏振控制器S102，进入S103单电极马赫曾德尔强度调制器，微波信号S104加载到S103的微波输入端口，直流偏置电压S105加载到S103的偏置电压输入端口，使S103的传输函数处于正交偏置点，在接收端，调制后的光进入S106：50:50的光分束器，将光分为两路；一路作为监测光，通过S107光环形器进入S108：布拉格光栅，具有射频频率的光学边带被透射出去，光载波被反射回来注入S109光电探测器，利用光载波与光学三阶交调项之间的功率关系，探测出的电信号S110再经过电压转换模块S111产生控制电压S112，S112注入到S113单电极马赫曾德尔强度调制器的偏置电压输入端口；另一路光作为信号光，进入单电极马赫曾德尔强度调制器S113，控制电压S112加载在单电极马赫曾德尔强度调制器S113的直流偏置输入端口中，光强度就会受到控制电压S112的控制，光被衰减之后，进入光电探测器S114，光电探测器S114接收到的光强度会随着控制电压S112而自动调谐，控制三阶交调信号的功率，使其被抑制到噪底之下。
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