CN113098598B - 一种微波光子链路小信号模型分析方法 - Google Patents

一种微波光子链路小信号模型分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微波光子链路小信号模型分析方法。首先建立基于相位调制的微波光子链路模型，当单路光载波经过电光相位调制器调制后，经3dB耦合器输入差分延时为τ的马赫—曾德尔干涉仪(MZI)，干涉仪的两路输出分别连接光电二极管，进行平衡探测，拍频后输出。再根据小信号模型建立出数学模型，计算出链路的调制系数，在可选调制系数范围内将得到的光电流表达式利用泰勒级数展开的方法将输出光电流展开到五阶进行分析。本方法大幅提高计算结果的精确度，与实际实验结果更为接近，并且可适用于分析链路的增益、噪声以及无杂散动态范围等性能，作为对传统贝塞尔展开计算方法的补充。

Description

一种微波光子链路小信号模型分析方法
技术领域
本发明涉及微波光子链路信号调制与解调领域，特别是涉及一种微波光子链路小信号模型分析方法。
背景技术
随着移动数据的快速增长，微波光子链路在5G通信以及下一代移动通信中扮演着越来越重要的角色。微波光子链路具有带宽高、重量轻、抗电磁干扰以及损耗低等优点，对微波信号的发生、传输和处理等方面都有很大的优势。因此在微波光子学不断发展的今天，如何提高微波光子链路性能，增强链路稳定性一直是专家学者研究的重点。
传统对微波光子链路性能的研究，往往都先利用贝塞尔展开，对增益、噪声系数和无杂散动态范围等性能参数进行理论分析，通过数学方法获取近似结果，作为评判链路性能优劣的依据。然而这种计算方法存在一定的误差以及不确定性，一定程度上影响了研究者对链路性能的客观判断。提出利用泰勒展开的方法对链路小信号模型进行计算，分析链路的性能指标，这对研究微波光子链路性能具有积极作用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种微波光子链路小信号模型分析方法，根据计算得到不同的调制系数，在可选范围内应用泰勒展开对链路进行分析，使得理论研究结果更精确，更接近真实状况。同时，也可以作为贝塞尔展开方法的补充研究手段。
本发明提供一种微波光子链路小信号模型分析方法，具体步骤如下，其特征在于：
首先建立基于相位调制的微波光子链路模型为单路光载波输入，经过电光相位调制器MZI调制后，经3dB耦合器输入差分延时为τ的马赫—曾德尔干涉仪，干涉仪的两路输出分别连接光电二极管，进行平衡探测，拍频后输出；
之后将已建立好的链路模型化简成小信号模型，设定电路中每个元器件的初始值，Ein是激光器的输出光场，相位调制器为单频驱动信号输入，驱动电压为V0＝Vrfcos(ωrft)，则光信号产生的相移为
Figure BDA0003009301100000011
相位调制后得到光信号E1＝Eineiφ(t)；
建立链路的传递矩阵：
Figure BDA0003009301100000012
其中E(t)为输入光强，φ(t)为相位调制后产生的相移，
Figure BDA0003009301100000021
为经过MZI后产生的延时量，若考虑传输过程中的调制器损耗和其他链路损耗αm、αl，得到两光电二极管平衡探测后的输出光电流：
Figure BDA0003009301100000022
Figure BDA0003009301100000023
由于MZI工作在正交偏置点，得到拍频后输出光电流：
Figure BDA0003009301100000024
其中，令调制系数
Figure BDA0003009301100000025
若m≥1，应用泰勒级数将输出光电流展开到五阶可得到：
Figure BDA0003009301100000026
作为本发明进一步改进，所述电光相位调制器为单频驱动信号输入。
作为本发明进一步改进，所述马赫—曾德尔干涉仪工作于正交偏置点。
作为本发明进一步改进，计算微波光子链路小信号模型的调制系数
Figure BDA0003009301100000027
要求m≥1时，链路可应用此方法。
作为本发明进一步改进，计算得到的输出光电流应用泰勒级数进行展开。
相比于现有分析方法，本发明的特点及其有益效果是：
1)通过实验和仿真结果发现，在调制系数m≥1的情况下计算增益时，对比已有的方法(贝塞尔展开)，计算精度提高，结果更接近实际情况。
2)所述的应用泰勒展开的分析方法，可以类比到分析微波光子链路的噪声系数和无杂散动态范围等链路性能参数的计算过程中，并且可作为贝塞尔展开的补充分析方法。
附图说明
图1为本发明链路模型示意图。
图2是本发明MZI延时为100ps时，链路增益数据对比图；
图3是本发明MZI延时为100ps时，链路增益数据对比图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种微波光子链路小信号模型分析方法，根据计算得到不同的调制系数，在可选范围内应用泰勒展开对链路进行分析，使得理论研究结果更精确，更接近真实状况。同时，也可以作为贝塞尔展开方法的补充研究手段。
本发明采用如下技术方案：
首先建立基于相位调制的微波光子链路模型，单路光载波输入，如图1所示，频率为ωrf光强为E(t)，经过电光相位调制器调制后，经3dB耦合器输入差分延时为τ的马赫—曾德尔干涉仪(MZI)，其中，响应度η＝1A/W，射频电压Vrf＝3.5V，MZI半波电压Vπ＝6.9V,光纤折射率n＝1.45，阻抗Rin＝Rout＝50Ω，激光功率为10dbm。
根据小信号模型，建立链路的传递矩阵，得到如下表达式：
Figure BDA0003009301100000031
其中φ(t)为相位调制后产生的相移，另经过MZI后产生的延时量
Figure BDA0003009301100000032
若考虑传输过程中的调制器损耗和其他链路损耗αm、αl，可得到输出光电流：
Figure BDA0003009301100000033
Figure BDA0003009301100000034
经过两光电探测器拍频后产生的光电流：
Figure BDA0003009301100000035
考虑正交偏置的情况，令
Figure BDA0003009301100000036
可得到输出光电流：
Figure BDA0003009301100000037
其中调制系数
Figure BDA0003009301100000038
将输出光电流表达式应用泰勒级数展开到一阶得：
Figure BDA0003009301100000041
展开到五阶得：
Figure BDA0003009301100000042
应用所得表达式计算链路增益：
Figure BDA0003009301100000043
如图2所示，此分析方法计算精度较高，结果接近实际情况。此外，在改变延时时间τ＝375ps时，如图3所示，对比结果也较为理想。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种微波光子链路小信号模型分析方法，具体步骤如下，其特征在于：
首先建立基于相位调制的微波光子链路模型为单路光载波输入，经过电光相位调制器MZI调制后，经3dB耦合器输入差分延时为τ的马赫—曾德尔干涉仪，干涉仪的两路输出分别连接光电二极管，进行平衡探测，拍频后输出；
之后将已建立好的链路模型化简成小信号模型，设定电路中每个元器件的初始值，Ein是激光器的输出光场，相位调制器为单频驱动信号输入，驱动电压为V0＝Vrfcos(ωrft)，则光信号产生的相移为
Figure FDA0003759342390000011
相位调制后得到光信号E1＝Eineiφ(t)；
建立链路的传递矩阵：
Figure FDA0003759342390000012
其中E(t)为输入光强，φ(t)为相位调制后产生的相移，
Figure FDA0003759342390000013
为经过MZI后产生的延时量，若考虑传输过程中的调制器损耗和其他链路损耗αm、αl，得到两光电二极管平衡探测后的输出光电流：
Figure FDA0003759342390000014
Figure FDA0003759342390000015
由于MZI工作在正交偏置点，得到拍频后输出光电流：
Figure FDA0003759342390000016
其中，令调制系数
Figure FDA0003759342390000017
响应度为η，射频电压Vrf，MZI半波电压Vπ；
若m≥1，应用泰勒级数将输出光电流展开到五阶可得到：
Figure FDA0003759342390000018
2.根据权利要求1所述的一种微波光子链路小信号模型分析方法，其特征在于：所述电光相位调制器为单频驱动信号输入。
3.根据权利要求1所述的一种微波光子链路小信号模型分析方法，其特征在于：所述马赫—曾德尔干涉仪工作于正交偏置点。
4.根据权利要求1所述的一种微波光子链路小信号模型分析方法，其特征在于：计算微波光子链路小信号模型的调制系数
Figure FDA0003759342390000021
要求m≥1时，链路可应用此方法。
5.根据权利要求1所述的一种微波光子链路小信号模型分析方法，其特征在于：计算得到的输出光电流应用泰勒级数进行展开。
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相位调制微波光链路相噪特性的研究;叶全意;《万方数据》;20141230;全文 *

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