左 磊，侯韶华

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003)

0 引言

RoF技术是指利用光纤代替大气作为传输媒质来传送射频信号的一种传输技术。这种技术结合了微波与光纤通信技术的优点，不仅能实现宽带移动服务，扩展网络覆盖范围，而且能够促进网络向微蜂窝、微微蜂窝发展，减小蜂窝范围、简化通信基站、降低运维成本、提高组网灵活性，是网络融合的有效手段之一。RoF链路具有体积小、重量轻、带宽大、强抗电磁干扰、传输损耗低等多方面的优良特性，其应用不仅包括了移动通信[1]，而且还运用到了雷达[2]和军事领域[3]等方面。因此，RoF链路受到了人们广泛的研究与关注。

RoF链路根据调制方式的不同可以分为直接调制链路和间接（外部）调制链路，目前使用较为普遍的是强度调制直接检测（IMDD）链路结构中的直接调制链路。这种链路结构虽然简单、容易实现、而且成本较低，但是存在显著问题即噪声系数较大，较大的噪声系数影响了系统的灵敏度。相比于直接调制链路，外调制链路虽然结构复杂，不易控制，但是有更好的增益与噪声系数特性[4]，而且调制速率高，这种链路的方式将是未来 RoF链路更好的选择。

1 RoF外调制链路的噪声系数理论模型

外调制链路是将承载信息的射频信号与光信号一同注入到外部调制器（以MZM调制器为例），在调制器驱动电压下，使得射频信号对光信号进行连续调制，调制后经光纤传输，到达接收端由光电探测器恢复原来的射频信号，外调制链路如图1 所示。主要从小信号下等效电路的角度分析研究影响链路的噪声系数NF，得出如何从根本上改善链路性能的办法，小信号等效模型[5]如图2所示。

图1 外调制链路

图2 外调制链路小信号下等效电路

1.1 外调制链路的增益

增益是链路性能的基本参数之一，这里讨论链路的固有增益（不包含任何电或光的放大器）G，定义为传输到负载的射频功率与输入射频功率之比，即：

根据外调制链路的特性，将式（1）变形为：

其中， ,moP 是调制器输出的光功率，MDT-代表由调制器输出到检测器总的光纤损耗所产生的传输系数，其值为，(α为光纤损耗)，Pd,o是光电检测器检测到的光功率。根据电路理论，可以得到：

式中，Sm是调制器的斜度效率(WA)，其值大小为，该式中V表示调制器的半波电π压，TFF表示为调制器偏置在最大传输点时输出光功率与输入光功率的比值。 Pin为入射到调制器的光功率，RM为调制器的等效电阻。接收端光电检测器接收到的光功率为 Pd,o，由光电二极管产生的射频电流为 id=，其中 Sd为光电二极管的斜度效率(AW)。流过负载的电流：

则负载接收到的射频功率LP为：

从而链路的固有增益G为：

1.2 外调制链路的噪声系数

RoF链路的噪声有很多种，需要根据不同的来源来考虑它们对链路的影响。这里讨论3种主要的噪声源：热噪声、散粒噪声和相对强度噪声。

(1)热噪声

它是在导体中由于带电粒子的热运动而产生的随机噪声，它产生于电路中各种电阻器件。热噪声的均方值电流为其中T是绝对温度，K为波尔兹曼常数，Δf为系统带宽。

(2) 散粒噪声

由于离散电荷的运动而形成电流所引起的随机噪声。散粒噪声的均方值电流为其中e代表电荷，为平均检测器电流。

(3) 相对强度噪声(RIN)

描述的是光源输出能量的振荡波动大小。相对强度噪声的均方电流值为i2= R IN · I2·Δf 。

rin D

噪声系数NF也是链路性能重要参数之一，它定义为链路的输入信噪比与输出信噪比之比，表示为：

对于理想线性系统 Sout= G ·Sin，输出噪声功率为nout= G nin+ nadd。从而噪声系数进一步表示为：

从式(8)可以看出，当链路中没有引入其他噪声即nadd= 0 时，噪声系数达到最小 N F= 0 dB，而且，链路的噪声系数与射频信号功率无关，只与系统的噪声有关。

RoF链路中输入噪声一般为热噪声，其功率为nin=KTΔf ，系统增加的噪声功率nadd= AGnM+式中 nM和nPD分为调制器和光电检测器输出的热噪声功率其大小等于输入热噪声功率，A是一个常量，表示调制部分的阻抗成分造成的热噪声对系统的影响，为散粒噪声功率、为相对强度噪声功率，将 nadd以及链路的增益G代入式(8)，可以得到外调制链路的噪声系数总的表达式为：

2 仿真结果与分析

若令 ND=20，NM=1，TM-D=0.8，调制器的传输效率 TFF=0.8，源阻抗 RS=50，负载阻抗RL=50，调制器的电容 CM=0.7pF，探测器电阻RD=1 000Ω，电容CD=0.7pF斜度效率Sd=0.85A/W，信号的频率为1 GHz，为了简化起见设 A=1，相对强度噪声 RIN=-170(dB/Hz)，波尔兹曼常数 K=1.38×10-23J/k，绝对温度 T=290K，且=，η为比例常数设为0.2，根据式（6）和式（8），在半波电压不同的情况下，输入到调制器的光功率与链路噪声系数的关系图3 所示，由图可见，随着输入光功率的增加，链路的噪声系数呈下降趋势，同时半波电压的降低有利于降低噪声系数。因此，可以通过靠降低调制器的半波电压和适度的提高输入到调制器的光功率来达到降低噪声系数的目的。

图3 输入到调制器的光功率与噪声系数的关系

若输入光功率一定，in40P= dBm，在半波电压不同的情况下，链路的噪声系数随光纤的损耗之间的关系如图4 所示。可见随着光纤损耗的增加，链路的噪声系数增大，同时低的半波电压有利于降低链路的噪声系数，因此对于链路的传输采用低损耗光纤有利于提高性能。

图4 光纤损耗与噪声系数的关系

对于输入到调制器不同光功率条件下，光电探测器的斜度效率与链路噪声系数的关系曲线如图 5所示，可以看出随着光电探测器的斜度效率的提高，链路的噪声系数随之减小。同时，适度的增大输入到调制器的光功率也可以达到降低噪声系数的目的。

图5 光电探测器斜度效率与噪声系数的关系

图6 系统频率与噪声系数的关系

此外，系统的频率增加也会对链路的噪声系数产生影响，这种影响在微波毫米波段尤为显著。在相同的偏置(π5V= V)下，链路的噪声系数同系统频率的关系如图6所示，可以看出，随着频率的增加，噪声系数呈上升趋势。

3 结语

由上面的分析可知，可以通过适当的增大激光器的输入功率，提高光电检测器的斜度效率，选用低损耗的光纤，以及采用调制器低偏置技术等来降低噪声系数。然而，对于系统频率的增加，链路的噪声系数会产生明显的上升趋势，这就为系统传输高频段（微波毫米波段）的使用带来了困难，因此需要采用下变频技术来降低这种影响。降低噪声系数的方法除了增加链路增益的方法外，也可以通过在接收端抑制光载波来达到减小相对强度噪声的目的[6]，同时也有利于增加了链路的动态范围，此外可以使用差分技术[7]，以及在发射端添加级联低噪声放大器[8]的形式来降低总的噪声系数。

[1] 熊飞，熊曼子，刘洋.ROF技术在移动通信中的应用[J].电子元器件应用，2008，10（09）：75-78.

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[3] 柯贤文，张伟，杜建卫,等.RoF 技术及其在军事上的应用分析[J].国防技术基础，2010(12)：23-26.

[4] KARIM A, DEVENPORT J. Noise Figure Reduction in Externally Modulated Analog Fiber-optic Links [J].Photonics Technology Letters, 2007, 19(05):312-314.

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[7] ACKERMAN E, BETTS G, BURNS W, et al. Signal to Noise Performance of Two Analog Photonic Links Using Different Noise Reduction Techniques[J]. IEEE,2007(06): 51-54.

[8] 朱道伟，朱少林，席虹标.模拟信号光纤传输系统的噪声系数分析[J].光通信技术，2011(06):61-62.