毫米波微波光子链路性能分析与优化.pdf
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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 I 摘摘 要要 毫米波光子链路不仅具有体积小、重量轻、带宽宽等优点,而且在光纤链路中传输毫米 波信号,大大降低了传输损耗、电磁干扰的影响。同时,在光域里处理毫米波信号有望解决 传统毫米波信号的处理能力弱、速率低、带宽窄等电子瓶颈问题。因此,毫米波光子链路得 到了人们的广泛关注与研究。本文主要研究固有链路,分析影响链路性能的因素,在此基础 上提出了对固有链路性能优化的方法。 论文首先建立了毫米波光子链路的数学模型, 简要的分析了链路中各种器件的工作原理, 如 MZM 调制器、光电探测器等。介绍链路的性能参数,同时指出影响链路性能参数的主要 因素。其次,文章主
2、要从小信号等效电路模型去研究分析链路的性能,结合 Matlab 软件,对 影响链路性能参数进行仿真,包括输入到调制器的光功率、光纤损耗、探测器的效率、以及 激光器的相对强度噪声等等。 毫米波光子链路性能优化的实现,主要采用以下方法:首先对传统的直接探测方式的改 变,引入了外差平衡探测。通过理论的分析与系统的仿真可以证明,对链路的性能尤其是链 路的增益与噪声系数都有很大的改善。理论的证明,平衡探测对链路的增益可以提高 6dB, 链路的噪声系数可以降低 12.3dB,而仿真软件链路的增益可以提高 5dB 左右,噪声系数可以 降低约为 10dB 左右,两者的结果较为接近。其次采用载波抑制技术,通过载
3、波抑制的理论 分析与仿真验证,证明载波抑制可以提高链路的动态范围。与此同时,为了避免光纤色散对 毫米波微波光纤传输距离的限制影响,我们采用单边带调制的方法,然后将载波抑制与单边 带调制结合,可以得到一种优化的载波抑制单边带调制,仿真结果显示,对于载波抑制单边 带调制链路,可以将一个边带抑制掉 52dB,载波抑制了 36dB,显著的提高了链路的动态范 围。 最后,将平衡探测与载波抑制的单边带调制技术相结合,得到了一种最终的优化链路 载波抑制的单边带调制平衡探测链路,这种链路结构不仅可以大大的提高链路的动态范围, 而且相比采用单一的探测器而言, 可以将链路的增益提高5.8dB, 链路的噪声系数降低
4、11.8dB, 对链路性能起到了优化与改善的作用。 关键词关键词:毫米波,光子链路,抑制载波,外差平衡探测,性能优化 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract Millimeter wave photonic link has advantages of small volume, light weight, low loss and anti-electromagnetic interference etc. Meanwhile, the signal of millimeter wave processed in the optical domain is
5、expected to solve the problem of traditional microwave millimeter-wave signal processing ability weak, inefficiency, narrow bandwidth and other electronic bottlenecks. Therefore, millimeter wave photonic link has been extensively concerned and researched. This paper mainly studied the inherent link
6、of millimeter wave photonic without any electrical or optical amplifiers. We analyzed the factors which have influence on the link performance, and then put forward some solutions to optimize and improve link performance on the basis of the inherent link. First, we built a mathematical model of the
7、link, and then introduced some devices in the link briefly, such as MZM modulators, photoelectric detector etc. Some parameters of the link performance were analyzed. Second, this article mainly studied and analyzed the link performance from small-signal equivalent circuit model, some parameters, su
8、ch as optical power input to the modulator, fiber loss, detector efficiency, and the relative intensity noise of laser ,which affecting the link performances were simulated. From the analysis of the above, we took some measures to optimize performance of the link. Firstly,we used a heterodyne balanc
9、ed detection method instead of the direct detection of the traditional way. By using this method, it can prove that link performance especially the gain and noise figure of the link have greatly improved. Theory proves that balanced detection can improve the link gain of 6dB, make noise figure reduc
10、ed 12.3dB. While the simulation software can improve the link gain of about 5dB and make noise figure reduce about 10dB. Secondly, we make use of carrier suppression technique, through the carrier suppression, we can prove that dynamic range of the link can be improved. Meanwhile, optical fiber disp
11、ersion has some influences on the transmission system of the millimeter wave, in order to avoid the influences,we adopt single side band modulation method. After that, we connect carrier suppression with single side band modulation, and then have a kind of optimization link with carrier suppression
12、and single band modulation link . Through simulation, it shows that one sideband is inhibited fell 52 dB and carrier is suppressed 36 dB, which greatly increased the dynamic range of the link. Finally, the balance detection together with carrier inhibiting and single sideband modulation 南京邮电大学硕士研究生学
13、位论文 Abstract III technology, a final optimization millimeter wave photonic link-carrier inhibiting single side band modulation balance detection link is established, this link structure not only can greatly improve the dynamic range of the link, but also compared with the single detector concerned,
14、it can make link gain improve 5.8 dB, link noise figure reduce 11.8 dB. So, this structure of the link play optimization and improvement role. Key words: Millimeter wave, photon link, carrier suppression, heterodyne balanced detection, optimization of performance 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV 目目 录录 摘 要 I AB
15、STRACT . II 目 录 IV 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 毫米波光子链路技术的国内外发展动态 . 3 1.3 论文所作的工作与内容安排 . 4 第二章 毫米波光子链路的器件及性能参数 . 6 2.1 直接调制链路. 6 2.2 外部调制链路. 6 2.3 外部调制链路的器件介绍. 7 2.3.1 光源 . 7 2.3.2 马赫一曾德干涉型调制器(MZM) 8 2.3.3 光电检测器 11 2.4 毫米波光子链路的性能参数 13 2.5 本章小结 . 19 第三章 毫米波光子链路的数学建模 20 3.1 外部调制 20 3.2 光电检测器 21 3.3 毫米波
16、光子链路的小信号模型 22 3.3.1 小信号模型下的链路增益 23 3.3.2 小信号模型下的链路噪声系数 25 3.3.3 链路的无杂散动态范围 SFDR 27 3.4 本章小结 28 第四章 毫米波光子链路的性能优化 29 4.1 光电检测方式的改进 29 4.1.1 光外差检测的基本原理 29 4.1.2 光外差的平衡探测技术 32 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 V 4.1.3 外部调制平衡探测系统的性能 34 4.2 载波抑制 39 4.3 光纤色散对毫米波光子链路的影响 41 4.31 光纤色散对双边带调制格式的影响 . 41 4.32 光纤色散对单边带调制格式的影响 .
17、43 4.33 单边带调制信号的实现 . 44 4.4 抑制载波单边带调制的实现 45 4.5 载波抑制单边带调制的平衡探测 46 4.6 本章小结 48 第五章 毫米波光子链路的仿真分析 49 5.1 改进型平衡探测与传统单一探测 49 5.2 载波抑制的仿真 52 5.3 载波抑制的平衡探测仿真 54 5.4 抑制载波单边带调制仿真 55 5.5 载波抑制单边带调制的平衡探测仿真 58 5.5 本章小结 59 第六章 全文总结 60 致谢 . 62 参考文献 . 63 攻读学位期间发表的学术论文 . 66 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研
18、究研究背景背景 微波光子学于上世纪 70 年代产生,是随着光纤技术、微波单片集成技术、半导体激光器 和集成光学等技术的发展而发展起来的。得益于微波光子学的发展,毫米波光子链路越来越 受到人们的关注。微波光子学发展分支主要分为两个方向:光电器件处理微波毫米波信号和 光电系统传输微波毫米波信号,其中,毫米波的光产生技术1,2、光载无线RoF技术3、光控 相控阵4等技术,是这几年来国内外研究的热点问题。而作为这些研究热点中的一项关键技 术,毫米波微波光子链路在此过程中发挥着举足轻重的作用,是将接收到的毫米波等电信号 通过光纤链路进行传输,然后输出为原来的毫米波信号。 典型的毫米波光子链路包括调制端、
19、传输链路、接收端等部分组成。其实现的方法是: 在调制端,将毫米波电信号对光载波调制,然后通过光纤传输,到达接收端后通过光电探测 器进行毫米波电信号的恢复,进而通过天线发射出去。 毫米波光子链路避免了传统毫米波链路在大气、同轴电缆或者波导中传输时损耗大的问 题,从某种意义上说解决了毫米波长距离传输。与此同时,传统毫米波链路的电处理带宽限 制了信号处理的上限频率,而且处理效率不高,利用光子取代电子,可以在较高的频率下处 理信号,而且光纤的带宽极宽,处理速率大大增强。因此,与传统毫米波链路系统相比较而 言,毫米波光子链路在光域里处理电信号能有效的解决传统链路处理信号速率低、带宽窄、 效率低等电子瓶颈
20、问题。 不仅如此,毫米波光子链路还具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等众多优势,基于毫米 波光子链路的这些优点,势必决定了它在越来越多的领域中得到广泛的应用,如军事、雷达 5、智能交通系统6,无线通信7等。 1、应用于军事领域 毫米波光子链路应用于军事方面,主要在于电子支援和电子对抗。因为微波毫米波信号 在大气、波导或者同轴线等传输媒质的衰减损耗比较大,因而,微波射频天线就要将发射端 与接收端彼此相邻,这样就会限制影响了电子支援与对抗系统的功能。引入毫米波微波光子 链路,就能将电子支援与电子对抗的天线的距离在空间上拉开,这样分开以后,反辐射就会 影响发射端的天线,但是对整个电子系统就不会产生影响。
21、而且,通过采用毫米波微波光子 链路可以用多个远程天线来发射,微波毫米波信号的接收可以同样采用多个天线来实现。因 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 此,基于毫米波微波光子链路的电子立体系统,将会超过现有的电子系统,也就是说毫米波 微波光子链路系统,将会在电子信息战领域发挥着重大价值。 2、应用于雷达技术 在上世纪 70 年代中后期,美军为了克服雷达极限距离的制约,研究了利用光纤代替同轴 线,使得基站和天线之间的距离展开增加了 45 倍,于此同时,线缆的重量也降低了近一半, 从此以后,雷达技术中引入光子技术,尤其在相控阵雷达8方面,成为了雷达技术发展的新 领域,得到了广泛关注与研究
22、。在相控阵雷达中,相控阵天线是关键技术,天线性能的优劣 严重制约了雷达的功能。相控阵天线使用微波光子链路的波束形成方法,可以实现高宽带信 号的波束指向无偏斜。这与传统微波毫米波相移方式相比,具有较大的优势。也就是说,微 波毫米波光子链路的性能将会影响到光控相控阵雷达系统的性能。 3、应用于室内无线局域网 办公区内的无线局域网用来高速传输计算机和外部设备之间的数字信号。同有线网络相 比较而言,无线网络具有连接灵活,而且传输速率也较高等特点。目前来说,无线局域网的 频段为 2.4GHz 和 5GHz,传输速率为 54Mbit/s,而在未来的无线局域网中,要求速率达到数 百 Mbit/s 甚至更高的
23、情况下,这就需要提高工作频带来增加带宽,从而解决传输速率低的问 题。基于毫米波微波光子链路技术的 RoF 系统,其宽带无线接入可以显著提高速率,大容量 的信息而不需要增加成本。因此,随着光纤到户技术的发展,毫米波微波光子链路在未来宽 带无线接入的应用将会发展的更快。 4、应用于智能交通系统 随着通讯技术的发展,智能交通系统也受到了人们广泛的关注。人们利用智能交通系统 提供实时的交通路况以及告知人们最佳的行驶路线等大量的信息业务。而且,近年来,工作 于微波毫米波波段的智能交通引起了人们的大量兴趣, 日本松下公司研发了 36GHz 的路到车 辆的通信,可以同时提供宽带接入和多种业务,显示了微波毫米
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