【《自由空间光载射频链路的结构和性能指标分析概述》3900字】

自由空间光载射频链路的结构和性能指标分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u20303自由空间光载射频链路的结构和性能指标分析概述 1186681.1自由空间光载射频链路简介 1272581.2自由空间光链路的结构 366061.2.1光调制器 4210631.2.2激光器 436251.2.3光电探测器 4165261.3自由空间光链路的主要性能指标 5300651.3.1链路增益 5143371.3.2噪声系数 5154481.4相干光通信系统的天线效率分析 5自由空间光载射频链路简介新的信息和通信技术服务和应用越来越多，推动了向信息社会的快速发展，信息是人们生活的关键组成部分。然而，技术革命的快速步伐并没有遍布每个角落，一部分被排除在数字服务之外，导致了数字鸿沟。国际电信联盟(国际电联)通过各种倡议，包括1998年世界电信发展会议通过的《瓦莱塔行动计划》，以及随后在2003年和2005年举行的信息社会世界首脑会议上通过的倡议，一直在试图弥合数字鸿沟。获取新技术、农村发展、普遍服务以及考虑到最不发达国家需求的特别方案是弥合数字鸿沟的关键要素。国际电联认为，通信技术基础设施对于实现数字包容性目标至关重要。它通过应用现有和新的解决方案，在各个层面提供可持续的连接和对偏远和边缘化地区的访问，使人们能够普遍、可持续、无处不在和负担得起地获得通信服务。近年来出现的创新宽带无线技术和标准使企业和公众能够接入各种各样以前无法想象的基于通信技术的新服务。宽带无线技术提供了一种经济高效的解决方案，在支持农村社区、解决隔离问题、为偏远地区提供更好的服务以及增加企业机会等领域发挥着重要作用。随着通信需求的不断增长，人们对随时随地、在任何情况下获取信息的方式提出了更高的要求。提供的服务越来越成为日常生活中不可缺少的一部分。因此，一个无处不在的通信网络是相当有必要的，以满足各种地理位置的需求。在这种通信网络中，必须将异构设备连接起来，形成一个通用网络。但是，在传统的无线网络中，运营商分别建立和管理自己的无线电资源和网络。这导致了高昂的成本，阻碍了新的无线服务的快速部署。一种新的技术手段——自由空间光载射频系统在支持数字通信普遍化方面发挥关键作用。微波光子链路利用光子学的方法实现微波信号的产生、分配、控制和传输等功能，突破了当前微波系统的电子瓶颈，具有高频、宽带、抗干扰以及大动态范围等优点。RadiooverFiber（RoF），又称光载射频，是微波光子学的重要应用领域之一。RoF技术就是将射频信号调制到光波上，利用光纤作为传输介质来实现信息传输的通信技术[6]。RoF技术有以下几个优势：1、通信容量大，可用频谱宽：无线光通信使用的载波频率主要分布在1THz以下，而光载射频通信使用的载波频率从红外光到紫外光，是无线电频率资源的几万倍；即光载射频通信可以很大程度上拓宽无线通信的频率范围，避免自扰互扰的问题。2、抗电磁干扰。3、保密性强，抗电子侦察：由于光载射频通信的光束发散角极小（mrad量级），空间光斑基本无旁瓣，通信信号便难以被截获，现有无线电测向定位设备无法发挥作用，搭载大气光通信设备的作业平台不会暴露。4、自由使用，无需频段申请。5、机动性好，架设快捷方便，成本低廉。6、可用于应急抢通，快速机动通信、电磁恶劣地区通信、保密通信等。RoF系统中，多个基站共同使用一个中心站，中心站由电光转换与供电设备组成。基站处，光电探测器把从光纤中传输过来的光信号转换为电信号，完成光电转换，经射频放大器放大后由天线发射出去，以提供周边地区的无线服务。得益于光纤的低损耗特性，基站和中心站的距离可以非常远，增加了此系统的覆盖范围，并且光纤容量大，可以实现高带宽传输。基于光纤网的ROF系统不仅具有成本低、损耗小、传输距离远等优点，还可以利用光子技术的大带宽和并行处理优势，最终实现多路宽带信号的低损长距离传输。然而，RoF系统需基于现有光纤网络构建，在特定场合，比如卫星之间、卫星与地面站之间、无光纤网络的偏远地区等，微波光子链路将难以实现。此时，自由空间光学（Freespaceoptics，FSO）系统则体现了其应用价值，进一步扩展了微波光子链路应用范围。基于FSO系统构建的自由空间光载射频系统（RoFSO）它充分结合了光纤通信与无线射频通信的特点，既可以独自构建系统，又可以与传统通信系统相结合，是其他通信方式的有益补充。它与RoF系统不同在于RoFSO系统直接利用大气信道构建微波光子链路，把调制后的光信号通过光学天线发射出去，在接收端用光学天线接收而其他部分与RoF系统类似。RoFSO系统具有传播速率高，组网成本低，灵活度高，部署速度快等优点，不仅可以有效填补RoF系统的应用空白，还可以实现点对点的安全可视通信。自由空间光链路的结构在自由空间光载射频系统中，射频信号首先进入射频调制器进行调制，然后由激光放大器放大光信号，再由光学天线发射出去，在经过大气信道后，信号由接收端的光学天线进行接收，经过射频解调之后提取得到所要传输的原始信号，如图所示：图2.1RoFSO系统概念图实际的RoFSO系统中除了射频调制器，电光转换器，滤波器，光电检测器和射频解调器之外还会对应配置光束准直模块，捕获、跟踪、瞄准模块，光学放大模块。光束准直模块能够使光学天线发送到自由空间中的光波束保持很小的发散角，从而使信号功率的损失降低。捕获、跟踪、瞄准模块能够保证在大气湍流引起的光束跳动的情况下始终快速对找准对端光学天线。光学放大模块则是能够对接收到的光信号进行放大，防止因为信号衰减引起的测量不准[7]。光调制器高阶调制发射机的光学部分由一个或多个基本的外部光调制器结构组成，光学相位调制器可以通过在电光衬底中嵌入光波导(主要是铌酸锂)制成集成光学器件，利用通过涂层电极施加外部电压改变材料的折射率从而改变波导的有效折射率，从而使入射光载流子的电场可以被调制为相位。目前调制器用的最多的主要是马赫曾德尔调制器（MZM），输入光波经过一段光路后在一个Y分支处，被分成相等的两束，分别通过两个光波导传输，光波导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第二个Y分支处产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通过控制电压就能对光信号进行调制，可以将其简单地理解为经过特殊设计制作而成的两个并行的相位调制器。激光器在电信系统中，Fabry-Peror（FP）激光器和分布反馈(DFB)激光器是最常用的激光器。在很多数据通信系统中，FP激光器和垂直腔面发射激光器因其成本较低而成为首选。在低速数据通信(200兆字节/秒)和消费电子产品中，发光二极管也可用作光源。FP激光器由位于由两个反射面形成的腔中的光学增益介质组成。FP激光器在单模光纤中色散较低。大多数FP激光器的温度是不可控的，可以达到约85°C。这种特性简化了发射机的设计，降低了成本，但也存在激光特性变化和激光可靠性降低的缺点[8]。光电探测器光接收机的主要元件是光电探测器。该器件的主要特性，尤其是其响应度和噪声特性，对接收机的性能有着重要影响。例如，接收器的灵敏度很大程度上取决于光电探测器和跨阻放大器的特性。通常使用三种类型的光电探测器：PIN光电探测器、雪崩光电探测器(APD)和光学前置放大PIN光电探测器。对于铟镓砷（InGaAs）探测器，PIN光电探测器的通常响应度为0.6~0.9a/W，主要用于短途应用。雪崩光电探测器的通常响应范围为5~20a/W，主要用于高达10Gb/s的长途应用。光学前置放大PIN探测器的响应度在6~900A/W范围内，主要用于超长距离应用，速度大于等于10Gb/s[9]。自由空间光链路的主要性能指标链路增益链路增益包括光增益与射频信号增益。光增益指的是光电探测器接受到的光功率与激光器输出光功率之比。射频信号增益是负载接收到的信号功率与输入信号的功率之差，是微波光子链路最重要的性能指标之一，通常情况下主要关心的是射频信号增益。影响链路增益的主要因素有两个。一是系统损耗，二是调制解调技术。链路增益越大，接收机越容易接收到符合要求的信号，对接收机的性能要求也就越低[10]。噪声系数噪声系数也就是输出信号信噪比与输入信号信噪比之比，是衡量系统内部噪声大小的量度，有了这种量度就可以比较不同系统噪声性能的好坏。微波光子链路的噪声主要有三种，激光器发射功率波动的相对强度噪声（RIN），光电探测器光电转换不连续的散粒噪声（shotnoise），电子热运动引入的电子热噪声（thermalnoise）。如果噪声系数过大，则可以在射频信号输入端加入前置的低噪声放大器以降低整个链路的噪声系数。相干光通信系统的天线效率分析相干激光通信系统的天线效率用来表示信号光与本振光束进行外差混频时的相干性损失。利用天线效率的定义可以推导出天线效率与外差效率的一般关系。因此可以从外差效率着手对天线效率进行分析。相干激光雷达的光学天线效率定义为： （2.1）其中表示本振光束通过接收透镜所造成的传输能量损失的比例因子，同理表示发射光束经发射透镜引起的传输能量损失的比例因子，表示发射透镜的面积，是系统的有效相干面积，它表示信号光与本振光束发生相干混频的有效面积，一般情况下要小于系统的接收面积。利用远场的菲涅耳原理，当使用反射光为平面波模型时： （2.2）由上式可知，天线效率是距离L和截断比的函数。远场条件下对于某一固定的距离L=250m，天线效率随截断比变化的曲线如图所示：图2.2截断比与天线效率的关系曲线当截断比为0.823时，天线效率取得最大值为0.422。由公式可知，系统的宽带载噪比正比于天线效率，最大化天线效率也就意味着