降低模拟光纤链路噪声系数的装置的制作方法

本实用新型属于光电子技术领域，尤其涉及一种降低模拟光纤链路噪声系数的装置。

背景技术：

名词解释：

在信号处理领域中，互相关(有时也称为“互协方差”)是用来表示两个信号之间相似性的一个度量，通常通过与已知信号比较用于寻找未知信号中的特性。它是两个信号之间相对于时间的一个函数，有时也称为滑动点积，是通信、模式识别以及密码分析学等领域常用的一种数字信号处理方式。

传统微波链路是许多商用与军用通信系统的重要组成部分，能在航空航天、雷达、电子战、高频通信、遥感遥测以及精确测量等领域得到广泛地应用。然而，随着传输距离的增加，电缆与波导等传统传输介质的插入损耗迅速增加，特别在微波、毫米波频段，大插损的瓶颈对微波链路的限制越来越明显,典型同轴电缆在X波段损耗要高于1.8dB/m(1.8×10³dB/Km)，而商用SMF-28通信光纤在1.5um波长处损耗仅接近0.2dB/Km。

光纤链路是解决传统微波链路大插损瓶颈的最佳方式，特别适合于长距离传输。典型的强度调制-直接解调(Intensity Modulation–Direct Demodulation，IM-DD)光链路已经在雷达、电子战、精确测量等领域得到广泛应用。其基本原理在于：输入端电信号对光强度进行调制，已调光信号通过光纤传送到接收端，然后通过光电探测器进行平方律检波还原该电信号。由于光纤的低损耗，采用光纤链路来传送或者处理电信号时能够克服传统微波链路大插损的缺点。不仅如此， 光链路还具有体积轻、抗电磁干扰等优点，具有光明的应用前景。

光纤链路是将电信号转换成光信号之后，再采用低损耗光纤传输，最后再通过光电探测器还原电信号，属于典型的有源模块，势必会引入噪声，所以，降低链路的噪声系数是光纤链路应用的重要前提。传统降低噪声系数的方法局限于优化激光器的强度、电光调制器的半波电压与偏置电压等模块参数，又或是更换更高性能指标的模块；本实用新型采用互相关技术，能从本质上抵消链路的噪声，最终降低链路的噪声系数。不仅如此，该方法还可兼容其它传统方法应用，进一步降低噪声系数。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种降低模拟光纤链路噪声系数的装置。本实用新型通过引入双激光器-双光探测器结构，采用互相关技术对接收信号进行互相关处理，使得“相关”的有用信号得到加强；“非相关”的寄生噪声得到消弱，最终降低光纤链路的噪声系数。

为达到上述技术效果，本实用新型的技术方案是：

一种降低模拟光纤链路噪声系数的装置，包括至少两个发射不同波长激光的激光器和分别与激光器对应的光探测器；光探测器连接有互相关处理系统。

进一步的改进，所述激光器包括并联的第一激光器和第二激光器；第一激光器和第二激光器发射的激光通过偏振控制器控制偏振方向输入至电光调制器，电光调制器连接有放大器，电光调制器通过光纤连接与第一激光器配合的第一光探测器和与第二激光器配合的第二光探测器，形成双激光器-双光探测器结构，双激光器-双光探测器结构连接有互相关处理系统。

进一步的改进，所述互相关处理系统包括分别与光探测器相连的模/数转换器，模/数转换器连接数字信号处理器，数字信号处理器连接数/模转换器实现信号输出。

进一步的改进，所述模/数转换器为高频模/数转换器，所述数/模转换器为高频数/模转换器。

进一步的改进，所述互相关处理系统为数字信号处理器。

进一步的改进，所述激光器均连接有可调光衰减器。

进一步的改进，所述放大器为低噪声微波放大器。

进一步的改进，所述光纤为SMF-28通信光纤。

本实用新型的技术方案在于：通过引入双激光器-双光探测器结构，采用互相关技术对接收信号进行互相关处理，使得“相关”的有用信号得到加强；“非相关”的寄生噪声得到消弱，最终降低光纤链路的噪声系数。

本实用新型的有益特点在于：通过互相关信号处理方式，从本质上抵消光纤链路的寄生噪声，最终实现降低链路噪声系数的效果；不仅如此，本实用新型所涉技术能够兼容传统优化链路噪声系数的方案，突破传统方案的技术瓶颈。

附图说明

图1是商用光纤链路的基本结构；

图2是本实用新型所涉采用互相关技术优化链路噪声系数的结构图；

图3是偏置电压优化链路的噪声系数；

图4是调整光功率大小优化链路的噪声系数；

图5是调整前置低噪放增益优化链路的噪声系数；

图6是互相关次数对链路噪声系数的影响。

具体实施方式

以下通过具体实施方式并且结合附图对本实用新型的技术方案作具体说明。

实施例1

参照图1，示出商用模拟光纤链路的基本结构。链路主要包括一个激光器1，提供被调制光源；一个偏振控制器2，用于控制激光的偏振方向；一个电光调制器3，实现微波-光转换；一个放大器4(优选低噪音放大器)，用于放大输入信号、级联光纤链路(即光纤5)，降低整个链路的噪声系数；一个光电探测器6，实现光-微波转换。通过电光调制器将电信号调制到光载波的幅度上，在光纤中传输后在光电探测器输出端还原成电信号。对于典型的强度调制-直接解调微波光链路，其噪声系数可表示为

其中k_B＝1.38×10^-23J/K，是玻尔兹曼常数；T为实验环境温度；q是单位电子带电量；I_dc为探测器平均光电流；RIN是激光器(LD)的相对强度噪声系数；Z_L为匹配阻抗；φ_b为电光调制器的直流偏置角，V_π为调制器的半波电压，Z_in为链路的输入阻抗。一般采用分贝单位制来表示，即NF＝10log F。除了采用低噪声器件，优化激光器的输出功率与电光调制器的偏置电压是降低微波光子链路噪声系数的有效方式。采用Ortel公司型号为1772的分布反馈型半导体激光器，鉴于激光器的高功率输出对应低的相对强度噪声的考虑，实验中让激光器工作在饱和输出功率下，后接一个可调光衰减器来改变注入调制器端的光功率；采用Convega公司的型号为LN058的低半波电压马赫-增德尔型强度调制器；采用Discovery Semiconductors公司型号为DSC40的 高线性光电探测器；采用Hittite公司型号为HMC406的低噪声微波放大器；使用6km SMF-28通信光纤作为延时线；其他无源器件均采用国产器件。

图2是本实用新型所涉采用互相关技术优化链路噪声系数的结构图。第一激光器11、第二激光器12、偏振控制器2、放大器4(优选低噪声微波放大器)、电光调制器3、光纤5、第一光电探测器61、第二光电探测器62、第一模/数转换器91、第二模/数转换器92、数字信号处理器7以及数/模转换器8。第一激光器11、第二激光器12并联，连接至偏振控制器2；偏振控制器2连接至电光调制器3的光输入端口；输入信号通过放大器4(低噪声微波放大器)进入电光调制器3的电输入端口；通过电光调制器3，输入光载波的幅度被输入的电信号进行幅度调制，然后进入光纤5传输；电光调制器3的输出端连接光纤5；光纤5的输出端口分两路，分别与第一光电探测器61和第二光电探测器62相连；两个光电探测器输出端分别与第一模/数转换器91和第二模/数转换器92相连接；两个模/数转换器并联数字信号处理器7；数字信号处理器7输出端连接数/模转换器8，最终实现信号输出。其中模/数转换器91，92、数字信号处理器7与数/模转换器8构成信号的“互相关处理”部分。模/数转换器91，92和数/模转换器8优选为高频模/数转换器和高频数/模转换器8。

本实用新型原理在于：第一激光器11、第二激光器12输出不同波长的相干单波长激光，通过偏振控制器2控制偏振方向输入至电光调制器3中，为电光调制提供两不同单波长激光光源；光源被通过低噪声微波放大器的输入电信号进行幅度调制后传送至光纤5，通过光纤5将信号传至目的地；已调制的光信号在第一光电探测器61和第二光电探测器62的输出端完成直接解调，还原至电信号，该电信号 包含待接收的有用信号与寄生噪声；两还原的电信号通过第一模/数转换器与第二模/数转换器实现模/数转换，转变为数字信号；然后通过数字信号处理器进行“互相关”处理，实现待接收有用信号“增强”，寄生噪声“消弱”的信号处理效果；互相关处理后的信号最后通过数/模转换器转换成模拟信号，实现最终输出。本实用新型采用“互相关”信号处理来提高光纤链路的噪声系数的原理在于：在本实用新型涉及的方案中，采用双激光器、双探测器结构，通过引入两个不相关的相对强度噪声(来自不同的激光器)与散弹噪声(来自两个不同的光电探测器)，在接收端进行“互相关”处理来抵UAN消光纤链路的噪声。

更进一步，设探测器61输出信号为S1＝C+N1，探测器62输出的信号为S2＝C+N2，C为待接收的有用信号，N1与N2分别为两路信号中的寄生噪声。显然，两路信号中的C来自同一信号源，故其相关；而两路信号中的噪声N1与N2来自不同的激光器与探测器，他们是不相关的，所以，通过互相关后，待接收的有用信号C相加得到加强，而两噪声N1与N2进行互相关后相互抵消削弱，最终降低了光纤链路的噪声系数。

即本实用新型通过引入两个不相关的RIN噪声(来自不同的激光器)与散弹噪声(来自不同的探测器)，在接收端通过互相关降低总的链路寄生噪声。进一步而言，设探测器61输出信号为S₁＝C+N₁，探测器62输出的信号为S₂＝C+N₂，C为为待接收的有用信号，N₁与N₂分别为两路信号中的寄生噪声。显然，两路信号中的C来自同一信号源，故其相关；而两路信号中的噪声N₁与N₂是不相关的，所以，通过互相关后，待接收的有用信号C得到加强，而两噪声N₁与N₂进行互相关后得到削弱。

实施例2

实施例1的装置适用于模拟信号的使用。需要说明的是，本实用新型涉及的装置同样适用于传输数字信号，在处理数字信号时，可去掉模/数转换器，直接将数字信号输入数字信号处理器进行“互相关”处理即可，显而易见，配套的数/模转换器亦可去掉。

实施例3

以下为降噪的实验数据：

图3给出了激光器输出功率为60mW时，调制器直流偏置电压对链路噪声系数的影响。黑色曲线是仿真数据，黑点数据为实测数据，总体而言，理论与实验数据能够很好地吻合。由图不难看出，随着偏置电压由0到V_π的增加，噪声系数呈现先降低后增加的趋势变化，在1.5V左右降到最低，称之为“低噪声系数”偏置电压区间。

图4给出了噪声系数与激光器功率大小的关系。取电光调制器的直流偏置电压分别为0.9、1.9与2.8V，逐渐增加激光器的输出功率大小。实线与实点分别是直流偏置电压为0.9、1.9与2.8V时对应的噪声系数仿真与实验数据。不难看出，当电光调制器输入光功率增大时，微波光链路的噪声系数随之减小并最终趋于饱和，所以适当地提高输入光功率是降低噪声系数的有效方式。

图5给出了前置低噪放增益对噪声系数的影响。放大器的噪声系数为3dB，电光调制器的输入光功率为80mW，电光调制器的直流偏置角为45度，电光调制器的半波电压为3.2V。黑色曲线与实点分别为仿真与实验数据，不难看出，放大器的增益从0增大到200时，链路的噪声系数明显减小，从32dB下降到了10dB以下。

图6给出了互相关次数对链路噪声系数的影响，随着互相关次数的增加，链路的噪声系数得到降低，当互相关次数达到200次以后， 噪声系数的降低量达到饱和值，噪声系数值接近7dB。

综上所述，采用传统方案，链路的噪声系数下降到10dB左右；结合本实用新型所涉的技术方案，采用互相关技术，链路的噪声系数得到3dB改善。

本实用新型也可使用更多的激光器和光电探测器进行互相关操作，即采用多激光器-多光探测器结构，进行互相关操作。

上述仅为本实用新型的一个具体导向实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型的保护范围的行为。