本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數(shù)的方法與裝置。

背景技術(shù)：

名詞解釋：

在信號(hào)處理領(lǐng)域中，互相關(guān)(有時(shí)也稱為“互協(xié)方差”)是用來(lái)表示兩個(gè)信號(hào)之間相似性的一個(gè)度量，通常通過(guò)與已知信號(hào)比較用于尋找未知信號(hào)中的特性。它是兩個(gè)信號(hào)之間相對(duì)于時(shí)間的一個(gè)函數(shù)，有時(shí)也稱為滑動(dòng)點(diǎn)積，是通信、模式識(shí)別以及密碼分析學(xué)等領(lǐng)域常用的一種數(shù)字信號(hào)處理方式。

傳統(tǒng)微波鏈路是許多商用與軍用通信系統(tǒng)的重要組成部分，能在航空航天、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、高頻通信、遙感遙測(cè)以及精確測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。然而，隨著傳輸距離的增加，電纜與波導(dǎo)等傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)的插入損耗迅速增加，特別在微波、毫米波頻段，大插損的瓶頸對(duì)微波鏈路的限制越來(lái)越明顯,典型同軸電纜在X波段損耗要高于1.8dB/m(1.8×10³dB/Km)，而商用SMF-28通信光纖在1.5um波長(zhǎng)處損耗僅接近0.2dB/Km。

模擬光纖鏈路是解決傳統(tǒng)微波鏈路大插損瓶頸的最佳方式，特別適合于長(zhǎng)距離傳輸。典型的強(qiáng)度調(diào)制-直接解調(diào)(Intensity Modulation–Direct Demodulation，IM-DD)光鏈路已經(jīng)在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、精確測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其基本原理在于：輸入端電信號(hào)對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，已調(diào)光信號(hào)通過(guò)光纖傳送到接收端，然后通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行平方律檢波還原該電信號(hào)。由于光纖的低損耗，采用光纖鏈路來(lái)傳送或者處理電信號(hào)時(shí)能夠克服傳統(tǒng)微波鏈路大插損的缺點(diǎn)。不僅如此，光鏈路還具有體積輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，具有光明的應(yīng)用前景。

模擬光纖鏈路是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)之后，再采用低損耗光纖傳輸，最后再通過(guò)光電探測(cè)器還原電信號(hào)，屬于典型的有源模塊，勢(shì)必會(huì)引入噪聲，所以，降低鏈路的噪聲系數(shù)是光纖鏈路應(yīng)用的重要前提。傳統(tǒng)降低噪聲系數(shù)的方法局限于優(yōu)化激光器的強(qiáng)度、電光調(diào)制器的半波電壓與偏置電壓等模塊參數(shù)，又或是更換更高性能指標(biāo)的模塊；本發(fā)明采用互相關(guān)技術(shù)，能從本質(zhì)上抵消鏈路的噪聲，最終降低鏈路的噪聲系數(shù)。不僅如此，該方法還可兼容其它傳統(tǒng)方法應(yīng)用，進(jìn)一步降低噪聲系數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數(shù)的方法與裝置。本發(fā)明通過(guò)引入雙激光器-雙光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，采用互相關(guān)技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，使得“相關(guān)”的有用信號(hào)得到加強(qiáng)；“非相關(guān)”的寄生噪聲得到消弱，最終降低光纖鏈路的噪聲系數(shù)。

為達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數(shù)的方法，包括如下步驟：

至少兩種不同波長(zhǎng)的激光經(jīng)過(guò)相同的調(diào)制后，分別被對(duì)應(yīng)的光探測(cè)器接收并解調(diào)還原為電信號(hào)，如輸入為模擬信號(hào),則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行互相關(guān)處理，將電信號(hào)中相關(guān)的部分進(jìn)行加強(qiáng)，將電信號(hào)中不相關(guān)的部分進(jìn)行削弱，降低模擬光鏈路的噪聲系數(shù)，最后再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出；如輸入為數(shù)字信號(hào)，則直接進(jìn)行互相關(guān)處理而無(wú)須進(jìn)行“模/數(shù)”與“數(shù)/?！鞭D(zhuǎn)換，將電信號(hào)中相關(guān)的部分進(jìn)行加強(qiáng)，將電信號(hào)中不相關(guān)的部分進(jìn)行削弱，最終提高數(shù)字光纖鏈路的信噪比。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述互相關(guān)處理由互相關(guān)處理系統(tǒng)進(jìn)行；

若輸入電信號(hào)為模擬信號(hào)，則互相關(guān)處理系統(tǒng)包括分別與光探測(cè)器連接的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行互相關(guān)處理，然后再通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出；

若輸入電信號(hào)為數(shù)字信號(hào)則互相關(guān)處理系統(tǒng)為數(shù)字信號(hào)處理器。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述激光由激光器發(fā)出，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器分別發(fā)射不同單色光波長(zhǎng)的激光，激光通過(guò)偏振控制器控制偏振方向輸入至電光調(diào)制器中，為電光調(diào)制器提供兩不同單波長(zhǎng)激光光源；光源被通過(guò)放大器的輸入電信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制后通過(guò)光纖分別傳遞到第一光探測(cè)器和第二光探測(cè)器解調(diào)還原為電信號(hào)，形成雙激光器-雙光探測(cè)器結(jié)構(gòu)；雙激光器-雙光探測(cè)器結(jié)構(gòu)與互相關(guān)處理系統(tǒng)相連；

若電信號(hào)為模擬信號(hào)，則互相關(guān)處理系統(tǒng)包括與第一光探測(cè)器相連的第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和與第二光探測(cè)器相連的第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字型號(hào)后輸入數(shù)字信號(hào)處理器，進(jìn)行互相關(guān)處理，將兩種電信號(hào)中相關(guān)的部分進(jìn)行加強(qiáng)，將兩種電信號(hào)中不相關(guān)的部分進(jìn)行削弱，然后再通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出；

若電信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，互相關(guān)處理系統(tǒng)為數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器將兩種數(shù)字信號(hào)中相關(guān)的部分進(jìn)行加強(qiáng)，將兩種電信號(hào)中不相關(guān)的部分進(jìn)行削弱，然后實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。

一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數(shù)的裝置，包括至少兩個(gè)發(fā)射不同單色光波長(zhǎng)的激光器和分別與激光器對(duì)應(yīng)的光探測(cè)器；光探測(cè)器連接有互相關(guān)處理系統(tǒng)。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述激光器包括并聯(lián)的第一激光器和第二激光器；第一激光器和第二激光器發(fā)射的激光通過(guò)偏振控制器控制偏振方向輸入至電光調(diào)制器，電光調(diào)制器連接有放大器，電光調(diào)制器通過(guò)光纖連接與第一激光器配合的第一光探測(cè)器和與第二激光器配合的第二光探測(cè)器，形成雙激光器-雙光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，雙激光器-雙光探測(cè)器結(jié)構(gòu)連接有互相關(guān)處理系統(tǒng)。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述互相關(guān)處理系統(tǒng)包括分別與光探測(cè)器相連的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器連接數(shù)/模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器為高頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為高頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述互相關(guān)處理系統(tǒng)為數(shù)字信號(hào)處理器。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述激光器均連接有可調(diào)光衰減器。

本發(fā)明的技術(shù)方案在于：通過(guò)引入雙激光器-雙光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，采用互相關(guān)技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，使得“相關(guān)”的有用信號(hào)得到加強(qiáng)；“非相關(guān)”的寄生噪聲得到消弱，最終降低模擬光纖鏈路的噪聲系數(shù)。

本發(fā)明的有益特點(diǎn)在于：通過(guò)互相關(guān)信號(hào)處理方式，從本質(zhì)上抵消光纖鏈路的寄生噪聲，最終實(shí)現(xiàn)降低鏈路噪聲系數(shù)的效果；不僅如此，本發(fā)明所涉技術(shù)能夠兼容傳統(tǒng)優(yōu)化鏈路噪聲系數(shù)的方案，突破傳統(tǒng)方案的技術(shù)瓶頸。

附圖說(shuō)明

圖1是商用模擬光纖鏈路的基本結(jié)構(gòu)；

圖2是偏置電壓優(yōu)化鏈路的噪聲系數(shù)；

圖3是調(diào)整光功率大小優(yōu)化鏈路的噪聲系數(shù)；

圖4是調(diào)整前置低噪放增益優(yōu)化鏈路的噪聲系數(shù)；

圖5是本發(fā)明所涉采用互相關(guān)技術(shù)優(yōu)化鏈路噪聲系數(shù)的結(jié)構(gòu)圖；

圖6是互相關(guān)次數(shù)對(duì)鏈路噪聲系數(shù)的影響。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施方式并且結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作具體說(shuō)明。

實(shí)施例1

參照?qǐng)D1，示出商用模擬光纖鏈路的基本結(jié)構(gòu)。鏈路主要包括一個(gè)激光器1，提供被調(diào)制光源；一個(gè)偏振控制器2，用于控制激光的偏振方向；一個(gè)電光調(diào)制器3，實(shí)現(xiàn)微波-光轉(zhuǎn)換；一個(gè)放大器4(優(yōu)選低噪音放大器)，用于放大輸入信號(hào)、級(jí)聯(lián)光纖鏈路(即光纖5)，降低整個(gè)鏈路的噪聲系數(shù)；一個(gè)光電探測(cè)器6，實(shí)現(xiàn)光-微波轉(zhuǎn)換。通過(guò)電光調(diào)制器將電信號(hào)調(diào)制到光載波的幅度上，在光纖中傳輸后在光電探測(cè)器輸出端還原成電信號(hào)。對(duì)于典型的強(qiáng)度調(diào)制-直接解調(diào)微波光鏈路，其噪聲系數(shù)可表示為

$F=1+\frac{k_{B}T+2{\mathrm{qI}}_{dc}{Z}_L+{{\mathrm{RINI}}_{dc}}^2{Z}_L}{{\left(I_{dc}sin\right({\mathrm{\φ}}_b\left)\frac{\mathrm{\π}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)}^2{Z}_L{Z}_{in}{k}_{B}T}---\left(1\right)$

其中k_B＝1.38×10^-23J/K，是玻爾茲曼常數(shù)；T為實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度；q是單位電子帶電量；I_dc為探測(cè)器平均光電流；RIN是激光器(LD)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲系數(shù)；Z_L為匹配阻抗；φ_b為電光調(diào)制器的直流偏置角，V_π為調(diào)制器的半波電壓，Z_in為鏈路的輸入阻抗。一般采用分貝單位制來(lái)表示，即NF＝10log F。除了采用低噪聲器件，優(yōu)化激光器的輸出功率與電光調(diào)制器的偏置電壓是降低微波光子鏈路噪聲系數(shù)的有效方式。采用Ortel公司型號(hào)為1772的分布反饋型半導(dǎo)體激光器，鑒于激光器的高功率輸出對(duì)應(yīng)低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲的考慮，實(shí)驗(yàn)中讓激光器工作在飽和輸出功率下，后接一個(gè)可調(diào)光衰減器來(lái)改變注入調(diào)制器端的光功率；采用Convega公司的型號(hào)為L(zhǎng)N058的低半波電壓馬赫-增德?tīng)栃蛷?qiáng)度調(diào)制器；采用Discovery Semiconductors公司型號(hào)為DSC40的高線性光電探測(cè)器；采用Hittite公司型號(hào)為HMC406的低噪聲微波放大器；使用6km SMF-28通信光纖作為延時(shí)線；其他無(wú)源器件均采用國(guó)產(chǎn)器件。

圖2給出了激光器輸出功率為60mW時(shí)，調(diào)制器直流偏置電壓對(duì)鏈路噪聲系數(shù)的影響。黑色曲線是仿真數(shù)據(jù)，黑點(diǎn)數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總體而言，理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠很好地吻合。由圖不難看出，隨著偏置電壓由0到V_π的增加，噪聲系數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)變化，在1.5V左右降到最低，稱之為“低噪聲系數(shù)”偏置電壓區(qū)間。

圖3給出了噪聲系數(shù)與激光器功率大小的關(guān)系。取電光調(diào)制器的直流偏置電壓分別為0.9、1.9與2.8V，逐漸增加激光器的輸出功率大小。實(shí)線與實(shí)點(diǎn)分別是直流偏置電壓為0.9、1.9與2.8V時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不難看出，當(dāng)電光調(diào)制器輸入光功率增大時(shí)，微波光鏈路的噪聲系數(shù)隨之減小并最終趨于飽和，所以適當(dāng)?shù)靥岣咻斎牍夤β适墙档驮肼曄禂?shù)的有效方式。

圖4給出了前置低噪放增益對(duì)噪聲系數(shù)的影響。放大器的噪聲系數(shù)為3dB，電光調(diào)制器的輸入光功率為80mW，電光調(diào)制器的直流偏置角為45度，電光調(diào)制器的半波電壓為3.2V。黑色曲線與實(shí)點(diǎn)分別為仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不難看出，放大器的增益從0增大到200時(shí)，鏈路的噪聲系數(shù)明顯減小，從32dB下降到了10dB以下。

圖5是本發(fā)明所涉采用互相關(guān)技術(shù)優(yōu)化鏈路噪聲系數(shù)的結(jié)構(gòu)圖。第一激光器11、第二激光器12、偏振控制器2、放大器4(優(yōu)選低噪聲微波放大器)、電光調(diào)制器3、光纖5、第一光電探測(cè)器61、第二光電探測(cè)器62、第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器91、第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器92、數(shù)字信號(hào)處理器7以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8。第一激光器11、第二激光器12并聯(lián)，連接至偏振控制器2；偏振控制器2連接至電光調(diào)制器3的光輸入端口；輸入信號(hào)通過(guò)放大器4(低噪聲微波放大器)進(jìn)入電光調(diào)制器3的電輸入端口；通過(guò)電光調(diào)制器3，輸入光載波的幅度被輸入的電信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，然后進(jìn)入光纖5傳輸；電光調(diào)制器3的輸出端連接光纖5；光纖5的輸出端口分兩路，分別與第一光電探測(cè)器61和第二光電探測(cè)器62相連；兩個(gè)光電探測(cè)器輸出端分別與第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器91和第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器92相連接；兩個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)數(shù)字信號(hào)處理器7；數(shù)字信號(hào)處理器7輸出端連接數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換器91，92、數(shù)字信號(hào)處理器7與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8構(gòu)成信號(hào)的“互相關(guān)處理”部分。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器91，92和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8優(yōu)選為高頻模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和高頻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8。

本發(fā)明原理在于：第一激光器11、第二激光器12輸出不同單色光波長(zhǎng)的激光，通過(guò)偏振控制器2控制偏振方向輸入至電光調(diào)制器3中，為電光調(diào)制提供兩不同單波長(zhǎng)激光光源；光源被通過(guò)低噪聲微波放大器的輸入電信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制后傳送至光纖5，通過(guò)光纖5將信號(hào)傳至目的地；已調(diào)制的光信號(hào)在第一光電探測(cè)器61和第二光電探測(cè)器62的輸出端完成直接解調(diào)，還原至電信號(hào)，該電信號(hào)包含待接收的有用信號(hào)與寄生噪聲；兩還原的電信號(hào)通過(guò)第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行“互相關(guān)”處理，實(shí)現(xiàn)待接收有用信號(hào)“增強(qiáng)”，寄生噪聲“消弱”的信號(hào)處理效果；互相關(guān)處理后的信號(hào)最后通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)最終輸出。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明涉及的裝置同樣適用于傳輸數(shù)字信號(hào)，在處理數(shù)字信號(hào)時(shí)，可去掉模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接將數(shù)字信號(hào)輸入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行“互相關(guān)”處理即可，顯而易見(jiàn)，配套的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器亦可去掉。

本發(fā)明采用“互相關(guān)”信號(hào)處理來(lái)提高光纖鏈路的噪聲系數(shù)的原理在于：在本發(fā)明涉及的方案中，采用雙激光器、雙探測(cè)器結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入兩個(gè)不相關(guān)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(來(lái)自不同的激光器)與散彈噪聲(來(lái)自兩個(gè)不同的光電探測(cè)器)，在接收端進(jìn)行“互相關(guān)”處理來(lái)抵UAN消光纖鏈路的噪聲。

更進(jìn)一步，設(shè)探測(cè)器61輸出信號(hào)為S1＝C+N1，探測(cè)器62輸出的信號(hào)為S2＝C+N2，C為待接收的有用信號(hào)，N1與N2分別為兩路信號(hào)中的寄生噪聲。顯然，兩路信號(hào)中的C來(lái)自同一信號(hào)源，故其相關(guān)；而兩路信號(hào)中的噪聲N1與N2來(lái)自不同的激光器與探測(cè)器，他們是不相關(guān)的，所以，通過(guò)互相關(guān)后，待接收的有用信號(hào)C相加得到加強(qiáng)，而兩噪聲N1與N2進(jìn)行互相關(guān)后相互抵消削弱，最終降低了光纖鏈路的噪聲系數(shù)。

即本發(fā)明通過(guò)引入兩個(gè)不相關(guān)的RIN噪聲(來(lái)自不同的激光器)與散彈噪聲(來(lái)自不同的探測(cè)器)，在接收端通過(guò)互相關(guān)降低總的鏈路寄生噪聲。進(jìn)一步而言，設(shè)探測(cè)器61輸出信號(hào)為S₁＝C+N₁，探測(cè)器62輸出的信號(hào)為S₂＝C+N₂，C為待接收的有用信號(hào)，N₁與N₂分別為兩路信號(hào)中的寄生噪聲。顯然，兩路信號(hào)中的C來(lái)自同一信號(hào)源，故其相關(guān)；而兩路信號(hào)中的噪聲N₁與N₂是不相關(guān)的，所以，通過(guò)互相關(guān)后，待接收的有用信號(hào)C得到加強(qiáng)，而兩噪聲N₁與N₂進(jìn)行互相關(guān)后得到削弱。

圖6給出了互相關(guān)次數(shù)對(duì)鏈路噪聲系數(shù)的影響，隨著互相關(guān)次數(shù)的增加，鏈路的噪聲系數(shù)得到降低，當(dāng)互相關(guān)次數(shù)達(dá)到200次以后，噪聲系數(shù)的降低量達(dá)到飽和值，噪聲系數(shù)值接近7dB。

綜上所述，采用傳統(tǒng)方案，鏈路的噪聲系數(shù)下降到10dB左右；結(jié)合本發(fā)明所涉的技術(shù)方案，采用互相關(guān)技術(shù)，鏈路的噪聲系數(shù)得到3dB改善。

本發(fā)明也可使用更多的激光器和光電探測(cè)器進(jìn)行互相關(guān)操作，即采用多激光器-多光探測(cè)器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行互相關(guān)操作。

本發(fā)明也可用于傳輸數(shù)字信號(hào)，采用互相關(guān)方案來(lái)降低鏈路噪聲，最終提高輸出信號(hào)的信噪比。

上述僅為本發(fā)明的一個(gè)具體導(dǎo)向?qū)嵤┓绞剑景l(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明的保護(hù)范圍的行為。