用于通信卫星的宽带微波光子链路性能研究与验证 ①

蒋 炜，李小军，和新阳，龚静文，张 武

(中国空间技术研究院西安分院，空间微波技术重点实验室，西安 710000)

0 引言

随着卫星宽带通信技术的发展，传统的全球波束天线和区域波束天线越来越难以适应未来宽带通信卫星的大带宽通信、多用户接入及多类型服务的需求。多波束天线能够以高增益覆盖较大地面区域，并且能根据需要调整波束形状，在卫星通信中得到越来越广泛的应用。此外，卫星上使用多波束天线可实现波束空间隔离和极化隔离，实现多重频率复用，进而加大可用带宽，大幅度提高通信容量，使有限的频谱资源得到更为有效的利用。未来卫星宽带系统将会提供数十个天线波束的上百个射频通道接入服务，同时还可根据需要实现诸如广播、通信、数据传输等不同服务类型的多格式多频段宽带信号的接收与中继。然而，在当前通信卫星任务中，大量波束的采用使得传统的微波通信技术不能满足宽带通信、多波束接入及多链路通信同时处理的需求，因此急需开展新型通信技术，利用现有卫星平台资源，在实现卫星通信宽带信号传输、处理及转发的同时，减轻有效载荷线缆和单元部件的体积、重量和功耗，同时具有良好的电磁兼容性。

微波光子技术具有宽带、灵活接入、透明数据传输及处理、无电磁干扰、低重量小型化等诸多优点，在诸多领域均有广泛的应用。其中，微波光子链路广泛应用于诸如射频信号生成与馈送、电子战和通信卫星系统中。随着宽带宽、大容量、高灵活性卫星通信需求的发展，微波光子链路通信技术正成为宽带通信卫星载荷和星间链路通信的一项关键技术。这就要求基于微波光子技术的新型通信卫星载荷具有可实现宽带大容量多类型信号接收与转发的功能。在采用微波光子技术的宽带通信卫星中，从地面站接收到的多频段、多带宽、多格式微波信号直接调制到光载波上后，在光域完成放大、传输及接收处理，在数据吞吐量很大的情况下，该方式可避免使用极大提高系统复杂度的基带信号调制/解调、模数变换/数模变换等传统电子技术。

对宽带通信卫星而言，其工作频率涵盖S、C、Ku和Ka频段，可实现多路广播、高质量通信及高速数据传输等诸多功能。由于调制在光载波上的射频信号具有高频宽带特性，因此需要基于外调制的微波光子系统来实现多频段微波信号的接收及转发。此时，噪声系数(Noise Figure,NF)、系统线性特性及宽带信号传输特性就成为表征系统性能的主要因素。本文在铌酸锂调制器的基础上，给出了一种可以实现多类别信号接收及中继转发的宽带通信卫星载荷结构，并在此基础上对面向通信卫星的宽带微波光子系统的性能进行了详尽的分析与验证。

1 面向宽带通信卫星的微波光子通信载荷

图1所示为采用微波光子技术的宽带通信卫星载荷的典型应用场景，该场景主要包括三个部分：上行多频段、多带宽、多格式微波链路，基于微波光子技术的中继转发宽带通信卫星，以及下行微波链路。其中宽带通信卫星转发系统可实现多类型宽带微波信号的合成及电光调制，并根据用户需求进行相应的路由。

图1 采用微波光子技术的宽带通信卫星载荷典型应用场景

图2所示为采用微波光子技术的宽带通信卫星载荷配置原理结构图，该结构在采用传统的微波高功率发射及多路信号合成的基础上，在中间部分引入光学技术进行多频段射频信号的光调制、光域射频信号宽带接收及转发。该宽带通信卫星载荷可实现大量波束的接入、交叉互联及转发，与具有相同系统功能的传统微波通信载荷相比，该结构可大大节省载荷重量，提高系统互联性。

图2 采用微波光子技术的宽带通信卫星载荷配置原理结构图

对宽带通信卫星而言，卫星天线接收到的信号涵盖S/C/Ku/Ka等诸多频段，其频率跨度很大，因此必须在链路预算之初对系统宽带传输参数及性能进行评估与验证。在宽带卫星通信尤其是星间卫星通信时，自由空间损耗是影响宽带通信卫星载荷性能的一个重要因素，其可由发射光学天线和接收光学天线增益来补偿一部分。在地面验证实验中，假定模拟的空间传输距离为30000公里，发射天线和接收天线的口径均为250mm，调制损耗为6dB。考虑到自由空间损耗的进一步补偿，需要在发射端增加功率放大器提高发射功率，在接收端增加前置放大器提高光电转换前的接收功率。整个星间微波光子链路的具体指标参数如表1所示。

本文基于采用微波光子技术的宽带通信卫星载荷，建立了相应的宽带光纤通信系统，其中光功率放大、空间光衰减和光前置放大组成的微波光子空间传输模拟单元用于模拟星间卫星通信系统中功率放大器、自由空间损耗与光学天线增益、前置放大器的共同作用，通过该宽带光纤通信系统完成适于通信卫星的宽带微波光子链路性能分析与验证测试。

2 面向通信卫星的宽带微波光子链路性能测试与分析

如上所述，宽带通信卫星有效载荷的微波光子系统主要完成多频段微波信号的接收与中继转发，需要对其所涉及的诸如噪声系数、系统线性特性及宽带信号传输特性等进行详尽的分析研究。为了验证面向通信卫星的宽带微波光子性能，建立了图2所示的相关实验装置。激光源输出波长为1550nm、功率为18.8dBm的连续波送至外调制器，外调制器的半波电压为6V，插入损耗为3dB。在实验中，S、C、Ku和Ka频段的射频信号经宽带微波合路器合成为一路后送至外调制器进行电光转换，外调制器输出光信号经过光功率放大、空间衰减及光前置放大后送至光电探测器探测进行光电转换，光电探测器的响应度为0.65A/W，光电探测器输出电信号再由宽带微波分路器输出相应的S、C、Ku和Ka射频信号。其中光电探测器的接收光功率为11.3dBm。

表1 星间微波链路光子链路预算

2.1 噪声系数仿真与分析

噪声系数定义为链路输入信噪比与输出信噪比之间的比值。噪声系数可理解为经过整个链路之后的输入信噪比恶化程度。噪声系数的表达式为：

(1)

式中，NF为噪声系数，Nout为链路输出噪声，G为链路增益，Nin为输入噪声，κ为波尔兹曼常数，T为开尔文温度。NF与探测器接收功率之间的关系曲线如图3所示。

图3 噪声系数与探测器输出光电流函数关系曲线

当光源输出光功率为18.8dBm,外调制器的半波电压为6V时，不同RIN下噪声系数与调制器直流偏置函数关系曲线如图4所示。从图中可以看出，随直流偏置电压引起的相移变化增大，微波射频

信号的噪声系数先减小后增大。此外，在载波抑制点附近均有一对应的最佳偏置点，使微波光子链路的噪声系数最小。结果表明整个链路的噪声系数低于35dB，且当施加在外调制器的直流偏置电压偏离正交点1.74V时，噪声系数达到最佳值。

图4 不同RIN下噪声系数与调制器直流偏置函数关系曲线

表2所示为基于微波光子技术的宽带通信系统噪声系数测试结果，其中输入射频信号功率为0dBm。从图可以看出，链路噪声系数随输入射频信号频率的增加而增加，S频段的链路噪声系数为31dB，C频段的链路噪声系数为32dB，Ku频段的链路噪声系数为34dB，Ka频段的链路噪声系数为39dB，所有的试验测试结果与理论分析结果基本一致。

表2 宽带通信系统噪声系数测试结果

频率(GHz)放大器噪声系数(dB)放大器增益(dB)链路噪声系数(级联放大器)(dB)链路增益(级联放大器)(dB)被测组件噪声系数(dB)14.104.0723.9511.2321.0934.254115.874.5324.6311.2123.1934.791317.645.2624.0312.3922.2735.486519.416.6324.7413.8221.8837.640321.187.4525.5914.2621.8238.835422.958.5324.3315.3620.4238.680624.728.2425.0215.3118.9539.381226.56.3027.4711.1823.4736.9434

2.2 系统线性特性测试与分析

基于微波光子技术的宽带通信测试系统线性特性可用来表征最佳输入射频信号功率范围与光功率工作范围。在系统线性工作区内，系统输出射频信号功率与输入射频信号功率成线性关系。系统线性度越好，系统性能就越好，系统调制灵敏度和解调灵敏度就越高。基于微波光子技术的宽带通信测试系统所测得的不同输出输入射频信号功率及不同光功率下的射频输出信号功率曲线如图5所示。从图5可以看出，输入射频信号功率越大，光源输出光功率越高，系统线性特性就越好。此外，系统的调制灵敏度和解调灵敏度随射频信号工作频率的提高而降低。

(a) S频段(2GHz)输入下 (b) C频段(6GHz)输入下

2.3 系统传输性能测试与分析

系统传输性能表征包括射频增益和系统误码率两个因素。图6所示为不同光源光功率下多载波射频增益测试结果。图6(a)所示为输入射频信号频率为6GHz，功率为-30dBm下的输入信号的电频谱。图6(b)所示为光源光功率为11.3dBm下的输出射频信号频谱，系统射频增益为3dB。图6(c)所示为光源光功率为0dBm下的输出射频信号频谱，系统射频增益为-15dB。图6(d)所示为光源光功率为-15dBm下的输出射频信号频谱，系统射频增益为-50dB。从图6可以看出，当光源光功率低于-15dBm时，输入的射频微波信号可得到有效的微波光子调制解调。测试结果表明，光电探测器探测到的光信号在解调灵敏度以上时，光源光功率越高，系统射频增益就越大。

(a) C频段多载波射频输入信号频谱 (b) 光源光功率为11.3dBm时输出信号频谱

表3给出了不同光源光功率和不同输入射频信号功率下的系统传输误码率测试结果。从表中可以看出，在输入射频信号功率相同的情况下，系统传输误码率随光源光功率的下降而增大。在光源光功率相同的情况下，系统传输误码率随输入射频信号功率的下降而增大。在C频段情况下，当光源光功率为-3dBm，输入射频信号功率为-20dBm时，系统传输误码率为2E-3。在Ka频段情况下，当光源光功率为0dBm，输入射频信号功率为-20dBm时，系统传输误码率为2.90E-3。测试结果表明光源光功率越高，输入射频信号功率越大，系统传输误码率就越低。

表3(a) C波段误码率测试结果

表3(b) Ka波段误码率测试结果

3 结束语

面向未来复杂多波束天线、成百上千接收及转发通道、大数据容量及高带宽通信卫星应用，本文给出了基于微波光子技术的宽带通信卫星载荷配置结构，建立了相应的测试系统，并对其宽带微波光子性能进行了详尽的评估分析验证。测试结果表明系统性能可满足新型通信卫星对多频段多格式微波信号传输及中继转发的需求。在系统线性特性测试中，当输入射频信号功率高于-40dBm且光源输出光功率优于-10dBm时，整个测试系统具有良好的宽带线性特性，当光源光功率在-15dBm以下时，系统非线性特性凸显。在系统传输性能测试中，光源光功率优于0dBm，输入射频信号功率高于-40dBm时，系统传输误码率可满足卫星通信需求。该系统的线性特性及传输性能与调制灵敏度和解调灵敏度密切相关。另外，系统噪声系数测试结果表明基于微波光子技术的宽带通信系统具有较高的噪声系数，在新型宽带微波光子通信卫星载荷应用中，需要在宽带微波光子链路前端引入低噪声放大器以降低整个系统的噪声系数。