基于光电振荡器的射频信号接收技术分析

2021-12-31刘鑫

科学与信息化 2021年10期

刘鑫

中国电子科技集团公司第三十四研究所广西桂林 541000

前言

在传统的电子学技术基础上发展起来的射频信号感知以及接收系统的构建，过程较为复杂。会在使用的过程中面临着带宽窄、高频高损以及频响不平坦等诸多的问题，因此就成为电子领域的发展瓶颈。在现阶段科学技术的发展过程中，对于高频宽带信号接收提出了越来越高的要求。而微波光子技术的出现，就很好的弥补上述缺陷，满足人们的实际需求。

1 光电振荡器

在光电振捣器的设计中，由于使用的是一些低损、大延时的光电反馈结构，就使得在实际的使用过程中，能够形成高品质因素的闭环回路。这样可以有效实现高频谱纯度、低相噪的振荡信号，这是一种有着较大潜力的本振源。

为了对光电振荡器进行深入的研究，与此同时对射频感知以及接收系统进行了解，就需要首先对其工作机制以及相噪特性进行了解。

1.1 阈值条件

在本文的分析中，主要以单环光电振荡器为例对阈值条件进行了分析，环路的初始信号主要来自原元器件的噪声。而在内部结构上主要使用的是相位条件，同时还存在放大器，此部位可以有效提供环路，以此达到相应的增益效果。在充分的满足了相位条件之后，便可以在增益带宽的情况下有效地在微弱信号的环境中通过多次循环提升功率。另一方面，伴随着功率方面的提升，也会使系统的非线性特征得到发挥，从而让环路实现增益方面的压缩。而在这种增益的效果趋近到1的时候，系统产生的震荡就会处于稳定的状态。在本文的分析过程中，就基于准线性的角度，对其光电振荡器的动态特性以及相噪模型进行相应的分析。在这样的方法下，可以有效得出振捣信号的信号幅度，从而就可以在未来的分析中，可以很好地推导出广电振捣器的功率频谱密度。从而将密度数值应用到具体的分析过程中，为以光电振荡器为基础的射频信号接收效果的改善提供保证[1]。

1.2 频谱特性

在光电振荡器的噪声方面，主要分析的使热噪声、闪烁噪声、散粒噪声，以及在激光器的运行中出现的相对强度噪声。为此，在进行分析的过程中，需要有效地将其数据都输入到噪声功率频谱当中，以此推断出振捣信号的功率谱密度。

1.3 相位噪声

产生的相位噪声，是一种对于震荡信号频谱质量进行评估的重要评估标准。这一评估标准在光电振荡器的研究过程中，特别是针对高频谱纯度计算以及对一些低相噪的电信号进行研究的过程中，可以起到十分重要的作用。

在模型的建立中，仅仅是需要白噪声进行考量，并且并没有对其相位噪声进行客观的描述。这是由于在光电振荡器当中有着一定的频率噪声，例如出现闪烁噪声等噪声，这就成为影响因素。

而在反馈型的振荡器当中产生的相位噪声，便可以有效利用Leeson进行表达。对于这种模型而言，可以很好地对于反馈式振动器当中的输入噪声以及振捣器的频谱逆行分析。

2 光电振荡器的射频信号接收技术

2.1 主要性能指标

在广电射频接收机的性能方面，主要体现在变频增益、噪声系数以及无杂散动态范围。因此就需要在分析的过程中能够针对这三方面进行详细的研究。

对于变频增益而言，是一种在光子射频接收机当中对于输入射频信号进行衡量的重要参数。在当下光子链路当中所使用的调制器，在进行电光调制的过程中效率始终不佳，而光子混频的过程则是利用调制射频以及本振光边带进行拍频的过程，但是这样的光电探测器在运行的过程中电光转换效率较低，为此，就使得光子接收机的变频效率也较低。为了解决这样的问题，就在系统当中加入了光放大器，对其进行增益补偿。同时，还需要在使用的过程中，使用半波电压较小同时光插损较低的调制器，确保两者能够提供较高的响应度，这样的设备便可以在运行的过程中提升系统的整体变频效率。在光电探测器的使用中，其形成的光电转换是一种基于平方律检波的原理。因此，其系统当中的输出电流与输入光功率平方成正比例，在避免光电探测器输入功率区域饱和的情况下，就需尽可能提升广电探测器的输入光功率，以此可以很好地提升系统的变频增益效果。

在光子射频接收机系统当中，主要存在着三个不同的噪声源，分别为热噪声、散粒噪声以及相对强度噪声。对于这三种不同的噪声而言，都相互独立。其中热噪声主要是由于在系统的运行过程中电阻元件出现了热运动，使得在调制器或者系统当中的半导体激光器内部出现了阻抗，并且包含着电阻性元件。热噪声是一种系统固有噪声的重要组成，而对于散粒噪声而言则是一种量子噪声，是在系统运行的过程中由光电二极管所发出的一些固有噪声，原理是由于光电在转换的过程中所存在的间断性所导致的。而在强度噪声方面，是由于在系统的运行过程中激光器在输出功率上存在的随机抖动现象，之后再加上光子自发，或者受到了随机辐射的作用产生了电流的抖动，以此形成了强度噪声[2]。

2.2 主动连锁原理以及实验

在光纤激光器的使用过程中，主要使用的是泵浦光辅助，以此形成增益光纤，例如使用光滤波器。在光纤结构可以有效的构成一个良好的环形回路。同时由于在光纤激光器在实际的运行过程中，会受到环增益以及相位匹配条件方面的影响，导致其激光器内部结构上可以满足震荡条件，使得在多个模式当中都可以进行同时震荡。而在处于初始状态中的时候，对于不同的震荡模式都会自由进行独立的运转，而对各个模式而言，其相位也会随机进行发生变化，使得各个纵模之间，不需要确定出明确的幅度，以及相位的关系。

基于上述讨论，为了有效保证在进行分析的过程中可以观察到未锁模以及锁模光纤激光器当中的时域脉冲特性，则需要在实际的仿真试验当中将其间隔为1MHz。在纵模的个数设定为10的时候，其未锁模的激光器中的光脉冲串个数有着很多，而在幅度以及时间方面都有着不均匀的效果。在最大幅值方面，都在40以内。这样的问题，就是由于在激光腔内的不同纵模相位互相无关。

同时，在进行试验分析的过程中，有着一系列的1ms左右的间隔，使得光脉冲的峰值在100左右。而在频率间隔以及功率分布方面，始终保持在较为合理的程度上。因此，在最终的情况下保持着相对稳定的相干叠加，而在最终的时域上表现为超短脉冲。

2.3 基于主动锁模光纤激光器的射频信号放大

在上述的研究过程中，主要是基于主动谐波锁模的试验分析，在MZM进行射频信号的频率施加之后，其光纤激光环上基本可以保证基频与其整数都保持着一致的效果。因此，在光纤激光器的使用过程中，就需要进行谐波锁模的处理。而在特定的条件中，一旦输入射频信号频率较低的情况下，其锁模后的光场拍频就会产生较高的功率输出，所以还需要对其进行进一步的研究以及分析[3]。

2.4 实验分析

在上述的研究过程中，主要针对光纤激光器的主动连锁原理进行了详细的分析，以此证明了激光器锁模，以及未锁模的状态下可以有效实现光纤激光器锁模增益的方式。在分析的过程中，基于主动锁模光纤激光器的射频技术的研究过程发现，在仿真实验的作用下能够提出进一步的验证以及分析。此外，本文还基于光电耦合滤波器进行光电振荡器方面的增益研究，证明了光电混合滤波器的结构类型可以有效地在运行的过程中能够对产生的边摸噪声所产生的抑制效果的类型。在这样的设计过程中，便形成了合理的技术方案。在相位相干、低相噪的COEO光频梳的接受技术方式下，可以很好地实现谐波下变频的效果。同时，也进一步的在使用的过程中，可以实现信号接收性能方面的有效验证。以此进一步的提升宽带信号接收方面的性能值，为相关工作人员提供较为可靠的数据信息。