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

背景技術：

名詞解釋：

在信號處理領域中，互相關(有時也稱為“互協(xié)方差”)是用來表示兩個信號之間相似性的一個度量，通常通過與已知信號比較用于尋找未知信號中的特性。它是兩個信號之間相對于時間的一個函數，有時也稱為滑動點積，是通信、模式識別以及密碼分析學等領域常用的一種數字信號處理方式。

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、電子戰(zhàn)、高頻通信、遙感遙測以及精確測量等領域得到廣泛地應用。然而，隨著傳輸距離的增加，電纜與波導等傳統(tǒng)傳輸介質的插入損耗迅速增加，特別在微波、毫米波頻段，大插損的瓶頸對微波鏈路的限制越來越明顯,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，特別適合于長距離傳輸。典型的強度調制-直接解調(Intensity Modulation–Direct Demodulation，IM-DD)光鏈路已經在雷達、電子戰(zhàn)、精確測量等領域得到廣泛應用。其基本原理在于：輸入端電信號對光強度進行調制，已調光信號通過光纖傳送到接收端，然后通過光電探測器進行平方律檢波還原該電信號。由于光纖的低損耗，采用光纖鏈路來傳送或者處理電信號時能夠克服傳統(tǒng)微波鏈路大插損的缺點。不僅如此，光鏈路還具有體積輕、抗電磁干擾等優(yōu)點，具有光明的應用前景。

模擬光纖鏈路是將電信號轉換成光信號之后，再采用低損耗光纖傳輸，最后再通過光電探測器還原電信號，屬于典型的有源模塊，勢必會引入噪聲，所以，降低鏈路的噪聲系數是光纖鏈路應用的重要前提。傳統(tǒng)降低噪聲系數的方法局限于優(yōu)化激光器的強度、電光調制器的半波電壓與偏置電壓等模塊參數，又或是更換更高性能指標的模塊；本發(fā)明采用互相關技術，能從本質上抵消鏈路的噪聲，最終降低鏈路的噪聲系數。不僅如此，該方法還可兼容其它傳統(tǒng)方法應用，進一步降低噪聲系數。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數的方法與裝置。本發(fā)明通過引入雙激光器-雙光探測器結構，采用互相關技術對接收信號進行互相關處理，使得“相關”的有用信號得到加強；“非相關”的寄生噪聲得到消弱，最終降低光纖鏈路的噪聲系數。

為達到上述技術效果，本發(fā)明的技術方案是：

一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數的方法，包括如下步驟：

至少兩種不同波長的激光經過相同的調制后，分別被對應的光探測器接收并解調還原為電信號，如輸入為模擬信號,則將模擬信號轉化為數字信號后進行互相關處理，將電信號中相關的部分進行加強，將電信號中不相關的部分進行削弱，降低模擬光鏈路的噪聲系數，最后再進行數/模轉換后輸出；如輸入為數字信號，則直接進行互相關處理而無須進行“模/數”與“數/?！鞭D換，將電信號中相關的部分進行加強，將電信號中不相關的部分進行削弱，最終提高數字光纖鏈路的信噪比。

進一步的改進，所述互相關處理由互相關處理系統(tǒng)進行；

若輸入電信號為模擬信號，則互相關處理系統(tǒng)包括分別與光探測器連接的模/數轉換器，模/數轉換器將模擬信號轉化為數字信號后輸入數字信號處理器進行互相關處理，然后再通過數/模轉換器實現信號輸出；

若輸入電信號為數字信號則互相關處理系統(tǒng)為數字信號處理器。

進一步的改進，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)射不同單色光波長的激光，激光通過偏振控制器控制偏振方向輸入至電光調制器中，為電光調制器提供兩不同單波長激光光源；光源被通過放大器的輸入電信號進行幅度調制后通過光纖分別傳遞到第一光探測器和第二光探測器解調還原為電信號，形成雙激光器-雙光探測器結構；雙激光器-雙光探測器結構與互相關處理系統(tǒng)相連；

若電信號為模擬信號，則互相關處理系統(tǒng)包括與第一光探測器相連的第一模/數轉換器和與第二光探測器相連的第二模/數轉換器，第一模/數轉換器和第二模/數轉換器將模擬信號轉化為數字型號后輸入數字信號處理器，進行互相關處理，將兩種電信號中相關的部分進行加強，將兩種電信號中不相關的部分進行削弱，然后再通過數/模轉換器實現信號輸出；

若電信號為數字信號，互相關處理系統(tǒng)為數字信號處理器，數字信號處理器將兩種數字信號中相關的部分進行加強，將兩種電信號中不相關的部分進行削弱，然后實現信號輸出。

一種降低模擬光纖鏈路噪聲系數的裝置，包括至少兩個發(fā)射不同單色光波長的激光器和分別與激光器對應的光探測器；光探測器連接有互相關處理系統(tǒng)。

進一步的改進，所述激光器包括并聯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)射的激光通過偏振控制器控制偏振方向輸入至電光調制器，電光調制器連接有放大器，電光調制器通過光纖連接與第一激光器配合的第一光探測器和與第二激光器配合的第二光探測器，形成雙激光器-雙光探測器結構，雙激光器-雙光探測器結構連接有互相關處理系統(tǒng)。

進一步的改進，所述互相關處理系統(tǒng)包括分別與光探測器相連的模/數轉換器，模/數轉換器連接數字信號處理器，數字信號處理器連接數/模轉換器實現信號輸出。

進一步的改進，所述模/數轉換器為高頻模/數轉換器，所述數/模轉換器為高頻數/模轉換器。

進一步的改進，所述互相關處理系統(tǒng)為數字信號處理器。

進一步的改進，所述激光器均連接有可調光衰減器。

本發(fā)明的技術方案在于：通過引入雙激光器-雙光探測器結構，采用互相關技術對接收信號進行互相關處理，使得“相關”的有用信號得到加強；“非相關”的寄生噪聲得到消弱，最終降低模擬光纖鏈路的噪聲系數。

本發(fā)明的有益特點在于：通過互相關信號處理方式，從本質上抵消光纖鏈路的寄生噪聲，最終實現降低鏈路噪聲系數的效果；不僅如此，本發(fā)明所涉技術能夠兼容傳統(tǒng)優(yōu)化鏈路噪聲系數的方案，突破傳統(tǒng)方案的技術瓶頸。

附圖說明

圖1是商用模擬光纖鏈路的基本結構；

圖2是偏置電壓優(yōu)化鏈路的噪聲系數；

圖3是調整光功率大小優(yōu)化鏈路的噪聲系數；

圖4是調整前置低噪放增益優(yōu)化鏈路的噪聲系數；

圖5是本發(fā)明所涉采用互相關技術優(yōu)化鏈路噪聲系數的結構圖；

圖6是互相關次數對鏈路噪聲系數的影響。

具體實施方式

以下通過具體實施方式并且結合附圖對本發(fā)明的技術方案作具體說明。

實施例1

參照圖1，示出商用模擬光纖鏈路的基本結構。鏈路主要包括一個激光器1，提供被調制光源；一個偏振控制器2，用于控制激光的偏振方向；一個電光調制器3，實現微波-光轉換；一個放大器4(優(yōu)選低噪音放大器)，用于放大輸入信號、級聯光纖鏈路(即光纖5)，降低整個鏈路的噪聲系數；一個光電探測器6，實現光-微波轉換。通過電光調制器將電信號調制到光載波的幅度上，在光纖中傳輸后在光電探測器輸出端還原成電信號。對于典型的強度調制-直接解調微波光鏈路，其噪聲系數可表示為

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

其中k_B＝1.38×10^-23J/K，是玻爾茲曼常數；T為實驗環(huán)境溫度；q是單位電子帶電量；I_dc為探測器平均光電流；RIN是激光器(LD)的相對強度噪聲系數；Z_L為匹配阻抗；φ_b為電光調制器的直流偏置角，V_π為調制器的半波電壓，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制器的偏置電壓是降低微波光子鏈路噪聲系數的有效方式。采用Ortel公司型號為1772的分布反饋型半導體激光器，鑒于激光器的高功率輸出對應低的相對強度噪聲的考慮，實驗中讓激光器工作在飽和輸出功率下，后接一個可調光衰減器來改變注入調制器端的光功率；采用Convega公司的型號為LN058的低半波電壓馬赫-增德爾型強度調制器；采用Discovery Semiconductors公司型號為DSC40的高線性光電探測器；采用Hittite公司型號為HMC406的低噪聲微波放大器；使用6km SMF-28通信光纖作為延時線；其他無源器件均采用國產器件。

圖2給出了激光器輸出功率為60mW時，調制器直流偏置電壓對鏈路噪聲系數的影響。黑色曲線是仿真數據，黑點數據為實測數據，總體而言，理論與實驗數據能夠很好地吻合。由圖不難看出，隨著偏置電壓由0到V_π的增加，噪聲系數呈現先降低后增加的趨勢變化，在1.5V左右降到最低，稱之為“低噪聲系數”偏置電壓區(qū)間。

圖3給出了噪聲系數與激光器功率大小的關系。取電光調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。實線與實點分別是直流偏置電壓為0.9、1.9與2.8V時對應的噪聲系數仿真與實驗數據。不難看出，當電光調制器輸入光功率增大時，微波光鏈路的噪聲系數隨之減小并最終趨于飽和，所以適當地提高輸入光功率是降低噪聲系數的有效方式。

圖4給出了前置低噪放增益對噪聲系數的影響。放大器的噪聲系數為3dB，電光調制器的輸入光功率為80mW，電光調制器的直流偏置角為45度，電光調制器的半波電壓為3.2V。黑色曲線與實點分別為仿真與實驗數據，不難看出，放大器的增益從0增大到200時，鏈路的噪聲系數明顯減小，從32dB下降到了10dB以下。

圖5是本發(fā)明所涉采用互相關技術優(yōu)化鏈路噪聲系數的結構圖。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)、電光調制器3、光纖5、第一光電探測器61、第二光電探測器62、第一模/數轉換器91、第二模/數轉換器92、數字信號處理器7以及數/模轉換器8。第一激光器11、第二激光器12并聯，連接至偏振控制器2；偏振控制器2連接至電光調制器3的光輸入端口；輸入信號通過放大器4(低噪聲微波放大器)進入電光調制器3的電輸入端口；通過電光調制器3，輸入光載波的幅度被輸入的電信號進行幅度調制，然后進入光纖5傳輸；電光調制器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器61和第二光電探測器62相連；兩個光電探測器輸出端分別與第一模/數轉換器91和第二模/數轉換器92相連接；兩個模/數轉換器并聯數字信號處理器7；數字信號處理器7輸出端連接數/模轉換器8，最終實現信號輸出。其中模/數轉換器91，92、數字信號處理器7與數/模轉換器8構成信號的“互相關處理”部分。模/數轉換器91，92和數/模轉換器8優(yōu)選為高頻模/數轉換器和高頻數/模轉換器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的激光，通過偏振控制器2控制偏振方向輸入至電光調制器3中，為電光調制提供兩不同單波長激光光源；光源被通過低噪聲微波放大器的輸入電信號進行幅度調制后傳送至光纖5，通過光纖5將信號傳至目的地；已調制的光信號在第一光電探測器61和第二光電探測器62的輸出端完成直接解調，還原至電信號，該電信號包含待接收的有用信號與寄生噪聲；兩還原的電信號通過第一模/數轉換器與第二模/數轉換器實現模/數轉換，轉變?yōu)閿底中盘?；然后通過數字信號處理器進行“互相關”處理，實現待接收有用信號“增強”，寄生噪聲“消弱”的信號處理效果；互相關處理后的信號最后通過數/模轉換器轉換成模擬信號，實現最終輸出。需要說明的是，本發(fā)明涉及的裝置同樣適用于傳輸數字信號，在處理數字信號時，可去掉模/數轉換器，直接將數字信號輸入數字信號處理器進行“互相關”處理即可，顯而易見，配套的數/模轉換器亦可去掉。

本發(fā)明采用“互相關”信號處理來提高光纖鏈路的噪聲系數的原理在于：在本發(fā)明涉及的方案中，采用雙激光器、雙探測器結構，通過引入兩個不相關的相對強度噪聲(來自不同的激光器)與散彈噪聲(來自兩個不同的光電探測器)，在接收端進行“互相關”處理來抵UAN消光纖鏈路的噪聲。

更進一步，設探測器61輸出信號為S1＝C+N1，探測器62輸出的信號為S2＝C+N2，C為待接收的有用信號，N1與N2分別為兩路信號中的寄生噪聲。顯然，兩路信號中的C來自同一信號源，故其相關；而兩路信號中的噪聲N1與N2來自不同的激光器與探測器，他們是不相關的，所以，通過互相關后，待接收的有用信號C相加得到加強，而兩噪聲N1與N2進行互相關后相互抵消削弱，最終降低了光纖鏈路的噪聲系數。

即本發(fā)明通過引入兩個不相關的RIN噪聲(來自不同的激光器)與散彈噪聲(來自不同的探測器)，在接收端通過互相關降低總的鏈路寄生噪聲。進一步而言，設探測器61輸出信號為S₁＝C+N₁，探測器62輸出的信號為S₂＝C+N₂，C為待接收的有用信號，N₁與N₂分別為兩路信號中的寄生噪聲。顯然，兩路信號中的C來自同一信號源，故其相關；而兩路信號中的噪聲N₁與N₂是不相關的，所以，通過互相關后，待接收的有用信號C得到加強，而兩噪聲N₁與N₂進行互相關后得到削弱。

圖6給出了互相關次數對鏈路噪聲系數的影響，隨著互相關次數的增加，鏈路的噪聲系數得到降低，當互相關次數達到200次以后，噪聲系數的降低量達到飽和值，噪聲系數值接近7dB。

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

本發(fā)明也可使用更多的激光器和光電探測器進行互相關操作，即采用多激光器-多光探測器結構，進行互相關操作。

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

上述僅為本發(fā)明的一個具體導向實施方式，但本發(fā)明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發(fā)明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發(fā)明的保護范圍的行為。