用于通信衛(wèi)星的寬帶微波光子鏈路性能研究與驗(yàn)證 ①

蔣 煒，李小軍，和新陽，龔靜文，張 武

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710000)

0 引言

隨著衛(wèi)星寬帶通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的全球波束天線和區(qū)域波束天線越來越難以適應(yīng)未來寬帶通信衛(wèi)星的大帶寬通信、多用戶接入及多類型服務(wù)的需求。多波束天線能夠以高增益覆蓋較大地面區(qū)域，并且能根據(jù)需要調(diào)整波束形狀，在衛(wèi)星通信中得到越來越廣泛的應(yīng)用。此外，衛(wèi)星上使用多波束天線可實(shí)現(xiàn)波束空間隔離和極化隔離，實(shí)現(xiàn)多重頻率復(fù)用，進(jìn)而加大可用帶寬，大幅度提高通信容量，使有限的頻譜資源得到更為有效的利用。未來衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)將會提供數(shù)十個(gè)天線波束的上百個(gè)射頻通道接入服務(wù)，同時(shí)還可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)諸如廣播、通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔煌?wù)類型的多格式多頻段寬帶信號的接收與中繼。然而，在當(dāng)前通信衛(wèi)星任務(wù)中，大量波束的采用使得傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)不能滿足寬帶通信、多波束接入及多鏈路通信同時(shí)處理的需求，因此急需開展新型通信技術(shù)，利用現(xiàn)有衛(wèi)星平臺資源，在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信寬帶信號傳輸、處理及轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)，減輕有效載荷線纜和單元部件的體積、重量和功耗，同時(shí)具有良好的電磁兼容性。

微波光子技術(shù)具有寬帶、靈活接入、透明數(shù)據(jù)傳輸及處理、無電磁干擾、低重量小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。其中，微波光子鏈路廣泛應(yīng)用于諸如射頻信號生成與饋送、電子戰(zhàn)和通信衛(wèi)星系統(tǒng)中。隨著寬帶寬、大容量、高靈活性衛(wèi)星通信需求的發(fā)展，微波光子鏈路通信技術(shù)正成為寬帶通信衛(wèi)星載荷和星間鏈路通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這就要求基于微波光子技術(shù)的新型通信衛(wèi)星載荷具有可實(shí)現(xiàn)寬帶大容量多類型信號接收與轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在采用微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星中，從地面站接收到的多頻段、多帶寬、多格式微波信號直接調(diào)制到光載波上后，在光域完成放大、傳輸及接收處理，在數(shù)據(jù)吞吐量很大的情況下，該方式可避免使用極大提高系統(tǒng)復(fù)雜度的基帶信號調(diào)制/解調(diào)、模數(shù)變換/數(shù)模變換等傳統(tǒng)電子技術(shù)。

對寬帶通信衛(wèi)星而言，其工作頻率涵蓋S、C、Ku和Ka頻段，可實(shí)現(xiàn)多路廣播、高質(zhì)量通信及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多功能。由于調(diào)制在光載波上的射頻信號具有高頻寬帶特性，因此需要基于外調(diào)制的微波光子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多頻段微波信號的接收及轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)，噪聲系數(shù)(Noise Figure,NF)、系統(tǒng)線性特性及寬帶信號傳輸特性就成為表征系統(tǒng)性能的主要因素。本文在鈮酸鋰調(diào)制器的基礎(chǔ)上，給出了一種可以實(shí)現(xiàn)多類別信號接收及中繼轉(zhuǎn)發(fā)的寬帶通信衛(wèi)星載荷結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上對面向通信衛(wèi)星的寬帶微波光子系統(tǒng)的性能進(jìn)行了詳盡的分析與驗(yàn)證。

1 面向?qū)拵ㄐ判l(wèi)星的微波光子通信載荷

圖1所示為采用微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星載荷的典型應(yīng)用場景，該場景主要包括三個(gè)部分：上行多頻段、多帶寬、多格式微波鏈路，基于微波光子技術(shù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)寬帶通信衛(wèi)星，以及下行微波鏈路。其中寬帶通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多類型寬帶微波信號的合成及電光調(diào)制，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行相應(yīng)的路由。

圖1 采用微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星載荷典型應(yīng)用場景

圖2所示為采用微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星載荷配置原理結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)在采用傳統(tǒng)的微波高功率發(fā)射及多路信號合成的基礎(chǔ)上，在中間部分引入光學(xué)技術(shù)進(jìn)行多頻段射頻信號的光調(diào)制、光域射頻信號寬帶接收及轉(zhuǎn)發(fā)。該寬帶通信衛(wèi)星載荷可實(shí)現(xiàn)大量波束的接入、交叉互聯(lián)及轉(zhuǎn)發(fā)，與具有相同系統(tǒng)功能的傳統(tǒng)微波通信載荷相比，該結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省載荷重量，提高系統(tǒng)互聯(lián)性。

圖2 采用微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星載荷配置原理結(jié)構(gòu)圖

對寬帶通信衛(wèi)星而言，衛(wèi)星天線接收到的信號涵蓋S/C/Ku/Ka等諸多頻段，其頻率跨度很大，因此必須在鏈路預(yù)算之初對系統(tǒng)寬帶傳輸參數(shù)及性能進(jìn)行評估與驗(yàn)證。在寬帶衛(wèi)星通信尤其是星間衛(wèi)星通信時(shí)，自由空間損耗是影響寬帶通信衛(wèi)星載荷性能的一個(gè)重要因素，其可由發(fā)射光學(xué)天線和接收光學(xué)天線增益來補(bǔ)償一部分。在地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，假定模擬的空間傳輸距離為30000公里，發(fā)射天線和接收天線的口徑均為250mm，調(diào)制損耗為6dB?？紤]到自由空間損耗的進(jìn)一步補(bǔ)償，需要在發(fā)射端增加功率放大器提高發(fā)射功率，在接收端增加前置放大器提高光電轉(zhuǎn)換前的接收功率。整個(gè)星間微波光子鏈路的具體指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

本文基于采用微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星載荷，建立了相應(yīng)的寬帶光纖通信系統(tǒng)，其中光功率放大、空間光衰減和光前置放大組成的微波光子空間傳輸模擬單元用于模擬星間衛(wèi)星通信系統(tǒng)中功率放大器、自由空間損耗與光學(xué)天線增益、前置放大器的共同作用，通過該寬帶光纖通信系統(tǒng)完成適于通信衛(wèi)星的寬帶微波光子鏈路性能分析與驗(yàn)證測試。

2 面向通信衛(wèi)星的寬帶微波光子鏈路性能測試與分析

如上所述，寬帶通信衛(wèi)星有效載荷的微波光子系統(tǒng)主要完成多頻段微波信號的接收與中繼轉(zhuǎn)發(fā)，需要對其所涉及的諸如噪聲系數(shù)、系統(tǒng)線性特性及寬帶信號傳輸特性等進(jìn)行詳盡的分析研究。為了驗(yàn)證面向通信衛(wèi)星的寬帶微波光子性能，建立了圖2所示的相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置。激光源輸出波長為1550nm、功率為18.8dBm的連續(xù)波送至外調(diào)制器，外調(diào)制器的半波電壓為6V，插入損耗為3dB。在實(shí)驗(yàn)中，S、C、Ku和Ka頻段的射頻信號經(jīng)寬帶微波合路器合成為一路后送至外調(diào)制器進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，外調(diào)制器輸出光信號經(jīng)過光功率放大、空間衰減及光前置放大后送至光電探測器探測進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電探測器的響應(yīng)度為0.65A/W，光電探測器輸出電信號再由寬帶微波分路器輸出相應(yīng)的S、C、Ku和Ka射頻信號。其中光電探測器的接收光功率為11.3dBm。

表1 星間微波鏈路光子鏈路預(yù)算

2.1 噪聲系數(shù)仿真與分析

噪聲系數(shù)定義為鏈路輸入信噪比與輸出信噪比之間的比值。噪聲系數(shù)可理解為經(jīng)過整個(gè)鏈路之后的輸入信噪比惡化程度。噪聲系數(shù)的表達(dá)式為：

(1)

式中，NF為噪聲系數(shù)，Nout為鏈路輸出噪聲，G為鏈路增益，Nin為輸入噪聲，κ為波爾茲曼常數(shù)，T為開爾文溫度。NF與探測器接收功率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 噪聲系數(shù)與探測器輸出光電流函數(shù)關(guān)系曲線

當(dāng)光源輸出光功率為18.8dBm,外調(diào)制器的半波電壓為6V時(shí)，不同RIN下噪聲系數(shù)與調(diào)制器直流偏置函數(shù)關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨直流偏置電壓引起的相移變化增大，微波射頻

信號的噪聲系數(shù)先減小后增大。此外，在載波抑制點(diǎn)附近均有一對應(yīng)的最佳偏置點(diǎn)，使微波光子鏈路的噪聲系數(shù)最小。結(jié)果表明整個(gè)鏈路的噪聲系數(shù)低于35dB，且當(dāng)施加在外調(diào)制器的直流偏置電壓偏離正交點(diǎn)1.74V時(shí)，噪聲系數(shù)達(dá)到最佳值。

圖4 不同RIN下噪聲系數(shù)與調(diào)制器直流偏置函數(shù)關(guān)系曲線

表2所示為基于微波光子技術(shù)的寬帶通信系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試結(jié)果，其中輸入射頻信號功率為0dBm。從圖可以看出，鏈路噪聲系數(shù)隨輸入射頻信號頻率的增加而增加，S頻段的鏈路噪聲系數(shù)為31dB，C頻段的鏈路噪聲系數(shù)為32dB，Ku頻段的鏈路噪聲系數(shù)為34dB，Ka頻段的鏈路噪聲系數(shù)為39dB，所有的試驗(yàn)測試結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。

表2 寬帶通信系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試結(jié)果

頻率(GHz)放大器噪聲系數(shù)(dB)放大器增益(dB)鏈路噪聲系數(shù)(級聯(lián)放大器)(dB)鏈路增益(級聯(lián)放大器)(dB)被測組件噪聲系數(shù)(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 系統(tǒng)線性特性測試與分析

基于微波光子技術(shù)的寬帶通信測試系統(tǒng)線性特性可用來表征最佳輸入射頻信號功率范圍與光功率工作范圍。在系統(tǒng)線性工作區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)輸出射頻信號功率與輸入射頻信號功率成線性關(guān)系。系統(tǒng)線性度越好，系統(tǒng)性能就越好，系統(tǒng)調(diào)制靈敏度和解調(diào)靈敏度就越高?；谖⒉ü庾蛹夹g(shù)的寬帶通信測試系統(tǒng)所測得的不同輸出輸入射頻信號功率及不同光功率下的射頻輸出信號功率曲線如圖5所示。從圖5可以看出，輸入射頻信號功率越大，光源輸出光功率越高，系統(tǒng)線性特性就越好。此外，系統(tǒng)的調(diào)制靈敏度和解調(diào)靈敏度隨射頻信號工作頻率的提高而降低。

(a) S頻段(2GHz)輸入下 (b) C頻段(6GHz)輸入下

2.3 系統(tǒng)傳輸性能測試與分析

系統(tǒng)傳輸性能表征包括射頻增益和系統(tǒng)誤碼率兩個(gè)因素。圖6所示為不同光源光功率下多載波射頻增益測試結(jié)果。圖6(a)所示為輸入射頻信號頻率為6GHz，功率為-30dBm下的輸入信號的電頻譜。圖6(b)所示為光源光功率為11.3dBm下的輸出射頻信號頻譜，系統(tǒng)射頻增益為3dB。圖6(c)所示為光源光功率為0dBm下的輸出射頻信號頻譜，系統(tǒng)射頻增益為-15dB。圖6(d)所示為光源光功率為-15dBm下的輸出射頻信號頻譜，系統(tǒng)射頻增益為-50dB。從圖6可以看出，當(dāng)光源光功率低于-15dBm時(shí)，輸入的射頻微波信號可得到有效的微波光子調(diào)制解調(diào)。測試結(jié)果表明，光電探測器探測到的光信號在解調(diào)靈敏度以上時(shí)，光源光功率越高，系統(tǒng)射頻增益就越大。

(a) C頻段多載波射頻輸入信號頻譜 (b) 光源光功率為11.3dBm時(shí)輸出信號頻譜

表3給出了不同光源光功率和不同輸入射頻信號功率下的系統(tǒng)傳輸誤碼率測試結(jié)果。從表中可以看出，在輸入射頻信號功率相同的情況下，系統(tǒng)傳輸誤碼率隨光源光功率的下降而增大。在光源光功率相同的情況下，系統(tǒng)傳輸誤碼率隨輸入射頻信號功率的下降而增大。在C頻段情況下，當(dāng)光源光功率為-3dBm，輸入射頻信號功率為-20dBm時(shí)，系統(tǒng)傳輸誤碼率為2E-3。在Ka頻段情況下，當(dāng)光源光功率為0dBm，輸入射頻信號功率為-20dBm時(shí)，系統(tǒng)傳輸誤碼率為2.90E-3。測試結(jié)果表明光源光功率越高，輸入射頻信號功率越大，系統(tǒng)傳輸誤碼率就越低。

表3(a) C波段誤碼率測試結(jié)果

表3(b) Ka波段誤碼率測試結(jié)果

3 結(jié)束語

面向未來復(fù)雜多波束天線、成百上千接收及轉(zhuǎn)發(fā)通道、大數(shù)據(jù)容量及高帶寬通信衛(wèi)星應(yīng)用，本文給出了基于微波光子技術(shù)的寬帶通信衛(wèi)星載荷配置結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，并對其寬帶微波光子性能進(jìn)行了詳盡的評估分析驗(yàn)證。測試結(jié)果表明系統(tǒng)性能可滿足新型通信衛(wèi)星對多頻段多格式微波信號傳輸及中繼轉(zhuǎn)發(fā)的需求。在系統(tǒng)線性特性測試中，當(dāng)輸入射頻信號功率高于-40dBm且光源輸出光功率優(yōu)于-10dBm時(shí)，整個(gè)測試系統(tǒng)具有良好的寬帶線性特性，當(dāng)光源光功率在-15dBm以下時(shí)，系統(tǒng)非線性特性凸顯。在系統(tǒng)傳輸性能測試中，光源光功率優(yōu)于0dBm，輸入射頻信號功率高于-40dBm時(shí)，系統(tǒng)傳輸誤碼率可滿足衛(wèi)星通信需求。該系統(tǒng)的線性特性及傳輸性能與調(diào)制靈敏度和解調(diào)靈敏度密切相關(guān)。另外，系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試結(jié)果表明基于微波光子技術(shù)的寬帶通信系統(tǒng)具有較高的噪聲系數(shù)，在新型寬帶微波光子通信衛(wèi)星載荷應(yīng)用中，需要在寬帶微波光子鏈路前端引入低噪聲放大器以降低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。