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1、基于可调光纤长度的微波光子测频仿真研究黄春云，黄清龙（杭州电子科技大学，浙江杭州310018）摘要：本文提出了一个使用光纤通信仿真软件Optisystem 建立的基于可调光纤长度的微波光子测频仿真模型，使用该模拟仿真测量了20GHz 的微波正弦信号频率，观察到接收端微波信号功率随光纤长度周期变化的现象，变化曲线和实验文献一致。在此基础上， 仿真研究了微波信号频率从1GHz 到 20GHz 变化时测频误差的变化，发现微波信号为1GHz 时相对误差达到 19.9%，其它频率大于5GHz 的微波信号测频误差均在3%以下，通过有无光纤损耗两种情况下的仿真对比与分析，发现造成低频时测频误差大的主要原因是
2、光纤损耗。关健词：微波频率测量；光子学；光纤长度；Optisystem 1 引言当前微波 /毫米波技术广泛应用于日常生产生活及国防军事，比如：无线通信及空间通信、雷达及电子战等领域。随着微波技术的应用，人们提出了测量微波信号参数并进行分析的需求。现代微波信号参数测量的困难主要有两个方面，一是内容广泛，包括频率、幅度、相位、信号类型、调制制式、到达方向、到达时间等，二是测量信号的频率跨度大，测量波段从 2MHz 到 300GHz。受制于电子技术的固有限制，人们往往要在测量的频段覆盖范围、测量实时性、 测量精度及测量系统复杂度上作为一定的取舍。近年来， 人们开始在微波信号测频测量领域引入新兴的微波
3、光子学方法，利用微波光子技术瞬时带宽大、质量轻、 传输损耗小、 抗电磁干扰能力强等优点，设计了多种微波光子测频方案。目前国内为主要研究的微波光子测频方案主要有微波光子扫频方案、频率-幅度映射方案、频率-空间映射方案、频率-时间映射方案、光子压缩感知方案、数字化测频方案等。各种方案又可细分，比如本文探讨的微波光子扫频方案可细分为时域扫描方案和基于光波长的扫描方案。基于光波长的扫描方案就是把微波信号调制进两种不同波长的光载波并在一段色散光纤中传播，通过改变量波长的间隔或色散值或光纤长度，经光电转换后得到多组微波功率值，通过对得到的微波功率数据进行分析处理，得到待测微波信号频率。微波光子测频方案十分
4、丰富，本文只研究基于光波长的扫描微波光子测频方案。Optisystem 是加拿大Optiwave 公司推出的一款光纤通信仿真软件，该软件在国内外被广泛应用于光通信有关的教育培训和科学研究领域。Optisystem 软件具有编程简单高效、器件库丰富、数据可视化及具有外部程序接口等优点。Optisystem 软件基于图形化编程，编写模拟程序时只需把各功能模块从器件库拉入程序图纸并在各模块间连好线即可。双击器件模块可以方便的浏览和修改器件参数，并可针对特定器件的参数进行参数扫描或者设定某个指标进行参数优化。Optisystmen 软件提供了较丰富的器件库，库中的器件按种类存放于一级一级的树形文件夹。
5、器件库包括观察类虚拟仪器库、发射类器件库、 WDM 多路复用器件库、光纤器件库、放大器组件库、滤波器器件库、无源器件库、网络类器件库、接收端器件库、信号处理器件库、工具类器件库、纤缆接入器件库、自由空间光通信器件库、EDA协同仿真组件库及两个外部软件接口库（Opitwave 软件接口库和MATLAB 接口库）。Optisystem 软件提供了丰富的数据可视化工具，比如有观察电域信号的可视化虚拟仪器包括示波器、射频频谱仪、眼图分析仪、误码率分析仪、电功率计、星座图仪和电载波仪，有观察光域信号的可视化虚拟仪器包括光时域分析仪、光谱仪、光功率计、WDM 分析仪、双端口WDM 分析仪、检偏仪、偏振仪表
6、、光强分布仪、环形通量分析仪、光域滤波器分析仪、光子全参量分析仪及差模延迟分析仪。Optisystem 软件提供了两种接口模块，一种和Optiwave 系列软件的接口，这些软件包括OptiAmplifier 、OptiGrating 、WDM Phasar Mux Nx1、WDM Phasar Demux 1xN 、OptiBPM Component NxM、Save Transverse Mode，另一种和Matlab 接口，使其可以借用Matlab 进行数值计算和数据分析。本文提出了一种利用Optisystem 软件和 Matlab 软件模拟研究基于光波长的扫描微波光子测频方案的方法，模拟
7、研究得到了和文献4 实验一致的结果，证明我们提出的模拟研究方法是正确可行的。2 测量原理激光器输出波长分别为1 和2 的光波，经光耦合器耦合后再进入马赫- 曾德尔电光调制器被频率为f 的微波信号调制， 调制后的光载波经过一段色散光纤，最后光电探测器解调出的电信号功率被功率计探测。由于光纤的色散作用使得两路波长不同的光载波经光纤传播后产生相位差， 被解调出的两路微波信号相互干涉，如果改变光纤的长度就会改变两路光载波的相位差，进而改变解调出的信号功率。光载波经光电探测器解调出的微波信号表达式如下：)cos()cos()cos()cos(222 2 202122 1 101tcfDLEEtcfDLE
8、E(1) 其中 L 为色散光纤的长度，D 为光纤的色散系数。光电探测器输出信号的功率表达式为：)cos()cos()cos(2)(cos)(cos22 222 1 201022 222 2022 122 10221cfDLcfDLEEcfDLEcfDLEEEPout(2) 其中12-是两信号的相位差，和光纤长度L 有关：LDf2(3) 其中两光载波的波长差12-。从公式（ 2）和（ 3）可以看出，光电探测器输出信号功率右边的三项均随光纤长度L 周期变化，但是)cos(这一项随光纤长度变化最快，比如微波频率GHzf20， 两路光载波波长分别取nm15461和1556nm2时， 公式 （ 2）第三
9、项周期是其它各项周期的0.016 倍，因此当限制光纤长度变化范围为第三项周期的5 倍以下时，可以认为解调信号功率随光纤长度L 变化做近似等幅周期变化。假设)cos(项的半周期为L，由公式（ 3）可以反解出待测微波信号的频率为：LDf21(4) 3 仿真模型与结果分析图 1 是可调光纤长度微波光子测频的Optisystem 仿真模型，如图 1 所示两具激光器 （CW Laser）发出波长分别为1546nm1和1556nm2的两路光波，通过光耦合器（X Coupler）耦合后进入马赫-曾德尔电光调制器（Mach-Zehnder modulator ）被频率为f 的待测微 波 正 弦 波 信 号 调
10、 制 ， 调 制 后 的 光 载 波 通 过 一 段 色 散 光 纤 （ 色 散 系 数 ，kmnmps/16.287D） ，在接收端被光电探测器（Photodetector Pin）解调后得到两路相干的微波信号， 功率探测器探测到微波功率。改变光纤长度可以调节两路解调微波信号的相位差，使功率探测器探测到的微波功率发生变化，使用Optisystem 的参数扫描功能，对光纤长度进行扫描，得到探测微波功率随光纤长度变化的曲线，如图2 所示。图 1 基于可调光纤长度的微波光子测频Optisystem 仿真模型图 2 探测到的微波功率随光纤长度变化曲线（半周期大约0.13km，代入公式4 得到微波频率
11、23.6GHz）图 1 仿真模型输入微波频率f=20GHz ，光纤长度扫描范围mLm6 .003.0，参数扫 描次数 50 次，使用从图2 直接估计出的半周期0.13km，计算得到的微波频率23.6GHz，与已知的微波信号频率20GHz 存在较大误差。分析误差产生的主要原因是探测器探测到的微波信号功率随光纤长度按公式2的函数关系变化，公式 2 不是标准的正弦或余弦函数，从图2 中有限多的扫描点估计出的半周期存不准，造成测量频率产生较大误差。经上述分析，要减小测频误差必须对图2 中的仿真模拟数据使用Matlab 进行拟合处理，使用拟合得到的半周期计算待测微波频率。图3 列出了仿真模拟数据及Mat
12、lab 拟合曲线，使用公式5 形式的拟合函数拟合仿真模拟数据，从拟合曲线得到的半周期是0.1532km，带入公式4 计算得到的待测微波频率是20.043GHz，频率误差为40MHz ，这和文献1 的实验一致，验证了仿真模拟方法的可靠性。 比较两种方法， 使用公式5 拟合仿真模拟数据，可以显著减小测频误差。)sin(1)cos(10)(wLbwLaaLF（5）图 3 仿真模拟数据和Matlab 拟合曲线测频系统对不同频率微波信号测量误差如何，关系到系统所能测量微波频率范围。下面我们保持其它仿真模拟参数不变，只改变光纤扫描长度和待测微波信号频率，研究待测微波频率分别为1GHz、5GHz、10GHz
13、、15GHz 和 20GHz 时的测频误差。表格 1 微波测频误差表微波频率（ GHz ） 光纤长度（ m ） 周期数（个） 微波测频值（ GHz ） 相对误差（ % ）1 012000 2 1.199/1.025 19.9/2.50 5 02400 2 5.117/5.050 2.34/1.00 10 01200 2 10.233/10.104 2.33/1.04 15 0800 2 14.619/15.146 2.54/0.97 20 0600 2 20.043/20.199 0.22/0.10 从表格 1 可以看出两点， 第一， 在保持周期数不变的条件下，微波频率越小光纤长度变化范围越大
14、；第二，微波测频相对误差除1GHz 时为 19.9%外，都稳定在3%以下。第一点可以从公式4 出发解释，反解公式4 得到出半周期)2/(1LDf，微波频率越小则半周期越长。第二点经过分析可以从光纤损耗和仿真模拟数据点不够得到解释，如图4 是1GHz 时得到的微波功率随光纤长度变化曲线，由于光纤长度变化范围大，光纤损耗造成微波功率减小比其它较大频率时明显，而理论上探测器探测到的微波功率公式2 没有考虑到载波功率由于光纤损耗而减小，造成按照公式5 拟合得到的半周期存在较大误差，这一点通过0.10.20.30.40.50.6-15.5-15-14.5-14-13.5-13-12.5-12模拟数据 拟
15、合微 波 功 率 （dBm ）光纤长度（km）比较表格1 中有没有考虑光纤损耗的微波测频值可以得到验证，微波测频值“/”符号前面是光纤损耗0.2dBm/km 时的测频值，后面是无光纤损耗时得测频值，明显看到在每一个微波频率没有光纤损耗的测频值误差都减小，特别是低频微波信号比如1GHz 的微波信号， 测频值的相对误差从19.9%降低到 2.50%。4 结论本文在理论分析基础上使用Optisystem 光纤通信仿真软件构建了实现基于可变光纤长度的微波信号测频系统，系统成功模拟了接收端微波测量功率随光纤长度周期变化的现象并测量了 20GHz 微波信号的频率，模拟结果和实验报道一致，表明可以使用软件模
16、拟的方式以价格低廉的计算仿真方式研究此类微波测频系统。改变输入微波信号频率需要同时改变光纤长度扫描范围，本文以仿真模拟方式研究了该系统分别对1GHz、5GHz、10GHz、15GHz和 20GHz 测频的误差，观测到频率最低的1GHz 微波信号相对误差达到19.9%，通过分析发现频率低至1GHz 左右的微波信号测频误差大的主要原因是用于分析数据的理论公式没有考虑光纤损耗， 而 1GHz 左右的低频微波信号模拟时需要扫描的光纤长度范围大至12km，光纤损耗带来的光载波功率降低严重影响了测量端微波功率随光纤长度周期变化的函数关系。通过比较有无光纤损耗条件下，该系统测频值误差，发现不考虑光纤损耗时误差至少比光纤损耗时减小一倍，这表明在实际使用这套系统测量微波频率时必须考虑到光纤损耗，通过在接收端对光载波信号进行探测和补偿，达到减小测频误差的目的。参考文献：1 Tsui J B. Microwave receivers with electronic warfare application M. New York: John Wiley & Sons. 1986.
