何庆，南 冰，张海庆
中电科思仪科技股份有限公司,山东青岛,266555
摘要：由于光纤通信多方面的优点，融合光通信和微波无线通信的光载无线电（ROF）发展迅速。微波光收发组件为ROF技术的典型产品，噪声系数是组件的关键指标参数。本文对组件噪声的来源进行了分析，引入噪声系数并深入介绍了组件噪声系数的测试方法和测试步骤。
关键词：光载无线电；微波光收发组件；噪声系数；Y因子
Research of noise figure testing technology for Microwave Optical Transceiver Components
He Qing，Nan Bing，Zhang Haiqing
(Ceyear Technologies Co.,Ltd, Qingdao Shandong, 266555)
Abstract: Due to the multi-faceted advantages of optical fiber communication, radio over optical (ROF), which integrates optical communication and microwave wireless communication,has developed rapidly. Microwave optical transceiver components are typical products of ROF technology, and the noise figure is the key index parameter of the components. This paper analyzes the source of components noise, introduces the noise figure, and introduces the testing method and steps of noise figure of components.
Key words: Radio over Fiber; Microwave optical transceiver components；Noise figure;Y factor
0 引言
随着技术的飞速发展，无线通信系统和电子装备对通信带宽和传输速率的要求不断提高，信号的带宽和载波频率也不断提高。基于传统电子技术，高频带来了损耗大、带宽窄和传输距离短的瓶颈，利用光纤通信的传输损耗低、传输带宽高、抗干扰及保密性强、体积小、重量轻等优点，将光通信与微波无线通信优势相结合的技术—光载无线电（RoF，Radio over Fiber）技术应运而生。微波光收发组件就是基于ROF技术的典型产品，是由微波光发射模块、传输光纤和微波光接收模块三部分组成。组件的噪声是影响微弱信号传输的重要因素之一，组件自身噪声特性的好坏直接影响对小信号的检测能力，下面首先将分析组件的主要噪声来源[1]。
1 噪声来源
微波光收发组件既包含光器件也包括微波器件，噪声来源要从这两种器件进行分析，微波器件的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声，此外由于激光器的存在，微波光收发组件的噪声中还有相对强度噪声（RIN噪声）[2] [3]。
热噪声是最常见和最基本的噪声，只要是在绝对零度（0K）以上，几乎所有的有源和无源器件的载流子都会发生扰动，这就是热噪声，热噪声功率与温度成比例，具有随机性，因而不随频率变化。
散粒噪声发生在有势垒的地方，半导体器件中的载流子具有量子特性，当电子、空穴等跨过势垒时，由于随机波动导致不均匀引起散粒噪声。对于大多数半导体器件，散粒噪声是主要的噪声来源。对于光电探测器由于光子的随机达到，探测光电流也出现随机波动，也会产生散粒噪声。
闪烁噪声（1/f噪声）是半导体器件低频条件下出现的主要噪声，噪声功率与器件的偏置电流成正比，并且与频率成反比。即使频率非常低，该反比特性仍然成立，然而当频率高于数kHz时，噪声功率关系曲线几乎是平坦的，已不是影响器件的主要噪声。
相对强度噪声（RIN噪声）是组件噪声来源的主要成分，RIN噪声主要是由激光器内部光子自发辐射引起的，表示的是激光器输出功率的波动值，与光器件的响应度、接收的平均光功率等有关。
2噪声系数
组件的噪声一般通过噪声系数来描述，它直接影响系统的灵敏度。要了解噪声系数首先要知道噪声因子的定义，IEEE给出的噪声因子的定义为：在290K温度下，器件输出总噪声功率与仅输入噪声功率引起的输出噪声功率的比值。还有一种更好理解的定义为：器件的输入信噪比和输出信噪比的比值。
噪声系数NF与噪声因子F之间的关系如下：
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（1）
其中G为链路的增益，为290K温度下对应的噪声输入功率，为器件本身引入的输出噪声功率。
从以上公式可以看出，影响噪声系数指标的因素有两个，一个是系统的增益，另外一个是器件引入的噪声。一般情况下，组件的噪声系数近40dB（@20GHz）。器件输出噪声种类虽然比较多，但可将所有噪声等效为热噪声，使用等效噪声温度表征，所以噪声系数也可以通过噪声温度来表示：
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（2）
3噪声系数测试
3.1 测试方法
噪声系数的测试方法有很多种，但是最常用的两种测试方法为冷源法（增益法）和Y因子法。冷源法是在知道被测器件或者系统的增益的前提下在输入端端接匹配负载，通过频谱分析仪或者信号分析仪进行输出噪声功率谱密度的测量，计算出噪声系数的方法。此方法多用于增益较大的情况，由于微波光收发组件的链路增益为负值，一般采用Y因子法进行测试[4]。
Y因子法使用的重要组件是噪声源，噪声源是一种能产生随机连续频谱信号的装置。噪声源有打开和关闭两种状态，描述噪声源打开和关闭状态时功率关系的参数为噪声源超噪比（ENR），ENR的定义为：
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（3）
其中为噪声源在ON状态下的噪声温度，为噪声源在OFF状态下的噪声温度，为室温，一般取值为290K。
将噪声源接到待测系统输入端，在输出端测量噪声源打开和关闭两个状态下的输出功率和，两个功率的比值即为Y因子，噪声系数用ENR和Y因子可表示为：
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（4）
3.2 测试步骤
使用Y因子法测试时，需将噪声源的输出端连接至被测系统输入端，被测系统输出端连接至信号分析仪输入端，可将Y因子测试分为两级，系统总噪声由被测系统和信号分析仪噪声共同影响，在测试被测系统噪声之前需要先测试信号分析仪的噪声系数，所以Y因子法测量器件的噪声系数分为两大步骤：校准和测量。
3.2.1校准
校准的过程就是获取信号分析仪噪声系数的过程，校准时将噪声源输出接口直接连接至信号分析仪输入接口，噪声源的电源接口与信号分析仪的28VDC供电接口连接。目前主流信号分析仪有噪声系数测量选件，通过噪声系数测量选件可直接进行校准，不必进行复杂的计算就可得到信号分析仪的噪声系数。
3.2.1测量
为了减小信号分析仪对器件噪声系数测量的影响，信号分析仪需开启前置低噪声放大器、关闭衰减设置（衰减为0dB）。此步骤测量的噪声系数是被测器件与信号分析仪的总噪声系数，要想得到被测器件的噪声系数还需根据噪声因子级联公式进行计算得到：
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（5）
其中，、为噪声因子，为增益（单位为倍数，不是dB）。
由于组件的噪声系数近40dB（@20GHz），目前的噪声源ENR难以覆盖这么高的噪声系数测量范围，需要在组件前级增加低噪声放大器，在测试时还需进行低噪声放大器的噪声系数和增益校准，再根据级联公式进行组件噪声系数的计算，所以测试步骤需要进一步优化。
校准完成后先校准测试低噪声放大器的增益和噪声因子，测量得到低噪声放大器的增益和放大器噪声因子。
在低噪声放大器后级加入被测微波光收发组件，测量得到低噪声放大器和微波光收发组件的总的噪声因子。
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最后根据级联公式：
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（6）
其中NF2为微波光收发组件的噪声系数。
4 结语
本文首先对微波光收发组件进行了简单介绍，然后对组件噪声来源进行了分析，通过分析噪声来源引入了组件关键指标噪声系数，最后通过测试方法研究，对组件噪声系数的测试步骤进行了介绍。最后希望通过对本文的研究，对今后的相关从业人员有一定的借鉴和帮助作用。
参考文献
[1]罗彪，王仁凡，胡海 光载无线电核心技术研究进展[J].. 科技导报2016,34（16）
[2]金丽丽，陈福深，陈吉欣 微波光链路的噪声系数分析[J].. 激光与光电子学进展，2009.11
[3]尹纯静 面向一体化电子系统应用的宽带通用射频光前端技术[D].. 北京北京邮电大学2019
[4]唐宗魁 噪声系数的测量方法[J]..科技信息 科教前沿 2008年 第19期
何庆 男 1985年7月出生 汉族 山东临沂人 本科 工程师 长期从事自动测试技术研究工作