CN117278134A - 光域及数字域联合多通道自干扰消除装置及方法 - Google Patents
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Abstract
光域及数字域联合多通道自干扰消除装置，包括信号支路模块a、参考支路模块b和信号后处理模块c。信号支路模块a包含n条结构相同的信号处理通道、波分复用器(3)、色散介质(4)、波分解复用器(5)和多波长光源(8)；每一条信号处理通道均包含完全相同的低噪声放大器(1)、双平行‑马赫‑曾德尔调制器(2)、光功率放大器(6)和光电探测器(7)。参考支路模块b包含低噪声放大器(1)、双平行‑马赫‑曾德尔调制器(2)、可调谐激光器(12)、光分路器(9)和多路模拟匹配检测支路。信号后处理模块c包含电耦合器(13)、模数转换器(14)和数字信号处理(15)。还公开一种光域及数字域联合多通道自干扰消除方法。本发明以小阵元规模和低运算成本实现阵列多通道带内全双工系统的自干扰消除，实现多通道有用信号的波束成形。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子信号处理领域，具体涉及一种光学模拟域和电学数字域联合处理的射频自干扰消除装置及方法，用于多通道阵列天线体制下的带内全双工射频系统，以实现多通道串扰产生的自干扰信号消除。
背景技术
近年来，为有效利用有限的频谱资源以支撑大容量的高速数据传输，实现多功能电子系统一体化发展，相同频段下采用全双工体制的方式成为最有潜力的解决方案，即带内全双工体制。同时；采用收发一体共用天线体制，即一个天线实现多种功能，可以提高射频综合配置管理和机载天线的电磁兼容性，消除天线数量过多导致的不利影响。但是在带内全双工体制下，尤其是在多通道阵列天线系统中，接收信号会受到自身天线反射以及相邻天线串扰的影响。因此，自干扰消除技术是促进带内全双工系统发挥出高频谱利用率优势的关键技术之一。
目前电学模拟域自干扰消除方法受限于射频器件的工作带宽和幅相调节精度等的限制，难以在大带宽内获得足够高的干扰抑制度，且在面临多通道阵列化需求时，电子器件的种类和数量攀升，系统结构复杂，易受电磁干扰，导致其小型化发展、一体化建设、工程化实用受到制约。相较于传统电学自干扰消除，光子射频自干扰消除技术能够充分发挥光域微波信号处理的大带宽、高精度延时与幅度调控等优势，且该技术可以与光域信号传输、分配、测量、处理等相结合，在通信、雷达等领域极具性能优势和应用潜力，成为近年来的热点。
目前的光学自干扰消除方案大多实现的是单通道收发前端的单径或多径自干扰消除场景，并未考虑兼容阵列天线体制下的多通道自干扰消除方案。而在这种多通道阵列化体制下，如果对每一对收发单元间的自干扰信号进行分别消除以实现阵元级的同时收发全双工，会使系统变得极为复杂，硬件成本高，数据处理的运算量也大大增加，因此不能很好地在实用化阵列多通道带内全双工自干扰消除系统中得到应用。且模拟域自干扰消除的作用是将近端设备自身所发送的信号经过天线内部串扰、自干扰信道产生的强自干扰成分消除，残余的自干扰信号以及在光学系统后引入的额外非线性成分，仍然会对期望信号的解调产生影响，特别是在多通道阵列化系统中，多路串扰耦合信号很难通过单纯的模拟域进行深度消除。在经过模数转换后仍需结合数字算法对残余自干扰消除进一步处理，将残余自干扰信号抑制到尽可能接近接收通道的噪底，将有用信号解调受自干扰信号的影响降到最低。因此光学模拟域和电学数字域联合处理的宽带射频自干扰消除方案，可发挥光域模拟域自干扰消除的宽频段、大带宽优势，以及电学数字域处理的低结构复杂度、深度消除优势，为多通道系统中自干扰信号的深度消除提供解决方案。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种光域及数字域联合多通道自干扰消除装置，该装置包括信号支路模块a、参考支路模块b和信号后处理模块c；其中
信号支路模块a包含n条结构相同的信号处理通道、波分复用器3、色散介质4、波分解复用器5和多波长光源8；每一条信号处理通道均包含完全相同的低噪声放大器1、双平行-马赫-曾德尔调制器2、光功率放大器6和光电探测器7；n条结构相同的信号处理通道由统一的波分复用器3、色散介质4和波分解复用器5进行连接，由统一的多波长光源8为各信号处理通道提供所需的光载波；
参考支路模块b包含低噪声放大器1、双平行-马赫-曾德尔调制器2、可调谐激光器12、光分路器9和多路模拟匹配检测支路；其中，多路模拟匹配检测支路的每一路均包括光延时线10、光衰减器11、光功率放大器6和光电探测器7；
信号后处理模块c依次包含电耦合器13、模数转换器14和数字信号处理15；
低噪声放大器1，在信号支路模块a中，其接收包含自干扰信号和有用信号的受损微波信号，输出低噪声功率放大信号；在参考支路模块b中，其接收参考信号，输出低噪声功率放大信号；低噪声放大器1输出端与双平行-马赫-曾德尔调制器2的一个射频输入口相连；
双平行-马赫-曾德尔调制器2，其一个射频输入口接收低噪声放大器1输出的低噪声功率放大信号，其另一个射频输入口空载；
波分复用器3，其接收来自信号支路模块a中多路双平行-马赫-曾德尔调制器2的光载射频信号，输出偏振复用后的光载射频信号；
色散介质4，其接收波分复用器3输出的耦合光载射频信号，输出引入不同色散相位的多路耦合光载射频信号；
波分解复用器5，其接收来自色散介质4的多路耦合光载射频信号，输出波分解复用后的多通道光载射频信号；
光功率放大器6，在信号支路模块a中，其接收波分解复用器5输出的光载射频信号，输出功率放大后的光载射频信号；在参考支路模块b中，其接收光衰减器11传输的功率调控后的光载射频信号，输出功率放大后的光载射频信号；
光电探测器7，其接收光功率放大器6输出的功率放大后的光载射频信号，输出光电转换信号；
多波长光源8，其输出端分别与信号支路模块a中多个通道的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口相连；
光分路器9，其接收参考支路模块b中双平行-马赫-曾德尔调制器2输出的光载射频信号，输出多路功率相等的分束后信号；
光延时线10，其接收光分路器9输出的一路分束后信号，输出延时调整后的光载射频信号；
光衰减器11，其接收光延时线10输出的延时调整后的光载射频信号，处理后输出给参考支路模块b中的光功率放大器6；
可调谐激光器12，其输出端与参考支路模块b中的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输出口相连；
电耦合器13，其接收信号支路模块a和参考支路模块b中多个光电探测器7输出的光电转换信号，输出多路耦合后的合路光电转换信号；
模数转换器14，其接收来自电耦合器13的合路光电转换信号，输出数字信号；
数字信号处理15，其接收来自模数转换器14输出的数字信号，处理后输出。
本发明还提供一种光域及数字域联合多通道自干扰消除方法，其基于上述光域及数字域联合多通道自干扰消除装置，具体过程如下：
步骤一：信号支路模块a中多波长光源8产生的多路光载波分别注入各通道对应的双平行-马赫-曾德尔调制器2中，被经低噪声放大器1接收和放大后的接收信号调制，产生光载射频信号；
将多波长光源8产生的光载波表示为Ec(t)＝Ecexpj(ωc+kmωr)t，其中Ec，ωc和ωr分别表示光载波的振幅、零色散参考中心频率、光载波频率调谐步长，j表示虚数单位，km是整数，1≤m≤n，表示第m条信号处理通道对应的光载波可调刻度，n表示总通道数，t表示时间，该光载波通过对应通道的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口注入；
第m条信号处理通道从外界接收到的包含多通道阵列串扰自干扰信号和有用信号的混合接收信号，首先经过低噪声放大器1实现功率放大，作为双平行-马赫-曾德尔调制器2上路的射频驱动信号，双平行-马赫-曾德尔调制器2下路的射频输入口空载；假设经过低噪声放大器1后的混合接收信号VRFm(t)表示为
其中VSOIm、ωSOIm、τSOIm分别为第m条信号处理通道的混合接收信号中有用信号的幅值、角频率、初始时延，VSIim、ωSIim、τsIim分别为第m条信号处理通道中接收到的第i条信号处理通道产生的自干扰信号的幅值、角频率、初始时延，1≤i≤n；
调节双平行-马赫-曾德尔调制器2的直流偏置电压，使双平行-马赫-曾德尔调制器2中上路的子调制器中工作在最小偏置点，产生有用信号和自干扰信号的载波抑制双边带调制信号，下路的子调制器中工作在最大偏置点，产生功率最大的未调制光载波，主调制器工作在正的正交偏置点；因此，第m条信号处理通道中双平行-马赫-曾德尔调制器2的输出信号Esm(t)表示为
其中βSOIm＝πVSOIm/Vπ、βSIim＝πVSIim/Vπ分别为对应通道中有用信号和自干扰信号的调制系数，Vπ为电光调制器的半波电压，J1/0(βSOIm)和J1/0(βSIim)分别为对应通道中有用信号和自干扰信号的1阶/0阶第一类贝塞尔函数；
步骤二：参考支路模块b中可调谐激光器12产生光载波，光载波通过参考支路中对应的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口注入，被经低噪声放大器1接收和放大后的参考信号调制，产生光载射频信号；
将可调谐激光器12产生的光载波表示为Ec(t)'＝Ec'expj(ωc'+k'ωr')t，其中Ec'，ωc'和ωr'分别表示光载波的振幅、零色散参考中心频率、光载波频率调谐步长，k'是整数，j表示虚数单位，通过调谐k'可以调节该光载波的频率，该光载波通过参考信号支路的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口注入；
参考支路模块b从外界接收参考信号后，该参考信号首先经过与信号支路模块a中同样的低噪声放大器1实现功率放大，作为该参考支路中双平行-马赫-曾德尔调制器2上路的射频驱动信号，双平行-马赫-曾德尔调制器2下路的射频输入口空载；假设经过低噪声放大器1后的参考信号VREF(t)表示为
VREF(t)＝VREFexpjωREF(t+τREF) (3)
其中VREF、ωREF、τREF分别为参考信号的幅值、角频率、初始时延；调节双平行-马赫-曾德尔调制器2的直流偏置电压，使双平行-马赫-曾德尔调制器2中上路的子调制器中工作在最小偏置点，产生参考信号的载波抑制双边带调制信号，下路的子调制器中工作在最大偏置点，产生功率最大的未调制光载波，主调制器工作在负的正交偏置点；因此，参考支路模块中双平行-马赫-曾德尔调制器2的输出信号Er(t)表示为
其中βREF＝πVREF/Vπ为参考信号的调制系数，J1(βREF)为参考信号和自干扰信号的1阶第一类贝塞尔函数；
步骤三：信号支路模块a中产生的光载射频信号从各信号处理通道的双平行-马赫-曾德尔调制器2输出后进入波分复用器3进行波分复用，并注入色散介质4引入色散诱导相位，之后进入波分解复用器5进行波分解复用，将不同波长的光载射频信号分离至不同的通道；
所有信号处理通道中的双平行-马赫-曾德尔调制器2输出的光载射频调制信号进入波分复用器3进行波分复用；波分复用器3输出的光载射频信号为所有信号处理通道中输出的调制在不同光载波上的光载射频调制信号的信号总和；该耦合信号从波分复用器3输出后进入色散介质4，由色散介质4在不同光载射频调制信号上引入色散诱导相位；色散介质4输出的引入了色散诱导相位的光载射频调制信号进入波分解复用器5进行波分解复用，以最常用的单模光纤作为色散介质4时，波分解复用器5输出的信号表示为：
其中，L、β2分别是色散介质4的长度和二阶色散系数；
步骤四：参考支路模块b中产生的光载射频信号从双平行-马赫-曾德尔调制器2输出后进入光分路器9进行分束，之后经过光延时线10和光衰减器11实现延时和功率的调节；
双平行-马赫-曾德尔调制器2输出的光载射频调制信号进入n路光分路器9进行分束，输出的多路相同的光载射频调制信号分别经过光延时线10和光衰减器11，实现延时和功率的调节；设第m个光延时线10引入的延时为τm，第m个光衰减器11引入的功率衰减因子为αm，则每一条模拟匹配检测支路后输出的延时和功率调整后的信号Erm(t)表示为：
步骤五：信号支路模块a中波分解复用器5得到的不同通道的混合信号调制边带以及参考支路模块b的不同模拟匹配检测支路中光衰减器11输出的参考信号调制边带，分别经过对应的光功率放大器6和光电探测器7实现功率放大和光电转换，得到光电转换信号；
在信号支路模块a中，波分解复用器5输出的多个通道具有色散相位的混合信号调制边带注入对应的光功率放大器6进行功率放大，随后从光功率放大器6输出并注入光电探测器7中实现光电转换，光电探测器7输出的电信号表示为：
其中，ism表示第m路信号处理支路中光电探测器7输出的电信号，R是光电探测器7的响应度，G是光功率放大器6的增益；
在参考支路模块b中，不同模拟匹配检测支路中光衰减器11输出的参考信号调制边带注入对应的光功率放大器6进行功率放大，随后从光功率放大器6输出并注入光电探测器7中实现光电转换，光电探测器7输出的电信号表示为：
其中，irm表示第m路模拟匹配检测支路输出的光信号经过光电探测器7转换后的电信号；
步骤六：信号支路模块a和参考支路模块b中的光电探测器7输出的多路光电转换信号在信号后处理模块c中经电耦合器13进行耦合，通过调节参考支路模块中的光延时线10和光衰减器11实现干扰消除；
信号支路模块a和参考支路模块b中的光电探测器7分别输出包含自干扰信号和有用信号的多路光电转换信号以及包含参考信号的多路光电转换信号，输出至信号后处理模块c中的多路电耦合器13中进行耦合，从式(7)和(8)可以看出，由于调制器直流偏置点的设置，相位反相已经内在地实现，因此耦合后的多路信号is表示为
从式(9)能够看出，通过调节参考支路模块中的光延时线10和光衰减器11能够实现多路参考信号与多路自干扰信号成分中最大主径之间的功率和延时的匹配，耦合后能够实现多路主径自干扰的消除，具体的匹配条件表示为
假设i通道串扰到m通道的自干扰成分为m通道接收的所有自干扰中的功率最大主径自干扰，则式(10)表示参考支路模块中第m条参考匹配检测支路的参考信号对应于信号支路模块中第m条信号处理通道中i通道串扰到m通道的自干扰成分，当m路参考匹配检测支路均满足式(10)的匹配条件时，1≤m≤n，经过m路参考匹配支路消除掉接收信号中的主径自干扰之后，将得到多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号；
从式(9)能够看出，得到的多路耦合有用信号的具有线性可调延时的有用信号，其延时可调量为β2Lkmωr，通过合理配置多波长光源8输出的各通道的光载波频率，实现各个通道有用信号的波束成形；
步骤七：信号后处理模块c中经电耦合器13实现耦合和多路主径自干扰消除后包含残余自干扰及有用信号的多路耦合信号进入模数转换器14及数字信号处理15，以实现数字域处理；
经电耦合器13实现耦合和多路主径自干扰消除后得到的多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号进入模数转换器14，以实现模拟域-数字域的转换，之后模数转换后的数字信号进入数字信号处理15，在其中利用数字算法实现残余自干扰的消除；
首先将信号支路模块a与信号后处理模块c断开，仅连接参考支路模块b和信号后处理模块c，单独将参考信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器14中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datar；接着将参考支路模块b与信号后处理模块c断开，仅连接信号支路模块a和信号后处理模块c，并按照约定停止发送有用信号，仅将包含多路耦合自干扰信号的接收信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器14中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datas；最后再将信号支路模块a、参考支路模块b与信号后处理模块c全部连接好，同时发送有用信号、自干扰信号和参考信号，将模拟域多路自干扰消除后的接收信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器14中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datac；
在数字信号处理15中，首先利用接收到的参考信号数据datar和自干扰信号数据datas，利用快速递归最小二乘算法实现自适应滤波，使自干扰信号和参考信号的误差达到最小滤波器参数值；随后利用接收到的包含有用信号和残余自干扰信号的接收信号数据datac，将接收信号减去由参考信号经过滤波器得到的自干扰重构信号，得到有用信号，有用信号经下变频，频偏、相偏恢复，均衡后恢复出有用信号。
本发明提供一种多通道阵列化体制下的光学模拟域和电学数字域联合处理的宽带射频自干扰消除方案。利用多通道光学模拟域匹配支路对每一个通道的自干扰信号的主径成分进行消除，在经过模数转换后结合快速递归最小二乘算法对残余自干扰做进一步消除，将自干扰信号对有用信号的影响降到最低。本发明装置以较小的阵元规模和较低的运算成本实现阵列多通道带内全双工系统的自干扰消除，既发挥了光域模拟域自干扰消除的宽频段、大带宽优势，也利用了电学数字域处理的低结构复杂度、深度消除优势，同时结合色散介质和多波长光源的灵活可调谐，通过提前配置多通道光载波波长，实现多通道有用信号的波束成形。
附图说明
图1为本发明光学模拟域和电学数字域联合处理的射频多通道自干扰消除装置结构示意图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明光学模拟域和电学数字域联合处理射频多通道自干扰消除装置结构示意图，该装置包括信号支路模块a、参考支路模块b和信号后处理模块c。
信号支路模块a包含n条结构相同的信号处理通道、波分复用器3、色散介质4、波分解复用器5和多波长光源8。n条结构相同的信号处理通道分别用于接收多通道阵列天线中的多通道输入信号并进行光学模拟域处理，每一条信号处理通道均包含完全相同的低噪声放大器1、双平行-马赫-曾德尔调制器2、光功率放大器6和光电探测器7。n条结构相同的信号处理通道由统一的波分复用器3、色散介质4和波分解复用器5进行连接，由统一的多波长光源8为各信号处理通道提供所需的光载波。
参考支路模块b包含低噪声放大器1、双平行-马赫-曾德尔调制器2、可调谐激光器12、光分路器9和多路模拟匹配检测支路。其中，多路模拟匹配检测支路的每一路均包括光延时线10、光衰减器11、光功率放大器6和光电探测器7。
信号后处理模块c依次包含电耦合器13、模数转换器14和数字信号处理15。
低噪声放大器1，在信号支路模块a中，其接收包含自干扰信号和有用信号的受损微波信号，对该微波信号进行低噪声放大，形成低噪声功率放大信号输出；在参考支路模块b中，其接收参考信号，对参考信号进行低噪声放大，形成低噪声功率放大信号输出；低噪声放大器1输出端与双平行-马赫-曾德尔调制器2的一个射频输入口相连。
双平行-马赫-曾德尔调制器2，其一个射频输入口接收低噪声放大器1输出的低噪声功率放大信号，将该信号调制到光载波上形成光载射频信号并输出，其另一个射频输入口空载。
波分复用器3，其接收来自信号支路模块a中多路双平行-马赫-曾德尔调制器2的光载射频信号，对光载射频信号进行波分复用，输出偏振复用后的光载射频信号。
色散介质4，其接收波分复用器3输出的耦合光载射频信号，在各通道光载射频信号中引入色散诱导相位，输出引入不同色散相位的多路耦合光载射频信号，用于后续的波束形成。
波分解复用器5，其接收来自色散介质4的多路耦合光载射频信号，对其进行波分解复用，输出波分解复用后的多通道光载射频信号。
光功率放大器6，在信号支路模块a中，其接收波分解复用器5输出的光载射频信号，对光载射频信号进行光功率放大，输出功率放大后的光载射频信号；在参考支路模块b中，其接收光衰减器11传输的功率调控后的光载射频信号，对功率调控后的光载射频信号进行光功率放大，输出功率放大后的光载射频信号。
光电探测器7，其接收光功率放大器6输出的功率放大后的光载射频信号，对光载射频信号进行光电转换，输出光电转换信号。
多波长光源8，其输出端分别与信号支路模块a中多个通道的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口相连，用于给多通道提供不同波长的光载波。
光分路器9，其接收参考支路模块b中双平行-马赫-曾德尔调制器2输出的光载射频信号，并对其进行分束处理，输出多路功率相等的分束后信号。
光延时线10，其接收光分路器9输出的一路分束后信号，对其进行延时调整，产生延时调整后的光载射频信号并输出。
光衰减器11，其接收光延时线10输出的延时调整后的光载射频信号，对其进行功率调节并输出给参考支路模块b中的光功率放大器6。
可调谐激光器12，其输出端与参考支路模块b中的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输出口相连，用于给参考支路提供可调谐光载波。
电耦合器13，其接收信号支路模块a和参考支路模块b中多个光电探测器7输出的光电转换信号，进行多路光电转换信号的耦合，输出多路耦合后的合路光电转换信号。
模数转换器14，其接收来自电耦合器13的合路光电转换信号，对其进行模数转换，输出数字信号。
数字信号处理15，其接收来自模数转换器14输出的数字信号，对其进行数字域信号处理。
利用图1所示的结构，完成光学模拟域和电学数字域联合处理的射频多通道自干扰消除的方法过程如下：
步骤一：信号支路模块a中多波长光源8产生的多路光载波分别注入各通道对应的双平行-马赫-曾德尔调制器2中，被经低噪声放大器1接收和放大后的接收信号调制，产生光载射频信号；
将多波长光源8产生的光载波表示为Ec(t)＝Ecexpj(ωc+kmωr)t，其中Ec，ωc和ωr分别表示光载波的振幅、零色散参考中心频率、光载波频率调谐步长，j表示虚数单位，km是整数(1≤m≤n)，表示第m条信号处理通道对应的光载波可调刻度，n表示总通道数，t表示时间，该光载波通过对应通道的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口注入。
本发明装置第m条信号处理通道从外界接收到的包含多通道阵列串扰自干扰信号和有用信号的混合接收信号，首先经过低噪声放大器1实现功率放大，作为双平行-马赫-曾德尔调制器2上路的射频驱动信号，双平行-马赫-曾德尔调制器2下路的射频输入口空载。假设经过低噪声放大器1后的混合接收信号VRFm(t)可表示为
其中VSOIm、ωSOIm、τSOIm分别为第m条信号处理通道的混合接收信号中有用信号的幅值、角频率、初始时延，VSIim、ωSIim、τSIim分别为第m条信号处理通道中接收到的第i条信号处理通道产生的自干扰信号的幅值、角频率、初始时延(1≤i≤n)，特别地，VSImm、ωSImm、τSImm分别为第m条信号处理通道中接收到的自身通道产生的反射自干扰信号的幅值、角频率、初始时延。
调节双平行-马赫-曾德尔调制器2的直流偏置电压，使双平行-马赫-曾德尔调制器2中上路的子调制器中工作在最小偏置点，产生有用信号和自干扰信号的载波抑制双边带调制信号，下路的子调制器中工作在最大偏置点，产生功率最大的未调制光载波，主调制器工作在正的正交偏置点。因此，第m条信号处理通道中双平行-马赫-曾德尔调制器2的输出信号Esm(t)可以表示为
其中βSOIm＝πVSOIm/Vπ、βSIim＝πVSIim/Vπ分别为对应通道中有用信号和自干扰信号的调制系数，Vπ为电光调制器的半波电压，J1/0(βSOIm)和J1/0(βSIim)分别为对应通道中有用信号和自干扰信号的1阶/0阶第一类贝塞尔函数。
步骤二：参考支路模块b中可调谐激光器12产生光载波，光载波通过参考支路中对应的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口注入，被经低噪声放大器1接收和放大后的参考信号调制，产生光载射频信号；
将可调谐激光器12产生的光载波表示为Ec(t)'＝Ec'expj(ωc'+k'ωr')t，其中Ec'，ωc'和ωr'分别表示光载波的振幅、零色散参考中心频率、光载波频率调谐步长，k'是整数，j表示虚数单位，通过调谐k'可以调节该光载波的频率，该光载波通过参考信号支路的双平行-马赫-曾德尔调制器2的光输入口注入。
本发明装置参考支路模块b从外界接收参考信号后，该参考信号首先经过与信号支路模块a中同样的低噪声放大器1实现功率放大，作为该参考支路中双平行-马赫-曾德尔调制器2上路的射频驱动信号，双平行-马赫-曾德尔调制器2下路的射频输入口空载。假设经过低噪声放大器1后的参考信号VREF(t)表示为
VREF(t)＝VREFexpjωREF(t+τREF) (13)
其中VREF、ωREF、τREF分别为参考信号的幅值、角频率、初始时延。调节双平行-马赫-曾德尔调制器2的直流偏置电压，使双平行-马赫-曾德尔调制器2中上路的子调制器中工作在最小偏置点，产生参考信号的载波抑制双边带调制信号，下路的子调制器中工作在最大偏置点，产生功率最大的未调制光载波，主调制器工作在负的正交偏置点。因此，参考支路模块中双平行-马赫-曾德尔调制器2的输出信号Er(t)可以表示为
其中βREF＝πVREF/Vπ为参考信号的调制系数，J1(βREF)为参考信号和自干扰信号的1阶第一类贝塞尔函数。
步骤三：信号支路模块a中产生的光载射频信号从各信号处理通道的双平行-马赫-曾德尔调制器2输出后进入波分复用器3进行波分复用，并注入色散介质4引入色散诱导相位，之后进入波分解复用器5进行波分解复用，将不同波长的光载射频信号分离至不同的通道；
所有信号处理通道中的双平行-马赫-曾德尔调制器2输出的光载射频调制信号进入波分复用器3进行波分复用。波分复用器3输出的光载射频信号为所有信号处理通道中输出的调制在不同光载波上的光载射频调制信号的信号总和。该耦合信号从波分复用器3输出后进入色散介质4，由色散介质4在不同光载射频调制信号上引入色散诱导相位。色散介质4输出的引入了色散诱导相位的光载射频调制信号进入波分解复用器5进行波分解复用，以最常用的单模光纤作为色散介质4时，波分解复用器5输出的信号可表示为：
其中，L、β2分别是色散介质4的长度和二阶色散系数。
步骤四：参考支路模块b中产生的光载射频信号从双平行-马赫-曾德尔调制器2输出后进入光分路器9进行分束，之后经过光延时线10和光衰减器11实现延时和功率的调节；
双平行-马赫-曾德尔调制器2输出的光载射频调制信号进入n路光分路器9进行分束，输出的多路相同的光载射频调制信号分别经过光延时线10和光衰减器11，实现延时和功率的调节。设第m个光延时线10引入的延时为τm，第m个光衰减器11引入的功率衰减因子为αm，则每一条模拟匹配检测支路后输出的延时和功率调整后的信号Erm(t)可表示为：
步骤五：信号支路模块a中波分解复用器5得到的不同通道的混合信号调制边带以及参考支路模块b的不同模拟匹配检测支路中光衰减器11输出的参考信号调制边带，分别经过对应的光功率放大器6和光电探测器7实现功率放大和光电转换，得到光电转换信号；
在信号支路模块a中，波分解复用器5输出的多个通道具有色散相位的混合信号调制边带注入对应的光功率放大器6进行功率放大，随后从光功率放大器6输出并注入光电探测器7中实现光电转换，光电探测器7输出的电信号表示为：
其中，ism表示第m路信号处理支路中光电探测器7输出的电信号，R是光电探测器7的响应度，G是光功率放大器6的增益。
在参考支路模块b中，不同模拟匹配检测支路中光衰减器11输出的参考信号调制边带注入对应的光功率放大器6进行功率放大，随后从光功率放大器6输出并注入光电探测器7中实现光电转换，光电探测器7输出的电信号表示为：
其中，irm表示第m路模拟匹配检测支路输出的光信号经过光电探测器7转换后的电信号。
步骤六：信号支路模块a和参考支路模块b中的光电探测器7输出的多路光电转换信号在信号后处理模块c中经电耦合器13进行耦合，通过调节参考支路模块中的光延时线10和光衰减器11实现干扰消除；
信号支路模块a和参考支路模块b中的光电探测器7分别输出包含自干扰信号和有用信号的多路光电转换信号以及包含参考信号的多路光电转换信号，输出至信号后处理模块c中的多路电耦合器13中进行耦合，从式(7)和(8)可以看出，由于调制器直流偏置点的设置，相位反相已经内在地实现，因此耦合后的多路信号is可以表示为
从式(9)可以看出，通过调节参考支路模块中的光延时线10和光衰减器11可以实现多路参考信号与多路自干扰信号成分中最大主径之间的功率和延时的匹配，耦合后可以实现多路主径自干扰的消除，具体的匹配条件可以表示为
式(10)表示参考支路模块中第m条参考匹配检测支路的参考信号对应于信号支路模块中第m条信号处理通道中i通道串扰到m通道的自干扰成分(假设i通道串扰到m通道的自干扰成分为m通道接收的所有自干扰中的功率最大主径自干扰)，当m路参考匹配检测支路(1≤m≤n)均满足式(10)的匹配条件时，那么经过m路参考匹配支路消除了接收信号中的主径自干扰之后，将得到多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号。
从式(9)可以看出，得到的多路耦合有用信号的具有线性可调延时的有用信号，其延时可调量为β2Lkmωr，通过合理配置多波长光源8输出的各通道的光载波频率，实现各个通道有用信号的波束成形。
步骤七：信号后处理模块c中经电耦合器13实现耦合和多路主径自干扰消除后包含残余自干扰及有用信号的多路耦合信号进入模数转换器14及数字信号处理15，以实现数字域处理；
经电耦合器13实现耦合和多路主径自干扰消除后得到的多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号进入模数转换器14，以实现模拟域-数字域的转换，之后模数转换后的数字信号进入数字信号处理15，在其中利用数字算法实现残余自干扰的消除。
首先将信号支路模块a与信号后处理模块c断开，仅连接参考支路模块b和信号后处理模块c，单独将参考信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器14中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datar；接着将参考支路模块b与信号后处理模块c断开，仅连接信号支路模块a和信号后处理模块c，并按照约定停止发送有用信号，仅将包含多路耦合自干扰信号的接收信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器14中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datas；最后再将该装置按照图1所示将信号支路模块a、参考支路模块b与信号后处理模块c全部连接好，同时发送有用信号、自干扰信号和参考信号，将模拟域多路自干扰消除后的接收信号(包含多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号)传输至信号后处理模块c中，在模数转换器14中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datac。
在数字信号处理15中，首先利用接收到的参考信号数据datar和自干扰信号数据datas，利用快速递归最小二乘算法([1]D.J.Dechene,“Fast transversal recursiveleast-squares(FT-RLS)algorithm,”in IEEE Trans Signal Proc,Citeseer,2007,pp.4.[2]D.P.Sergio,“Fast transversal RLS algorithms”in Adaptive Filtering:Algorithms and Practical Implementation,3rd ed,2008,pp.333-339)实现自适应滤波，使自干扰信号和参考信号的误差达到最小滤波器参数值。随后利用接收到的包含有用信号和残余自干扰信号的接收信号数据datac，将接收信号减去由参考信号经过滤波器得到的自干扰重构信号，最终得到有用信号，有用信号经下变频，频偏、相偏恢复，均衡后恢复出有用信号。
本发明提出一种多通道阵列化体制下的光学模拟域和电学数字域联合处理的宽带射频自干扰消除方案。利用多通道光学模拟域匹配支路对每一个通道的自干扰信号的主径成分进行消除，在经过模数转换后结合快速递归最小二乘算法对残余自干扰做进一步消除，将自干扰信号对有用信号的影响降到最低。本发明装置以较小的阵元规模和较低的运算成本实现阵列多通道带内全双工系统的自干扰消除，既发挥了光域模拟域自干扰消除的宽频段、大带宽优势，也利用了电学数字域处理的低结构复杂度、深度消除优势，同时结合色散介质和多波长光源的灵活可调谐，通过提前配置多通道光载波波长，实现多通道有用信号的波束成形。
Claims (2)
1.光域及数字域联合多通道自干扰消除装置，其特征在于，该装置包括信号支路模块a、参考支路模块b和信号后处理模块c；其中
信号支路模块a包含n条结构相同的信号处理通道、波分复用器(3)、色散介质(4)、波分解复用器(5)和多波长光源(8)；每一条信号处理通道均包含完全相同的低噪声放大器(1)、双平行-马赫-曾德尔调制器(2)、光功率放大器(6)和光电探测器(7)；n条结构相同的信号处理通道由统一的波分复用器(3)、色散介质(4)和波分解复用器(5)进行连接，由统一的多波长光源(8)为各信号处理通道提供所需的光载波；
参考支路模块b包含低噪声放大器(1)、双平行-马赫-曾德尔调制器(2)、可调谐激光器(12)、光分路器(9)和多路模拟匹配检测支路；其中，多路模拟匹配检测支路的每一路均包括光延时线(10)、光衰减器(11)、光功率放大器(6)和光电探测器(7)；
信号后处理模块c依次包含电耦合器(13)、模数转换器(14)和数字信号处理(15)；
低噪声放大器(1)，在信号支路模块a中，其接收包含自干扰信号和有用信号的受损微波信号，输出低噪声功率放大信号；在参考支路模块b中，其接收参考信号，输出低噪声功率放大信号；低噪声放大器(1)输出端与双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的一个射频输入口相连；
双平行-马赫-曾德尔调制器(2)，其一个射频输入口接收低噪声放大器(1)输出的低噪声功率放大信号，其另一个射频输入口空载；
波分复用器(3)，其接收来自信号支路模块a中多路双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的光载射频信号，输出偏振复用后的光载射频信号；
色散介质(4)，其接收波分复用器(3)输出的耦合光载射频信号，输出引入不同色散相位的多路耦合光载射频信号；
波分解复用器(5)，其接收来自色散介质(4)的多路耦合光载射频信号，输出波分解复用后的多通道光载射频信号；
光功率放大器(6)，在信号支路模块a中，其接收波分解复用器(5)输出的光载射频信号，输出功率放大后的光载射频信号；在参考支路模块b中，其接收光衰减器(11)传输的功率调控后的光载射频信号，输出功率放大后的光载射频信号；
光电探测器(7)，其接收光功率放大器(6)输出的功率放大后的光载射频信号，输出光电转换信号；
多波长光源(8)，其输出端分别与信号支路模块a中多个通道的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的光输入口相连；
光分路器(9)，其接收参考支路模块b中双平行-马赫-曾德尔调制器(2)输出的光载射频信号，输出多路功率相等的分束后信号；
光延时线(10)，其接收光分路器(9)输出的一路分束后信号，输出延时调整后的光载射频信号；
光衰减器(11)，其接收光延时线(10)输出的延时调整后的光载射频信号，处理后输出给参考支路模块b中的光功率放大器(6)；
可调谐激光器(12)，其输出端与参考支路模块b中的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的光输出口相连；
电耦合器(13)，其接收信号支路模块a和参考支路模块b中多个光电探测器(7)输出的光电转换信号，输出多路耦合后的合路光电转换信号；
模数转换器(14)，其接收来自电耦合器(13)的合路光电转换信号，输出数字信号；
数字信号处理(15)，其接收来自模数转换器(14)输出的数字信号，处理后输出。
2.光域及数字域联合多通道自干扰消除方法，其基于如权利要求1所述的光域及数字域联合多通道自干扰消除装置，其特征在于，具体过程如下：
步骤一：信号支路模块a中多波长光源(8)产生的多路光载波分别注入各通道对应的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)中，被经低噪声放大器(1)接收和放大后的接收信号调制，产生光载射频信号；
将多波长光源(8)产生的光载波表示为Ec(t)＝Ecexpj(ωc+kmωr)t，其中Ec，ωc和ωr分别表示光载波的振幅、零色散参考中心频率、光载波频率调谐步长，j表示虚数单位，km是整数，1≤m≤n，表示第m条信号处理通道对应的光载波可调刻度，n表示总通道数，t表示时间，该光载波通过对应通道的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的光输入口注入；
第m条信号处理通道从外界接收到的包含多通道阵列串扰自干扰信号和有用信号的混合接收信号，首先经过低噪声放大器(1)实现功率放大，作为双平行-马赫-曾德尔调制器(2)上路的射频驱动信号，双平行-马赫-曾德尔调制器(2)下路的射频输入口空载；假设经过低噪声放大器(1)后的混合接收信号VRFm(t)表示为
其中VSOIm、ωSOIm、τSOIm分别为第m条信号处理通道的混合接收信号中有用信号的幅值、角频率、初始时延，VSIim、ωSIim、τSIim分别为第m条信号处理通道中接收到的第i条信号处理通道产生的自干扰信号的幅值、角频率、初始时延，1≤i≤n；
调节双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的直流偏置电压，使双平行-马赫-曾德尔调制器(2)中上路的子调制器中工作在最小偏置点，产生有用信号和自干扰信号的载波抑制双边带调制信号，下路的子调制器中工作在最大偏置点，产生功率最大的未调制光载波，主调制器工作在正的正交偏置点；因此，第m条信号处理通道中双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的输出信号Esm(t)表示为
其中βSOIm＝πVSOIm/Vπ、βSIim＝πVSIim/Vπ分别为对应通道中有用信号和自干扰信号的调制系数，Vπ为电光调制器的半波电压，J1/0(βSOIm)和J1/0(βSIim)分别为对应通道中有用信号和自干扰信号的1阶/0阶第一类贝塞尔函数；
步骤二：参考支路模块b中可调谐激光器(12)产生光载波，光载波通过参考支路中对应的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的光输入口注入，被经低噪声放大器(1)接收和放大后的参考信号调制，产生光载射频信号；
将可调谐激光器(12)产生的光载波表示为Ec(t)'＝Ec'expj(ωc'+k'ωr')t，其中Ec'，ωc'和ωr'分别表示光载波的振幅、零色散参考中心频率、光载波频率调谐步长，k'是整数，j表示虚数单位，通过调谐k'可以调节该光载波的频率，该光载波通过参考信号支路的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的光输入口注入；
参考支路模块b从外界接收参考信号后，该参考信号首先经过与信号支路模块a中同样的低噪声放大器(1)实现功率放大，作为该参考支路中双平行-马赫-曾德尔调制器(2)上路的射频驱动信号，双平行-马赫-曾德尔调制器(2)下路的射频输入口空载；假设经过低噪声放大器(1)后的参考信号VREF(t)表示为
VREF(t)＝VREFexpjωREF(t+τREF) (3)
其中VREF、ωREF、τREF分别为参考信号的幅值、角频率、初始时延；调节双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的直流偏置电压，使双平行-马赫-曾德尔调制器(2)中上路的子调制器中工作在最小偏置点，产生参考信号的载波抑制双边带调制信号，下路的子调制器中工作在最大偏置点，产生功率最大的未调制光载波，主调制器工作在负的正交偏置点；因此，参考支路模块中双平行-马赫-曾德尔调制器(2)的输出信号Er(t)表示为
其中βREF＝πVREF/Vπ为参考信号的调制系数，J1(βREF)为参考信号和自干扰信号的1阶第一类贝塞尔函数；
步骤三：信号支路模块a中产生的光载射频信号从各信号处理通道的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)输出后进入波分复用器(3)进行波分复用，并注入色散介质(4)引入色散诱导相位，之后进入波分解复用器(5)进行波分解复用，将不同波长的光载射频信号分离至不同的通道；
所有信号处理通道中的双平行-马赫-曾德尔调制器(2)输出的光载射频调制信号进入波分复用器(3)进行波分复用；波分复用器(3)输出的光载射频信号为所有信号处理通道中输出的调制在不同光载波上的光载射频调制信号的信号总和；该耦合信号从波分复用器(3)输出后进入色散介质(4)，由色散介质(4)在不同光载射频调制信号上引入色散诱导相位；色散介质(4)输出的引入了色散诱导相位的光载射频调制信号进入波分解复用器(5)进行波分解复用，以最常用的单模光纤作为色散介质(4)时，波分解复用器(5)输出的信号表示为：
其中，L、β2分别是色散介质(4)的长度和二阶色散系数；
步骤四：参考支路模块b中产生的光载射频信号从双平行-马赫-曾德尔调制器(2)输出后进入光分路器(9)进行分束，之后经过光延时线(10)和光衰减器(11)实现延时和功率的调节；
双平行-马赫-曾德尔调制器(2)输出的光载射频调制信号进入n路光分路器(9)进行分束，输出的多路相同的光载射频调制信号分别经过光延时线(10)和光衰减器(11)，实现延时和功率的调节；设第m个光延时线(10)引入的延时为τm，第m个光衰减器(11)引入的功率衰减因子为αm，则每一条模拟匹配检测支路后输出的延时和功率调整后的信号Erm(t)表示为：
步骤五：信号支路模块a中波分解复用器(5)得到的不同通道的混合信号调制边带以及参考支路模块b的不同模拟匹配检测支路中光衰减器(11)输出的参考信号调制边带，分别经过对应的光功率放大器(6)和光电探测器(7)实现功率放大和光电转换，得到光电转换信号；
在信号支路模块a中，波分解复用器(5)输出的多个通道具有色散相位的混合信号调制边带注入对应的光功率放大器(6)进行功率放大，随后从光功率放大器(6)输出并注入光电探测器(7)中实现光电转换，光电探测器(7)输出的电信号表示为：
其中，ism表示第m路信号处理支路中光电探测器(7)输出的电信号，R是光电探测器(7)的响应度，G是光功率放大器(6)的增益；
在参考支路模块b中，不同模拟匹配检测支路中光衰减器(11)输出的参考信号调制边带注入对应的光功率放大器(6)进行功率放大，随后从光功率放大器(6)输出并注入光电探测器(7)中实现光电转换，光电探测器(7)输出的电信号表示为：
其中，irm表示第m路模拟匹配检测支路输出的光信号经过光电探测器(7)转换后的电信号；
步骤六：信号支路模块a和参考支路模块b中的光电探测器(7)输出的多路光电转换信号在信号后处理模块c中经电耦合器(13)进行耦合，通过调节参考支路模块中的光延时线(10)和光衰减器(11)实现干扰消除；
信号支路模块a和参考支路模块b中的光电探测器(7)分别输出包含自干扰信号和有用信号的多路光电转换信号以及包含参考信号的多路光电转换信号，输出至信号后处理模块c中的多路电耦合器(13)中进行耦合，从式(7)和(8)可以看出，由于调制器直流偏置点的设置，相位反相已经内在地实现，因此耦合后的多路信号is表示为
从式(9)能够看出，通过调节参考支路模块中的光延时线(10)和光衰减器(11)能够实现多路参考信号与多路自干扰信号成分中最大主径之间的功率和延时的匹配，耦合后能够实现多路主径自干扰的消除，具体的匹配条件表示为
假设i通道串扰到m通道的自干扰成分为m通道接收的所有自干扰中的功率最大主径自干扰，则式(10)表示参考支路模块中第m条参考匹配检测支路的参考信号对应于信号支路模块中第m条信号处理通道中i通道串扰到m通道的自干扰成分，当m路参考匹配检测支路均满足式(10)的匹配条件时，1≤m≤n，经过m路参考匹配支路消除掉接收信号中的主径自干扰之后，将得到多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号；
从式(9)能够看出，得到的多路耦合有用信号的具有线性可调延时的有用信号，其延时可调量为β2Lkmωr，通过合理配置多波长光源(8)输出的各通道的光载波频率，实现各个通道有用信号的波束成形；
步骤七：信号后处理模块c中经电耦合器(13)实现耦合和多路主径自干扰消除后包含残余自干扰及有用信号的多路耦合信号进入模数转换器(14)及数字信号处理(15)，以实现数字域处理；
经电耦合器(13)实现耦合和多路主径自干扰消除后得到的多路耦合有用信号及多路耦合残余自干扰信号进入模数转换器(14)，以实现模拟域-数字域的转换，之后模数转换后的数字信号进入数字信号处理(15)，在其中利用数字算法实现残余自干扰的消除；
首先将信号支路模块a与信号后处理模块c断开，仅连接参考支路模块b和信号后处理模块c，单独将参考信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器(14)中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datar；接着将参考支路模块b与信号后处理模块c断开，仅连接信号支路模块a和信号后处理模块c，并按照约定停止发送有用信号，仅将包含多路耦合自干扰信号的接收信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器(14)中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datas；最后再将信号支路模块a、参考支路模块b与信号后处理模块c全部连接好，同时发送有用信号、自干扰信号和参考信号，将模拟域多路自干扰消除后的接收信号传输至信号后处理模块c中，在模数转换器(14)中经高位数ADC采样、量化到数字域并进行存储，记作datac；
在数字信号处理(15)中，首先利用接收到的参考信号数据datar和自干扰信号数据datas，利用快速递归最小二乘算法实现自适应滤波，使自干扰信号和参考信号的误差达到最小滤波器参数值；随后利用接收到的包含有用信号和残余自干扰信号的接收信号数据datac，将接收信号减去由参考信号经过滤波器得到的自干扰重构信号，得到有用信号，有用信号经下变频，频偏、相偏恢复，均衡后恢复出有用信号。
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