CN102208948B - 数字射频接收机前端装置、接收机及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字射频接收机前端装置，涉及微波光子技术领域，包括：光源、电光极化调制器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光纤分束器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、第一模/数转换器、第二模/数转换器和DSP处理器。还公开了一种利用上述前端装置的数字射频接收机及其前端接收方法。本发明实现了成本低廉，并对环境要求低的大动态数字射频接收机前端装置。

Description

数字射频接收机前端装置、接收机及接收方法

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，特别涉及一种数字射频接收机前端装置、接收机及接收方法。

背景技术

接收机射频前端位于接收机的最前端，其结构和性能直接影响着整个接收机。目前传统射频前端包括许多电子器件，如：电放大器、混频器、滤波器以及移相器等，这些电子器件会产生严重的非线性失真并引进噪声，使得射频前端性能指标的提高日趋困难。微波光子学的兴起给接收机射频前端开辟了一条新的思路。微波光子技术可以实现具有宽带、大动态范围的数字射频接收机。

图1是参考文献[1]中提出的基于电光相位调制器的射频光前端。首先将天线接收到的射频信号利用电光相位调制器调制到光载波上，然后，利用两根延迟匹配的光纤传输射频信号，两根光纤延迟的精确匹配是通过加入反馈环路控制光纤挤压器来实现的。最后，利用相干线性解调以及DSP处理可以恢复出射频信号。

上述基于电光相位调制器的数字射频接收机的主要特点是可以利用相位调制以及90°光耦合器得到正交的两路电信号并利用DSP处理实现严格的线性解调。从而可以实现宽带、大动态范围的数字射频接收机。然而，此方案的最主要缺点是：

1、受激光源的相位噪声影响，系统不稳定，对实验条件要求高，所以只能停留在实验室阶段；

2、系统复杂，成本昂贵；

3、射频信号的光传输距离受限。

因此，有必要设计一个系统简单、成本低廉并对环境要求低的大动态数字射频接收机。

上述引用的参考文献如下：

Thomas R.Clark,and Michael L.Dennis,“Coherent OpticalPhase-Modulation Link,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.19,no.16,pp.1206–1208,Aug.2007.

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现成本低廉，并对环境要求低的大动态数字射频接收机前端装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数字射频接收机前端装置，包括：

光源，用于发射一路光束，所述光束中的偏振态为任意偏振态；

第一偏振控制器，用于将所述光束中的任意偏振态调整成正交的两条线偏振光；

电光极化调制器，用于将天线接收的射频信号反相地相位调制到所述正交的两条线偏振光上，并将调制后的光束通过光纤传输到第二偏振控制器；

第二偏振控制器，用于将电光极化调制器输出光信号的圆偏振态轨迹转换到线偏振轨迹；

光纤分束器，用于将经过所述第二偏振控制器的光束分为两路光束；

第一偏振分束器和第二偏振分束器，分别用于将各自光束中正交的两条偏振光进行干涉，以完成射频信号从相位调制到强度调制的转变，并将转变后的光束分成两路光束；

第三偏振控制器和第四偏振控制器，分别位于第一偏振分束器和第二偏振分束器之前，光纤分束器之后，用于分别控制通过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两束偏振光的干涉角度；

第一平衡探测器，用于分别将第一偏振分束器分出的两路光束转换成第一路电信号；

第二平衡探测器，用于分别将第二偏振分束器分出的两路光束转换成第二路电信号；

信号处理模块，用于处理所述第一路电信号和所述第二路电信号。

其中，所述第一偏振控制器还用于将所述正交的两条线偏振光调制到相对于所述电光极化调制器主轴的45°夹角上。

其中，所述信号处理模块包括：第一模/数转换器、第二模/数转换器和DSP处理器，所述第一模/数转换器和第二模/数转换器，用于分别将所述第一路电信号和第二路电信号进行模数转换，并将模数转换后的两路信号发送到DSP处理器。

其中，所述光源为连续激光源。

本发明还提供了一种数字射频接收机，所述数字射频接收机的前端装置为上述的前端装置。

本发明还提供了一种利用上述数字射频接收机前端装置实现的接收方法，包括以下步骤：

S1：第一偏振控制器将光源发出的一路光束调整成正交的两条线偏振光；

S2：电光极化调制器将天线接收的射频信号反相地相位调制到所述正交的两条线偏振光上，并将调制后的光束通过光纤传输到第二偏振控制器；

S3：第二偏振控制器将电光极化调制器输出的光束的圆偏振态轨迹转换到线偏振轨迹，并由光纤分束器将经过第二偏振控制器的光束分为两路光束；

S4：第三偏振控制器和第四偏振控制器，分别控制通过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两束偏振光的干涉角度；

S5：第一偏振分束器和第二偏振分束器，分别将各自光束中正交的两束偏振光根据所述干涉角度进行干涉，以完成射频信号从相位调制到强度调制的转换，并将转换后的光束分成两路光束；

S6：第一平衡探测器和第二平衡探测器分别将第一偏振分束器和第二偏振分束器分出的两路光束转换成第一路电信号和第二路电信号；

S7：信号处理模块处理所述第一路电信号和所述第二路电信号。

其中，所述步骤S1中第一偏振控制器还将所述正交的两条线偏振光调制到相对于所述电光极化调制器主轴的45°夹角上。

其中，所述步骤S4中，控制经过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两条偏振光的干涉角度，以使第一偏振分束器和第二偏分束器分别按如下公式(1)，(2)所示的强度调制传输函数完成射频信号从相位调制到强度调制的转换，

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(1\right)$

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(2\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间。

其中，所述步骤S5中：第一平衡探测器和第二平衡探测器分别采用如下公式(3)、(4)将干涉后的光束转换成第一路电信号和第二路电信号，所述第一路电信号为同相电信号，第二路电信号为90°相差电信号，

$P=P_{\mathrm{in}}R\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(3\right)$

$P=P_{\mathrm{in}}R\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(4\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间，R为光电转换系数。

其中，所述步骤S7具体包括步骤：将所述第一路电信号和所述第二路电信号进行模数转换，然后由DSP处理器对转换后的信号实现严格线性解调。

(三)有益效果

1、本发明是为实现具有宽带、大动态范围的数字射频接收机专门设计的，使用本发明设计结构，可以实现单根光纤传输射频信号，系统不受激光源相位噪声影响，并实现严格线性解调的数字射频接收机。本发明简化了系统复杂度，降低设备成本，并对环境要求低。

2、由于利用电光极化调制器调制正交的两偏振光，实现了利用单根光纤传输射频信号，以使数字射频接收机具有射频拉远的能力。

3、由于利用电光极化调制器和偏振分束器，实现了相位调制到强度调制的转换。以使系统不受激光源相位噪声的影响，提高了系统稳定性，降低了对工作环境的要求。

4、由于利用偏振控制器控制光的偏振方向以实现相干接收，并通过模/数转换器将模拟信号转变为数字信号，并利用DSP处理实现射频信号的严格线性解调，提高了系统的接收性能，并降低了系统成本。

附图说明

图1是现有技术中的一种数字射频接收机前端装置结构示意图；

图2是本发明实施例的一种数字射频接收机前端装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明的宽带、大动态范围的数字射频接收机前端装置结构包括：光源、四个偏振控制器(第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器)、电光极化调制器、光纤分束器、两个偏振分束器(第一偏振分束器和第二偏振分束器)、两个平衡探测器(第一平衡探测器和第二平衡探测器)及信号处理模块。其中，

光源用于发射一路光束，该光束中的偏振态为任意偏振态。光源为CW激光源。

第一偏振控制器用于将光源发出的光束中的任意偏振态调整成正交的两条线偏振光。优选线偏振光的偏振角相对于电光极化调制器主轴45°。

电光极化调制器用于将天线接收的射频信号反相地相位调制到正交的两条偏振光上，并将调制后的光束通过光纤传输到第二偏振控制器。采用电光极化调制器使得携带不同相位信息的两偏振光在单根光纤中传输，传输距离得到加强。并降低系统对CW激光源相位噪声的影响，提高了系统稳定性。

第二偏振控制器用于将电光极化调制器输出的光束的圆偏振态轨迹转换到线偏振轨迹。

光纤分束器用于将经过第二偏振控制器的光束分为两路光束。

第一偏振分束器和第二偏振分束器分别用于将各自光束中正交的两条偏振光进行干涉，以使射频信号从相位调制到强度调制的转变，并将转变后的光束分成两路光束。

第三偏振控制器和第四偏振控制器分别位于第一偏振分束器和第二偏振分束器之前，光纤分束器之后，用于分别控制通过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两条偏振光的干涉角度，以使第一偏振分束器和第二偏分束器分别按如下公式(1)，(2)所示的强度调制传输函数完成射频信号从相位调制到强度调制的转换，

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(1\right)$

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(2\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间。

本实施例中利用1×2光纤分束器，偏振控制器和偏振分束器实现了90°光耦合器的功能。相比于90°光耦合器的优势在于降低了系统成本，降低了系统对CW激光源相位噪声的影响，提高了系统稳定性。

第一平衡探测器分别用于将第一偏振分束器分出的两路光束转换成第一路电信号；第二平衡探测器分别将第二偏振分束器分出的两路光束转换成第二路电信号。具体采用如下公式将干涉后的光束转换成第一路电信号和第二路电信号，转换后的第一路电信号为同相电信号，第二路电信号为90°相差电信号，

$P=P_{\mathrm{in}}R\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(3\right)$

$P=P_{\mathrm{in}}R\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(4\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间，R为光电转换系数。

信号处理模块用于处理第一路电信号和第二路电信号。具体包括：第一模/数转换器、第二模/数转换器和DSP处理器，第一模/数转换器和第二模/数转换器用于分别将第一路电信号和第二路电信号进行模数转换，并将模数转换后的信号发送到DSP处理器。利用DSP信号处理技术实现射频信号的严格线性解调。

本发明还提供了一种数字射频接收机，该数字射频接收机的前端装置为上述的前端装置。

本发明还提供了一种利用上述数字射频接收机前端装置的接收方法，包括以下步骤：

步骤1，第一偏振控制器将光源发出的一路光束调整成正交的两条线偏振光，优选偏振光的偏振角相对于电光极化调制器主轴45°。

步骤2，利用电光极化调制器将天线接收的射频信号反相地相位调制到正交的两条线偏振光上，并将调制后的光束通过光纤传输到第二偏振控制器。

步骤3，第二偏振控制器将电光极化调制器输出光束的圆偏振态轨迹转换为线偏振轨迹，并由光纤分束器将经过第二偏振控制器的光束分为两路光束。

步骤4，第三偏振控制器和第四偏振控制器，分别控制通过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两条偏振光的干涉角度。具体按如下公式(1)(2)进行控制，以使第一偏振分束器和第二偏分束器分别按公式(1)，(2)所示的强度调制传输函数完成射频信号从相位调制到强度调制的转换，

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(1\right)$

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(2\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间。

步骤5，第一偏振分束器和第二偏振分束器，分别将各自光束中正交的两条偏振光根据步骤4中的干涉角度进行干涉，以使射频信号从相位调制到强度调制的转变，并将转变后的光束分成两路光束。

步骤6，第一平衡探测器和第二平衡探测器分别将第一偏振分束器和第二偏振分束器分出的两路光束转换成第一路电信号和第二路电信号。具体地，第一平衡探测器和第二平衡探测器分别采用如下公式(3)、(4)将干涉后的光束转换成第一路电信号和第二路电信号，第一路电信号为同相电信号，第二路电信号为90°相差电信号，

$P=P_{\mathrm{in}}R\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(3\right)$

$P=P_{\mathrm{in}}R\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(4\right)$

其中，R为光电转换系数。

步骤7，信号处理模块处理第一路电信号和第二路电信号。具体将第一路电信号和第二路电信号进行模数转换，DSP处理器对转换后的信号实现严格线性解调。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种数字射频接收机前端装置，其特征在于，包括：

光源，用于发射一路光束，所述光束中的偏振态为任意偏振态；

第一偏振控制器，用于将所述光束中的任意偏振态调整成正交的两条线偏振光；

电光极化调制器，用于将天线接收的射频信号反相地相位调制到所述正交的两条线偏振光上，并将调制后的光束通过光纤传输到第二偏振控制器；

第二偏振控制器，用于将电光极化调制器输出光信号的圆偏振态轨迹转换到线偏振轨迹；

光纤分束器，用于将经过所述第二偏振控制器的光束分为两路光束；

第一偏振分束器和第二偏振分束器，分别用于将各自光束中正交的两条偏振光进行干涉，以完成射频信号从相位调制到强度调制的转变，并将转变后的光束分成两路光束；

第三偏振控制器和第四偏振控制器，分别位于第一偏振分束器和第二偏振分束器之前，光纤分束器之后，用于分别控制通过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两束偏振光的干涉角度；

第一平衡探测器，用于分别将第一偏振分束器分出的两路光束转换成第一路电信号；

第二平衡探测器，用于分别将第二偏振分束器分出的两路光束转换成第二路电信号；

信号处理模块，用于处理所述第一路电信号和所述第二路电信号。

2.如权利要求1所述的数字射频接收机前端装置，其特征在于，所述第一偏振控制器还用于将所述正交的两条线偏振光调制到相对于所述电光极化调制器主轴的45°夹角上。

3.如权利要求1或2所述的数字射频接收机前端装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：第一模/数转换器、第二模/数转换器和DSP处理器，所述第一模/数转换器和第二模/数转换器，用于分别将所述第一路电信号和第二路电信号进行模数转换，并将模数转换后的两路信号发送到DSP处理器。

4.如权利要求3所述的数字射频接收机前端装置，其特征在于，所述光源为连续激光源。

5.一种数字射频接收机，其特征在于，所述数字射频接收机的前端装置为权利要求1～4中任一项所述的前端装置。

6.一种利用权利要求4的数字射频接收机前端装置的接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：第一偏振控制器将光源发出的一路光束调整成正交的两条线偏振光；

S2：电光极化调制器将天线接收的射频信号反相地相位调制到所述正交的两条线偏振光上，并将调制后的光束通过光纤传输到第二偏振控制器；

S3：第二偏振控制器将电光极化调制器输出的光束的圆偏振态轨迹转换到线偏振轨迹，并由光纤分束器将经过第二偏振控制器的光束分为两路光束；

S4：第三偏振控制器和第四偏振控制器，分别控制通过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两束偏振光的干涉角度；

S5：第一偏振分束器和第二偏振分束器，分别将各自光束中正交的两束偏振光根据所述干涉角度进行干涉，以完成射频信号从相位调制到强度调制的转换，并将转换后的光束分成两路光束；

S6：第一平衡探测器和第二平衡探测器分别将第一偏振分束器和第二偏振分束器分出的两路光束转换成第一路电信号和第二路电信号；

S7：信号处理模块处理所述第一路电信号和所述第二路电信号。

7.如权利要求6所述的数字射频接收机前端装置的接收方法，其特征在于，所述步骤S1中第一偏振控制器还将所述正交的两条线偏振光调制到相对于所述电光极化调制器主轴的45°夹角上。

8.如权利要求6所述的数字射频接收机前端装置的接收方法，其特征在于，所述步骤S4中，控制经过第一偏振分束器和第二偏分束器的光束中正交的两条偏振光的干涉角度，以使第一偏振分束器和第二偏分束器分别按如下公式(1)，(2)所示的强度调制传输函数完成射频信号从相位调制到强度调制的转换，

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(1\right)$

$P=\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}[1\±\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)]---\left(2\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间。

9.如权利要求6所述的数字射频接收机前端装置的接收方法，其特征在于，所述步骤S5中：第一平衡探测器和第二平衡探测器分别采用如下公式(3)、(4)将干涉后的光束转换成第一路电信号和第二路电信号，所述第一路电信号为同相电信号，第二路电信号为90°相差电信号，

$P=P_{\mathrm{in}}R\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(3\right)$

$P=P_{\mathrm{in}}R\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right)---\left(4\right)$

其中，P是光场强度，P_in表示光源输出的光功率，V_π表示电光极化调制器半波电压，V_in(t)表示射频信号，t表示时间，R为光电转换系数。

10.如权利要求6～9中任一项所述的数字射频接收机前端装置的接收方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括步骤：将所述第一路电信号和所述第二路电信号进行模数转换，然后由DSP处理器对转换后的信号实现严格线性解调。