CN103684618A - 一种微波光子接收方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波光子接收方法，属于微波光子学技术领域。首先将接收到的射频信号送入双驱动-马赫曾德尔调制器的一个射频输入端口；将双驱动-马赫曾德尔调制器输出的光调制信号分成两路，令其中一路形成光电振荡回路并反馈至双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口，光电振荡回路的振荡频率与所述射频信号中的载波频率接近并足以使得光电振荡回路工作于注入锁定模式下；调整双驱动-马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，使得两个射频输入端口上的输入信号之间的相位非正交；对另一路输出的光调制信号进行光电转换，得到下转换的基带或中频信号。本发明还公开了一种微波光子接收装置。本发明转换效率高，损耗小，且结构简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波光子接收方法，尤其涉及一种基于OEO（OptoelectronicOscilattor，光电振荡器）的微波光子接收方法及装置，属于微波光子学技术领域。
背景技术
微波接收机在微波系统中的最主要功能是对所接收的射频信号进行下转换，使高频的射频信号下转换到基带或者是中频用于进一步的信号处理。通常，微波接收机多基于电混频器，利用电混频器的非线性效应实现信号的下转换。但是由于电子技术的瓶颈，基于电混频器的接收机往往具有转换效率低、本振和射频端口隔离度低、工作频率低、工作带宽窄和信号失真大等缺点，从而大大限制了其应用。在此背景下，基于光子技术的微波接收机由于其大带宽、高工作频率、低损耗和抗电磁干扰等优势而逐渐成为研究热点。常见的微波光子接收机多基于电光调制器级联技术。该技术主要是将两个电光调制器级联，并在两个调制器上分别调制接收到的射频信号和本地提供的本振信号，最后通过光电探测得到下转换后的信号。常见的方案主要有级联马赫-曾德尔调制器(参见[G.Gopalakrishnan,R.Moeller,M.Howerton,W.Burns,K.Williams,and R.Esman,"A low-loss downconverting analog fiber-optic link,"IEEE Trans.MicrowaveTheory.Tech.,vol.43,no.9,pp.2318-2323,Sep.1995])、级联相位调制器(参见[V.R.Pagán,B.M.Haas,and T.Murphy,"Linearized electrooptic microwave downconversionusing phase modulation and optical filtering,"Opt.Express,vol.19,no.2,pp.883-895,Jan.2011])等。但是该方法使用了两个调制器，因此转换效率低且插入损耗大。并且由于本地本振信号初始相位的随机性，为保证接收机的稳定工作，必须辅以相位锁定装置或者相位补偿装置，增加了系统的复杂度。另一种常见的方法是基于半导体光放大器。利用半导体光放大器的非线性效应实现信号的下转换。一方面该方法除半导体光放大器外，仍需要外加一个或者多个电光调制器将接收到的射频信号和本地本振信号调制到光上，另一方面受半导体光放大器的载流子恢复时间的限制，最终接收机处理得到的信号质量往往较差，需要进行复杂的后处理以适应后端的处理需求，这又进一步提高了系统成本。除此之外，与上一方法类似，仍然需要相位锁定或者相位补偿装置来解决本地本振相位扰动所带来的稳定性问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种微波光子接收方法及装置，能够提高信号转换效率，降低信号的功率损耗，且结构更简单、成本更低。
本发明的微波光子接收方法，首先将接收到的射频信号送入双驱动-马赫曾德尔调制器的一个射频输入端口；将双驱动-马赫曾德尔调制器输出的光调制信号分成两路，令其中一路形成光电振荡回路并反馈至双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口，所述光电振荡回路的振荡频率与所述射频信号中的载波频率接近并足以使得光电振荡回路工作于注入锁定模式下；调整双驱动-马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，使得两个射频输入端口上的输入信号之间的相位非正交；对另一路输出的光调制信号进行光电转换，得到下转换的基带或中频信号。
进一步地，双驱动-马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口上的输入信号之间的相位差趋近于0或π。
本发明的微波光子接收装置，包括：光源、双驱动-马赫曾德尔调制器、直流电源、光分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、带通滤波器、移相器、低噪声放大器；光源与双驱动马赫-曾德尔调制器的光输入端连接，直流电源与双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置输入端连接；双驱动马赫-曾德尔调制器的输出端与光分束器的输入端连接；光分束器的一个输出端依次经过第一光电探测器、带通滤波器、低噪声放大器、移相器后与双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口连接；光分束器的另一个输出端与第二光电探测器连接。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明只使用了一个电光调制器，大大减小了系统损耗、功耗和系统复杂度；
（2）本发明利用了注入锁定的光电振荡器，无需外加微波源，进一步降低了成本；
（3）光电振荡器提取出的载频信号与接收到的射频信号保持相位同步，因此本发明无需外加相位锁定或者相位补偿装置，提高了接收机的稳定性。
附图说明
图1为本发明的微波光子接收装置的结构原理示意图；
图2为使用本发明微波光子接收装置接收到的射频信号频谱；
图3为使用本发明微波光子接收装置时自由振荡光电振荡器和注入锁定光电振荡器的振荡信号频谱图；
图4为使用本发明微波光子接收装置处理得到的基带信号频谱和眼图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的微波光子接收装置如图1所示，包括：光源，双驱动马赫-曾德尔调制器、直流电源、光分束器、光电探测器1、光电探测器2、带通滤波器、移相器、低噪声放大器；光源与双驱动马赫-曾德尔调制器的光输入端相连，向双驱动马赫-曾德尔调制器输出光载波；直流电源的输出端与双驱动马赫曾德尔调制器的直流偏置输入端相连，向双驱动马赫曾德尔调制器提供直流偏置电压；双驱动马赫-曾德尔调制器的输出端与光分束器的输入端相连；光分束器的一路输出依次经过光电探测器1、带通滤波器、低噪声放大器、移相器后输入双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频输入口，从而形成一个光电振荡器；光分束器的另一路输出与光电探测器2相连，光电探测器2的输出作为整个微波光子接收装置的输出，将下转换后的基带或中频传输出去。为了消除其中的高频信号，在光电振荡器2之后还连接有一个低通滤波器。本发明中的带通滤波器优选高Q的窄带滤波器或可调谐的高Q窄带滤波器。
下面对该装置的工作过程及原理进行说明：
假设光源输出的光载波频率为ωc，从双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口输入的射频信号为cos(ωRFt)。调制器的输出光信号通过光分束器分成两路，其中一路通过光电探测器1、带通滤波器、低噪声放大器、移相器后输入双驱动马赫-曾德尔调制器，形成光电振荡器回路。由于射频信号中携带很强的载波信号，将光电振荡回路中带通滤波器的中心频率（即光电振荡回路的振荡频率）设置为与射频信号中载波信号的频率接近，则此时的光电振荡器将工作在注入锁定的模式下。在此工作模式下，光电振荡器将提取出射频信号中的载波信号。假设该载波信号为cos(ωLOt)，则在光分束器另一路输出端的光信号为
E1=exp(jωct)[exp(jβ1cosωRFt)·exp(jφ0)+exp(jβ2cosωLOt)] （1）
其中β1=πVRF/Vπ和β2=πVLO/Vπ是双端口马赫-曾德尔调制器两个射频端口的调制指数，VRF和VLO为射频信号和提取出的载频信号的幅度，Vπ是双驱动马赫-曾德尔调制器的半波电压；φ0是两个射频端口输入信号之间的相位差，通过直流电源提供的直流偏置电压控制。
在小信号调制下，该信号可以展开为
E1=exp(j(ωct+φ0))[jJ1(β1)exp(-jωRFt)+J0(β1)+jJ1(β1)exp(jωRFt)] （2）+exp(jωct)[jJ1(β2)exp(-jωLOt)+J0(β2)+jJ1(β2)exp(jωLOt)]
其中Jn为贝瑟尔展开系数。将该信号输入光电探测器实现光电转换，转换得到的电信号为
iAC∝-J1(β1)J0(β2)sinφ0cos(ωRFt)+J1(β2)J0(β1)sinφ0cos(ωLOt) （3）+J1(β1)J1(β2)cosφ0cos((ωRF-ωLO)t)+J1(β1)J1(β2)cosφ0cos((ωRF+ωLO)t)+...
从公式（3）可以看出，通过低通滤波即可得到频率为ωRF-ωLO的中频或者基带信号，并且该信号的幅度与相位差φ0有关。显然，当相位差φ0为π/2或3π/2时，输出的信号幅度为零；通过调整直流电源的直流偏置电压使相位差φ0为0或者π时，信号幅度为最大。但是为了保证光电振荡器振荡，必须满足光电振荡器回路中包含ωLO的分量。所以实际应用中必须控制相位差，使得相位差φ0无限逼近0或者π，则既可以保证光电振荡器振荡又可以得到较高的转换效率。
为了验证本发明的效果，利用上述装置进行射频信号接收，接收到的射频信号载波频率设置为10.659GHz，并且该载波调制了2-Gb/s基带信号，接收到的射频信号频谱如图2所示。当该信号输入双驱动-马赫曾德尔调制器的一个射频端口时，光电振荡器将工作在注入锁定状态。因为光电振荡器回路中的带通滤波器中心频率为10.66GHz，接近接收到的射频信号的载波频率，所以原本自由振荡的光电振荡器将注入锁定，射频信号中的载波信号将被提取出来。图3给出了自由振荡光电振荡器（虚线）和注入锁定光电振荡器（实线）的频谱图。从图中可以看出，当工作在自由振荡模式下时，光电振荡器的振荡频率不等于10.659GHz，且从频谱上看十分不纯净且不稳定，远没有达到充当本地载波的要求。但是当光电振荡器注入锁定，振荡频谱被锁定在了10.659GHz，与射频信号中的载波信号频率完全相同。并且从频谱上看非常纯净且非常稳定。通过调节直流电源使双驱动-马赫曾德尔调制器两个射频端口之间的相位差为π，则接收到的射频信号将被最大幅度地下转换到基带，再辅以低通滤波器，即可滤出纯净的基带信号。接收装置最终下转换的基带信号频谱及眼图如图4所示。从频谱和眼图可以看出，信号几乎没有畸变，且眼图睁的非常大，说明整个接收装置能保证无误码的下转换。
在另一个验证实验中，利用本发明的微波光子接收装置，接收了携带1.5-Gb/s高清视频信号的射频信号。通过该接收装置，接收到的携带视频信息的射频信号被下转换到基带且被送入高清显示器显示。实验结果表明，利用本发明微波光子接收装置所处理得到的视频信号与源端视频信号保持同步，且由于光电振荡器的注入锁定功能，载波相位被锁定，从而保证了视频的稳定播放。
Claims (5)
1.一种微波光子接收方法，其特征在于，首先将接收到的射频信号送入双驱动-马赫曾德尔调制器的一个射频输入端口；将双驱动-马赫曾德尔调制器输出的光调制信号分成两路，令其中一路形成光电振荡回路并反馈至双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口，所述光电振荡回路的振荡频率与所述射频信号中的载波频率接近并足以使得光电振荡回路工作于注入锁定模式下；调整双驱动-马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，使得两个射频输入端口上的输入信号之间的相位非正交；对另一路输出的光调制信号进行光电转换，得到下转换的基带或中频信号。
2.如权利要求1所述微波光子接收方法，其特征在于，双驱动-马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口上的输入信号之间的相位差趋近于0或p。
3.一种微波光子接收装置，其特征在于，包括：光源、双驱动-马赫曾德尔调制器、直流电源、光分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、带通滤波器、移相器、低噪声放大器；光源与双驱动马赫-曾德尔调制器的光输入端连接，直流电源与双驱动马赫-曾德尔调制器的直流偏置输入端连接；双驱动马赫-曾德尔调制器的输出端与光分束器的输入端连接；光分束器的一个输出端依次经过第一光电探测器、带通滤波器、低噪声放大器、移相器后与双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口连接；光分束器的另一个输出端与第二光电探测器连接。
4.如权利要求3所述微波光子接收装置，其特征在于，还包括与第二光电探测器的输出端连接的低通滤波器。
5.如权利要求3所述微波光子接收装置，其特征在于，所述带通滤波器为高Q的窄带滤波器或可调谐的高Q窄带滤波器。
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| PB01 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |