CN103888191A - 一种基于双向利用相位调制器的微波光子下变频方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种基于双向利用相位调制器微波光子下变频的方法，该方法包括以下步骤：射频和本振两个微波信号加载到相位调制器的两个端口，同时在调制器的两个光学端口上分别放置两个布拉格光纤光栅。从而形成一个光波振荡器，光载波通过一个1:99的光耦合器后注入到这个光波振荡器中。布拉格光纤光栅透射出来的两个光学边带分别是射频的频率和本振的频率。这个两个频率成分的光学边带通过一个50:50的耦合器加上一个平衡探测器将变频信号探测出来。从而形成了一个转换效率提高的微波光子下变频系统。

Description

一种基于双向利用相位调制器的微波光子下变频方法

技术领域

本发明涉及一种实现微波光子频率下变化的方法，更具体地说，涉及光纤光栅和光电相位调制器的利用。

背景技术

微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，实现与移动设备的互联；蜂窝式系统的出现，使微波通信具备高的频谱利用率。但目前微波频段的有限带宽成为严重问题，人们开始考虑在更高的微波频段甚至毫米波实现无线通信。然而毫米波波段在大气中的损耗很大如60GHz信号在大气中的传输损耗高达14dB/km，这意味着在蜂窝移动通信中信道频率可更加频繁地重复使用。但传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，而在接收端，采用传统的微波混频器存在：插入损耗大、线性度差等缺点。光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波信号处理充满吸引力。由此，微波光子下变频技术应运而生。

微波光子频率下变换最早于1993年被美国马里兰大学的Gopalakrishnan教授提出。它利用两个串联的光电强度调制器，一个强度调制器加载射频信号，另一个强度调制器上加载本振信号。然后经过光电探测器拍平产生频率为射频和本振频率之差的中频信号。光纤和微波两者的优势，可以将无线微波信号的传输距离大大增加的同时将微波频率变换到较低。总的来说，微波频率下变换技术与传统的微波混频器相比插入损耗小、可以传输的距离长。与目前研究的微波光子链路相比它具有频率变换能力，从而降低了系统对光电探测器的频率要求同时使得在电域的数字信号处理芯片的速率降低了。

衡量微波光子下变频性能优越性的主要品质因素有增益、噪声系数、交调失真以及动态范围。其中增益是最重要的一个指标，因为增益直接关系到这种光子下变频方案的实用意义。因此，系统增益逐渐成为人们关注的重要指标。近年来，人们以提高系统增益为目的对微波光子链路的系统结构进行了深入的研究其中包括双平行的强度调制结合偏置点的控制来实现抑制载波的方案、用耦合环路结合两个相位调制器来实现载波抑制的方法以及采用两个相位调制器结合光纤光栅来滤除载波的方案。在这些方法中，后两张方法要利用两个光电调制器从而大大增加了系统的成本。而第一个采用双平行强度调制器的方案虽然只是用了一个光电调制器，但是它的载波抑制需要控制在强度调制器的最小偏置点。这是一个比较敏感的偏置点。很容易受到光电调制器直流漂移的影响。因此系统的稳定性无法保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用单一的相位调制器实现微波光子下变频的方法。该方法可用于光载无线（ROF）系统和微波雷达系统中。

根据本发明，提供一种双向利用相位调制器的方法。双向利用相位调制器指的是在利用相位调制器的速率适配特性，使得正向传输的光波被调制器的第一个电端口调制，反向传输的光波被调制器的第二个端口调制。在相位调制器的两端加上两个布拉格光纤光栅（FBG）。光载波将在两个光纤光栅中间来回震荡。从而实现了双向的调制的效果。由于光载波被反射回去，没有占用探测器的功率容忍门限。因此可以外加后放大器来放大信号。从而提高了系统的增益。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出系统结构框图

图2示出本振功率变化的情况下的增益改善图

图3示出系统增益改善图

图4示出射频功率变化的情况下的增益改善图

图5示出系统的频率响应图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1中描述了基于双向利用相位调制器微波光子下变频总体系统结构图，其中S101为输入的激光器，经过光电光学隔离器S102，光路通过一个1:99的保偏耦合器S103将光波注入到相位调制器S104中。将射频信号S103加载到S104的第一个电端口上，来调制光信号。调制后的光波经过S105：布拉格光纤光栅，具有射频频率的光学边带被透射出去，光载波被反射回来反向注入S104。此时本振微波信号S108发挥作用，调制此光载波。由于S103发光比为1:99，绝大部分光功率都被注入到第二个布拉格光纤光栅S106中。这时，具有本振频率的光学边带被透射出来。S105和S106透射出来的光学边带在一个50:50的保偏光耦合器S109中混合并且经过S110和S111两个掺铒光纤放大器光信号放大进后进入平衡探测器S112将差频的下变频信号探测出来。在通过S113频谱分析仪进行信号分析。

系统的理论分析如下：经过1:99的光耦合器S103后，连续光波经过相位调制器被S107调制后的表达式如下：

$u_a\left(t\right)=\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t}{e}^{j{m}_R\sin {\mathrm{\ω}}_{R}t}=\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{J}_l\left(m_R\right)e^{\mathrm{jl}{\mathrm{\ω}}_{R}t}$

其中P_oc是经过耦合器衰减后的光功率，ω_o是光频率，ω_R是S107的频率，是S107相对于S104的调制深度，V_π是调制器S104的半波电压，V_RF是S107的幅度。此时端口二的S108无调制效果。调制后的信号通过S105后，我们认为S105的透射谱和反射谱将光载波和调制边带分离，则透射的光信号表达式为：

$u_b\left(t\right)=\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t}\underset{l\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_l\left(m_R\right)e^{\mathrm{jl}{\mathrm{\ω}}_{R}t}$

反射的光谱为：

$u_{\mathrm{ar}}\left(t\right)=\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t}{J}_0\left(m_R\right)$

反射光谱反向进入S104，被S108调制后经过S103，光学损耗忽略不计。则这时，光场表达式为：

V_LO是S108的幅度。

90度的光学相位差是由S103产生的。经过S106后载波部分被返回边带部分被透射。传输端口的光场表达式为：

$u_d\left(t\right)=\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t+\frac{\mathrm{\π}}{2}}{J}_0\left(m_R\right)\underset{m\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_m\left(m_L\right)e^{\mathrm{jm}{\mathrm{\ω}}_{L}t}$

进入50:50的光耦合器S109后上下两个出口输出的表达式为：

$u_e\left(t\right)=1/2\{\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t+\mathrm{\π}/2}{J}_0\left(m_R\right)\underset{m\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_m\left(m_L\right)e^{\mathrm{jm}{\mathrm{\ω}}_{L}t}+\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t+\mathrm{\π}/2}\underset{l\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_l\left(m_R\right)e^{\mathrm{jl}{\mathrm{\ω}}_{R}t}\}$

$u_e\left(t\right)=1/2\{\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t+\mathrm{\π}}{J}_0\left(m_R\right)\underset{m\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_m\left(m_L\right)e^{\mathrm{jm}{\mathrm{\ω}}_{L}t}+\sqrt{P_{\mathrm{oc}}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{o}t}\underset{l\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_l\left(m_R\right)e^{\mathrm{jl}{\mathrm{\ω}}_{R}t}\}$

经过光电转换两个探测出的光电流刚好相差180度、平衡探测器S112的差分功能使得光电流刚好叠加。而噪声则会相互抵消。这可以抑制S110和S111产生的自发辐射噪声。产生的下变频光电表达式为：

$i_{\mathrm{if}}\left(t\right)={\mathrm{RP}}_{\mathrm{oc}}{J}_0\left(m_R\right)\underset{m\≠0}{\mathrm{\Σ}}{J}_m\left(m_L\right)j_m\left(m_R\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t}$

其中R为光电探测器的响应度，ω_IF是下变频的频率。

图2是输出的变频功率随本振信号调制深度而变化的仿真和实验图。我们在光功率问0dBm，探测器响应度R=0.6，m_L=0.05.我们仿真了下变频功率随LO功率的变化趋势。从仿真结果S202可以看出，该方案存在一个最大的增益点（m_L=1.858）。实验结果S201可以看出，和理论的结果一致。

图3给出了我们对该方案的效果改善图。得到如S301所示的500MHz的下变频信号功率为-31.5dBm。同时我们还做了传统的双串联强度调制器的对比实验。在相同的S107调制深度的情况下，改变S108的强度，使得转换的功率最大时，功率S302所示。可以看见S301比S302的功率高很多，说明我们提出的方案转换效率比传统的方案提高了将近30dB。

同时如图4所示，我们改变S107调制深度来验证输入射频信号的功率对系统的影响。S401表示我们提出的方案的转换效率。S402是传统的双串联方案的转换效率。可以发现在所有用到的射频调制深度的情况下，我们提出的方案的转换效率都相对大大改善了。实验结果表明在LO调制深度为XX的时候会有最大的转换效率。

图5是实验测量的系统的频率响应曲线。S501表示我们提出的双向利用相位调制器的方案的系统转换效率在4～20GHz的频率范围内的表现。S502表示传统的双串联强度调制器的方案的频率响应曲线。可以看到我们提出的双向利用相位调制器实现的转换改善可以16GHz的模拟带宽内实现。而且增益平坦。

Claims (4)

1.一种基于双向利用相位调制器的微波光子下变频方法，该方法包括以下步骤：

在相位调制器的两端添加两个窄带的布拉格光栅（FBG），形成一个光波震荡器。用一个1:99的耦合器将激光注入到这个光波振荡器中。相位调制器的两个射频端口分别加载射频和本振信号。解调端使用50:50的耦合器配合平衡探测器解调信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中，FBG的中心波长刚好对准光载波，而边带都在带外。

3.如权利要求1所述的方法，其中，1:99的耦合器连接调制器输入和第二个FBG的两个端口互为相移端口。这产生的90度相移和偶棉的50:50耦合器一起组成的180度相移差，可以和平衡探测器组成增益增强的变频系统。

4.如权利要求1所述的方法，其中本振信号的调制深度为1.858的时候可以产生最大的系统增益。

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