CN104065419A - 基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法，所述方法包括以下步骤：S1、构建微波光子系统的调制模型；S2、分析三阶非线性交调失真的产生来源，获知三个主要的交调失真分量，同时确定载波带相移量θ与交调失真分量之间的关系；S3、调节载波带的相移量为θ，达到步骤S1所述的三个主要的交调失真分量相互抵消。本发明还公开了基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统所述系统包括连续光源、偏振控制电路、强度调制器、载波带处理器以及双音射频信号产生源。本发明无需额外失真的构建，结构简单；只需要引入相对固定的载波带相移量即可完成失真的抑制，性能可靠稳定，另外本发明可结合集成器件的优势，利用集成器件作为载波带处理器，降低成本。

Description

基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及微波光子系统技术领域，更具体涉及基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法及系统。

背景技术

微波光子系统具有低成本、高带宽等显著的优势，然而微波光子系统的强度调制器固有的非线性特性将导致输出信号中具有失真干扰，从而导致信息的误判。交调失真的抑制可有效的提升微波光子系统的无杂散动态范围，提升其对微弱信号及强信号的处理能力。高动态范围微波光子系统在雷达、电子战等领域具有重要的应用价值。

现有技术中对微波光子系统交调失真抑制的技术方案有下面一种：

基于并行强度调制器的交调失真抑制技术

图1是基于并行强度调制器的交调失真抑制技术的系统结构示意图，交调失真的抑制是通过构造等量的失真分量并使其相互抵消而实现的。通过调节上下两路的光功率分配比以及加载的射频信号的功率分配比，使得上下臂的三阶失真分量幅值相等，同时保证基频信号分量的幅值相差较大；调节上下臂调制器的偏置点并适当控制微波移相器，使上下路信号的载波带相移量差为180度。在接收端经过非相干合成，可完全抑制调制器三阶交调失真。此外，本方案亦可引入低偏置技术，进一步抑制噪声系数。该方案的优点在于即可以抑制系统中的交调失真又可以从一定程度上降低噪声，从而最大程度地提高整个模拟光链路的动态范围。本技术具有明显的缺点：1、由于光信号和微波信号均要分为两路，需要精确的功率分配比控制以及延时控制；2、由于移相器等微波器件的采用，给系统带来了额外的功耗，从而导致系统的增益特性较差。

基于串联强度调制器的交调失真抑制技术

图2是基于串联强度调制器的交调失真抑制技术的系统结构示意图，该技术的基本原理是通过适当的进行两个调制器偏置点的控制，采用第二个调制器产生的非线性失真，来补偿第一个调制器的非线性失真，从而达到交调失真抑制的目的。偏置点的准确控制与否会直接影响到失真分量的抑制程度。本技术具有明显的不足之处：1、由于同一射频信号需要适当的功率分配并加载到两个调制器的电极，因此需要精确的载波带相移量控制；2、该方案的关键之处在于精确的直流偏置控制，因此偏置点随温度等环境因素的漂移会对该方案带来影响。

基于前馈预失真补偿的交调失真抑制技术

图3是基于前馈预失真补偿的交调失真抑制技术的系统结构示意图，系统由误差产生环路与误差消除环路两个环路构成。通过利用调制-解调获取的电信号与原电信号相减，误差产生环路输出相应的误差分量。另外，由于激光器LD2是由低功率的失真信号直接调制，可近似为线性无失真调制，误差信号经衰减与延时后调制激光器输出波长，最终调制后的两路载波带相移量相反的信号经光耦合器耦合至接收端，实现了非线性失真的相互抵消。通过前馈法实现了非线性失真的预补偿。本技术的不足之处在于：1、结构非常复杂，需要多个光器件及微波器件；2、需要精确的时延控制才能保证非线性失真的抵消，任何的延时误差均可能会导致方案的失效。

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通过简单的设计以及简便的操作有效抑制控制微波光子系统的交调失真，提高微波光子系统的动态范围。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、构建微波光子系统的调制模型，如公式(1)所示；

其中E(t)表示强度调制器的输出信号电场，E_e和ω_e分别为光载波的场强和角频率，和V_π分别为强度调制器的偏置角和半波电压，V_RF为输入双音射频信号的电压、ω₁、ω₂为输入双音射频信号的角频率；

S2、分析三阶非线性交调失真的产生来源，获知三个主要的交调失真分量，同时确定载波带相移量θ与交调失真分量之间的关系；将公式(1)进行贝塞尔函数展开并进行光电转换，经探测器探测载波带处理器输出的光电流，表示为公式(2)，确定载波带相移量θ与交调失真分量之间的关系：

其中R为探测器的响应度，m为调制深度，J_n(x)为n阶第一类贝塞尔函数，P₀为载波带处理器输出的光电流；

S3、调节载波带的相移量为θ，达到步骤S1所述的三个主要的交调失真分量相互抵消，其中载波带相移量θ利用公式(3)求得；

$\cos \mathrm{\θ}=-\frac{I_2}{I_1+I_3}\≈-0.33---\left(3\right)$

其中I₁、I₂、I₂分别表示步骤S1得到的三个主要的交调失真分量的电流值；所述公式(3)由公式(2)中的

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{J_1\left(\frac{m}{2}\right)J_2\left(\frac{m}{2}\right)}{I_1}+\frac{J_1\left(\frac{m}{2}\right)J_2\left(\frac{m}{2}\right)}{I_2}+\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{{J_1}^3\left(\frac{m}{2}\right)}{I_3}$

等于0计算得到。

基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统，其特征在于，所述系统包括连续光源、偏振控制电路、强度调制器、载波带处理器、以及双音射频信号产生源；

所述连续光源发出的连续光波经所述偏振控制器进入强度调制器，所述的连续光波经过调制后进入所述载波带处理器进行载波带相移量调整；所述强度调制器被所述双音射频信号驱动并以偏振控制电路输出的直流偏置作为电源。

优选地，所述强度调制器为铌酸锂马赫增德尔调制器。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法及系统，本发明无需额外失真的构建，原理简单；只需要引入相对固定的载波带相移量，性能可靠稳定，另外本发明可结合集成器件的优势，利用集成器件作为载波带处理器，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的基于并行强度调制器的交调失真抑制技术的系统结构示意图；

图2为现有技术的基于串联强度调制器的交调失真抑制技术的系统结构示意图；

图3为现有技术的基于前馈预失真补偿的交调失真抑制技术的系统结构示意图；

图4为本发明的一个较佳实施例的基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统的结构示意图；

图5a为连续光波经过强度调制器调制后输出的光谱示意图；

图5b为没有载波带处理器的微波光子系统的探测器输出电谱示意图；

图5c为利用本发明的一个较佳实施例的基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统后的探测器输出电谱示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图4为本发明的一个较佳实施例的基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统的结构示意图；基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统包括连续光源、偏振控制电路、强度调制器、载波带处理器、以及双音射频信号产生源；所述连续光源发出的连续光波经所述偏振控制器进入强度调制器，所述的连续光波经过调制后进入所述载波带处理器进行载波带相移量调整，实现窄带信号的载波带相移量控制，而其它的光边带保持不变，并与经处理的载波带合并；所述强度调制器被所述双音射频信号驱动，并以所述偏振控制电路输出的直流偏置为电源。所述强度调制器为铌酸锂马赫增德尔调制器。本发明通过合理的设置载波带的预补偿载波带相移量，可有效的实现几个非线性失真来源的相互抵消。

本发明公开了一种基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、以双音射频信号为输入，构建微波光子系统的调制模型，如公式(1)所示；

其中E(t)表示强度调制器的输出信号电场，E_c和ω_c分别为光载波的场强和角频率，和V_π分别为强度调制器的偏置角和半波电压，V_RF为输入射频双音射频信号的电压、ω₁、ω₂为输入双音射频信号的角频率；

S2、分析三阶非线性交调失真的产生来源，获知三个主要的交调失真分量，同时确定载波带相移量θ与交调失真分量之间的关系；通过贝塞尔展开公式(1)并进行光电转换，得到探测器输出的光电流表示为公式(2)，并忽略高阶非线性成分，只考虑载波带、一次边带和二次边带；

其中R为探测器的响应度，m为调制深度，J_n(x)为n阶第一类贝塞尔函数，P₀为所述载波带处理器输出的光功率；

S3、调节载波带相移量为θ，达到步骤S1所述的三个主要的交调失真分量相互抵消，如图5c所示，其中载波带相移量θ利用公式(3)求得；

$\cos \mathrm{\θ}=-\frac{I_2}{I_1+I_3}\≈-0.33---\left(3\right)$

其中I₂、I₂、I₃分别表示步骤S1得到的三个主要的交调失真分量的电流值；所述公式(3)由公式(2)的

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{J_1\left(\frac{m}{2}\right)J_2\left(\frac{m}{2}\right)}{I_1}+\frac{J_1\left(\frac{m}{2}\right)J_2\left(\frac{m}{2}\right)}{I_2}+\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{{J_1}^3\left(\frac{m}{2}\right)}{I_3}$

等于0计算得到。

图5a为连续光波经过强度调制器调制后输出的光谱示意图；图5b为没有载波带处理器的微波光子系统的探测器输出电谱示意图；强度调制器输出的光谱中包含载波带，一次上/下边带，即1USB/1LSB，二次上/下边带，即2USB/2LSB。由于高次边带的幅度很小，为了简化固将其省略。其中光载波带包含光载波及与之临近的二次非线性成分，一次边带包含基频及奇次非线性失真成分，二次边带包括二次非线性成分。

在微波光子系统中，采用平方律探测接收机实现信号的解调，接收所述载波带处理器输出的光，实际上接收到的射频信号是光谱中不同的光频率分量，即载波及各类边带成分在平方律探测接收机相互拍频并叠加得到的。

本实施例中，激光器的输出CW波长为1550nm、功率为10dBm。PC的作用是使输出光波与调制器的主轴对准。为了最大化增益，强度调制器Eospace，频率20GHz，工作点设置在正交偏置点，并被两个微波源，即双音射频信号所驱动。从强度调制器输出的调制光信号进入载波带处理器进行幅相控制，利用可编程光滤波器Waveshaper作为载波带处理器，Waveshaper可在0‐360°范围内完成对光信号载波带相移量的调控，带宽精细度达到10GHz。其中载波带引入适当的相移，根据上述算法，载波带相移量约为1.907rad时，失真抑制达到最佳的状态。而其它的一次及二次上/下光谱带的幅相信息保持不变，处理后的光信号被探测器接收，输出的电信号由ESA分析。

通过双音射频信号检测系统输出频谱测量，双音射频信号分别位于18.00GHz和18.01GHz，且输出功率为6dBm。在同等测试条件下，当不采用载波处理器时，测量的基频‐交调失真比率仅为34dB，而通过引入合理的载波带相移后，测得的基频‐交调失真比率为64.3dB，失真抑制较好。通过输出射频信号功率随输入信号功率变化关系的测试，可获知微波光子系统的无杂散动态范围。系统的噪声是散粒噪声受限的，本底噪声谱密度值为‐160.5dBm/Hz，未进行任何处理的射频光传输链路的动态范围是99.6dB Hz2/3；由于采用载波带处理技术，该系统的交调失真得到明显抑制，无杂散动态范围提高到了114.3dBHz2/3。结果表明，采用该处理方法使该射频光传输链路动态范围提高了14.7dB。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、构建微波光子系统的调制模型，如公式(1)所示；

其中E(t)表示强度调制器的输出信号电场，E_e和ω_e分别为光载波的场强和角频率，和V_π分别为强度调制器的偏置角和半波电压，V_RF为输入双音射频信号的电压、ω₁、ω₂为输入双音射频信号的角频率；

S2、分析三阶非线性交调失真的产生来源，获知三个主要的交调失真分量，同时确定载波带相移量θ与交调失真分量之间的关系；将公式(1)进行贝塞尔函数展开并进行光电转换，经探测器探测载波带处理器输出的光电流，表示为公式(2)，确定载波带相移量θ与交调失真分量之间的关系：

其中R为探测器的响应度，m为调制深度，J_n(x)为n阶第一类贝塞尔函数，P₀为载波带处理器输出的光电流；

S3、调节载波带的相移量为θ，达到步骤S1所述的三个主要的交调失真分量相互抵消，其中载波带相移量θ利用公式(3)求得；

$\cos \mathrm{\θ}=-\frac{I_2}{I_1+I_3}\≈-0.33---\left(3\right)$

其中I₁、I₂、I₂分别表示步骤S1得到的三个主要的交调失真分量的电流值；所述公式(3)由公式(2)中的

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{J_1\left(\frac{m}{2}\right)J_2\left(\frac{m}{2}\right)}{I_1}+\frac{J_1\left(\frac{m}{2}\right)J_2\left(\frac{m}{2}\right)}{I_2}+\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{{J_1}^3\left(\frac{m}{2}\right)}{I_3}$

等于0计算得到。

2.基于载波带处理的微波光子系统交调失真抑制系统，其特征在于，所述系统包括连续光源、偏振控制电路、强度调制器、载波带处理器、以及双音射频信号产生源；

所述连续光源发出的连续光波经所述偏振控制器进入强度调制器，所述的连续光波经过调制后进入所述载波带处理器进行载波带相移量调整；所述强度调制器被所述双音射频信号驱动并以偏振控制电路输出的直流偏置作为电源。

3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述强度调制器为铌酸锂马赫增德尔调制器。