CN104485893B - 宽带电信号混频器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带电信号混频器及方法，该方法为：在输入端，将光载波频率为fc的两路强度相同的相干光信号分别输入到两个IQ调制器作为被调制的光信号，将宽带射频信号RF和本振电信号LO分别输入到第一、第二IQ调制器作为调制电信号，实现电信号的电光转换以及电信号的频谱搬移；在输出端，由第一、第二IQ调制器输出的两路调制信号分别输入到光相干接收机的接收信号和光本振信号输入端，利用两路光信号拍频输出宽带射频信号RF的变频信号。本发明利用光信号调制及相干接收的技术特点，将宽谱的RF信号进行了电‑光‑电的转换，利用光器件高带宽的特性，完成了信号的频谱搬移，实现了超宽带电混频器的功能，从而在整体上提高系统混频的性能。
Description
技术领域
本发明涉及混频器，具体涉及宽带电信号混频器及方法。
背景技术
混频器是微波集成电路收发系统中不可或缺的部件，在微波通信、测量、遥感及雷达系统中，都必须把中低频信号混频到高频进行发送，同时对接收到的高频信号又必须混频到中低频进行处理。混频器实际上起到的是频谱搬移的作用，它是微波电路中关键部件之一，其性能对整个系统有着至关重要的作用。
超宽带混频器有较大的射频信号频率工作范围和本振频率输入范围，因此可将宽谱的基带射频信号灵活的进行频谱搬移，调整传输信号占据的频谱范围以满足实际收发系统的性能需求，所以超宽带混频器对现代微波集成系统具有重要的意义。
目前，超宽带混频器还没有得到普及，其主要限制在于混频后的信号必须工作在一定窄带的带通频谱范围之内，因此不适用于超宽带信号的混频。虽然有部分厂家声称已经研发出一些型号的宽带混频器，但由于其噪声、损耗、动态范围等性能指标还不能满足实际的需求，并且由于其较复杂的制造工艺使得其产品有着不菲的价格，使其尚不能得到推广及应用。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服混频器混频后的信号必须工作在一定窄带的带通频谱范围之内，制约超宽带混频器实现的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种宽带电信号混频器，该混频器由用于电光转换的调制输入装置和用于光电转换的相干接收输出装置组成；
所述调制输入装置包括一个激光器和两个性能一致的第一IQ调制器、第二IQ调制器，激光器发出的光频率为fc的光信号等分为两路强度相同的相干光信号，分别输入到所述第一IQ调制器和所述第二IQ调制器作为被调制的光载波信号，两个输入电信号分别输入到所述第一IQ调制器和所述第二IQ调制器作为调制信号，将两路光信号分别进行调制，其中两个输入电信号分别为宽带射频信号RF和中心频率为f0的本振电信号LO；
所述相干接收输出装置包括一个光相干接收机和一个移相器，由第一IQ调制器和第二IQ调制器输出的两路调制信号分别输入到光相干接收机的接收信号输入端和光本振信号输入端，并将两路调制信号拍频输出。
在上述宽带电信号混频器中，所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，所述光相干接收机的光本振信号输入端载波光中心频率为fc-f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移f0的变频信号，实现上变频输出；
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，所述光相干接收机的光本振信号输入端载波光中心频率为fc+f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移-f0的变频信号，实现下变频输出。
在上述宽带电信号混频器中，对于宽带射频信号RF，将所述第一IQ调制器两路的直流偏置电压设置到光强零输出点，对输入光信号进行无载波调制。
在上述宽带电信号混频器中，当宽带射频信号RF为单端输入时，直接输入到所述第一IQ调制器的I输入端，同时将Q输入端的电压设置为零；当宽带射频信号RF为差分输入时，将其同相端输入到所述第一IQ调制器的I输入端，同时将反相端输入到所述第一IQ调制器的Q输入端。
在上述宽带电信号混频器中，本振电信号LO等分为两路，第一路本振电信号LO直接输入到所述第二IQ调制器的I输入端，第二路本振电信号LO通过一个第一90°移相器移相90°后输入到所述第二IQ调制器的Q输入端；上变频时第二路本振电信号LO下移相90°，下变频时第二路本振电信号上移相90°。
在上述宽带电信号混频器中，所述光相干接收机的I、Q两路输出信号，其中I路直接输出，Q路通过第二90°移相器移相90°后输出。
本发明还提供了一种宽带电信号的混频方法，包括以下步骤：
步骤10：在输入端，将光载波频率为fc的两路强度相同的相干光信号分别输入到两个IQ调制器作为被调制的光信号，将宽带射频信号RF和本振电信号LO分别输入到第一IQ调制器和第二IQ调制器作为调制电信号，实现输入端电信号的电光转换以及电信号的频谱搬移；
步骤20：在输出端，由第一IQ调制器和第二IQ调制器输出的两路调制信号分别输入到相干接收机的接收信号输入端和光本振信号输入端，利用两路光信号拍频输出宽带射频信号RF的变频信号。
在上述方法中，
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，所述光相干接收机的光本振信号输入端载波光中心频率为fc-f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移f0的变频信号，实现上变频输出；
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，光本振信号输入端载波光中心频率为fc+f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移-f0的变频信号，实现下变频输出。
在上述方法中，当宽带射频信号RF为单端输入时，直接输入到第一IQ调制器的I输入端，同时将Q输入端的电压设置为零；当RF宽带射频信号为差分输入时，将其同相端输入到第一IQ调制器的I输入端，同时将反相端输入到第一IQ调制器的Q输入端。
在上述方法中，本振电信号LO等分为两路，第一路本振电信号LO直接输入到第二IQ调制器的I输入端，第二路本振电信号LO通过第一90°移相器移相90°后输入到第二IQ调制器的Q输入端；上变频时第二路本振电信号LO下移相90°，下变频时第二路本振电信号LO上移相90°；
光相干接收机的I、Q两路输出信号，I路直接输出，Q路通过第二90°移相器移相90°后输出。
本发明充分利用了光信号的调制及相干接收的技术特点，将宽谱的RF信号进行了电-光-电的转换，并利用光器件高带宽的特性，解决混频器混频后的信号必须工作在一定窄带的带通频谱范围之内的问题，完成了信号的频谱搬移，实现了超宽带电混频器的功能，并在整体上提高系统混频的性能。
附图说明
图1为本发明提供的宽带电信号混频器的结构示意图；
图2为本发明中宽带射频信号RF被光载波进行频谱搬移后的频谱示意图；
图3为本发明中上变频时光载波被本振信号LO进行频谱搬移后频谱示意图；
图4为本发明中下变频时光载波被本振信号LO进行频谱搬移后频谱示意图；
图5为本发明中上变频时光相干接收机输出中频信号频谱示意图；
图6为本发明中下变频时光相干接收机输出中频信号频谱示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种宽带电信号混频器及方法，基于光信号调制及相干接收技术，使得信号的频谱在光域与电域之间进行来回搬移，最终实现了宽带电信号的频移，从整体上提升了混频性能。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供的宽带电信号混频器由用于电光转换的调制输入装置和用于光电转换的相干接收输出装置组成。
调制输入装置包括一个激光器101和第一IQ调制器102、第二IQ调制器103，第一IQ调制器(同相正交调制器)102和第二IQ调制器(同相正交调制器)103性能一致。
激光器101发出的光频率为fc的光信号通过分光器等分为两路强度相同的相干光信号(相干光信号是指两路频率相同、相位差稳定的光信号)，两路相干光信号分别输入到第一IQ调制器102和第二IQ调制器103中作为被调制的光载波信号，第一IQ调制器102和第二IQ调制器103的两个输入电信号作为调制信号，将两路光信号分别进行调制，其中两个输入电信号分别为宽带射频信号RF和中心频率为f0的本振电信号LO。
对于宽带射频信号RF，将第一IQ调制器102两路的直流偏置电压设置到光强零输出点，对输入光信号进行无载波调制。
其中：当宽带射频信号RF为单端输入时，可以直接输入到第一IQ调制器102的I输入端，同时将Q输入端的电压设置为零；当宽带射频信号RF为差分输入时，可以将其同相端输入到第一IQ调制器102的I输入端，同时将反向端输入到第一IQ调制器102的Q输入端。由IQ调制器的传输性质可知，此时的第一IQ调制器102输出的调制信号的频谱进行频移，频移后的中心频率为光载波频率fc，并且已将电信号转换为了光信号。
对于本振电信号LO，首先将该本振电信号LO等分为两路，同样进行无载波调制，一路本振电信号LO直接输入到第二IQ调制器103的I输入端，另一路本振电信号LO通过第一90°移相器104移相90°后输入到第二IQ调制器103的Q输入端，根据信号变频的要求，上变频时下移相90°，下变频时上移相90°，同样根据IQ调制器和信号傅里叶变换的性质，此时第二IQ调制器103输出的调制信号进行了频移，上变频时调制信号的中心频率为fc-f0，下变频时调制信号的中心频率为fc+f0，这样就完成输入端的信号处理，实现了信号的电光转换。
相干接收输出装置包括一个光相干接收机105和一个第二90°移相器106，由第一IQ调制器102和第二IQ调制器103输出的两路调制信号分别输入到相干接收机105的接收信号输入端和光本振信号输入端，根据光相干接收机的性质，输出信号为两路信号拍频的结果，当接收信号输入端载波光中心频率为fc，光本振信号输入端载波光中心频率为fc-f0时，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移f0的变频信号，从而实现上变频；同理当接收信号输入端载波光中心频率为fc，光本振信号输入端载波光中心频率为fc+f0时，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移-f0的变频信号，从而实现下变频。
光相干接收机105是I、Q两路信号输出，其中I路直接输出，Q路通过第二90°移相器移相90°后输出，当宽带射频信号RF为单端输入时，I路输出为变频后所需电信号；当宽带射频信号RF为差分输入时，I路输出为同相变频电信号，Q路移相输出后为反相变频电信号，从而实现差分输出；最终完成了信号的光电转换输出，实现了混频功能。
本发明还提供了一种宽带电信号的混频方法，包括以下步骤：
步骤10：在输入端，将光载波频率为fc的两路强度相同的相干光信号分别输入到两个IQ调制器作为被调制的光信号，将宽带射频信号RF和本振电信号LO分别输入到两个IQ调制器作为调制电信号，实现输入端电信号的光电转换以及电信号的频谱搬移。具体原理如下：
众所周知，对于IQ调制器而言，当输入信号的幅度在线性区域内，且偏置点直流电压(DC)设置在最小功率输出点的时，等效的传输函数为：
Eout(t)＝A·Ein(t)·[UI(t)+jUQ(t)] (1)
其中Eout(t)表示输出的光场振幅，Ein(t)表示输入的光场振幅，Ein(t)＝cos(2лfct)，A为转换系数，UI(t)表示I输入端的电压，UQ(t)表示Q输入端的电压，t为采样时间，j为虚数单位。
而对于RF宽带射频信号：
当输入信号为单端宽带射频信号RF时，设输入信号电压为URF(t)，该输入信号接入到第一IQ调制器102的I输入端，Q输入端信号接地，则第一IQ调制器102的输出为：
E单out(t)＝A·Ein(t)·URF(t) (2)；
当输入信号为差分宽带射频信号RF时，设其输入信号电压分别为URF(t)和-URF(t)，该输入信号分别接入到第一IQ调制器102的I输入端和Q输入端，则根据IQ调制器的传递函数(公式1)，第一IQ调制器102的输出为：
由此可见，宽带射频信号RF对中心频率为fc的光载波进行了幅度调制，根据傅里叶变换中的信号调制性质，光信号对宽带射频信号RF进行了频谱搬移，使其中心频率为光载波频率fc，频谱如图2所示，同时完成了电光转换。
对于本振电信号LO：
首先将本振电信号LO等分为两路，第一路直接输入给第二IQ调制器103的I输入端，第二路经过第一90°移相器104后输入给第二IQ调制器103的Q输入端，当上变频时，第二路本振电信号LO移相-90°，当下变频时，第二路本振电信号LO移相90°，根据IQ调制器的传递函数(公式1)，设本振电信号LO的中心频率为f0，其IQ调制器上、下变频时输出信号分别为：
E上out(t)＝A·Ein(t)·[cos(2лf0t)+jcos(2лf0t-л/2)] (4)；
即：
E上out(t)＝A·Ein(t)·ej2лf0t (5)；
E下out(t)＝A·Ein(t)·e-j2лf0t (6)；
同样根据傅里叶变换中的信号调制的性质，设输入光信号光场振幅Ein(t)频谱函数为Ein(f),则第二IQ调制器103在上变频和下变频时输出的频谱函数分别为：
E上out(t)＝A·Ein(f-f0) (7)；
E下out(t)＝A·Ein(f+f0) (8)；
由公式(7)、(8)可知，本振电信号LO对光载波进行了频移，频移后，上变频时光载波频率为fc-f0，此时，光载波频谱如图3所示；下变频时光载波频率为fc+f0，光载波频谱如图4所示。
步骤20：在输出端，由两个IQ调制器输出的两路调制信号分别输入到光相干接收机105的光接收信号输入端和光本振信号输入端，根据光相干接收机输出信号为两路信号拍频结果的性质，当接收信号输入端载波光中心频率为fc，光本振信号输入端载波光中心频率为fc-f0，输出宽带射频信号RF频移f0的变频信号，从而实现上变频；同理，当接收信号输入端载波光中心频率为fc，光本振信号输入端载波光中心频率为fc+f0是，输出宽带射频信号RF频移-f0的变频信号，从而实现下变频。
具体说明如下：
光相干接收机105拍频输出结果为：
其中：II(t)为I路输出端信号，IQ(t)为Q路输出端信号移相90°后的输出信号，R为光相干接收机中的光电二极管响应度，Ps为接收信号输入端输入信号的功率，PLO为光本振信号输入端输入信号的功率，θsig(t)为接收信号输入端输入信号相位，θLO(t)为光本振信号输入端输入信号的相位，其中，fIF＝fs-fLO，fs是接收信号输入端输入信号的中心频率，fLO是光本振信号输入端输入信号的中心频率，fIF为中频信号的中心频率；接收信号输入端信号功率为该信号振幅的平方，其振幅由宽带射频信号RF(即UI(t)+jUQ(t))决定，光本振信号的振幅由光源决定，其为固定值；输入信号的相位同样也是由宽带射频信号RF决定。θLO(t)为光本振信号相位,在低噪声窄线宽的条件下,θLO(t)可认为是固定值，因此，
在输入信号为单端宽带射频信号RF时，B为光电变换转换系数(常量),设输入信号电压为URF(t)，最终输出信号为：
II(t)＝B·URF(t)·cos(2πfIFt-θLO) (11)；
IQ(t)＝-B·URF(t)·cos{2πfIFt-θLO} (12)。
在输入信号为差分宽带射频信号RF时，设其输入信号电压分别为URF(t)和-URF(t)，最终输出信号为：
根据傅里叶变换的性质，最终的输出信号为对URF(t)进行fIF频谱搬移的结果。
当进行上变频时：
fIF＝fc-(fc-f0)＝f0 (15)；
输出中频信号频谱如图5所示。
当进行下变频时：
fIF＝fo-(fo+f0)＝-f0 (16)；
输出中频信号频谱如图6所示。
当需要单端输出时，相干接收机的I、Q两路都可以作为输出，当需要差分输出时，I、Q两路正好构成一对差分信号；从而实现了信号光电转换输出，完成了混频器的功能，实现了混频输出。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.宽带电信号混频器，由用于电光转换的调制输入装置和用于光电转换的相干接收输出装置组成，其特征在于：
所述调制输入装置包括一个激光器和两个性能一致的第一IQ调制器、第二IQ调制器，激光器发出的光频率为fc的光信号等分为两路强度相同的相干光信号，分别输入到所述第一IQ调制器和所述第二IQ调制器作为被调制的光载波信号，两个输入电信号分别输入到所述第一IQ调制器和所述第二IQ调制器作为调制信号，将两路光信号分别进行调制，其中两个输入电信号分别为宽带射频信号RF和中心频率为f0的本振电信号LO；
所述相干接收输出装置包括一个光相干接收机和一个移相器，由第一IQ调制器和第二IQ调制器输出的两路调制信号分别输入到光相干接收机的接收信号输入端和光本振信号输入端，并将两路调制信号拍频输出。
2.如权利要求1所述的宽带电信号混频器，其特征在于，
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，所述光相干接收机的光本振信号输入端载波光中心频率为fc-f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移f0的变频信号，实现上变频输出；
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，所述光相干接收机的光本振信号输入端载波光中心频率为fc+f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移-f0的变频信号，实现下变频输出。
3.如权利要求1所述的宽带电信号混频器，其特征在于，对于宽带射频信号RF，将所述第一IQ调制器两路的直流偏置电压设置到光强零输出点，对输入光信号进行无载波调制。
4.如权利要求3所述的宽带电信号混频器，其特征在于，当宽带射频信号RF为单端输入时，直接输入到所述第一IQ调制器的I输入端，同时将Q输入端的电压设置为零；当宽带射频信号RF为差分输入时，将其同相端输入到所述第一IQ调制器的I输入端，同时将反相端输入到所述第一IQ调制器的Q输入端。
5.如权利要求1所述的宽带电信号混频器，其特征在于，本振电信号LO等分为两路，第一路本振电信号LO直接输入到所述第二IQ调制器的I输入端，第二路本振电信号LO通过一个第一90°移相器移相90°后输入到所述第二IQ调制器的Q输入端；上变频时第二路本振电信号LO下移相90°，下变频时第二路本振电信号上移相90°。
6.如权利要求1所述的宽带电信号混频器，其特征在于，所述光相干接收机的I、Q两路输出信号，其中I路直接输出，Q路通过第二90°移相器移相90°后输出。
7.宽带电信号的混频方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10：在输入端，将光载波频率为fc的两路强度相同的相干光信号分别输入到两个IQ调制器作为被调制的光信号，将宽带射频信号RF和本振电信号LO分别输入到第一IQ调制器和第二IQ调制器作为调制电信号，实现输入端电信号的电光转换以及电信号的频谱搬移；
步骤20：在输出端，由第一IQ调制器和第二IQ调制器输出的两路调制信号分别输入到光相干接收机的接收信号输入端和光本振信号输入端，利用两路光信号拍频输出宽带射频信号RF的变频信号。
8.如权利要求7所述的宽带电信号的混频方法，其特征在于，
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，所述光相干接收机的光本振信号输入端载波光中心频率为fc-f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移f0的变频信号，实现上变频输出；
所述光相干接收机的接收信号输入端载波光中心频率为fc，光本振信号输入端载波光中心频率为fc+f0，两路光信号拍频输出为宽带射频信号RF频移-f0的变频信号，实现下变频输出。
9.如权利要求7所述的宽带电信号的混频方法，其特征在于，当宽带射频信号RF为单端输入时，直接输入到第一IQ调制器的I输入端，同时将Q输入端的电压设置为零；当RF宽带射频信号为差分输入时，将其同相端输入到第一IQ调制器的I输入端，同时将反相端输入到第一IQ调制器的Q输入端。
10.如权利要求7所述的宽带电信号的混频方法，其特征在于，
本振电信号LO等分为两路，第一路本振电信号LO直接输入到第二IQ调制器的I输入端，第二路本振电信号LO通过第一90°移相器移相90°后输入到第二IQ调制器的Q输入端；上变频时第二路本振电信号LO下移相90°，下变频时第二路本振电信号LO上移相90°；
光相干接收机的I、Q两路输出信号，I路直接输出，Q路通过第二90°移相器移相90°后输出。
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