CN104486004A - 基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法。将激光源输出的光信号分成两路，一路用于生成频率等间隔的光频梳，采用外调制的方式实现；另一路被待接收射频信号经电光调制器调制，并与光频梳路的光信号合成。该合成信号通过可调谐窄带带通光学滤波器，经该滤波器可将载有待测信号的光频与最临近的光频梳的固定频点滤出，再经过高速探测器变换，实现两个频率拍频合成得到其差频，即得到待测信号下变频的中频信号。本发明将微波光子学中光频梳的技术应用于微波信号接收的设计，结合可调光滤波器，实现了在低频率本振信号(2GHz～5GHz)的条件下，超宽带信号接收和下变频，其中接收带宽十几倍于低频本振信号。

Description

基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带接收机装置及实现方法，特别涉及一种基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法，属于微波光子学技术领域。

背景技术

随着信息技术的高速发展，电磁频段被充分利用，携带各种信息的信号频段的覆盖范围广、信号参数多变，信号形式也日益复杂。高密集和复杂的信号环境要求电子设备接收机具备大接收带宽、大动态范围、高效率、高分辨率，以及能够对多频点，多形式信号进行统一接收以及统一处理能力。这样高的需求，传统形式的基于微波器件的电子信号接收机技术已经面临不可逾越的瓶颈，如微波链路因波导原理以及高损耗特征从根本上限制了系统的带宽；高频信号处理难以降低相噪；在大倍频程难以实现均一的高性能，导致低的动态范围，面临频率截获概率和分辨率之间矛盾；特别是难以采用统一设备同时实现超宽带大动态范围的信号接收和处理。

光学技术的发展使人们意识到，光学信号具备固有的高带宽、低相噪、低损耗的特点，同时光学技术的优势还包括超宽带调谐、并行处理、远距离传输以及抗电磁干扰等。

目前，基于微波光子的接收机有以下几种方案：一是多个电光调制器级联，多个调制器上分别加载本振信号和接收信号(参见[BryanM.Hass，T.E.Murphy，”Linearized Downconverting Microwave Photonic LinkUsing Dual-Wavelength Phase Moulation and Optical Filtering”IEEEPhotonics Journal，Vol.3，No.1，Feburary 2011])。该方法通过多个调制器级联，导致转换效率低、插入损耗大，同时对于频率较高的接收信号所需的本振信号频率也较高，因为本振信号频率越高相躁越差，从而导致系统的带宽和性能受制于本振信号。二是双臂马赫增德尔调制器加光电振荡回路(参见专利申请号：201310583404.3，“一种微波光子学接收方法”)，此方法频带宽度受制于光电振荡回路中的微波器件，如带通滤波器、低噪放和移相器的带宽，无法实现超宽带信号接收。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为了克服上述现有技术的不足，本方案提供了一种基于微波光子的超宽带接收机装置及实现方法，实现了在低频率本振信号(2GHz～5GHz)的条件下，超宽带信号接收，其中接收带宽十几倍于低频本振信号；降低了中频信号的信噪比，提高了信号转化效率；减少了设备体积和功耗，降低了成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于微波光子的超宽带接收机装置，包括激光光源、电光调制器、光频梳生成模块、单模光纤耦合器、可调光滤波器、高速光电探测器，其中光频梳生成模块由微波本振信号源、强度调制器(IM)、相位调制器(PM)、微波功率放大器(PA)、微波移相器(PS)组成。

激光源，输出光信号，单模光纤耦合器按照2∶1的分光比将光信号分成两束分别进入电光调制器和光频梳生成模块；

电光调制器的射频输入端口加载待接收到的微波信号，直流偏置端口加载直流电压，待接收的微波信号被调制到光信号上，产生光调制信号。

光频梳生成模块中的微波本振信号被微波功分器分成二路，第一路经过微波功率放大器(PA)输入到强度调制器，第二路再被微波功分器分成两路，两路信号分别经过微波移相器(PS)和微波功率放大器(PA)输入到两个相位调制器(PM)，最终产生光频梳；

单模光纤耦合器将光频率梳和光调制信号合成出一路光信号，输入到可调通带的光滤波器，可调光滤波器(通带范围f_δ≈2GHz)扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号；

高速光电探测器将滤出的加载于不同频段的光信号，与生成的固定间隔的被滤波的光频梳进行拍频合成得到中频信号，从而将接收到的高频率微波信号下变频到频率较低的中频信号。

其中，所述光频梳生成模块采用外调制的方式产生，光频梳的中心波长1550nm，频梳间隔为2GHz～5GHz可调，其频梳间隔由微波本振信号的频率决定。光频梳多条，单边带条数乘以间隔即决定可处理的待接收的微波信号带宽。

所述单模光纤耦合器将光调制信号和光频梳合成一路，光调制信号加载到光频梳上，光频梳变为接收信号的载波。

所述可调通带位置的光学滤波器采用可调的法布里帕罗(F-P)滤波器实现，可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号。

本发明还提供了一种基于所述装置的实现方法，包括以下步骤：

(1)激光光源产生的激光通过单模光纤耦合器分成两路，分别进入光电调制器和光频率梳生成模块；

(2)在光电调制器上加载直流电压，使其处于载波抑制状态，同时将待接收微波信号加载到光电调制器上，产生载波抑制的光调制信号；

(3)微波本振信号频率为f₀，本振信号根据需要在2GHz～5GHz范围内可调，设置信号功率，同时改变加载在两个相位调制器(PM)上的微波信号的相位，使其相差产生光频梳多条，频梳间隔为f_OFC＝f₀；

(4)改变加载在可调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号；

(5)高速光电探测器(PD)对输出的光信号拍频，产生中频信号f_IF。此中频信号的幅度和相位即反映待测信号的幅度和相位，结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数值f_rgc。

其中，所述可调光滤波器的通带范围与光频梳的频率间隔接近(f₀≈f_OFC)，经过光滤波器和高速光电探测器后，产生的中频信号频率不大于光频梳频率间隔的一半 $(f_{\mathrm{IF}}\≤\frac{f_{\mathrm{OFC}}}{2}).$

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明使用光频率梳作为载波信号，实现了在低频率本振信号(2GHz～5GHz)的条件下，超宽带信号接收，其中接收带宽十几倍于低频本振信号；增大了中频信号的信噪比，提高了信号转化效率。

(2)本发明利用单模光纤耦合器，将光调制信号和光频率梳合成一路光信号，其中光调制信号处于载波抑制状态，相比于级联的方式，降低了系统的插入损耗。

(3)本发明的信号传输链路完全由光学器件组成，中频信号的质量不受制于微波器件的性能和参数，提高了接收机的稳定性和中频信号的质量，降低了成本。

附图说明

图1为本发明基于微波光子的超宽带接收机结构示意图。

图2为本发明中可调光滤波器的滤波示意图。

图3为实验中光频梳生成模块输出的光频梳波形图。

图4为实验中高速光电探测器(PD)输出的中频信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明基于微波光子的超宽带接收机结构示意图。该方案由激光光源、电光调制器、光频梳生成模块、单模光纤耦合器、可调光滤波器、高速光电探测器，其中光频梳生成模块由微波本振信号源、强度调制器(IM)、相位调制器(PM)、微波功率放大器(PA)、微波移相器(PS)组成。

光源输出激光，单模光纤耦合器按照2∶1的分光比将激光分成两束分别进入电光调制器和光频梳生成模块；电光调制器将待接收的微波信号调制到光信号上，产生光调制信号；光频梳生成模块中的微波本振信号被微波功分器分成二路，经过功率放大和移相后分别加载到一个强度调制器和两个相位调制器上，产生光频梳；单模光纤耦合器将光频率梳和光调制信号合成出一路光信号，输入到可调通带的光滤波器，改变加载在可调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号，与生成的固定间隔的被滤波的光频梳进行拍频合成得到中频信号；结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数值。从而做到大带宽多路信号的变频和接收。

图2为本发明中可调光滤波器的滤波示意图。光频梳和调制信号经过单模光纤耦合器合成为一路光信号，光频梳的第n条梳和第n+1条梳之间加载上光调制信号，其中nf_OFC＜f_rec＜(n+1)f_OFC，可调光通滤波器的通带范围与光频梳间隔接近f_δ≈f_OFC，改变加载在可调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号。

图3为实验中光频梳生成模块输出的光频梳波形图，实验中产生的光频梳，在平坦度为3dB的范围内输出光谱共有33条谱线，光载波的频带宽度＞20GHz，可以实现超宽带(0～20GHz)的微波信号下变频。

图4为实验中高速光电探测器(PD)输出的中频信号，实验中分别输入4.5GHz、8.3GHz、12.7GHz和16.4GHz，经过可调光滤波器滤波和高速光电探测器(PD)拍频，产生中频信号如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示，其中中频信号频率为500MHz，300MHz、700MHz、400MHz，完全符合理论计算结果。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：包括激光源、电光调制器、光频梳生成模块、单模光纤耦合器、可调光滤波器、高速光电探测器；其中光频梳生成模块由微波本振信号源、强度调制器(IM)、相位调制器(PM)、微波功率放大器(PA)、微波移相器(PS)组成。各种器件位置关系为：

激光源，输出光信号，单模光纤耦合器按照2∶1的分光比将光信号分成两束分别进入电光调制器和光频梳生成模块；

电光调制器的射频输入端口加载待接收的微波信号，直流偏置端口加载直流电压，待接收的微波信号被调制到光信号上，产生光调制信号。

光频梳生成模块中的微波本振信号被微波功分器分成两路，第一路经过微波功率放大器(PA)输入到强度调制器，第二路再被微波功分器分成两路，两路信号分别依次通过微波移相器(PS)和微波功率放大器(PA)输入到两个相位调制器(PM)，最终产生光频梳；

单模光纤耦合器将光频率梳和光调制信号合成出一路光信号，输入到可调通带的光滤波器，通过可调通带位置的光学滤波器，滤出加载于不同频段的光信号；

高速光电探测器将滤出的加载于不同频段的光信号，与生成的固定间隔的被滤波的光频梳进行拍频合成得到中频信号，从而将待接收的高频率微波信号下变频到频率较低的中频信号。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：光频梳生成模块采用外调制的方式产生，光频梳的中心波长1550nm，频梳间隔为2GHz～5GHz可调，其频梳间隔由微波本振信号的频率决定。光频梳多条，单边带条数乘以间隔即决定可处理的待接收的微波信号带宽。

3.根据权利要求1所述的基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：通过单模光纤耦合器将光调制信号和光频梳合成一路，光调制信号加载到光频梳上，光频梳变为待接收信号的载波。

4.根据权利要求1所述的基于微波光子的超宽带接收机装置，其特征在于：可调通带位置的光学滤波器采用可调的法布里帕罗(F-P)滤波器实现，可调光滤波器(通带范围f_δ≈2GHz)扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载与不同频段的光信号。

5.基于微波光子学的超宽带接收机的实现方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)激光光源产生的激光通过单模光纤耦合器分成两路，分别进入光电调制器和光频率梳生成模块；

(2)在光电调制器上加载直流电压，使其处于载波抑制状态，同时将待接收微波信号加载到光电调制器上，产生载波抑制的光调制信号；

(3)微波本振信号频率为f₀，本振信号根据需要在2GHz～5GHz范围内可调，设置信号功率，同时改变加载在两个相位调制器(PM)上的微波信号的相位，使其相差产生光频梳多条，频梳间隔为f_OFC＝f₀；

(4)改变加载在可调光滤波器上电压的频率和大小，使可调光滤波器扫描光频梳的整个频带范围，滤出加载于不同频段的光信号；

(5)高速光电探测器(PD)对输出的光信号拍频，产生中频信号f_IF。此中频信号的幅度和相位即反映待测信号的幅度和相位，结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数值f_rec。

6.根据权利要求5所述的基于微波光子学的超宽带接收机的实现方法，其特征在于：可调光滤波器的通带范围与光频梳的频率间隔接近(f_δ≈f_OFC)。

7.根据权利要求5所述的基于微波光子学的超宽带接收机的实现方法，其特征在于：经过光滤波器和高速光电探测器后，产生的中频信号频率不大于光频梳频率间隔的一半结合中频信号的频率和滤出该信号的可调光滤波器通带所包的频梳，计算待接收信号的频率数值f_rec。