CN105978631A - 一种光子微波自干扰信号消除装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子微波自干扰信号消除装置与方法，属于微波光子技术领域。该装置采用电光相位调制器实现接收天线接收的有用信号与自干扰信号、以及发射天线引出的对消信号调制到激光器输出的光载波上，相位调制光载微波信号的左、右边带的相位相反，通过光学带通滤波器滤波获得右边带+光载波和左边带+光载波信号，经光电探测器光电转换后消除自干扰信号。该装置无需对电光相位调制器进行直流偏置电压控制，极大简化了系统结构并增强了系统稳定性，光域内幅度与延时调控的带宽大、调节精度高，克服了电子技术的带宽小和调节精度低的限制。

Description

一种光子微波自干扰信号消除装置与方法
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种光子微波自干扰信号消除装置与方法。
背景技术
随着无线通信业务的广泛发展，微波频谱资源变得日益紧张。当前无线通信设备主要采用频分双工或时分双工技术。频分双工技术是在同一时刻，系统间发射和接收信号时，分别采用不同的载波频率进行通信；时分双工技术是在不同的时刻，采用同一载波频率分别发射和接收信号。因此，频分双工或时分双工实际上是一个半双工通信方式，不能有效的提高频谱资源的利用效率。全双工技术采用同一频率实现上、下行链路的同时收发，能够实现频谱资源利用率及数据吞吐量的倍增，同时有效降低端到端延时、减小无线接入冲突，在移动通信、卫星通信、微波接力通信等方面具有重要应用。
然而全双工技术采用同一频率进行信号的同时收发的过程中，发射天线的高功率的自干扰信号会淹没接收天线的有用信号，降低无线通信系统的通信性能。因此，消除高功率自干扰信号对接收信号的影响是全双工技术实际应用必需解决的关键问题。传统基于电子手段的微波自干扰信号消除技术因受到电磁干扰、带宽窄等方面的限制难以在高频、宽带、高品质场合下使用。基于光子学手段的微波自干扰信号消除技术具有频率高、带宽大、抗电磁干扰能力强等优势，成为微波自干扰信号消除技术研究的热点。
在先技术[1](J.Suarez and P.R.Prucnal,“Instantaneous bandwidth ofcounter-phase optical interference cancellation for RF communications,”IEEEMicrowave Wireless Component Letters,Vol.21,No.9,pp.507-509,Sep.2011.)中，由接收天线接收的信号(包括有用信号和自干扰信号)、发射端引出的对消信号分别调制到两个马赫-曾德电光强度调制器上，通过直流偏置电压控制两个马赫-曾德电光强度调制器工作在斜率相反的偏置正交点，通过调节对消信号支路的信号幅度和延时，经光电探测后干扰信号与对消信号相抵消。该方案需要精确控制两个马赫-曾德电光强度调制器的直流偏置工作点以达到两支路信号的相位相反匹配，使得系统结构复杂、实现难度大。
在先技术[2](Qi Zhou,Hanlin Feng,Guy Scott,and Mable P.Fok,“Widebandco-site interference cancellation based on hybrid electrical and optical techniques,”Optics Letters,Vol.39,No.22,pp.6537-6540,Nov.2014)中，采用电吸收调制激光器作为微波光调制转换单元，采用射频巴伦转换器实现对发射端引出对消信号的相位翻转，从而与由接收天线接收信号中的自干扰信号在光电探测后相抵消。这是一种电学与光学混合的微波自干扰信号消除技术，因射频巴伦转换器的使用限制了该方案在高频段、大带宽场合下的应用。
在先技术[3](Yunhao Zhang,Shilin Xiao,Hanlin Feng,Lu Zhang,Zhao Zhou,and Weisheng Hu,“Self-interference cancellation using dual-drive Mach-Zehndermodulation for in-band full-duplex radio-over-fiber system,”Optics Express,Vol.23,No.26,pp.33205-33213,Dec.2015)中，采用双驱动马赫-曾德电光调制器(DD-MZM)作为微波光调制转换单元，由接收端接收的信号(包括有用信号和自干扰信号)、发射端引出的对消信号分别输入到DD-MZM的两个射频输入端口，通过直流偏置电压的调节，使得DD-MZM两个臂的相位相差为π，通过电学手段对发射端引出对消信号的幅度和延时进行调节，从而使得自干扰信号和对消信号在DD-MZM的两臂合路处干涉相消。该方案对发射端引出对消信号的延时是通过电学手段进行调节的，调节精度低，容易使自干扰信号消除程度劣化，同时工作频段和带宽受限。
发明内容
本发明提供一种光子微波自干扰信号消除装置与方法，有效解决背景技术中直流偏置工作点控制难度大、微波电子器件使用导致的工作频段和带宽限制等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：提供一种光子微波自干扰信号消除装置与方法。所述光子微波自干扰信号消除装置包括：
第一激光器、第二激光器、第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、可调光衰减器、可调光延时线、波分复用器、光学带通滤波器、光电探测器。上述器件依次由光纤或光波导相连。
所述第一激光器、第二激光器输出的光载波频率分别为fC1和fC2，分别位于光学带通滤波器的通带内的左侧和右侧，fC1和fC2不同，。
所述第一电光相位调制器输出的光载微波信号的左、右边带相位反相，左边带被光学带通滤波器滤除；第二电光相位调制器输出的光载微波信号的左、右边带相位反相，右边带被光学带通滤波器滤除。
本发明提供一种光子微波自干扰信号消除方法，其特征在于如下步骤：
由接收天线接收到的信号r(t)＝s(t)+n(t)(s(t)为有用信号，n(t)为干扰信号)经第一电光相位调制器调制到第一激光器输出的光载波上。由发射端引出的对消信号n1(t)经第二电光相位调制器调制到第二激光器输出的光载波上，该光载微波信号经可调光衰减器、可调光延时线传输至波分复用器，与第一电光相位调制器输出的光载微波信号合路进入波分复用器。
波分复用器输出的两路光载微波信号传输至光学带通滤波器，第一电光相位调制器输出的光载微波信号的左边带被光学带通滤波器滤除，获得右边带+光载波信号；第二电光相位调制器输出的光载微波信号的右边带被光学带通滤波器滤除，获得左边带+光载波信号。
右边带+光载波信号和左边带+光载波信号进入光电探测器进行光电转换，得到有用信号s(t)、自干扰信号n(t)和对消信号-γn1(t+τ)，其中γ和τ分别为可调光衰减器的幅度改变量和可调光延时线的延时改变量，负号是由于左边带+光载波信号经光电探测得到的微波信号与右边带+光载波信号经光电探测得到的微波信号的相位相反所致。通过调节可调光衰减器的幅度改变量和可调光延时线的延时改变量，使自干扰信号n(t)和对消信号-γn1(t+τ)的幅值相同且时间对齐，进而使得自干扰信号和对消信号在光电转换后相抵消，有效提取出有用信号s(t)。
本发明的有益效果是：
(1)本发明光子微波自干扰信号消除装置与方法，采用电光相位调制器实现微波信号调制到光载波上，基于相位调制光载微波信号的左、右边带相位反相特性来消除自干扰信号，无需直流偏置电压的控制，极大简化了系统结构，并增强了系统的稳定性。
(2)本发明光子微波自干扰信号消除装置与方法，采用可调光衰减器和可调光延时线在光域内调节对消信号的幅度和延时，使得光电探测后对消信号与自干扰信号的幅值相同且时间对齐，实现自干扰信号的消除。光域内幅度与延时调控的工作带宽大、调节精度高，克服了电子技术的带宽小、调节精度低的限制。
(3)本发明光子微波自干扰信号消除装置，可以采用光子集成技术将激光器、电光相位调制器、可调光衰减器、可调光延时线、波分复用器、光学带通滤波器和光电探测器等制备于集成芯片上，具有尺寸小、功耗低的优势。
附图说明
图1是本发明光子微波自干扰信号消除装置框图。
图2是电光相位调制器输出光载微波信号的频谱示意图。(a)第一电光相位调制器输出；(b)第二电光相位调制器输出。
图3是光学带通滤波器对两路光载微波信号的滤波作用光域频谱图。
图4是两路光载微波信号经光电探测后输出的电域频谱图。(a)第一路光载微波信号(右边带+光载波)经光电探测后输出的微波信号频谱图；(b)第二路光载微波信号(左边带+光载波)经光电探测后输出的微波信号频谱图；(c)两路微波信号叠加后的电域频谱图。
图中：1第一激光器；2第二激光器；3第一电光相位调制器；4第二电光相位调制器；5可调光衰减器；6可调光延时线；7波分复用器；8光学带通滤波器；9光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明光子微波自干扰信号消除装置包括：第一激光器、第二激光器、第一电光相位调制器、第二电光相位调制器、可调光衰减器、可调光延时线、波分复用器、光学带通滤波器、光电探测器，各部分依次由光纤或光波导相连。
所述第一激光器、第二激光器输出的光载波频率分别为fC1和fC2，分别位于光学带通滤波器的通带内的左侧和右侧，fC1和fC2不同。
所述第一电光相位调制器输出的光载微波信号的左、右边带相位反相，左边带被光学带通滤波器滤除，得到右边带+光载波信号；第二电光相位调制器输出的光载微波信号的左、右边带相位反相，右边带被光学带通滤波器滤除，得到左边带+光载波信号。右边带+光载波信号和左边带+光载波信号进入光电探测器进行光电转换，自干扰信号和对消信号在光电转换后相抵消，有效提取出有用信号s(t)。
实施例
图1是本发明光子微波自干扰信号消除装置结构框图。由接收天线接收到的信号r(t)＝s(t)+n(t)(s(t)为有用信号，频率为fS；n(t)为干扰信号，频率为fN)经第一电光相位调制器调制到第一激光器输出的光载波(频率为fC1)上，输出频谱如图2(a)所示，左、右边带的相位相反(即相差π)。由发射天线引出的对消信号n1(t)(频率为fN)经第二电光相位调制器调制到第二激光器输出的光载波(频率为fC2)上，输出频谱如图2(b)所示，左、右边带的相位相反(即相差π)。光载微波信号经可调光衰减器、可调光延时线传输至波分复用器，与第一电光相位调制器输出的光载微波信号合路进入波分复用器。可调光衰减器和可调光延时线分别对第二电光相位调制器输出的光载微波信号幅度和延时进行调节。
波分复用器输出的两路光载微波信号传输至光学带通滤波器，光学带通滤波器对两路光载微波信号进行滤波处理的频谱如图3所示。第一电光相位调制器输出的光载微波信号的左边带被光学带通滤波器滤除，获得右边带+光载波信号；第二电光相位调制器输出的光载微波信号的右边带被光学带通滤波器滤除，获得左边带+光载波信号。
右边带+光载波信号和左边带+光载波信号进入光电探测器进行光电转换，得到有用信号s(t)、干扰信号n(t)和对消信号-γn1(t+τ)，其中γ和τ分别为可调光衰减器的幅度改变量和可调光延时线的延时改变量，负号是由于左边带+光载波信号经光电探测得到的微波信号与右边带+光载波信号经光电探测得到的微波信号的相位相反所致。通过调节可调光衰减器的幅度改变量和可调光延时线的延时改变量，使得干扰信号n(t)和对消信号-γn1(t+τ)的幅值相同且时间对齐，频谱分别为图4(a)和(b)所示，两路信号相加使得干扰信号和对消信号在光电转换后相抵消，有效提取出有用信号s(t)。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种光子微波自干扰信号消除装置，其特征在于，所述装置包括：第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一电光相位调制器(3)、第二电光相位调制器(4)、可调光衰减器(5)、可调光延时线(6)、波分复用器(7)、光学带通滤波器(8)、光电探测器(9)，各部分依次由光纤或光波导相连；
所述第一激光器(1)、第二激光器(2)输出的光载波频率分别为fC1和fC2，位于光学带通滤波器(8)的通带内的左侧和右侧，fC1和fC2不同；
所述第一电光相位调制器(3)输出的光载微波信号的左、右边带相位反相，左边带被光学带通滤波器(8)滤除；第二电光相位调制器(4)输出的光载微波信号的左、右边带相位反相，右边带被光学带通滤波器(8)滤除。
2.权利要求1所述的光子微波自干扰信号消除装置消除自干扰信号的方法，其特征在于如下步骤：
由接收天线接收的信号r(t)＝s(t)+n(t)(s(t)为有用信号，n(t)为自干扰信号)经第一电光相位调制器(3)调制到第一激光器(1)输出的光载波上。由发射端引出的对消信号n1(t)经第二电光相位调制器(4)调制到第二激光器(2)输出的光载波上，该光载微波信号经可调光衰减器(5)、可调光延时线(6)传输至波分复用器(7)，与第一电光相位调制器(3)输出的光载微波信号合路进入波分复用器(7)；
波分复用器(7)输出的两路光载微波信号传输至光学带通滤波器(8)，第一电光相位调制器(3)输出的光载微波信号的左边带被光学带通滤波器(8)滤除，获得右边带+光载波信号；第二电光相位调制器(4)输出的光载微波信号的右边带被光学带通滤波器(8)滤除，获得左边带+光载波信号；
右边带+光载波信号和左边带+光载波信号进入光电探测器(9)进行光电转换，得到有用信号s(t)、自干扰信号n(t)和对消信号-γn1(t+τ)，其中γ和τ分别为可调光衰减器(5)的幅度改变量和可调光延时线(6)的延时改变量，负号是由于左边带+光载波信号经光电探测得到的微波信号与右边带+光载波信号经光电探测得到的微波信号的相位相反所致。通过调节可调光衰减器(5)的幅度改变量和可调光延时线(6)的延时改变量，使自干扰信号n(t)和对消信号-γn1(t+τ)的幅值相同且时间对齐，进而使得自干扰信号和对消信号在光电转换后相抵消，有效提取出有用信号s(t)。
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