CN106487453B - 一种零中频的微波光子信道化接收机的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零中频的微波光子信道化接收机的装置及方法。装置包括激光二极管(LD)、两个本振信号(LO1、LO2)、DP‑QPSK调制器、光带通滤波器(OBPF)、单偏振马曾调制器(MZM)、分路器、窄带OBPF组、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)、平衡探测器(BPD)、多通道ADC。利用DP‑QPSK调制器产生光频梳和正负二阶边带的偏振复用信号，射频(RF)信号对正二阶边带调制，产生的下边带落在光频梳的谱线内，窄带OBPF组进行信道分割后平衡探测，解调得到IQ数据。直流偏差和偶次失真通过平衡探测得到了抑制，IQ幅度和相位平衡度可通过光功率和偏振态精细校正。

Description

一种零中频的微波光子信道化接收机的装置及方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及利用光子学技术实现宽带微波信号的零中频信道化接收。
背景技术
在现代电子战和雷达系统中，接收机接收到的微波信号带宽大、种类多、形式多样，而且频率覆盖范围逐渐增大。这就要求接收机具备大的瞬时接收带宽，能同时处理多频点、多形式信号，且具有高分辨率、高灵敏度等特点。然而，现有模数转换器(ADC)的采样率和带宽有限，无法实现超大带宽信号的同时处理。信道化接收机可以将接收到的宽带信号分割为多个子频带，并将各个子频带下变频到同一中频或者基带，降低了对ADC的要求，可以实现大瞬时带宽及高精度的数字信号处理能力。因此，信道化接收机逐渐成为超宽带电子系统的重要装备。
传统的模拟信道化接收机器件功耗、差损大，对电滤波器的要求高，子信道数目较多时系统体积庞大，从而逐渐被数字信道化接收机替代；数字接收机可调谐、精度高，但ADC的采样率和工作带宽有限，而且海量的数据对信号处理也提出了更高的要求。所以寻找一种可以处理超宽带信号信道化接收机十分重要。
近几年，微波光子技术迅速发展。由于光子学技术具有瞬时带宽大、工作频段宽、隔离度高、抗电磁干扰等一系列优点，为信道化接收机的实现提供了一个新的解决方案，基于光子学的信道化接收机成为研究的热点。
目前已报道的微波光子信道化接收机，大多产生两套光频梳(载波光频梳和本振光频梳)，结合梳状光滤波器和波分复用器来实现多信道接收功能。在该方案中，光梳间隔需要远大于接收信号的最高频率，梳线数不少于子信道数。然而多梳线、宽间隔、稳定相干的光频梳较难产生，而且该方案要求两套光梳具有精确的频差和稳定的相位关系，这造成系统实施难度较大。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种利用双偏振正交相移键控(DP-QPSK)调制器和窄带光滤波器组来实现零中频信道化接收机的方法。该方法仅需要一套光频梳就可以实现宽带信号的零中频多信道接收，而且光频梳的梳线间隔只需要等于子信道宽度即可，非常容易实现。采用光子学IQ解调和平衡探测接收技术，在降低ADC带宽和采样率的同时，消除了传统零中频接收机存在的本振泄露、直流偏差、偶次失真、IQ不平衡等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括激光二极管(LD)、两个频率不同的本振信号(LO1、LO2)、DP-QPSK调制器、光带通滤波器(OBPF)、单偏振马曾调制器(MZM)、光分路器、窄带OBPF组、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)、平衡探测器(BPD)、多通道ADC。其中DP-QPSK调制器由两个并行的双平衡马曾调制器(DPMZM1和DPMZM2)以及尾部的偏振合束器(PBC)集成，DPMZM由两个并行的子MZMa、MZMb和一个主MZMc构成；LD的输出端与DP-QPSK调制器输入端相连。在DPMZM1中，本振信号LO1与MZMa的射频输入端相连，MZMb的射频输入端空载；在DPMZM2中，本振信号LO2与MZMa的射频输入端相连，MZMb的射频输入端空载。DP-QPSK调制器的输出端和OBPF相连，OBPF的输出端和单偏振MZM相连。宽带射频(RF)信号加载在单偏振MZM的射频输入端。单偏振MZM的输出端和光分路器的输入端相连，光分路器的每一路输出和中心频率不同的窄带OBPF相连，每路窄带OBPF的输出经光分路器分为两部分，每部分输出均依次通过PC、PBS和BPD。BPD的输出端和ADC相连。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从LD发出波长为λ的光载波输入到DP-QPSK调制器中；
(2)在DP-QPSK内，光载波被等分为两路，分别输入到DPMZM1和DPMZM2中。在DPMZM1中，本振信号LO1输入到MZMa的射频输入端口，MZMb的射频输入端空载。将幅度为V1a的直流电压接入到MZMa的直流输入端，幅度为V1b的直流电压接入到MZMb的直流输入端，幅度为V1c的直流电压接入到MZMc的直流输入端。
(3)在DPMZM2中，本振信号LO2输入到MZMa的射频输入端口，MZMb的射频输入端空载。将幅度为V2a的直流电压接入到MZMa的直流输入端，幅度为V2b的直流电压接入到MZMb的直流输入端，幅度为V2c的直流电压接入到MZMc的直流输入端。
(4)设置DPMZM1中V1a、V1b、V1c的大小，使DPMZM1输出频率间隔为本振信号LO1频率的5线平坦光频梳；设置DPMZM2中V2a、V2b、V2c的大小，使DPMZM2输出载波抑制的正负二阶边带。
(5)DPMZM1和DPMZM2输出的两路信号经过PBC后，分别变为TE模和TM模，在DP-QPSK调制器的输出端得到一个偏振复用信号；
(6)DP-QPSK调制器输出的偏振复用信号输入到OBPF。OBPF滤除LO2调制的负二阶边带，输出包含光频梳和正二阶光边带的偏振复用信号。
(7)OBPF输出的光信号进入单偏振MZM。在单偏振MZM中，宽带RF信号只对TM模的正二阶边带调制，对TE模的光频梳不调制。通过设置单偏振MZM直流偏置压的大小，使其工作在最小传输点，实现载波抑制的双边带调制。因为已调宽带RF信号的下边带在光梳中心频率附近，这里只考虑下边带。调节本振信号LO2的频率为宽带RF信号中心频率的一半，这样宽带RF信号调制后的下边带中心频率刚好与光梳的中心频率吻合。
(8)单偏振MZM输出的光信号经光分路器分为5路，每一路经过中心频率不同的窄带OBPF，实现频带分割，每个窄带OBPF输出的偏振复用光包含一个光载波(5梳线之一)和一个子信道的RF信号，且光载波的频率等于子信道的中心频率。每个窄带OBPF的输出经光分路器分为两部分，均分别经过PC、PBS和BPD。
(9)调节每个信道中的两路上的PC，使其中一路中光载波与射频信号相位差为0°，这样经过PBS和BPD后输出平衡探测的I路信息；使另一路中光载波与射频信号相位差为90°，这样经过PBS和BPD后输出平衡探测的Q路信息。
(10)5个子信道输出的IQ基带信号经过ADC后进行数字处理。
本发明提出了一种新型的光子学零中频信道化接收机，该方案中DP-QPSK调制器产生一个由光频梳和正负二阶边带组成的偏振复用信号。利用正二阶边带作为新的载波对宽带RF信号进行调制，使宽带RF信号调制的下边带落在光频梳内，窄带OBPF组对宽带信号和光频梳同时进行分割，实现了宽带信号的信道化。每个信道内信号进行光子学IQ解调和平衡探测，得到IQ两路基带信息，最后进行ADC和数字信号处理。
本方案仅需要一套光频梳，且光频梳的梳线间隔小，对本振信号的频率要求降低，容易产生。
整个光链路采用偏振复用技术，既简化了系统结构、降低了实现成本，也能够降低环境引入的随机噪声，实现本振和射频的稳定相干。
利用零中频接收模式，简化了结构，且进一步降低对ADC的采样率和带宽需求。
采用双平衡探测技术，可以消除直流偏差和偶次失真。
IQ两路的幅度和相位平衡度可以通过两路的光功率和偏振态进行调节，且对工作频率不敏感，所以能提高IQ两路的平衡度。
图1为零中频微波光子信道化接收机的原理图；
图2为仿真结果图，其中：
(a)为OBPF后的光信号频谱图；
(b)为宽带射频信号调制后的光信号频谱图；
(c)为第2个子信道平衡探测解调得到的I路和Q路电信号频谱图；
(d)为第2个子信道平衡探测解调得到的星座图；
(e)为第2个子信道单路探测解调得到的I路和Q路电信号频谱图；
(f)为第2个子信道单路探测解调得到的星座图；
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例：
图1为本发明零中频微波光子信道化接收机的实施原理图。DP-QPSK调制器产生一个由光频梳和正负二阶边带形成的偏振复用信号，利用OBPF滤出正二阶光边带和光频梳。正二阶边带作为调制宽带信号的光载波，使宽带RF信号调制的下边带落在光频梳的正中心。窄带OBPF组对宽带信号和光频梳同时进行分割，实现信道化。每个信道内信号再进行光子学IQ解调和平衡探测，得到IQ基带信号，通过ADC后进一步数字信号处理。
如图1所示，本实施例中，装置包括：LD、DP-QPSK调制器、信号源LO1和LO2、OBPF、单偏振MZM、光分路器、窄带OBPF组、PC、PBS、BPD、ADC。
其中DP-QPSK调制器由两个并行的DPMZM1和DPMZM2以及尾部的PBC集成，而每个DPMZM是由两个并行的子MZMa、MZMb和一个主MZMc构成。
LD的输出端与DP-QPSK输入端相连。在DPMZM1中，LO1与MZMa的射频输入端相连；在DPMZM2中，LO2与MZMa的射频输入端相连。DP-QPSK调制器的输出端和OBPF相连，OBPF的输出端和单偏振MZM的输入端相连。宽带射频信号和单偏振MZM的射频输入端相连。单偏振MZM的输出端和1：5光分路器的输入端相连，分路器的每一路输出端和中心频率不同的窄带OBPF相连，每路窄带OBPF的输出经过1：2光分路器，输出的两路光信号依次通过PC、PBS和BPD。BPD的输出端和ADC相连。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：光源产生工作频率为193.1THz，功率为20dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到DP-QPSK调制器。
步骤二：在DP-QPSK调制器内，光载波被分为两路，分别输入到DPMZM1和DPMZM2中。LO1的频率为0.6GHz，输入到DPMZM1上臂MZMa的射频输入端口。调节LO1的幅度，并设置DPMZM1三个直流偏压VDCa，VDCb、VDCc的大小，使DPMZM1的输出5线平坦、频率间隔为0.6GHz的光频梳，光频梳的5线频率谱线的频率相对于193.1THz依次为-1.2GHz、-0.6GHz、0GHz、0.6GHz、1.2GHz。
步骤三：LO2的频率为10GHz，输入到DPMZM2上臂MZMa的射频输入端口。调节LO2的幅度，并设置DPMZM2三个直流偏压VDCa，VDCb、VDCc的大小，使DPMZM2输出载波抑制的正负二阶边带，正负二阶边带频率相对于193.1THz分别为-20GHz和20GHz。
步骤四：DPMZM1和DPMZM2输出的两路光信号经过PBC偏振复用后输出DP-QPSK调制器，其DPMZM1输出的光频梳在TE模，DPMZM2输出的正负二阶光边带在TM模。
步骤五：DP-QPSK调制器输出的偏振复用信号输入到OBPF，滤出光频梳和正二阶光边带。
步骤六：OBPF的输出和单偏振MZM相连。五个符号速率均为500MSym/s、调制格式均为16进制正交幅度调制(16QAM)、中心频率分别为18.8GHz、19.4GHz、20GHz、20.6GHz、21.2GHz的矢量信号组成宽带RF信号，对单片真MZM进行调制。宽带RF信号只对TM模(正二阶光边带)调制，对TE模(光频梳)不调制。设置单偏振MZM的直流偏压，使其工作在最小传输点，实现载波抑制的双边带调制。由于宽带射频信号的中心频率等于LO2频率的二倍，已调宽带射频信号下边带的中心频率正好与光频梳的中心频率吻合；
步骤七：单偏振MZM的输出经光分路器分为5路，每一路经过中心频率不同的窄带OBPF，五个信道滤波器的中心频率依次为193.0988THz、193.0994THz、193.1THz、193.1006THz、193.1012THz，带宽均为600MHz，实现了对宽带信号和光频梳的同时分割。
步骤八：窄带OBPF的输出经1：2的光分路器，上下两部分均通过PC、PBS然后与BPD相连。调节两个PC使其中一路中光载波与射频信号相位差为0°，这样经过PBS和BPD后输出I路信息；使另一路中光载波与射频信号相位差为90°，这样经过PBS和BPD后输出Q路信息。并行的5个信道在窄带OBPF后的设置完全相同。
步骤九：每个信道输出的信号送入ADC进行电域信号处理。
图2(a)为OBPF后光信号的频谱图。由图中可以看出光梳的5根谱线频率相对于193.1THz依次为-1.2GHz、-0.6GHz、0GHz、0.6GHz、1.2GHz，正二阶边带的频率相对于193.1THz为20GHz。光频梳和正二阶边带在不同的偏振态上。
图2(b)为宽带射频信号调制后光信号的频谱图。宽带射频信号调制后的下边带落在光频梳内。窄带OBPF组得到的五个子信道解调后的I路和Q路电信号类似。
这里以第2子信道为例，图2(c)为平衡探测得到的I路和Q路电信号的频谱图，I路和Q路基带信号的带宽都为250MHz，为源信号带宽的一半。图2(d)为第2个子信道相干探测解调得到的星座图，可以看出星座图非常清晰，I路和Q路的幅度相位均衡度很好，没有明显失真，且不包含直流分量。
为了比较宽带射频信号在平衡探测和非平衡探测下的解调性能，图2(e)和图2(f)给出了同样功率水平下采用非平衡探测(即单路探测)时IQ两路的电信号频谱和星座图，明显看出I路和Q路的频谱信息中包含很大的直流分量，偶次谐波也严重影响到解调后信号的频谱，星座图存在明显的失真。
综上，本发明提出了一种光子学零中频信道化接收机。该方案仅需要一套光频梳和窄带OBPF组就可以实现宽带信号的信道化处理，同时采用平衡探测结构，不仅降低了ADC采样速率和采样带宽，也避免了直流偏差和偶次失真。装置结构简单较容易实现。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，如光载波波长与功率、RF信号的带宽与载频、调制格式、光梳间隔与梳线数、OBPF带宽等的改变也相应视为本发明的保护的范围。

Claims (6)

1.一种零中频的微波光子信道化接收装置，包括激光二极管LD、电光调制器、光带通滤波器OBPF、分路器、窄带OBPF组、偏振控制器PC、偏振分束器PBS、平衡探测器BPD、多通道ADC，实现宽带微波信号的零中频信道化接收，其特征在于：电光调制器采用双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器，两个本振信号LO1、LO2驱动双偏振调制器，产生LO1的光频梳和LO2的光边带的偏振复用信号，调制器输出的光信号经光带通滤波器滤掉LO2的一个边带，进入一个偏振相关调制器被宽带射频信号调制，偏振相关调制器输出的光信号分为多路，每路通过中心频率不同的窄带OBPF实现RF子信道和对应光梳线的同时分离，经过PC、PBS和BPD后输出I、Q信息，实现宽带RF信号的信道化和零中频接收。
2.根据权利要求1所述的零中频的微波光子信道化接收装置，其特征在于：在DP-QPSK调制器的上路双平衡马曾调制器DPMZM1中，本振信号LO1输入到上路MZMa的射频端口，上路MZMb的射频输入端空载，设置LO1幅度和DPMZM1的三个直流偏压，使其输出LO1调制的5线光频梳；在DP-QPSK调制器的下路双平衡马曾调制器DPMZM2中，本振信号LO2输入到下路MZMa的射频端口，下路MZMb的射频输入端空载，设置DPMZM2的三个直流偏压，使其输出得到抑制载波的LO2的正负二阶边带。
3.根据权利要求1所述的零中频的微波光子信道化接收装置，其特征在于：偏振相关调制器采用单偏振马曾调制器MZM，LO2的二阶边带在该调制器内被宽带RF信号再度调制，LO1光梳不被调制。
4.根据权利要求1所述的零中频的微波光子信道化接收装置，其特征在于：所述偏振相关调制器输出的光信号经分路器分为多路，每路分别和中心频率不同的窄带OBPF相连，实现宽带信号调制的光边带和光频梳的同时分割。
5.根据权利要求1所述的零中频的微波光子信道化接收装置，其特征在于：子信道的个数可通过光梳线数和窄带OBPF的个数进行调节，子信道的带宽可通过LO1产生的梳线间隔和OBPF带宽进行调节。
6.根据权利要求1所述的零中频的微波光子信道化接收装置，其特征在于：IQ两路均衡度可通过两路光功率和偏振态进行调节。
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