CN106685534B - 一种基于相干光探测的下变频实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波光子技术领域，针对现有技术中常规微波光子下变频噪声系数大，交调抑制较差的问题等，提供一种基于相干光探测的下变频实现方法及装置。同常规微波光子下变频相比，在相同工作带宽的前提下，链路的噪声系数和交调抑制均有较大提升,最终实现了宽带、低噪声、大动态的下变频。本发明通过n个相干光探测单元将步骤1中本振光产生单元产生的n个相干光载波信号f_O与步骤2中射频调制单元产生的射频光信号f_O+f_L‑f_Rn分别对应通过n个相干光探测器进行相干混频，得到n个中频信号f_L‑f_Rn。

Description

一种基于相干光探测的下变频实现方法及装置

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，尤其是一种基于相干光探测的下变频实现方法及装置。

背景技术

传统的变频接收机主要利用电子混频器的非线性效应，将射频信号下变频至基带进行处理，随着信息社会的不断发展，通信容量的需求不断增加，这就需要更宽的传输带宽和更高的工作频率。因此传统的变频接收机开始往毫米波频段发展，并且随着微波光子技术的不断发展，出现了基于微波光子的变频接收机。相比于传统的变频接收机，微波光子变频接收机具有更宽的工作带宽。

目前基于微波光子的变频方案多采用级联调制方式，先后将本振和射频信号调制到光载波上，再通过光放或者光电探测器实现下变频，其缺点是：本振及射频调制后未采取有效滤波，其变频交调信号较多，在宽带情况下，限制了接收通道的动态范围；同时通常采用线性工作点调制方式，调制效率较低造成变频链路噪声系数较大，进一步限制了接收通道的动态范围。西安电子科技大学梁栋的《基于级联强度调制器的微波光子变频技术研究》论文中提及了常规微波光子变频链路的设计思路，其交调杂散抑制仅有40dBc不到，链路的噪声系数甚至未见报道，其性能无法满足现有通信系统的使用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中常规微波光子下变频噪声系数大，交调抑制较差的问题；常规射频下变频中频工作带宽相对较窄的问题，提供一种基于相干光探测的下变频实现方法及装置。同常规微波光子下变频相比，在相同工作带宽的前提下，链路的噪声系数和交调抑制均有较大提升。同常规射频下变频相比，微波光子在工作带宽方面具有绝对优势，但常规微波光子下变频在交调抑制和噪声系数等方面的缺点，抵消了其绝对优势，降低了系统的动态范围。本方法相比于常规微波光子下变频，在交调抑制和噪声系数方面有很大提升，最终实现了宽带、低噪声、大动态的下变频。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于相干光探测的下变频实现方法包括：

步骤1：通过本振光产生单元将激光器输出的激光载波信号f_O功分成两路功分光载波信号f_O，其中一路功分光载波信号f_O通过第一n路功分器后，分别对应形成n路相干光载波f_O；n路相干光载波信号f_O分别对应输入n路相干光探测单元，执行步骤3；另一路功分光载波信号f_O作为载体，通过第一电光调制器将本振信号f_L调制到另一路功分光载波信号f_O上，在第一电光调制器正常工作状态时，本振光产生单元输出本振光信号f_O+f_L，执行步骤2；

步骤2：本振光产生单元输出的本振光信号f_O+f_L被第二n路功分器功分为n路本振光分路信号f_O+f_L；通过n个射频调制单元将n个射频信号f_Rn进行放大滤波处理后，通过n个第二电光调制器将n个射频信号f_Rn分别对应调制到n路本振光分路信号f_O+f_L上；在n个第二电光调制器正常工作状态时，n个射频调制单元分别输出射频光信号f_O+f_L-f_Rn，分别作为n个相干光探测单元的另一路光输入信号，执行步骤3；

步骤3：通过n个相干光探测单元将步骤1中本振光产生单元产生的n个相干光载波信号f_O与步骤2中射频调制单元产生的射频光信号f_O+f_L-f_Rn分别对应通过n个相干光探测器进行相干混频，得到n个中频信号f_L-f_Rn。

进一步的，所述本振光产生单元包括：

用于产生激光载波信号f_O的激光器、将激光载波信号f_O功分为两路功分光载波信号f_O的功分器、第一电光调制器、控制第一电光调制工作的反馈电路以及第一单边带功能单元；

所述控制第一电光调制工作的反馈电路包括第一检波器、第一处理器以及第一放大器；上边带功能单元包括第一耦合器以及第一光滤波器；

第一电光调制器一输入端输入功分光载波信号f_O，第一电光调制器另一输入端输入本振信号f_L；第一电光调制器输出端通过第一耦合器分别与第一检波器输入端连接、第一光滤波器输入端连接；第一检波器输出端通过第一处理器与第一放大器输入端连接；第一放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第一放大器输出端馈电控制第一电光调制器正常工作时，第一光滤波器输出上边带的本振光信号f_O+f_L。

进一步的，所述射频调制单元包括：

用于对射频信号进行放大及滤波的射频信号处理单元、第二电光调制器、控制第二电光调制工作的反馈电路以及第二单边带功能单元；

所述控制第二电光调制工作的反馈电路包括第二检波器、第二处理器以及第二放大器；下边带功能单元包括第二耦合器以及第二光滤波器；

第二电光调制器一输入端输入第二n路功分器功分的本振光分路信号f_O+f_L，第二电光调制器另一输入端输入射频信号f_Rn；第二电光调制器输出端输出通过第二耦合器分别与第二检波器输入端连接、第二光滤波器输入端连接；第二检波器输出端通过第二处理器与第二放大器输入端连接；第二放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第二放大器输出端馈电控制第二电光调制器正常工作时，第二光滤波器输出下边带的本振光信号f_O+f_L-f_Rn，作为第n路相干光调制单元的光输入信号。

进一步的，所述相干光探测单元包括可调光延迟线以及相干光探测器、中频放大器以及中频滤波器；本振光产生单元与可调光延迟线输入端连接，可调光延迟线输出端与相干光探测器一端连接；射频调制单元与相干光探测器另一端连接；相干光探测器输出端输出的中频信号f_L-f_Rn；其中可调光延迟线调节本振光产生单元输出的光载波f_O到达相干光探测器的时间使得 是射频调制单元输出的射频光信号f_O+f_L-f_Rn到达相干光探测器的时间。

进一步的，所述相干光探测单元还包括用于进行信号滤波的中频滤波器以及用于进行信号放大的中频放大器，所述相干光探测器输出端依次与中频放大器、中频滤波器连接。

一种基于相干光探测的下变频实现装置包括：

本振光产生单元，用于将激光器输出光载波f_O被功分成两路功分光载波信号f_O，其中一路功分光载波信号f_O作通过第一n路功分器后，分别对应形成n路相干光载波f_O,n路相干光载波信号f_O分别对应输入n路相干光探测单元；另一路功分光载波信号f_O作为载体，通过第一电光调制器将本振信号f_L调制到另一路功分光载波信号f_O上，在第一电光调制器正常工作状态时，本振光产生单元输出本振光信号f_O+f_L；

第一n路功分器，用于将本振光产生单元产生的功分光载波信号f_O进行功分，形成n路相干光载波f_O；

第二n路功分器，用于将本振光产生单元输出的上边带调制的本振光信号f_O+f_L功分为n路本振光分路信号f_O+f_L；

n个射频调制单元，用于对n路射频信号f_Rn进行放大滤波处理后，然后通过n个第二电光调制器将放大滤波处理后的n路射频信号f_Rn分别对应调制到n路本振光分路信号f_O+f_L上；在n个第二电光调制器正常工作状态时，n个射频调制单元分别对应输出射频光信号f_O+f_L-f_Rn，分别作为n个相干光探测单元的另一路光输入信号；

n个相干光探测单元，用于将本振光产生单元产生的n路相干光载波信号f_O与n个射频调制单元产生的射频光信号f_O+f_L-f_Rn分别对应相干混频，得到n个所需的中频信号f_L-f_Rn。

进一步的，所述本振光产生单元包括：

用于产生激光输出的光载波信号f_O的激光器、将光载波信号f_O功分为两路功分光载波信号f_O的功分器、第一电光调制器、控制第一电光调制工作的反馈电路以及第一单边带功能单元；

所述控制第一电光调制工作的反馈电路包括第一检波器、第一处理器以及第一放大器；上边带功能单元包括第一耦合器以及第一光滤波器；

第一电光调制器一输入端输入功分光载波信号f_O、第一电光调制器另一输入端输入本振信号f_L；第一电光调制器输出端输出通过第一耦合器分别与第一检波器输入端连接、第一光滤波器输入端连接；第一检波器输出端通过第一处理器与第一放大器输入端连接；第一放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第一放大器输出端馈电控制第一电光调制器正常工作时，第一光滤波器输出上边带的本振光信号f_O+f_L。

进一步的，所述射频调制单元包括：

用于对射频信号进行放大及滤波的射频信号处理单元、第二电光调制器、控制第二电光调制工作的反馈电路以及第二单边带功能单元；

所述控制第二电光调制工作的反馈电路包括第二检波器、第二处理器以及第二放大器；下边带功能单元包括第二耦合器以及第二光滤波器；

第二电光调制器一输入端输入第二n路功分器功分的本振光分路信号f_O+f_L，第二电光调制器另一输入端输入射频信号f_Rn；第二电光调制器输出端输出通过第二耦合器分别与第二检波器输入端连接、第二光滤波器输入端连接；第二检波器输出端通过第二处理器与第二放大器输入端连接；第二放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第二放大器输出端馈电控制第二电光调制器正常工作时，第二光滤波器输出下边带的本振光信号f_O+f_L-f_Rn，作为第n路相干光调制单元的光输入信号。

进一步的，所述相干光探测单元包括可调光延迟线以及相干光探测器、中频放大器以及中频滤波器；本振光产生单元与可调光延迟线输入端连接，可调光延迟线输出端与相干光探测器一端连接；射频调制单元与相干光探测器另一端连接；相干光探测器输出端输出的中频信号f_L-f_Rn；其中可调光延迟线调节本振光产生单元输出的光载波f_O到达相干光探测器的时间使得 是射频调制单元输出的射频光信号f_O+f_L-f_Rn到达相干光探测器的时间。根据权利要求6之9一所述的一种基于相干光探测的下变频实现方法，其特征在于所述相干光探测单元还包括用于进行信号滤波的中频滤波器以及用于进行信号放大的中频放大器，所述相干光探测器输出端依次与中频放大器、中频滤波器连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

为减小变频噪声，本方法采用了相干光探测混频的方式；光载波f_O被功分成两路，其中一路作为相干混频的本振光，另外一路作为本振及射频的载波光，通过一系列单元电路实现f_O+f_L-f_R的函数运算，最终完成两个f_O和f_O+f_L-f_R相干光的混频运算。

为减少变频交调分量，本方法采用了载波抑制、单边带调制等方式；通过特殊的控制电路及功能单元，可以实现调制器单个边带的输出响应见图1所示，单边带信号混频可以减少交调分量，提升系统动态范围。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是常规调制输出图。

图2是常规单边带调制输出特性图。

图3是基于相干光探测的下变频原理框图。

图4是当只有一路相干光探测单元时，第一n路功分器、第二n路功分器相当于不存在时的电路原理示意图(当有两路及两路以上相干光探测单元时，第一n路功分器)。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、射频信号处理单元包括射频放大器以及射频滤波器。

2、放大器，用于根据处理器输出的电信号，控制电光调制器进行正常工作。处理器输出的电信号较低，调制器电源信号较大，需要通过放大器进行电压值放大后控制调制器正常工作。

3、所述射频光信号是本振光分路信号f_O+f_L通过下边带方法调制的信号；本振光信号f_O+f_L是本振信号f_O经过上边带调制的信号，即本振光产生单元中的光滤波器选择上边带信号，而滤掉下边带相关信号.

工作过程是：本发明通过本振光产生单元产生一路光载波信号f_O以及一路本振光信号f_O+f_L(本振光产生单元中的光滤波器选择上边带信号，而滤掉下边带相关信号)；一路光载波信号f_O通过第一n路功分器功分为n路相干光载波信号f_O，n路相干光载波信号f_O分别作为n路相干光探测单元输入信号；另一路本振光信号f_O+f_L通过第二n路功分器功分为n路本振光信号f_O+f_L，n路本振光信号f_O+f_L分别作为n路射频调制单元输入信号；当n个射频调制单元输入的n路射频信号f_Rn经过放大滤波处理后，分别通过第二电光调制器将n个射频信号f_Rn分别对应调制到n路本振光信号f_O+f_L上，得到射频光信号f_O+f_L-f_R(因为射频调制单元中的光滤波器可以选择下边带信号，而滤掉上边带相关信号)；n个相干光探测单元对应将n路射频信号与对应的n路本振光信号f_O+f_L-f_R进行相干混频，得到最终的混频信号f_L-f_Rn。

第一光滤波器、第二光滤波器都是边带滤波器，其中第一光滤波器的作用是将本振光信号的下边带信号滤除，得到上边带信号，即本振光信号f_O+f_L；第二光滤波器的作用是将射频调制信号的上边带信号滤除，得到下边带信号，即射频光信号f_O+f_L-f_R；

基于本技术方法，实现了C～Ka波段的宽带、大动态下变频，达到了良好的效果。具体实施实例如下：激光器采用DFB窄线宽激光器，输出波长为1550.12nm；调制器采用SUMITOMO公司的MZM电光强度调制器，实现射频本振及信号的调制；单边带功能单元采用国内研究所自行研制的光子开关滤波组件实现；相干光探测器采用了高饱和度平衡探测器，完成两路光的相干探测输出。

基于本技术方法，完成了C～Ka波段(射频信号)的下变频链路测试，其主要的测试指标如下：

中频输出信号瞬时带宽：4GHz(吉赫兹)；

噪声系数：≤9dB(分贝)；

交调抑制：≥55dBc(分贝)@C波段；

≥70dBc(分贝)@X～Ka波段；

与常规的射频下变频系统性能对比见表1所示：

表1基于相干光探测的下变频与常规射频下变频性能对比

从表1对比可以得出，基于相干光探测的下变频在工作带宽、交调抑制、动态性能方面优势明显；并且该方案易于向多通道和更宽工作带宽扩展。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于相干光探测的下变频实现方法，其特征在于包括：

步骤1：通过本振光产生单元将激光器输出的激光载波信号f_O功分成两路功分光载波信号f_O，其中一路功分光载波信号f_O通过第一n路功分器后，分别对应形成n路相干光载波f_O；n路相干光载波信号f_O分别对应输入n路相干光探测单元，执行步骤3；另一路功分光载波信号f_O作为载体，通过第一电光调制器将本振信号f_L调制到另一路功分光载波信号f_O上，在第一电光调制器正常工作状态时，本振光产生单元输出本振光信号f_O+f_L，执行步骤2；

步骤2：本振光产生单元输出的本振光信号f_O+f_L被第二n路功分器功分为n路本振光分路信号f_O+f_L；通过n个射频调制单元将n个射频信号f_Rn进行放大滤波处理后，通过n个第二电光调制器将n个射频信号f_Rn分别对应调制到n路本振光分路信号f_O+f_L上；在n个第二电光调制器正常工作状态时，n个射频调制单元分别输出射频光信号f_O+f_L-f_Rn，分别作为n个相干光探测单元的另一路光输入信号，执行步骤3；

步骤3：通过n个相干光探测单元将步骤1中本振光产生单元产生的n个相干光载波信号f_O与步骤2中射频调制单元产生的射频光信号f_O+f_L-f_Rn分别对应通过n个相干光探测器进行相干混频，得到n个中频信号f_L-f_Rn。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干光探测的下变频实现方法，其特征在于所述本振光产生单元包括：

用于产生激光载波信号f_O的激光器、将激光载波信号f_O功分为两路功分光载波信号f_O的功分器、第一电光调制器、控制第一电光调制工作的反馈电路以及第一单边带功能单元；

所述控制第一电光调制工作的反馈电路包括第一检波器、第一处理器以及第一放大器；上边带功能单元包括第一耦合器以及第一光滤波器光滤波器；

第一电光调制器一输入端输入功分光载波信号f_O，第一电光调制器另一输入端输入本振信号f_L；第一电光调制器输出端通过第一耦合器分别与第一检波器输入端连接、第一光滤波器光滤波器输入端连接；第一检波器输出端通过第一处理器与第一放大器输入端连接；第一放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第一放大器输出端馈电控制第一电光调制器正常工作时，第一光滤波器输出上边带的本振光信号f_O+f_L。

3.根据权利要求1所述的一种基于相干光探测的下变频实现方法，其特征在于所述射频调制单元包括：

用于对射频信号进行放大及滤波的射频信号处理单元、第二电光调制器、控制第二电光调制工作的反馈电路以及第二单边带功能单元；

所述控制第二电光调制工作的反馈电路包括第二检波器、第二处理器以及第二放大器；下边带功能单元包括第二耦合器以及第二光滤波器；

第二电光调制器一输入端输入第二n路功分器功分的本振光分路信号f_O+f_L，第二电光调制器另一输入端输入射频信号f_Rn；第二电光调制器输出端输出通过第二耦合器分别与第二检波器输入端连接、第二光滤波器输入端连接；第二检波器输出端通过第二处理器与第二放大器输入端连接；第二放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第二放大器输出端馈电控制第二电光调制器正常工作时，第二光滤波器输出下边带的本振光信号f_O+f_L-f_Rn，作为第n路相干光调制单元的光输入信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于相干光探测的下变频实现方法，其特征在于所述相干光探测单元包括可调光延迟线以及相干光探测器、中频放大器以及中频滤波器；本振光产生单元与可调光延迟线输入端连接，可调光延迟线输出端与相干光探测器一端连接；射频调制单元与相干光探测器另一端连接；相干光探测器输出端输出的中频信号f_L-f_Rn；其中可调光延迟线调节本振光产生单元输出的光载波f_O到达相干光探测器的时间使得是射频调制单元输出的射频光信号f_O+f_L-f_Rn到达相干光探测器的时间。

5.根据权利要求1至4之一所述的一种基于相干光探测的下变频实现方法，其特征在于所述相干光探测单元还包括用于进行信号滤波的中频滤波器以及用于进行信号放大的中频放大器，所述相干光探测器输出端依次与中频放大器、中频滤波器连接。

6.一种基于相干光探测的下变频实现装置，其特征在于包括：

本振光产生单元，用于将激光器输出光载波f_O被功分成两路功分光载波信号f_O，其中一路功分光载波信号f_O作通过第一n路功分器后，分别对应形成n路相干光载波f_O,n路相干光载波信号f_O分别对应输入n路相干光探测单元；另一路功分光载波信号f_O作为载体，通过第一电光调制器将本振信号f_L调制到另一路功分光载波信号f_O上，在第一电光调制器正常工作状态时，本振光产生单元输出本振光信号f_O+f_L；

第一n路功分器，用于将本振光产生单元产生的功分光载波信号f_O进行功分，形成n路相干光载波f_O；

第二n路功分器，用于将本振光产生单元输出的上边带调制的本振光信号f_O+f_L功分为n路本振光分路信号f_O+f_L；

n个射频调制单元，用于对n路射频信号f_Rn进行放大滤波处理后，然后通过n个第二电光调制器将放大滤波处理后的n路射频信号f_Rn分别对应调制到n路本振光分路信号f_O+f_L上；在n个第二电光调制器正常工作状态时，n个射频调制单元分别对应输出射频光信号f_O+f_L-f_Rn，分别作为n个相干光探测单元的另一路光输入信号；

n个相干光探测单元，用于将本振光产生单元产生的n路相干光载波信号f_O与n个射频调制单元产生的射频光信号f_O+f_L-f_Rn分别对应相干混频，得到n个所需的中频信号f_L-f_Rn。

7.根据权利要求6所述的一种基于相干光探测的下变频实现装置，其特征在于所述本振光产生单元包括：

用于产生激光输出的光载波信号f_O的激光器、将光载波信号f_O功分为两路功分光载波信号f_O的功分器、第一电光调制器、控制第一电光调制工作的反馈电路以及第一单边带功能单元；

所述控制第一电光调制工作的反馈电路包括第一检波器、第一处理器以及第一放大器；上边带功能单元包括第一耦合器以及第一光滤波器；

第一电光调制器一输入端输入功分光载波信号f_O、第一电光调制器另一输入端输入本振信号f_L；第一电光调制器输出端输出通过第一耦合器分别与第一检波器输入端连接、第一光滤波器输入端连接；第一检波器输出端通过第一处理器与第一放大器输入端连接；第一放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第一放大器输出端馈电控制第一电光调制器正常工作时，第一光滤波器输出上边带的本振光信号f_O+f_L。

8.根据权利要求6所述的一种基于相干光探测的下变频实现装置，其特征在于所述射频调制单元包括：

用于对射频信号进行放大及滤波的射频信号处理单元、第二电光调制器、控制第二电光调制工作的反馈电路以及第二单边带功能单元；

所述控制第二电光调制工作的反馈电路包括第二检波器、第二处理器以及第二放大器；下边带功能单元包括第二耦合器以及第二光滤波器；

第二电光调制器一输入端输入第二n路功分器功分的本振光分路信号f_O+f_L，第二电光调制器另一输入端输入射频信号f_Rn；第二电光调制器输出端输出通过第二耦合器分别与第二检波器输入端连接、第二光滤波器输入端连接；第二检波器输出端通过第二处理器与第二放大器输入端连接；第二放大器输出端与第一电光调制器供电端连接；当第二放大器输出端馈电控制第二电光调制器正常工作时，第二光滤波器输出下边带的本振光信号f_O+f_L-f_Rn，作为第n路相干光调制单元的光输入信号。

9.根据权利要求6所述的一种基于相干光探测的下变频实现装置，其特征在于所述相干光探测单元包括可调光延迟线以及相干光探测器、中频放大器以及中频滤波器；本振光产生单元与可调光延迟线输入端连接，可调光延迟线输出端与相干光探测器一端连接；射频调制单元与相干光探测器另一端连接；相干光探测器输出端输出的中频信号f_L-f_Rn；其中可调光延迟线调节本振光产生单元输出的光载波f_O到达相干光探测器的时间使得是射频调制单元输出的射频光信号f_O+f_L-f_Rn到达相干光探测器的时间。

10.根据权利要求9所述的一种基于相干光探测的下变频实现装置，其特征在于所述相干光探测单元还包括用于进行信号滤波的中频滤波器以及用于进行信号放大的中频放大器，所述相干光探测器输出端依次与中频放大器、中频滤波器连接。