CN106899355A - 全光技术微波接收系统与方法 - Google Patents
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Abstract
全光技术微波接收系统与方法，涉及微波接收技术领域，本发明主要基于以下构思：将接收的微波信号通过电光强度调制器对激光强度进行调制，实现电/光转化，形成光信号1支路；构建开环增益大于1的光电混合环路，基于“自激振荡”原理产生光电混合振荡，耦合部分振荡的光信号，形成光信号2支路；将两个支路的光信号进行耦合，并通过光纤传输至中心站；两光信号经过放大后对其传输损耗进行补偿，通过光电探测器的包络检波来进行“光混频”，通过低通滤波后实现中频输出；最终，中频输出信号通过模/数转换后进行数字信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及微波接收技术领域，特别涉及一种全光技术微波接收系统与方法。
背景技术
微波光子技术涉及到微波与光子技术两个领域，是一门新兴的学科，通常是指采用先进的光子技术来突破电子瓶颈，用于产生、传输、处理以及接收微波信号。光纤具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰以及重量轻等特点被广泛用于微波光子领域，用于产生、传输与处理微波信号。
现有的微波接收系统的结构如图1所示，其通常将高频微波信号与本振信号通过混频器进行混频实现微波信号的下变频，输出中频信号并通过模/数转换后再进行数字信号处理，最终将基带信号传送至中心站。首先，混频器为一典型带通器件，工作频段有限，其次，混频器也是一典型非线性器件，混频后频谱成分非常复杂，而且具有较大的噪声系数与较小的动态范围；此外，现有接收系统大部分信号处理功能均在基站实现，不仅加大了基站的负担，而且增加了建设成本与维护成本；更加重要的是，系统中大量高频有源微波器件的使用将导致较严重的电磁干扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：1、提供一种基于光子技术的超宽带微波接收方法，其下变频过程在光域完成，可以克服混频器与本振对系统性能的负面影响，同时采取“光混频”的方式来进行微波信号的下变频，实现中频输出，不需要本振等高频有源器件，可以最大程度降低系统的电磁干扰。2、基于上述技术思路，本发明还提供一种实现上述方法的全光技术微波接收系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种全光技术微波接收方法，包括以下步骤：
步骤一、用接收的微波信号对上支路激光进行强度调制，经电/光转化后形成光信号1；
步骤二、用自激振荡产生的稳定微波信号对与上支路激光具有相同特征参数且相位同步的下支路激光进行强度调制，形成光信号2；
步骤三、将光信号1与光信号2进行耦合并传输；
步骤四、接收步骤三传输过来的光信号1和光信号2，通过包络检波进行光差频，再通过低通滤波后实现中频输出。
步骤五、对步骤四输出的中频信号进行模/数转换后再进行数字信号处理。
其中，所述步骤一中通过电光强度调制器来实现用接收的微波信号对上支路激光进行强度调制。
其中，所述步骤二中通过开环增益大于1的光电混合环路来实现基于自激振荡原理产生稳定微波信号并对输入该光电混合环路中的下支路激光进行强度调制。
其中，所述步骤四中先将接收到的光信号1和光信号2放大后对其传输损耗进行补偿，然后再通过包络检波进行光差频。
进一步，所述步骤四中通过光电探测器的包络检波来对光信号1与光信号2进行光差频。
作为本发明的另一方面，一种全光技术微波接收系统，包括基站、光纤2及中心站，所述基站与中心站之间通过光纤2进行通信；
所述基站包括光源、电光强度调制器1、耦合器2与开环增益大于1的光电振荡环路；
所述中心站包括光电探测器2、低通滤波器、模数转换器与数字信号处理器；
所述光源用于提供上支路激光和下支路激光，所述下支路激光与上支路激光具有相同的特征参数且相位同步；
所述电光强度调制器1与光电振荡环路的输出端连接耦合器2的两输入端，所述耦合器2的输出端与光纤2、光电探测器2、低通滤波器、模数转换器以及数字信号处理器依次连接；
所述上支路激光在电光强度调制器1中被接收的微波信号进行强度调制，实现电/光转化，形成光信号1并从电光强度调制器1的输出端输出至耦合器2；
所述光电振荡环路中自激振荡产生稳定的微波信号，该微波信号对下支路激光进行强度调制，形成光信号2并从光电振荡环路输出端输出至耦合器2；
所述耦合器2对输入的光信号1和光信号2进行耦合后并通过光纤2传输至光电探测器2，所述光电探测器2对接收到的光信号1与光信号2包络检波实现光差频，然后经所述低通滤波器进行低通滤波后输出中频信号，输出的中频信号经所述模数转换器进行模/数转换后再进入所述数字信号处理器中完成数字信号处理。
其中，所述光电振荡环路包括依次首尾相连的电光强度调制器2、光纤1、光放大器1、耦合器3、光电探测器1与窄带带通滤波器；所述光电振荡环路内的噪声信号通过电光强度调制器2对下支路激光进行强度调制后通过光纤1延时，再通过所述光放大器1放大后耦合输出一部分，剩余部分在光电振荡环路内通过光电探测器1还原成电信号，接着通过窄带带通滤波器进行滤波后到达电光强度调制器2进行下一循环，对于满足巴克豪斯条件的频点信号将逐渐被放大，最终非线性效应将环路增益压缩至1，形成稳定振荡，从而产生稳定的微波信号，该微波信号通过电光强度调制器2对下支路激光进行强度调制后形成光信号2，所述光信号2最后通过耦合器3的输出端从光电振荡环路中输出。
其中，所述光源包括激光器和耦合器1，所述激光器产生连续单波长激光并通过耦合器1分成上支路激光和下支路激光。
进一步，所述中心站还包括光电放大器2，所述光电放大器2与光纤2及光电探测器2连接，所述光纤2先将耦合后的光信号1和光信号2传输至光电放大器2，所述光信号1和光信号2经光电放大器2放大补偿传输损耗后再输送至光电探测器2。
本发明采用全光处理技术，免除了本振、混频器等有源微波器件的使用，不仅可以降低噪声系数而且可显著增强系统的抗电磁干扰能力。从基站、传输介质与中心站功能上讲，本发明所涉全光微波接收系统将“混频”、“数模转换”与“数字信号处理”功能转移至中心站，而基站仅仅需要实现“电/光转换”一种功能，同时将金属传输介质换成了通信光纤，将“混频”、“数模转换”与“数字信号处理”功能转移至中心站处理，这样增加了系统的工作带宽，简化了基站结构，降低了整个系统的运行成本。
附图说明
图1是传统微波接收系统的结构示意图。
图2是本发明所涉全光技术微波接收方法的流程示意图
图3是本发明所涉全光技术微波接收系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
需要提前说明的是，在本发明的描述中，术语“上支路”、“下支路”仅是便于本领域技术人员在阅读本发明时对两支路进行区分，而非方位上的限定。此外，各部件名称后所带的“1”、“2”等数字也仅是便于本领域技术人员在阅读本发明时对同样类型的两个部件进行区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的部件的数量。
本发明主要基于以下构思：将接收的微波信号通过电光强度调制器对激光强度进行调制，实现电/光转化，形成光信号1支路；构建开环增益大于1的光电混合环路，基于“自激振荡”原理产生光电混合振荡，耦合部分振荡的光信号，形成光信号2支路；将两个支路的光信号进行耦合，并通过光纤传输至中心站；两光信号经过放大后对其传输损耗进行补偿，通过光电探测器的包络检波来进行“光混频”，通过低通滤波后实现中频输出；最终，中频输出信号通过模/数转换后进行数字信号处理。
在对本发明作具体说明之前，先结合图1详细介绍现有微波接收系统的结构及其工作原理，以便本领域技术人员能够更好地理解本发明相对于现有微波接收系统的改进之处。在现有微波接收系统中，天线接收的微波信号通过混频器与本振混频，经过滤波器滤波后实现中频输出，然后通过模/数转换后再进行数字信号处理，上述过程均在基站进行；基站处理好的信号通过电缆再传送至中心站进行统一处理与调度。具体来说，这种微波接收系统存在以下缺点：
1、基站需完成微波信号处理、混频、模/数转换以及数字信号处理功能，建设与维护成本高，大量高频有源器件的使用造成电磁干扰严重。
2、微波混频器接收系统存在噪声系数大、工作频段窄以及动态范围小的电子瓶颈，使得接收系统性能指标受到局限。
3、微波接收系统采用电缆作为信道，带宽较小且成本高昂。
图3是本发明所涉全光技术微波接收系统的结构示意图，其包括基站、光纤2及中心站，基站与中心站之间通过光纤2进行通信；
基站包括光源、电光强度调制器1、耦合器2与开环增益大于1的光电振荡环路；
中心站包括光电探测器2、低通滤波器、模数转换器与数字信号处理器；
光源用于提供上支路激光和下支路激光，该光源可以是图3中所示包括激光器和耦合器1的结构，激光器用于产生连续单波长激光，通过耦合器1分成上支路激光和下支路激光。若采用不同激光器分别提供上支路激光和下支路激光能够保证上支路激光和下支路激光具有相同的特征参数且相位同步，也可以不使用含耦合器1，但将增加系统的硬件成本。实际情况是不同激光器产生的光源难以达到相位完全同步，考虑到光差频需要相干光源，本发明在实际应用时应当采用一个激光器，通过耦合器1来分成上支路激光和下支路激光。
电光强度调制器1与光电振荡环路的输出端连接耦合器2的两输入端，耦合器2的输出端与光纤2、光电探测器2、低通滤波器、模数转换器以及数字信号处理器依次连接。
首先，激光器产生单波长激光，通过耦合器1分成两部分。
然后，上支路激光通过电光强度调制器1被输入微波信号进行强度调制，形成已调制光信号1支路；下支路激光通过电光强度调制器2引入光电混合环路，为该环路提供光源。
具体而言，光电混合环路由电光强度调制器、光纤1、光放大器1、耦合器3、光电探测器1与窄带带通滤波器首尾相连构成。如果在窄带带通滤波器内某个频点信号对应的开环增益大于1，该频点信号就会产生自激振荡，最终通过环内非线性压缩效应实现稳定循环，可实现光、电两种输出方式。其原理在于：环路内的噪声信号通过电光强度调制器2对光载波进行强度调制后通过光纤1延时，再通过光放大器1放大后耦合输出一部分，在环内通过光电探测器1还原成电信号，最后通过窄带带通滤波器进行滤波后到达电光强度调制器进行下一循环。对于某一特殊频点，如果满足巴克豪斯条件(即每次增益大于1，延迟产生的相位差为2π的整数倍)，那么该频点信号将会逐渐被放大，最终“非线性”效应将环路增益压缩至1，形成稳定振荡，产生高稳定的微波信号，该信号对光载波进行强度调制，在耦合器3输出端口输出，形成已调制光信号2。
再然后，光信号1与光信号2通过耦合器2耦合成一路信号，通过光纤2传送至中心站，通过光放大器2补偿传输损耗后(需要说明的是，若传输损耗处于可接受/可忽略不计的范围之内，则可不通过光放大器2进行放大补偿)传送至光电探测器2，完成光混频后产生中频输出信号。
具体而言，设已调光信1为：
其中，A-1与A1分别为两边频信号的幅度，A0为直流光信号幅度，Ω为光载波角频率，ωM为输入微波信号频率；由于两光信号源于同一激光光源，可设已调光信号2为
其中，B-1与B1分别为两边频信号的幅度，B0为直流光信号幅度，ωL为光电混合环路振荡信号的频率。两路光信号通过光电探测器2实现光混频后可表示为
其中，Z为探测器的匹配阻抗，ρ为探测器的相应度。将上述三式综合可得：
求解可得
其中，代表光混频后的中频输出信号，Sh代表高频信号
(相对中频信号而言)，DC代表直流信号。最终求得中频输出信号表达式为
再然后，光混频产生的信号通过低通滤波器，对直流信号进行隔离，对高频信号进行抑制，最终只有中频信号输出，实现接收机的“下变频”功能。
最后，模/数转换器对中频信号进行模/数转换，将模拟信号转变成数字信号以后再通过数字信号处理器对其进行数字信号处理。
基于与上述全光技术接收系统同样的发明构思，本发明还提供一种全光技术微波接收方法，参考图2，其包括以下步骤：
步骤一、用接收的微波信号对上支路激光进行强度调制，经电/光转化后形成光信号1；
步骤二、用自激振荡产生的稳定微波信号对与上支路激光具有相同特征参数的下支路激光进行强度调制，形成光信号2(提取振荡光信号)；
步骤三、将光信号1与光信号2进行耦合并传输；
步骤四、接收步骤三传输过来的光信号1和光信号2，通过包络检波进行光差频，再通过低通滤波后实现中频输出。
步骤五、对步骤四输出的中频信号进行模/数转换后再进行数字信号处理。
其中，步骤一中可以通过电光强度调制器来实现用接收的微波信号对上支路激光进行强度调制。
其中，步骤二中可以通过开环增益大于1的光电混合环路来实现基于自激振荡原理产生稳定微波信号并对输入该光电混合环路中的下支路激光进行强度调制。
其中，步骤四中可以先将接收到的光信号1和光信号2放大后对其传输损耗进行补偿，然后再通过包络检波进行光差频。
其中，步骤四中通过光电探测器的包络检波来对光信号1与光信号2进行光差频。
结合上述对现有微波接收系统及本发明全光技术微波接收系统的介绍可以看出，从基站、传输介质与中心站功能上讲，本发明所涉新型微波接收机将“混频”、“数模转换”与“数字信号处理”功能转移至中心站，而基站仅需实现“电/光转换”一种功能，同时本发明将金属传输介质换成了通信光纤。本发明将“混频”、“数模转换”与“数字信号处理”功能转移至中心站处理，简化了基站结构，降低了运行成本；采用全光处理技术，免除了本振、混频器等有源微波器件的使用，下变频过程在光域完成，克服了混频器与本振对系统性能的负面影响。本发明采取“光混频”的方式来进行微波信号的下变频，实现中频输出，采用“光纤拉远”技术将数字信号处理模块集中在中心站处理并且不存在任何高频有源器件，由此增加了系统的工作带宽，降低了噪声系数，最大程度降低了来自系统内部的电磁干扰，同时也增强了系统的抗电磁干扰能力。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。
Claims (9)
1.一种全光技术微波接收方法，包括以下步骤：
步骤一、用接收的微波信号对上支路激光进行强度调制，经电/光转化后形成光信号1；
步骤二、用自激振荡产生的稳定微波信号对与上支路激光具有相同特征参数且相位同步的下支路激光进行强度调制，形成光信号2；
步骤三、将光信号1与光信号2进行耦合并传输；
步骤四、接收步骤三传输过来的光信号1和光信号2，通过包络检波进行光差频，再通过低通滤波后实现中频输出。
步骤五、对步骤四输出的中频信号进行模/数转换后再进行数字信号处理。
2.根据权利要求1所述的全光技术微波接收方法，其特征在于：所述步骤一中通过电光强度调制器来实现用接收的微波信号对上支路激光进行强度调制。
3.根据权利要求1所述的全光技术微波接收方法，其特征在于：所述步骤二中通过开环增益大于1的光电混合环路来实现基于自激振荡原理产生稳定微波信号并对输入该光电混合环路中的下支路激光进行强度调制。
4.根据权利要求1所述的全光技术微波接收方法，其特征在于：所述步骤四中先将接收到的光信号1和光信号2放大后对其传输损耗进行补偿，然后再通过包络检波进行光差频。
5.根据权利要求4所述的全光技术微波接收方法，其特征在于：所述步骤四中通过光电探测器的包络检波来对光信号1与光信号2进行光差频。
6.一种全光技术微波接收系统，包括基站、光纤2及中心站，所述基站与中心站之间通过光纤2进行通信；
所述基站包括光源、电光强度调制器1、耦合器2与开环增益大于1的光电振荡环路；
所述中心站包括光电探测器2、低通滤波器、模数转换器与数字信号处理器；
所述光源用于提供上支路激光和下支路激光，所述下支路激光与上支路激光具有相同特征参数且相位同步；
所述电光强度调制器1与光电振荡环路的输出端连接耦合器2的两输入端，所述耦合器2的输出端与光纤2、光电探测器2、低通滤波器、模数转换器以及数字信号处理器依次连接；
所述上支路激光在电光强度调制器1中被接收的微波信号进行强度调制，实现电/光转化，形成光信号1并从电光强度调制器1的输出端输出至耦合器2；
所述光电振荡环路中自激振荡产生稳定的微波信号，该微波信号对下支路激光进行强度调制，形成光信号2并从光电振荡环路输出端输出至耦合器2；
所述耦合器2对输入的光信号1和光信号2进行耦合后并通过光纤2传输至光电探测器2，所述光电探测器2对接收到的光信号1与光信号2包络检波实现光差频，然后经所述低通滤波器进行低通滤波后输出中频信号，输出的中频信号经所述模数转换器进行模/数转换后再进入所述数字信号处理器中完成数字信号处理。
7.根据权利要求6所述的全光技术微波接收系统，其特征在于：所述光电振荡环路包括依次首尾相连的电光强度调制器2、光纤1、光放大器1、耦合器3、光电探测器1与窄带带通滤波器；所述光电振荡环路内的噪声信号通过电光强度调制器2对下支路激光进行强度调制后通过光纤1延时，再通过所述光放大器1放大后耦合输出一部分，剩余部分在所述光电振荡环路内通过光电探测器1还原成电信号，接着通过所述窄带带通滤波器进行滤波后到达电光强度调制器2进行下一循环，对于满足巴克豪斯条件的频点信号将逐渐被放大，最终非线性效应将环路增益压缩至1，形成稳定振荡，从而产生稳定的微波信号，该微波信号通过所述电光强度调制器2对下支路激光进行强度调制后形成光信号2，所述光信号2最后通过耦合器3的输出端从光电振荡环路中输出。
8.根据权利要求6所述的全光技术微波接收系统，其特征在于：所述光源包括激光器和耦合器1，所述激光器产生连续单波长激光并通过耦合器1分成上支路激光和下支路激光。
9.根据权利要求8所述的全光技术微波接收系统，其特征在于：所述中心站还包括光电放大器2，所述光电放大器2与光纤2及光电探测器2连接，所述光纤2先将耦合后的光信号1和光信号2传输至光电放大器2，所述光信号1和光信号2经光电放大器2放大补偿传输损耗后再输送至光电探测器2。
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