CN107171732A - 一种微波光子零中频接收装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波光子零中频接收装置及方法，该方法涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如附图所示，包括激光器(LD)、偏振复用马曾调制器(PDM‑MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、波分复用器(WDM)、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)及平衡光电探测器(BPD)。利用PDM‑MZM对射频(RF)和本振(LO)信号进行调制和偏振复用，WDM将上下光边带分离，分别利用PC调节光信号偏振态，最终两个BPD分别输出I路和Q路基带信号。本发明通过光子学方法实现零中频接收，克服了传统电域技术的电子瓶颈，具有工作频带宽、IQ平衡度高、抑制直流偏移和偶阶失真、抗电磁干扰等优点。

Description

一种微波光子零中频接收装置及方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域和光通信技术领域，主要涉及通过微波光子技术实现宽带微波矢量信号的零中频接收。
背景技术
随着人们对通信速率的要求越来越高，现在电子通信系统正朝着高频段、大带宽方向发展。传统基于电子学的信号处理技术中，电子器件存在速率瓶颈，定时抖动较大，电磁干扰严重。光子学信号处理技术具有简单轻便，带宽大，抗电磁干扰等一系列优点而备受关注。
目前的电子系统大多采用超外差的接收机架构，天线接收到的微波矢量信号，需要将进行下变频，并结合带通滤波得到中频信号，然后进行模数转换，在数字域进行矢量信号的I/Q解调。这种结构有以下缺点：(1)当射频信号频率较高时，往往需要一到两级下变频，每级变频后一般需要使用带通滤波器滤出下变频的中频信号后进行后期处理，结构复杂；(2)下变频到中频信号的过程中，镜像干扰难以抑制，严重降低系统性能；(3)当矢量信号带宽非常大时，要求模数转换器具有较高的采样率和工作频率，目前的模数转换技术很难满足。
零中频接收机将微波矢量信号直接下变频为I/Q基带，可以简化接收机结构、抑制镜像频率、降低模数转换器。然而传统基于电子技术的零中频接收机存在本振泄露、直流偏差、偶次失真、I/Q不平衡等问题难以解决，限制了零中频接收机在电子系统中的应用。
微波光子技术结合了微波和光子学优势，利用微波光子方法对微波信号进行变频、移相等处理，具有大带宽、低频率相关损耗、抗电磁干扰等优点。但目前的微波光子技术大多面向超外差接收机，很少有微波光子零中频接收技术的报道。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种微波光子零中频接收装置及方法。本方法能够将微波矢量信号直接正交下变频为两路I/Q基带，待数字化的基带信号变为两路带宽减半的基带信号，显著降低了对模数转换器的采样率和带宽的需求。该方案中，I/Q两路的幅度和相位可以灵活调整，进而解决I/Q失衡问题。通过基于偏振调控的平衡探测，可抑制直流和偶次失真。另外该零中频接收方案还具有光子技术特有的大带宽、抗电磁干扰、高隔离度等一系列优点。
本发明所采用的技术方案是：所述装置包括激光器(LD)、偏振复用马曾调制器(PDM-MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、波分复用器(WDM)、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)及平衡光电探测器(BPD)。LD的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM的输出端连接EDFA的输入端；EDFA的输出端连接WDM的公共端；WDM的两个分离端口分别连接PC、PBS和BPD。
所述PDM-MZM由一个Y型光分路器、上下并联的两个马曾调制器(X-MZM与Y-MZM)以及一个偏振合束器(PBC)构成。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从激光器发出连续光载波进入PDM-MZM中；
(2)射频(RF)信号连接X-MZM的射频端，与RF信号中心频率相等的本振(LO)连接另外一个子调制器的射频端，两个子调制器均工作在最小点(NULL)，使RF和LO信号进行抑制载波双边带调制；
(3)PDM-MZM内部的PBC将上下两路调制后的光信号复合为偏振复用光，输出调制器；
(4)偏振复用光信号进入EDFA进行功率放大；
(5)WDM的两个通道(CH_I和CH_Q)分别作为两个光带通滤波器，滤出RF和LO调制的上下边带，两路光信号分别经过PC和PBS；
(6)调节第一路中的PC，使调制器主轴与起偏器主轴有45度夹角，且PBS两个输出端口中RF和LO边带的相位差分别为0度和180度，然后进入BPD平衡探测，得到抑制直流和偶次失真的I路基带信号；
(7)调节第二路中的PC，使调制器主轴与起偏器主轴有45度夹角，且PBS两个输出端口中RF和LO边带的相位差分别为90度和-90度，然后进入BPD平衡探测，得到抑制直流和偶次失真的Q路基带信号。
本发明提出了一种微波光子零中频接收装置及方法，利用PDM-MZM实现RF和LO信号的抑制载波双边带调制并偏振复用，WDM分离上下边带，通过调节每路的偏振态，使两路中RF和LO边带的相位正交，光电探测后分别得到I/Q两路基带信号，且通过平衡探测抑制直流和偶次失真。本发明结构简单，具有很强的可操作性。
该微波光子零中频接收方案，避免了多级变频和滤波，结构简单，同时也降低了对模数转换器的带宽和采样率的要求。
该方案中RF和LO信号的相位差可以通过偏振控制器连续调节，每路光信号的功率也可以方便调节，与信号带宽、载波无关，所以可实现宽频带内I/Q两路的幅度和相位平衡。
该方案中通过基于偏振调控的平衡探测方法，可有效抑制直流和偶次失真。
附图说明
图1为本发明微波光子零中频接收的原理图。图2(a)为WDM两个通道的频率响应图及进入WDM的光信号频谱图：图2(b)为WDM输出的两路光信号频谱。图3为I/Q两路的中频(IF)信号幅度和相位差随RF频率的变化曲线。图4为26GHz、36GHz载频的RF向量信号直接解调后误差向量幅度(EVM)随RF接收功率的变化曲线。
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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
本实例中，装置包括LD、两个射频信号源、PDM-MZM、EDFA、WDM、PC、PBS及BPD。LD的输出口与调制器的光输入口相连，两个射频信号源输出口分别与调制器的两个射频输入口相连，调制器后接EDFA，EDFA后接WDM公共端，WDM两个输出端分别连接PC、PBS和BPD。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：LD产生工作波长为1552nm、功率为15dBm的连续光波，注入到PDM-MZM。一个射频源产生中心频率25.9GHz、功率为-5dBm的RF正弦信号，另一射频源产生中心频率26GHz、功率为10dBm的LO信号，分别驱动半波电压为3.5V的两个子调制器。
步骤二：通过发置调制器直流偏压，使得两个子调制器均工作在最小点。
步骤三：EDFA输出光功率为18dBm，光信号被放大后进入WDM，进入WDM的光信号如图2(a)所示。
步骤四：WDM的两个通道(CH_I与CH_Q)响应如图2(a)所示，每个通带1dB带宽约30GHz，两通道带内损耗基本相同，WDM输出的两路光信号如图2(b)所示，调制后的光信号上下边带被分离。两路光信号分别经过PC后，进入PBS。
步骤五：在第一路中，调节PC使光信号到达PBS时两个偏振分量相位差为0度，同时使调制器与PBS一个输出端主轴夹角为45度，由于PBS两个输出端主轴相互垂直，则调制器与PBS另一输出端主轴夹角为135度。因此PBS两个输出端中偏振分量的相位差分别为0度和180度。两个输出端连接BPD，得到抑制直流偏移和偶次失真的I路基带信号。
步骤六：在第二路中，调节PC使光信号到达PBS时两个偏振分量相位差为90度，同时使调制器与PBS一个输出端主轴夹角为45度，调制器与PBS另一输出端主轴夹角为135度。PBS两个输出端中偏振分量的相位差分别为90度和-90度。两个输出端连接BPD，得到抑制直流偏移和偶次失真的Q路基带信号。
步骤七：I路基带信号送入示波器第一通道，Q路基带信号送入示波器第二通道。依次更改RF和LO频率，使IF信号频率维持100MHz不变，测量两路IF功率和相位差随RF频率变化曲线，如图3所示。RF频率在6GHz到40GHz变化区间内，I/Q两路相位差维持在90度附近，I/Q相位不平衡最大0.9度，I/Q幅度不平衡最大0.4dB。
步骤八：射频源产生载频26GHz、调制格式16QAM、符号速率100MSym/s的RF矢量信号，通过该系统进行解调，输出的I/Q基带信号送入矢量分析仪，得到星座图和EVM。EVM随RF输入功率变化曲线由图4所示。可以看出，当RF功率在-27dB到11dBm之间时，EVM保持在10％以下。RF功率为-29dBm和11dBm时的星座图如图4中插图所示。
步骤九：将RF和LO信号载频设置为36GHz，测得EVM随RF输入功率变化曲线由图4所示，该曲线与载频为26GHz时类似。
本实例测试结果图3显示出该零中频接收机具有较大的工作带宽和较好的I/Q幅度和相位平衡度，图4显示出矢量信号I/Q解调效果较好。
本实例中，I/Q幅度和相位平衡度，可以通过调节两路的光功率和偏振态得到校准。
综上，该微波光子零中频接收机结构简单，工作带宽带大，I/Q平衡性好，抑制直流偏移和偶次失真，不受电磁干扰。
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变形和替换，RF矢量信号中心频率、符号速率、调制格式都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种微波光子零中频接收装置及方法，其特征在于：连续光载波通过偏振复用马曾调制器(PDM-MZM)调制射频和本振信号，利用波分复用器(WDM)将上下光边带分离，形成两路，每路依次经过偏振控制器、偏振分束器及平衡光电探测器，得到I/Q两路基带信号，实现射频信号的零中频接收。
2.根据权利要求1所述的微波光子零中频接收装置及方法，其特征在于：PDM-MZM的两个子调制器均工作在最小点。
3.根据权利要求1所述的微波光子零中频接收装置及方法，其特征在于：在I/Q两路中，均通过调节偏振控制器使偏振分束器输出对称的光信号，实现平衡探测，从而抑制直流偏移和偶次失真。
4.根据权利要求1所述的微波光子零中频接收装置及方法，其特征在于：I/Q幅度和相位平衡度，可以通过两路中的偏振控制器得到精细调节。
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