CN107222263B - 一种基于相干光频梳的微波光子收发信机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于相干光频梳的微波光子收发信机，通过种子光源模块产生一对相干的信号光频梳和本振光频梳，并通过两个分束器分成两路，针对发射模块，取其中一路信号光频梳通过解复用模块将每个梳齿分开，并通过电光调制加载待发射的中频信号，经调制后的信号光频梳和其中一路本振光频梳合波在一起，通过光电探测得到高频发射信号，针对接收模块，另一路信号光频梳直接通过电光调制器加载接收信号，并送入光混频器的信号光输入端，另一路本振光频梳输入同一个光混频器的本振光输入端，取该光混频器的两路正交输出光信号，分别进行通道切割和相干探测。本发明的微波光子收发信机，具有大的实时处理带宽和大动态范围，有效降低系统功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波收发信机，尤其涉及一种基于相干光频梳的光子微波发射及信道化接收技术，属于微波光子技术、光通信技术领域。
背景技术
微波收发信机的主要功能是实现信号的发射与接收，是雷达、通信、电子战等系统的重要组成部分。由于电子系统的工作带宽日益增加，信道化的处理方法成为一种比较有效且成熟的解决手段，其优势在于，利用信道化的手段，可以将宽带信号切割成多个窄带信号，从而将原本宽带的信号处理简化为多个窄带的信号处理，进而降低对微波元器件、数字信号处理模块等的压力，且保证较好的处理效果，但是因为传统基于电子技术的微波处理技术瞬时带宽窄，这就意味着如果需要处理宽带的接收信号需要切割成较多的子通道，系统的复杂度和功耗会大大增加，且通道之间的串扰、失真将显著提高。
光子技术成为有效的解决方案之一，相比传统的电子技术，光子技术具有瞬时带宽大、抗电磁干扰、能多通道并行处理等优点。[1]给出了一种微波光子收发信机模型，在该方法中，光载波首先分成三路，分别调制待发射信号、本振信号和接收信号；接着，使用三个光滤波器将有用的一阶边带滤出；然后将发射信号边带和本振信号边带合波探测，实现发射功能，将接收信号边带和本振信号边带合波探测实现接收功能。该方法没有采用信道化的手段，虽然处理带宽大，但是最终仍然需要通过数字信号处理手段进行进一步的信号处理，因此理论上依然没有缓解对电子器件及系统的压力。[2]给出了另一种微波光子收发信机，在收发信机中，锁模激光器输出的光信号分成两路，分别用作发射和接收，在发射端，由于锁模激光器具有多个频率梳齿，当加载上待发射的信号后，选择不同频率间隔的梳齿拍频即可实现不同频率的上变频发射。相对应的，在接收端，当接收信号加载在锁模激光器输出的频率梳齿上时，间隔最近的频率梳齿相互探测即可实现下变频接收。这种收发信机的缺点在于，因为锁模激光器重复频率固定，因此无法实现任意频率的变频发射和接收。其次，因为包含很多频率梳齿，在输出端将包含很多无用的杂散，这将影响信噪比。[3]给出了另一种基于锁模激光器的收发信机模型。发射端与[2]相同，不同之处在于，接收端利用了锁模激光器的时域特性，借助锁模激光器产生的高速且低抖动脉冲信号实现光子辅助的模数变换。该收发信机的缺点在于，对宽带信号直接进行模数变换时的有效比特位很低，因此信号质量差。[4]给出了基于一对光频梳的信道化接收方案，信号光频梳加载接收信号后与本振光频梳输入一个光混频器。在光混频器的输出端，同相和正交输出之路通过波分解复用实现通道切割，最后通过数字相干检测方法解调数据信息。信号的解调仍然需要数字信号处理手段，因此瞬时处理带宽非常有限。其次，因为有用信息必须通过数字信号处理才能提取出来，所以在实际应用中，所有通道的数字信号处理机必须时刻处于工作状态，功耗问题非常突出。
以上引用的参考文献如下：
[1]S.Hughes,J.Langston,R.DeSalvo,C.Middleton,E.Grafer,S.E.Ralph,andA.Stark,"Agile Micro-and Millimeter-Wave Communication Using PhotonicFrequency Conversion,"in Optical Fiber Communication Conference,OSA TechnicalDigest(online)(Optical Society of America,2016),paper W1G.5.
[2]Francesco Laghezza,Filippo Scotti,Paolo Ghelfi,and AntonellaBogoni,"Photonics-Assisted Multiband RF Transceiver for WirelessCommunications,"J.Lightwave Technol.32,2896-2904(2014)
[3]P.Ghelfi,F.Laghezza,F.Scotti,G.Serafino,A.Capria,S.Pinna,D.Onori,C.Porzi,M.Scaffardi,A.Malacarne,V.Vercesi,E.Lazzeri,F.Berizzi,and A.Bogoni,“Afully photonics-based coherent radar system,”Nature,vol.507,pp.341–345,2014.
[4]Xiaojun Xie,et al,“Broadband Photonic RF Channelization Based onCoherent Optical Frequency Combs and IQ Demodulators,”IEEE Photonics Journal,Vol.4,no.4,pp.1196-1202,2012.
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种微波光子收发信机，实现宽带信号的发射及接收处理。
技术方案：一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，包括种子光源模块、接收机、发射机，所述种子光源模块包含信号光频梳、本振光频梳、第一分束器和第二分束器，所述发射机包括解复用模块，第一至第n双平行马赫增德尔调制器、复用模块、合波器和光电探测器，所述接收机包括第n+1双平行马赫增德尔调制器、光混频器、第一光处理器、第二光处理器，相干处理模块，种子光源模块中的信号光频梳通过第一分束器分成两路，本振光频梳通过第二光分束器分成两路。在发射机内，其中一路信号光频梳连接解复用模块，将光频梳分成n路。解复用模块的n路输出连接第一至第n双平行马赫增德尔调制器，第一至第n双平行马赫增德尔调制器的输出信号与复用模块连接，复用模块的输出和一路本振光频梳与合波器连接，合波器的输出与光电探测器相连，在接收机内，另一路信号光频梳与第n+1双平行马赫增德尔调制器相连，第n+1双平行马赫增德尔调制器的输出与光混频器的信号光输入端相连，另一路本振光频梳与光混频器的本振光输入端相连，所述光混频器的同相输出端连接第一光处理器，所述光混频器的正交输出端连接第二光处理器，第一和第二光处理器将信号切割后送入多个相干接收模块。
进一步地，每个所述相干接收模块包括：两个光电探测器，一个微波电桥和一个电滤波器，两个光电探测器分别连接第一光处理器和第二光处理器对应同一处理通道的输出端口，两个光电探测器的输出端连接微波电桥的两个正交输入端口，微波电桥的输出端连接电滤波器。
进一步地，发射机中解复用模块采用商用的密集波分解复用器或者光纤光栅阵列实现，复用模块采用商用密集波分复用器或者光耦合器实现。
进一步地，所使用的双平行马赫增德尔调制器均工作在载波抑制单边带调制状态。
进一步地，所使用的信号光频梳与本振光频梳的初始梳齿频率不同，梳齿间隔也不同。
有益效果：
本发明采用双光频梳实现信号的发射与接收，具有大的实时处理带宽和大动态范围，此外，在接收端采用基于镜频抑制混频的模拟相干探测方法，因此无需经过数字信号处理即可提取出信息，可有效降低系统功耗。
附图说明
图1为本发明的微波光子收发信机的功能示意图；
图2，(a)为普通混频器实现下变频时的频谱交叠示意图，(b)为镜频抑制混频抑制频谱交叠的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的微波光子接收机装置示意图如图1所示，包括种子光源模块、接收机、发射机，种子光源模块包含信号光频梳、本振光频梳、第一分束器和第二分束器，发射机包括解复用模块，第一至第n双平行马赫增德尔调制器(dual-parallel Mach-Zehndermodulator，DPMZM)、复用模块、合波器和光电探测器(photodetector，PD)，接收机包括第n+1双平行马赫增德尔调制器、光混频器、第一光处理器、第二光处理器，相干处理模块，种子光源模块中的信号光频梳通过第一分束器分成两路，本振光频梳通过第二光分束器分成两路。在发射机内，其中一路信号光频梳连接解复用模块，将光频梳分成n路。解复用模块的n路输出连接第一至第n双平行马赫增德尔调制器，第一至第n双平行马赫增德尔调制器的输出信号与复用模块连接，复用模块的输出和一路本振光频梳与合波器连接，合波器的输出与光电探测器相连，在接收机内，另一路信号光频梳与第n+1双平行马赫增德尔调制器相连，第n+1双平行马赫增德尔调制器的输出与光混频器的信号光输入端相连，另一路本振光频梳与光混频器的本振光输入端相连，光混频器的同相输出端连接第一光处理器，光混频器的正交输出端连接第二光处理器，第一和第二光处理器将信号切割后送入多个相干接收模块。每个相干接收模块包括：两个光电探测器，一个微波电桥和一个电滤波器，两个光电探测器分别连接第一光处理器和第二光处理器对应同一处理通道的输出端口，两个光电探测器的输出端连接微波电桥的两个正交输入端口，微波电桥的输出端连接电滤波器。
一种可能的信号光频梳和本振光频梳产生方法，激光器输出的光载波信号分成两路，其中一路依次经过两个相位调制器和一个强度调制器。通过改变驱动信号(fRF)的功率及相位，得到信号光频梳。另一路光载波输入一个马赫增德尔调制器，并受到一个单频微波信号(fD)的调制。调制器的输出通过一个光滤波器，从而得到一个一阶边带。该一阶边带同样通过两个相位调制器和一个强度调制器。通过控制驱动信号(fLO)的功率及相位，得到本振光频梳。
信号光频梳和本振光频梳的初始梳齿频率和梳齿间隔均不相同。为简化分析，信号光频梳的频率可以表示为
fsig(m)＝fsig(1)+(m-1)fRF (1)
其中fRF是信号光频梳的梳齿间隔，fsig(m)代表信号光频梳的第m根梳齿。而本振光频梳可以表示为
fLO(m)＝fLO(1)+(m-1)fLO (2)
其中fLO是本振光频梳的梳齿间隔，fLO(m)代表信号光频梳的第m根梳齿。两者的初始梳齿频率之差为fsig(1)-fLO(1)＝fD。信号光频梳和本振光频梳分别通过第一和第二分束器分成两路。
对于发射模块，信号光频梳的每个梳齿通过解复用模块分开，并分别输入双平行马赫增德尔调制器。双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)受到待发射中频(intermediatefrequency，IF)信号的调制。调制后的光频梳梳齿通过复用模块重新组合在一起。由于使用的是载波抑制单边带调制方法，假设只得到﹢1阶边带，那么经解复用、调制和复用之后得到的光信号可以表示为
其中δIF(m)为加载在第m根梳齿上中频信号的频率。该光信号与其中一路本振光频梳直接合波在一起，得到的光信号可以表示为
经过光电探测时，在探测器内部信号光频梳的梳齿与本振光频梳的梳齿相互拍频，得到的微波信号表示为
从(5)中可以看出，待发射的中频信号δIF(m)分别被搬移到了fD+(m-1)·(fRF-fLO)处，说明该发射机实现了不同中频信号向不同频段变频发射的功能。
对于接收模块，信号光频梳直接输入双平行马赫增德尔调制器，并受到接收信号的调制。假设接收信号的频率为fS，因为同样采用载波抑制单边带调制，经调制后的信号光频梳可以表示为
fsig-down(m)＝fsig(1)+(m-1)fRF+fS (6)
该信号输入一个90°光混频器的信号光输入端，而另一路本振光频梳输入90°光混频器的本振光输入端。90°光混频器的同相及正交输出端口分别接一个可编程光处理器。这两个光处理器的功能在于将同相及正交输出端的光信号分割成多个子通道。取其中一个通道分析，假设光处理器分别对准的是第n个通道，那么该通道内同相及正交的输出信号的电场形式可以表示为
两路输出信号分别通过光电探测器转换为电信号，得到的电信号可以表示为
从(8)看出，接收信号在第n个通道内可等效为与一个频率为fD+(n-1)[fRF-fLO]的本振信号混频，实现信号的下变频。并且，因为两者正交，所以利用微波电桥正交耦合时可以实现镜频抑制混频。
利用镜频抑制混频的好处在于可以不通过数字信号处理，消除混频过程中产生的频谱交叠问题。图2给出了镜频抑制混频抑制频谱交叠的原理说明。图2a给出了利用普通混频器实现下变频接收的情况。假设信号光频梳携带的射频信号为cos[ωLOt+x(t)]+cos[ωLOt-x’(t)]，其中ωLO为射频信号的中心频率，cos[ωLOt+x(t)]代表处于中心频率右侧的信号分量，即图2a中的梯形分量；cos[ωLOt-x’(t)]代表处于中心频率左侧的信号分量，即图2a中的三角形分量。从图中可以看出，如果采用普通混频器，当射频信号与频率为ωLO的本振信号混频时的输出结果为
从公式(9)可以看出，射频信号中处于中心频率左右两侧的信号均被下变频至基带，即cos[x(t)]和cos[x’(t)]，因此会造成频谱混叠，无法提取有用信号。图2b给出了基于镜频抑制混频的频谱混叠抑制原理图。从图中可以看出，采用镜频抑制混频时，仅处于中心频率右侧或者左侧的信号会转换到基带，另一边的信号将会被天然的抑制(根据镜频抑制混频器的特点)，因此使用镜频抑制混频器可以解决频谱交叠的问题。最后通过电滤波器进一步将其他分量滤除，从而得到信号化的处理信号。
整个微波光子收发信机的信道化通道间隔由信号光频梳的梳齿间隔fRF与本振光频梳的fLO之差，即|fRF-fLO|决定。系统工作的频段由信号光频梳的初始梳齿频率fRF(1)和本振光频梳的初始梳齿频率fLO(1)之差，即|fRF(1)-fLO(1)|决定。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，其特征在于，包括种子光源模块、接收机、发射机，所述种子光源模块包含信号光频梳、本振光频梳、第一分束器和第二分束器，所述发射机包括解复用模块，第一至第n双平行马赫增德尔调制器、复用模块、合波器和光电探测器，所述接收机包括第n+1双平行马赫增德尔调制器、光混频器、第一光处理器、第二光处理器，相干处理模块，种子光源模块中的信号光频梳通过第一分束器分成两路，本振光频梳通过第二光分束器分成两路，在发射机内，其中一路信号光频梳连接解复用模块，将光频梳分成n路，解复用模块的n路输出连接第一至第n双平行马赫增德尔调制器，第一至第n双平行马赫增德尔调制器的输出信号与复用模块连接，复用模块的输出和一路本振光频梳与合波器连接，合波器的输出与光电探测器相连，在接收机内，另一路信号光频梳与第n+1双平行马赫增德尔调制器相连，第n+1双平行马赫增德尔调制器的输出与光混频器的信号光输入端相连，另一路本振光频梳与光混频器的本振光输入端相连，所述光混频器的同相输出端连接第一光处理器，所述光混频器的正交输出端连接第二光处理器，第一和第二光处理器将信号切割后送入多个相干接收模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，其特征在于，每个所述相干接收模块包括：两个光电探测器，一个微波电桥和一个电滤波器，两个光电探测器分别连接第一光处理器和第二光处理器对应同一处理通道的输出端口，两个光电探测器的输出端连接微波电桥的两个正交输入端口，微波电桥的输出端连接电滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，其特征在于，发射机中解复用模块采用商用的密集波分解复用器或者光纤光栅阵列实现，复用模块采用商用密集波分复用器或者光耦合器实现。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，其特征在于，所使用的双平行马赫增德尔调制器均工作在载波抑制单边带调制状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于相干光频梳的微波光子收发信机，其特征在于，所使用的信号光频梳与本振光频梳的初始梳齿频率不同，梳齿间隔也不同。
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