CN108494498B - 一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法，属于微波光子技术领域。该光子射频接收前端及方法采用多波长激光源和波分复用结构获得多路光载微波参考信号，采用可控光衰减阵列和可控光延时阵列分别对多路参考信号进行光域延时与幅度调节；采用自适应反馈控制回路监测干扰信号的时变，并对多路参考信号的幅度和延时进行反馈调控，实现对多路干扰信号的自适应有效抑制。该自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法，具有系统结构简单、带宽大、幅度与延时调控精度高、系统稳定性好的优势。

Description

一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法。
背景技术
射频自干扰存在于多个应用场合，比如新一代同时同频全双工无线通信、微波接力通信、连续波雷达、舰船电磁兼容等。以同时同频全双工无线通信为例，其采用同一频率实现上行、下行链路信号的同时收发，与频分双工技术和时分双工技术相比，实现了频谱资源利用率及数据吞吐量的倍增。但是同时同频全双工通信过程中发射天线的高功率自干扰信号会淹没接收天线的低功率有用信号，降低了无线通信系统的通信性能。因此，消除高功率射频自干扰是实现有用目标信号有效接收的关键。
传统基于电子学手段的射频自干扰信号消除技术采用模拟信号处理、数字信号处理或模拟与数字相结合的信号处理手段获得了良好的进展。但是随着微波频段的提升和信息传输容量的增加，信道带宽不断增加，传统电子学手段难以满足在高频、宽带、高品质场合下的使用要求。基于光子学方法的射频自干扰消除技术具有频率高、带宽大、抗电磁干扰能力强等优势，在实现宽带射频自干扰消除方面极具应用潜力。
在先技术[1](J.Suarez,K.Kravtsov,and P.R.Prucnal,“Incoherent method ofoptical interference cancellation for radio-frequency communications,”IEEEJ.Quantum Eletron.,vol.45,no.4,pp.402-408,Apr.2009.)中，采用两个马赫-曾德电光强度调制器，分别工作在斜率相反的偏置正交点上的方案。由接收天线接收的信号(包括有用信号和干扰信号)、发射端引出的对消信号分别调制到两个马赫-曾德电光强度调制器上，通过调节对消信号支路的信号幅度和延时，经光电探测后干扰信号与对消信号相抵消。该方案需要精确控制两个马赫-曾德电光强度调制器的直流偏置工作点以达到两支路信号的相位相反匹配，使得系统结构复杂、实现难度大。另外，该方案只能对一路干扰进行抑制，实际中发射天线发射的信号会沿多条路径传输至接收天线，因此干扰信号是多路的，该方案不能对多路干扰进行抑制。
在先技术[2](韩秀友，邵宇辰，霍泊帆；马亮，谷一英，赵明山，一种光子微波自干扰信号消除装置与方法，中国发明专利，申请号201610239867.1，2016.04.18)中，采用电光相位调制器实现微波信号从电域到光域的转换，在光域内对参考信号的幅度和延时进行调节，经光电探测器光电转换后消除自干扰信号。虽然该技术的电光相位调制无需直流偏置控制电压，简化了系统结构，但是该方案也只能对一路干扰进行抑制，对实际应用中的多路干扰信号不能进行有效的抑制。
在先技术[3](J.Chang and P.R.Prucnal,“Anovel analog photonic methodfor broadband multipath interference cancellation,”IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.,vol.23,no.7,pp.377-379,Jul.2013)中，采用光分路器将发射端引出的对消信号调制的光载射频信号分成多路，对每一路的信号幅度和延时进行调节，然后合路进入光电探测器进行光电转换，从而对接收天线接收的多路干扰信号进行消除。该方案中经光分路器分路后的多路光载射频信号在合路时存在同频光载波的光学干涉问题，为了避免该问题需要采用专门设计和制作的单模-多模光纤耦合器，这增加了系统的复杂性和成本。
在先技术[4](W.W.Zhou,P.Xiang,Z.Y.Niu,M.Wang,and S.L.Pan,“Widebandoptical multipath interference cancellation based on a dispersive element,”IEEE Photonics Technology Letters,Vol.28,No.8,pp.849-851,April,2016)中，采用电光偏振调制器、偏振控制器和起偏器组合实现等效反相的强度调制功能，采用多个可调谐激光器与色散单元来构成多路抵消信号，对接收天线接收的多路干扰信号进行抑制。该方案通过偏振控制器和起偏器来完成相位调制到强度调制的转换，对光学偏振敏感，系统稳定性较差；另外，可调谐激光器的使用增加了系统的复杂性和成本。
综上，在先技术[1]和[2]均难以对多路干扰信号进行有效的抑制，在先技术[3]和[4]尽管可以对多路干扰信号进行抑制，但是系统体结构复杂、稳定性差，且无法应对实际应用环境中干扰信号的时变，难以满足实际工程应用要求。
发明内容
本发明提供一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端，有效解决背景技术中难以实现多路射频干扰抑制、系统结构复杂、稳定性差、难以应对实际应用环境中干扰信号的时变等问题。
本发明采用的技术方案是：
一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端。
所述自适应抗多路干扰光子射频接收前端包括：单波长激光源、多波长激光源阵列、第一电光调制器、第二电光调制器、单带通光学滤波器、波分解复用器、可控光衰减阵列、可控光延时阵列、波分复用器、周期性光学滤波器、光耦合器、光电探测器和反馈控制单元。
所述单波长激光源输出的光载波频率为fC0，多波长激光源阵列输出的光载波频率分别为fC1、fC2、fC3、……、fCN。
其中，fC0、fC1、fC2、fC3、……、fCN的频率均不相同。
fC0位于单带通光学滤波器的带宽之内；fC1、fC2、fC3、……、fCN分别位于周期性光学滤波器的各个通带带宽范围之内。
所述第一电光调制器和第二电光调制器是电光相位调制器。
所述第一电光调制器输出光载射频信号的左、右边带的相位反相，右边带被单带通光学滤波器滤除。
所述第二电光调制器输出各路光载射频信号的左、右边带的相位反相，各左边带被周期性光学滤波器滤除。
多波长激光源阵列经第二电光调制器后输出多路光载射频信号，经波分解复用器分成N路，再依次进入可控光衰减阵列和可控光延时阵列。
所述可控光衰减阵列包括N个可控光衰减单元，该可控光衰减单元为1×1多模干涉结构。
所述可控光延时阵列包括N个可控光延时单元，该可控光延时单元包括在0～Δτ0范围内延时连续可控子单元和(2M-1)Δτ范围内延时离散调控子单元，且有Δτ0≥Δτ。
所述延时连续可控子单元由2P个延时波导微环串联构成，P＝1,2,3，······。
所述延时离散调控子单元由2个1×2光开关、M个2×2光开关依次串联构成，相邻连接光开关的上下两路延时差为2M-1Δτ，M＝1,2,3，······。
可控光衰减阵列中的可控光衰减单元和可控光延时阵列中的可控光延时单元分别对光载射频信号的幅度和延时进行调控，经幅度和延时调控后的光载射频信号经波分复用器合为一路进入周期性光学滤波器。
所述周期性光学滤波器由W个波导微环和两个直波导依次并联耦合构成，W＝1,2,3，······；周期性光学滤波器输出的N路右边带+光载波信号和单带通光学滤波器输出的左边带+光载波信号经光耦合器合为一路，进入光电探测器进行光电转换，将转化后的信号输入反馈控制单元。
所述反馈控制单元输出幅度改变量和延时改变量的控制信号分别至可控光衰减阵列和可控光延时阵列，构成自适应反馈控制回路。
上述的自适应抗多路干扰光子射频接收前端，其消除多路射频干扰的步骤如下：
由接收天线接收到的信号r(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)+……+nN(t)，其中，s(t)为有用信号，n1(t)、n2(t)、n3(t)、……、nN(t)为干扰信号，经第一电光调制器调制到单波长激光源输出的光载波fC0上。
该路光载射频信号进入单带通光学滤波器，右边带被单带通光学滤波器滤除，完成单边带光学滤波并获得左边带+光载波信号。
由发射终端经电分路器引出的参考信号nc(t’)经第二电光调制器调制到多波长激光源阵列输出的N路光载波fC1、fC2、fC3、……、fCN上，该N路光载射频信号经波分解复用器分成N路，依次进入可控光衰减阵列和可控光延时阵列，可控光衰减阵列中的可控光衰减单元和可控光延时阵列中的可控光延时单元分别对光载射频信号的幅度和延时进行调控，经幅度和延时调控后的光载射频信号经波分复用器合为一路进入周期性光学滤波器，N路光载射频信号的左边带被周期性光学滤波器滤除，完成单边带光学滤波并获得N路右边带+光载波信号。
周期性光学滤波器输出的N路右边带+光载波信号和单带通光学滤波器输出的左边带+光载波信号经光耦合器合为一路，进入光电探测器进行光电转换，得到有用信号s(t)、干扰信号n1(t)、n2(t)、n3(t)、……、nN(t)和参考信号-α1nc(t’+τ1)、-α2nc(t’+τ2)、-α3nc(t’+τ3)、……、-αNnc(t’+τN)，其中参考信号每一分量的负号，是因为右边带+光载波光电转换之后信号的相位相对于左边带+光载波光电转换之后信号的相位相差π，αi和τi分别为可控光延时单元i的幅度改变量和可控光延时单元i的延时改变量，其中i＝1,2,3,……,N。经光电探测器输出的信号为：
Sout(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)+……+nN(t)-α1nc(t’+τ1)-α2nc(t’+τ2)-α3nc(t’+τ3)-……-αNnc(t’+τN)
反馈控制单元对光电探测器输出信号Sout(t)的幅度和相位进行跟踪和比较运算，反馈至可控光衰减阵列和可控光延时阵列，对可控光衰减阵列的幅度改变量和可控光延时阵列的延时改变量进行自适应动态调控，使干扰信号ni(t)和参考信号-αinc(t’+τi)的幅值相同且时间对齐，进而使得干扰信号和参考信号在光电转换后相抵消，获得有用信号s(t)输出。
本发明的有益效果是：
(1)本发明自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法，采用多波长激光源和波分复用结构获得多路参考信号，在光域内对光载射频信号的幅度和延时进行调控，实现对多路干扰信号的消除。具有无光学干涉效应影响、带宽大、调节精度高等优势。
(2)本发明自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法，采用电光相位调制器实现射频信号调制到光载波上，基于相位调制光载射频信号的左、右边带相位反相特性和单边带光学滤波来获得干扰信号与对消信号的反相以及相位调制到强度调制的转换，无需直流偏置电压的控制，极大简化了系统结构，并增强了系统的稳定性。
(3)本发明自适应抗多路干扰光子射频接收前端及方法，根据环境变化造成干扰信号幅度和延时的改变，采用自适应反馈控制回路对可控光衰减阵列的幅度改变量和可控光延时阵列的延时改变量进行动态调控，使得干扰信号和参考信号在光电转换后相抵消，具有自适应动态响应的优势。
附图说明
图1是本发明自适应抗多路干扰光子射频接收前端结构框图。
图2是第一电光调制器输出光载射频信号的频谱示意图。
图3是单带通光学滤波器输出的频谱示意图。
图4是第二电光调制器输出光载射频信号的频谱示意图。
图5是可控光衰减器阵列中的一个可控光衰减单元，该可控光衰减单元为1×1多模干涉结构。
图6是可控光延时阵列中的一个可控光延时单元。
图7是周期性光学滤波器结构图。
图8是周期性光学滤波器输出的频谱示意图。
图9是图中符号示意图。
其中，图2中不同大小的箭头表示接收天线接收的不同幅度和相位的信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明自适应抗多路干扰光子射频接收前端包括：单波长激光源、多波长激光源阵列、第一电光调制器、第二电光调制器、单带通光学滤波器、波分解复用器、可控光衰减阵列、可控光延时阵列、波分复用器、周期性光学滤波器、光耦合器、光电探测器、反馈控制单元。反馈控制单元输出幅度改变量和延时改变量的控制信号分别至可控光衰减阵列和可控光延时阵列，构成自适应反馈控制回路。
实施例
图1是自适应抗多路干扰光子射频接收前端结构框图。由接收天线接收到的信号r(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)+……+nN(t)，其中s(t)为有用信号，n1(t)、n2(t)、n3(t)、……、nN(t)为干扰信号，经第一电光调制器调制到单波长激光源输出的光载波fC0上。图2是第一电光调制器输出光载射频信号的频谱示意图，光载射频信号的左、右边带的相位反相，其中不同大小的箭头表示接收天线接收的不同幅度和相位的信号r(t)。该路光载射频信号进入单带通光学滤波器，右边带被单带通光学滤波器滤除，完成单边带光学滤波并获得左边带+光载波信号，频谱如图3所示。
由发射终端经电分路器引出的参考信号nc(t’)经第二电光调制器调制到多波长激光源阵列输出的N路光载波fC1、fC2、fC3、……、fCN上，图4是第二电光调制器输出光载射频信号的频谱示意图，各路光载射频信号的左、右边带的相位反相。该N路光载射频信号经波分解复用器分成N路，依次进入可控光衰减阵列和可控光延时阵列。
可控光衰减阵列包括N个可控光衰减单元，该可控光衰减单元为1×1多模干涉结构，如图5所示。
可控光延时阵列包括N个可控光延时单元，该可控光延时单元包括在0～Δτ0范围内延时连续可控子单元和(2M-1)Δτ范围内延时离散调控子单元，且有Δτ0≥Δτ。延时连续可控子单元由2P个波导微环延时单元串联构成，P＝1,2,3，······。延时离散调控子单元由2个1×2光开关、M个2×2光开关依次串联构成，相邻连接光开关的上下两路延时差为2M-1Δτ，M＝1,2,3，······。
可控光衰减阵列中的可控光衰减单元和可控光延时阵列中的可控光延时单元分别对光载射频信号的幅度和延时进行调控，经幅度和延时调控后的光载射频信号经波分复用器合为一路进入周期性光学滤波器。图7是周期性光学滤波器结构图，由W个波导微环和两个直波导依次并联耦合构成，W＝1,2,3，······。N路光载射频信号的左边带被周期性光学滤波器滤除，完成单边带光学滤波并获得N路右边带+光载波信号，图8是周期性光学滤波器输出的频谱示意图。
周期性光学滤波器输出的N路右边带+光载波信号和单带通光学滤波器输出的左边带+光载波信号经光耦合器合为一路，进入光电探测器进行光电转换，得到有用信号s(t)、干扰信号n1(t)、n2(t)、n3(t)、……、nN(t)和参考信号-α1nc(t’+τ1)、-α2nc(t’+τ2)、-α3nc(t’+τ3)、……、-αNnc(t’+τN)，其中参考信号每一分量的负号，是因为右边带+光载波光电转换之后信号的相位相对于左边带+光载波光电转换之后信号的相位相差π，αi和τi分别为可控光延时单元i的幅度改变量和可控光延时单元i的延时改变量，i＝1,2,3,……,N。经光电探测器输出的信号为
Sout(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)+……+nN(t)-α1nc(t’+τ1)-α2nc(t’+τ2)-α3nc(t’+τ3)-……-αNnc(t’+τN)
反馈控制单元对光电探测器输出信号Sout(t)的幅度和相位进行跟踪和比较运算，反馈至可控光衰减阵列和可控光延时阵列，对可控光衰减阵列的幅度改变量和可控光延时阵列的延时改变量进行自适应动态调控，使干扰信号ni(t)和参考信号-αinc(t’+τi)的幅值相同且时间对齐，进而使得干扰信号和参考信号在光电转换后相抵消，获得有用信号s(t)输出。

Claims (2)

1.一种自适应抗多路干扰光子射频接收前端，其特征在于，包括单波长激光源、多波长激光源阵列、第一电光调制器(1)、第二电光调制器(2)、单带通光学滤波器、波分解复用器、可控光衰减阵列、可控光延时阵列、波分复用器、周期性光学滤波器、光耦合器、光电探测器和反馈控制单元；
所述单波长激光源输出的光载波频率为fC0；多波长激光源阵列输出的光载波频率分别为fC1、fC2、fC3、……、fCN，各频率均不相同；fC0位于单带通光学滤波器的带宽之内，fC0、fC1、fC2、fC3、……、fCN分别位于周期性光学滤波器的各个通带带宽范围之内；
所述第一电光调制器(1)和第二电光调制器(2)是电光相位调制器；
所述第一电光调制器(1)输出光载射频信号的左、右边带的相位反相，右边带被单带通光学滤波器滤除；
所述第二电光调制器(2)输出各路光载射频信号的左、右边带的相位反相，各左边带被周期性光学滤波器滤除；
多波长激光源阵列经第二电光调制器(2)后输出多路光载射频信号，经波分解复用器分成N路，再依次进入可控光衰减阵列和可控光延时阵列；
所述可控光衰减阵列包括N个可控光衰减单元，该可控光衰减单元为1×1多模干涉结构；
所述可控光延时阵列包括N个可控光延时单元，该可控光延时单元包括在0～Δτ0范围内延时连续可控子单元和(2M-1)Δτ范围内延时离散调控子单元，且有Δτ0≥Δτ；延时连续可控子单元由2P个延时波导微环串联构成，P＝1,2,3，……；延时离散调控子单元由2个1×2光开关、M个2×2光开关依次串联构成，相邻连接光开关的上下两路延时差为2M-1Δτ，M＝1,2,3，……；
可控光衰减阵列中的可控光衰减单元和可控光延时阵列中的可控光延时单元分别对光载射频信号的幅度和延时进行调控，经幅度和延时调控后的光载射频信号经波分复用器合为一路进入周期性光学滤波器；
所述周期性光学滤波器由W个波导微环和两个直波导依次并联耦合构成，W＝1,2,3，……；周期性光学滤波器输出的N路右边带+光载波信号和单带通光学滤波器输出的左边带+光载波信号经光耦合器合为一路，进入光电探测器进行光电转换，将转化后的信号输入反馈控制单元；
所述反馈控制单元输出幅度改变量和延时改变量的控制信号分别至可控光衰减阵列和可控光延时阵列，构成自适应反馈控制回路；
反馈控制单元对光电探测器输出信号Sout(t)的幅度和相位进行跟踪和比较运算，反馈至可控光衰减阵列和可控光延时阵列，对可控光衰减阵列的幅度改变量和可控光延时阵列的延时改变量进行自适应动态调控，使干扰信号ni(t)和参考信号-αinc(t’+τi)的幅值相同且时间对齐，进而使得干扰信号和参考信号在光电转换后相抵消，获得有用信号s(t)输出；其中，nc(t’)为由发射终端经电分路器引出的参考信号；αi和τi分别为可控光延时单元i的幅度改变量和可控光延时单元i的延时改变量，i＝1,2,3,……,N。
2.一种利用权利要求1所述自适应抗多路干扰光子射频接收前端消除多路射频干扰的方法，其特征在于步骤如下：
由接收天线接收到的信号r(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)+……+nN(t)，其中，s(t)为有用信号，n1(t)、n2(t)、n3(t)……nN(t)为干扰信号，经第一电光调制器(1)调制到单波长激光源输出的光载波fC0上；该路光载射频信号进入单带通光学滤波器，右边带被单带通光学滤波器滤除，完成单边带光学滤波并获得左边带+光载波信号；
由发射终端经电分路器引出的参考信号nc(t’)经第二电光调制器(2)调制到多波长激光源阵列输出的N路光载波fC1、fC2、fC3、……、fCN上输出N路光载射频信号，该N路光载射频信号经波分解复用器分成N路，依次进入可控光衰减阵列和可控光延时阵列，可控光衰减阵列中的可控光衰减单元和可控光延时阵列中的可控光延时单元分别对光载射频信号的幅度和延时进行调控，经幅度和延时调控后的光载射频信号经波分复用器合为一路进入周期性光学滤波器，N路光载射频信号的左边带被周期性光学滤波器滤除，完成单边带光学滤波并获得N路右边带+光载波信号；
周期性光学滤波器输出的N路右边带+光载波信号和单带通光学滤波器输出的左边带+光载波信号经光耦合器合为一路，进入光电探测器进行光电转换，得到有用信号s(t)、干扰信号n1(t)、n2(t)、n3(t)、……、nN(t)和参考信号-α1nc(t’+τ1)、-α2nc(t’+τ2)、-α3nc(t’+τ3)……-αNnc(t’+τN)，其中参考信号每一分量的负号，是因为右边带+光载波光电转换之后信号的相位相对于左边带+光载波光电转换之后信号的相位相差π，αi和τi分别为可控光延时单元i的幅度改变量和可控光延时单元i的延时改变量，其中i＝1,2,3,……,N；经光电探测器输出的信号为
Sout(t)＝s(t)+n1(t)+n2(t)+n3(t)+……+nN(t)-α1nc(t’+τ1)-α2nc(t’+τ2)-α3nc(t’+τ3)-……-αNnc(t’+τN)。
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