CN109714068B - 一种基于光处理技术的紧凑型宽带信道化接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光处理技术的紧凑型宽带信道化接收机，微波信号首先进入第一电光调制器，微波信号经过电光调制器后，被调制到光载波上，成为光载波信号。光载波进入第一1:1分束器，等分成两份光载波，并分别送入信道1和信道2。进入信道2的光载波信号送入信道快速选择装置，信道快速选择装置迅速控制可调光电振荡器输出本振信号的频率参数，可调光电振荡器输出高精度的本振信号给第二电光调制器。进入信道1的光载波首先经过第一光纤到达第二电光调制器，通过第一光纤进行延时。光载波与本振信号在第二电光调制器处发生混频，混频之后的光载波送入第一光电探测器将中频信号还原出来送入后端中频滤波放大模块，最终送入数字信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是一种信道化接收机。
背景技术
近年来，随着电磁环境的日益复杂，要求接收机具有宽频率覆盖、高灵敏度、大动态范围等技术特点，在这样的应用背景下，信道化接收机由于其技术特点，受到越来越广泛的应用。目前信道化接收机主要是模拟信道化接收与数字信号处理相结合的方式。
由于数字信号处理通常只能处理特定较低频率的窄带信号，而随着微波技术的发展，高频宽带信号充斥着整个电磁空间，因此信道化接收机需要将接收的微波信号通过信道化处理变成窄带的低频信号，整个过程就是模拟信道化过程。图1是一个典型的信道化接收机原理框图。
在典型的信道化接收机中，微波信号进入接收机后，将进入n个信道。输入微波信号频率记为fc，系统将微波信号送入混频器，与此同时，每个信道有相应的本振信号n，其频率可以记为fLO，在每个通道中，微波信号与本振信号发生混频，产生的中频信号频率可以表示为fIF＝fc-fLO，之后中频信号送入滤波放大模块，滤波器具有中心频率参数f0，并具有一定滤波带宽f，这组参数设置主要由信号处理所能处理微波信号的中心频率和带宽决定。混频器送出的中频信号频率fIF只有位于f0±f区间才能通过滤波器并放大，之后再送入数字信号处理。因此通过控制第n个通道本振信号频率fnLO，可以选择fc在本信道内能否送入后端进行处理，以此完成n个信道的划分，与此同时将高频微波信号fc混频成特定带宽的中频信号fIF，完成模拟信道化处理。
由前所述，信道化接收机所需模拟信道可以用fc/f表示，由于数字信号处理所能处理的中频微波信号带宽有限，因此当需要处理的微波信号频率越高，则接收机所需要的模拟信道越多。随着接收机处理信号频率越来越高，导致信道化接收机规模越来越大，成本也越来越高。更为严重的是，传统微波器件具有工作频段低、带宽小、色散大等缺点，传统的微波器件已经不能完成高频甚至超高频信号(10GHz-100GHz)的处理。
发明内容
本发明提供一种结构简单紧凑的信道化接收机。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于光处理技术的紧凑型宽带信道化接收机，包括第一电光调制器、第一激光器、第一1:1分束器、光纤、第二电光调制器、第一光电探测器、信道快速选择装置、可调光电振荡器、中频滤波放大模块；第一电光调制器用于接收微波信号以及第一激光器发射的光信号，将微波信号调制到光载波上，形成光载波信号发送给第一1:1分束器；第一1:1分束器用于将光载波在功率上等分成两份光载波，并分别送入信道1和信道2；信道1上第一1:1分束器连接第一延时模块，第一延时模块用于确保当信道1的光载波到达第二电光调制器时，可调光电振荡器已经根据信道快速选择装置完成了本振信号频率参数的调整；第一延时模块连接第二电光调制器；信道2上第一1:1分束器连接信道快速选择装置，信道快速选择装置用于检测出微波信号频率，并得到微波信号频率信息之后，迅速控制可调光电振荡器输出本振信号的频率参数；可调光电振荡器用于输出高精度的本振信号给第二电光调制器；第二电光调制器用于接收第一光纤传输的光载波以及可调光电振荡器传输的本振信号，混频至中频信号后通过光载波送入第一光电探测器；第一光电探测器用于将中频信号还原出来送入后端中频滤波放大模块；中频滤波放大模块用于对中频信号进行滤波放大，并将信号最终送入数字信号处理。
在其中一实施例中，第一延时模块为光纤。
在其中一实施例中，信道快速选择装置包括第二1:1分束器、第二延时模块、合束器、第二光电探测器；光载波进入装置后首先经过第二1:1分束器被分成等功率的两个光载波，并分别进入两个路径，即为路径1和路径2，进入路径1的光载波经过第二延时模块，使路径1的信号相比路径2的信号有一个延时；之后两个路径的光载波都送入合束器，合束器将两个光载波信号进行功率叠加，并合成一路信号输出；合束器输出的载波进入第二光电探测器将微波信号还原出来，并得到微波信号的幅度信息，通过处理微波信号的幅度信息，可以得到微波信号的频率信息，并以此给出控制信号。
在其中一实施例中，第二延时模块为光纤。
在其中一实施例中，可调光电振荡器包括第二激光器、第三电光调制器、可调光滤波器、光纤环、第三光电探测器、微波放大器；第二激光器工作在连续状态下，以提供震荡流量，第三电光调制器实现将震荡器电信号转换为光信号，经过可调光滤波器后进入低损耗光纤环，在光纤环中传播一段路径以后再由第三光电探测器转换成电信号，电信号通过微波放大器并再次由电光调制器转换为光信号进入光纤环，一旦满足微波信号振荡的幅度和相位条件，光电振荡器就可以输出高质量的微波信号。
在其中一实施例中，可调光滤波器通过设置工作中心频率，实现特定光载波波长的筛选，从而完成对信道的划分；可调光滤波器接收信道快速选择装置的控制，根据输入微波信号的频率和后端数字处理所需求的低频信号中心频率，来选定本振信号的输出频率；微波放大器进行放大是为了实现开环增益大于1的震荡要求。
本发明的有益效果是：本发明基于光学快速测频技术，利用输出信号频率可调的光电振荡器，仅仅需要两个信道就完成了整个模拟信道化过程，结构紧凑，具有良好的实用性。
附图说明
图1为现有信道化接收机的方案框图。
图2为本发明实施例信道化接收机的方案框图。
图3为图2所示信道化接收机中信道快速选择装置的方案框图。
图4为图2所示信道化接收机中可调光电振荡器的方案框图。
具体实施方式
下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。
本实施例中，如图1所示，基于光处理技术的紧凑型宽带信道化接收机包括第一电光调制器(E/O 1)、第一激光器(激光器1)、第一1:1分束器、光纤、第二电光调制器(E/O 2)、第一光电探测器(PD 1)、信道快速选择装置、可调光电振荡器、中频滤波放大模块。
第一电光调制器用于接收微波信号以及第一激光器发射的光信号，将微波信号调制到光载波上，形成光载波信号发送给第一1:1分束器。第一1:1分束器主要是将光载波在功率上等分成两份光载波，并分别送入两个信道(简称信道1和信道2)。
信道1上第一1:1分束器连接第一光纤(光纤1)，第一光纤的主要作用是延时，以确保当信道1的光载波到达第二电光调制器时，可调光电振荡器已经根据信道快速选择装置完成了本振信号频率参数的调整。在其它实施例中，可不使用光纤，而采用其它起延时作用的第一延时模块。在其它实施例中，可不使用可调光电振荡器，而采用具有多频点本振输出功能的微波频率源组。第一光纤连接第二电光调制器。
信道2上第一1:1分束器连接信道快速选择装置，信道快速选择装置的主要功能是检测出微波信号频率，并得到微波信号频率信息之后，迅速控制可调光电振荡器输出本振信号的频率参数。信道快速选择装置的特点是不需要数字采样处理，检测过程快速，但是检测精度通常在200MHz-500MHz。信道快速选择装置的技术方案将在后面详细说明。可调光电振荡器的主要功能是输出高精度的本振信号给第二电光调制器，其主要特点是输出本振信号频率可控。可调光电振荡器的技术方案后面将详细说明。
第二电光调制器用于接收第一光纤传输的光载波以及可调光电振荡器传输的本振信号，混频至中频信号后通过光载波送入第一光电探测器，第一光电探测器用于将中频信号还原出来送入后端中频滤波放大模块，中频滤波放大模块用于对中频信号进行滤波放大，并将信号最终送入数字信号处理。
信号的处理过程描述如下。
微波信号进入接收机后，首先进入第一电光调制器，第一激光器输入光源，光源波长可以根据需要选择。微波信号经过电光调制器后，被调制到光载波上，成为光载波信号。光载波进入第一1:1分束器。第一1:1分束器将光载波在功率上等分成两份光载波，并分别送入两个信道--信道1和信道2。
进入信道2的光载波信号送入信道快速选择装置。信道快速选择装置得到微波信号频率信息之后，迅速控制可调光电振荡器输出本振信号的频率参数。可调光电振荡器的主要功能是输出高精度的本振信号给第二电光调制器。
进入信道1的光载波首先经过第一光纤到达第二电光调制器。经过第一光纤的延时，当信道1的光载波到达第二电光调制器时，可调光电振荡器已经根据信道快速选择装置完成了本振信号频率参数的调整。
此时，光载波与本振信号在第二电光调制器处发生混频，第二电光调制器输出光载波，此时调制在光载波上的微波信号已经被混频至中频信号，混频之后的光载波送入第一光电探测器(PD)将中频信号(微波信号)还原出来送入后端中频滤波放大模块，最终送入数字信号处理。
在信道化处理过程中，通过电光调制器把微波信号调制到光载波，通过光电探测器将微波信号还原，因此可以将光处理部分看成一个微波入、微波出的黑盒子，输入输出接口都是通用的微波接口，因此光处理部分具有良好的通用性。
本发明中的微波器件只需要处理混频之后得到的中频信号，而通过光学器件处理输入混频之前的微波信号，由于光学器件相对于微波信号的宽带特性，因此本发明能够较好的适应高频段微波信号处理。
本发明基于光学快速测频技术，利用输出信号频率可调的光电振荡器，仅仅需要两个信道就完成了整个模拟信道化过程，结构紧凑，具有良好的实用性。
图3是信道快速选择装置的方案框图，采用光学快速测频方案，将微波信号频率信息映射到幅度信息。
信道快速选择装置包括第二1:1分束器(1:1分束器2)、第二光纤(光纤2)(或其它第二延时模块)、合束器、第二光电探测器(PD 2)。
光载波进入装置后首先经过第二1:1分束器被分成等功率的两个光载波，并分别进入两个路径，即为路径1和路径2。进入路径1的光载波经过一段较长的第二光纤，因此路径1的信号相比路径2的信号有一个延时。之后两个路径的光载波都送入合束器。合束器的作用主要是将两个光载波信号进行功率叠加，并合成一路信号输出。合束器输出的载波进入第二光电探测器将微波信号还原出来，并得到微波信号的幅度信息，通过处理微波信号的幅度信息，可以得到微波信号的频率信息，并以此给出控制信号。
信道快速选择装置是采用微波信号的频率信息转换成幅度信息的快速测频技术，其原理说明如下。
如图3所示，待测微波信号调制到光载波上经过分束器均分为两部分，经过不同的传输线路，一部分相对另一部分有一段时间延时τ。两部分光信号最后经合束器实现信号相加，并通过光电探测器将微波信号还原出来，可以得到一个幅度依赖于待测信号频率的射频信号。
输入信号可以表述为：
γin(t)＝V0cosωt
其中：V0、ω分别为待测微波信号的幅度和频率。经过分束器均分后路径2微波信号，可以用下式表示：
路径1的信号可表示为：
两路信号经合束器和光电探测器实现加法运算，可得输出信号为：
利用三角函数关系，上式可以转化为：
从上式可以看出，当微波信号的频率是ω时，输出信号的幅度为
对于选定延迟时间τ，可以通过测量输出信号的幅度信息来得到待测信号的频率。
图4为可调光电振荡器方案，利用光载波在光纤中多次震荡，实现高精度的微波信号输出。
可调光电振荡器包括第二激光器(激光器2)、第三电光调制器(E/O 3)、可调光滤波器、光纤环、第三光电探测器(PD 3)、微波放大器。
第二激光器工作在连续状态下，以提供震荡流量，第三电光调制器实现将震荡器电信号转换为光信号，经过可调光滤波器后进入低损耗光纤环，在光纤环中传播一段路径以后再由第三光电探测器转换成电信号，电信号通过微波放大器并再次由电光调制器转换为光信号进入光纤环，一旦满足微波信号振荡的幅度和相位条件，光电振荡器就可以输出高质量的微波信号。
其中可调光滤波器可以通过设置工作中心频率，实现特定光载波波长的筛选，从而完成对信道的划分。可调光滤波器接收信道快速选择装置的控制，根据输入微波信号的频率和后端数字处理所需求的低频信号中心频率，来选定本振信号的输出频率(参数设置说明如下)。微波放大器进行放大是为了实现开环增益大于1的震荡要求。
关于参数设置，本发明装置的最高工作频率为N(单位GHz),工作带宽是M(单位GHz)，则本发明允许输入微波信号频率在(N-M,N)区间。数字信号处理可接受的微波信号中心频率为n(单位GHz)，带宽为m(单位GHz)，则本振信号应该具有M/m(向上取整)种频率选择，对应M/m(向上取整)个信道，其中每个信道带宽为m，第x个信道所对应的本振信号频率应该为N-M+(X-0.5)*m-n，滤波器的透过频率应该设置为
(单位GHz)。
本发明有如下特点：
1、具有两个信道，一个信道完成对微波信号频率快速测量，另一个信道实时可调，两个信道即完成模拟信道化工作，结构简单紧凑；
2、信道划分通过调节本振信号的频率实现实时可调；
3、信道快速选择、控制与混频在光载波上完成，能够适应高频段工作环境；
4、光处理接口为普通微波接口，适用面广；
5、通过光纤延时保证两个信道时间同步。
通过图2及其介绍可知光处理部分输入输出接口都是通用的微波接口，因此本发明能够与传统电子装备良好兼容，具有较广泛的适用性。
本发明通过调节本振信号频率实现信道的实时可调，有效减少了冗余信道的设备量。同时基于频率快速测量技术，通过调节光电振荡器可调光滤波器实现输出本振信号频率可调，仅需要两个信道就完成了高频段宽带微波信号模拟信道化过程，结构紧凑，设备少，具有良好的实用性和经济效益。
Claims (6)
1.一种基于光处理技术的紧凑型宽带信道化接收机，其特征在于，包括第一电光调制器、第一激光器、第一1:1分束器、第一延时模块、第二电光调制器、第一光电探测器、信道快速选择装置、可调光电振荡器、中频滤波放大模块；第一电光调制器用于接收微波信号以及第一激光器发射的光信号，将微波信号调制到光载波上，形成光载波信号发送给第一1:1分束器；第一1:1分束器用于将光载波在功率上等分成两份光载波，并分别送入信道1和信道2；信道1上第一1:1分束器连接第一延时模块，第一延时模块用于确保当信道1的光载波到达第二电光调制器时，可调光电振荡器已经根据信道快速选择装置完成了本振信号频率参数的调整；第一延时模块连接第二电光调制器；信道2上第一1:1分束器连接信道快速选择装置，信道快速选择装置用于检测出微波信号频率，并得到微波信号频率信息之后，迅速控制可调光电振荡器输出本振信号的频率参数；可调光电振荡器用于输出高精度的本振信号给第二电光调制器；第二电光调制器用于接收第一延时模块传输的光载波以及可调光电振荡器传输的本振信号，混频至中频信号后通过光载波送入第一光电探测器；第一光电探测器用于将中频信号还原出来送入后端中频滤波放大模块；中频滤波放大模块用于对中频信号进行滤波放大，并将信号最终送入数字信号处理。
2.根据权利要求1所述的信道化接收机，其特征在于，第一延时模块为光纤。
3.根据权利要求1所述的信道化接收机，其特征在于，信道快速选择装置包括第二1:1分束器、第二延时模块、合束器、第二光电探测器；光载波进入装置后首先经过第二1:1分束器被分成等功率的两个光载波，并分别进入两个路径，即为路径1和路径2，进入路径1的光载波经过第二延时模块，使路径1的信号相比路径2的信号有一个延时；之后两个路径的光载波都送入合束器，合束器将两个光载波信号进行功率叠加，并合成一路信号输出；合束器输出的载波进入第二光电探测器将微波信号还原出来，并得到微波信号的幅度信息，通过处理微波信号的幅度信息，可以得到微波信号的频率信息，并以此给出控制信号。
4.根据权利要求3所述的信道化接收机，其特征在于，第二延时模块为光纤。
5.根据权利要求1所述的信道化接收机，其特征在于，可调光电振荡器包括第二激光器、第三电光调制器、可调光滤波器、光纤环、第三光电探测器、微波放大器；第二激光器工作在连续状态下，以提供震荡流量，第三电光调制器实现将震荡器电信号转换为光信号，经过可调光滤波器后进入低损耗光纤环，在光纤环中传播一段路径以后再由第三光电探测器转换成电信号，电信号通过微波放大器并再次由电光调制器转换为光信号进入光纤环，一旦满足微波信号振荡的幅度和相位条件，光电振荡器就可以输出高质量的微波信号。
6.根据权利要求5所述的信道化接收机，其特征在于，可调光滤波器通过设置工作中心频率，实现特定光载波波长的筛选，从而完成对信道的划分；可调光滤波器接收信道快速选择装置的控制，根据输入微波信号的频率和后端数字处理所需求的低频信号中心频率，来选定本振信号的输出频率；微波放大器进行放大是为了实现开环增益大于1的震荡要求。
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