CN109818680B

CN109818680B - 微波光子宽带射频收发方法及装置

Info

Publication number: CN109818680B
Application number: CN201910159218.4A
Authority: CN
Inventors: 张方正; 史经展; 潘时龙
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109818680A

Abstract

本发明公开了一种微波光子宽带射频收发方法，在发射端，将单频光载波分为三路；利用第一路单频光载波生成与所述单频光载波具有一定频率差的一根光梳齿，同时将基带信号调制在第二路单频光载波上，生成电光调制信号，并将第三路单频光载波送至接收端；用光电探测器对所述光梳齿和电光调制信号进行拍频，并将拍频得到的调制微波信号通过发射天线发射；在接收端，用接收天线所接收到的调制微波信号对第三路单频光载波进行光单边带调制，然后以所述光梳齿作为参考信号，对所得到的光单边带调制信号进行相干解调。本发明还公开了一种微波光子宽带射频收发装置。相比现有技术，本发明在具有通用性的同时还可以方便地实现跳频。

Description

微波光子宽带射频收发方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微波光子宽带射频收发方法，属于微波光子学技术领域。

背景技术

随着电子信息技术的进步，通信、雷达等电子应用都对带宽提出了更高的要求。对于实现大带宽的通信或雷达系统，宽带射频收发是关键。而面对射频收发中更高带宽的挑战，传统的微波系统已达到其带宽瓶颈。因此，微波光子技术应运而生。

相比于传统的微波系统，微波光子系统具有很多优点。首先，就带宽而言，光器件相比于微波器件，具有高几个数量级的工作带宽，微波光子技术得到越来越广泛的应用以打破传统微波器件对雷达或通信系统工作带宽的限制。其次，光纤单位长度的重量和衰减都远远低于射频电缆，有利于长距离传输；另外，光信号不会像电磁信号一样向空间辐射，既增加了其安全性，也使光信号免于电磁干扰。最后，较传统的微波器件来说，光器件尺寸更小，加之以如今光子集成技术快速的发展，整个系统极有可能集成在一块芯片之上。微波光子技术以其大带宽、高频率、低传输损耗和免电磁干扰等优点而受到越来越多的关注【J.Yao,"Microwave Photonics,"Journal of Lightwave Technology,vol.27,no.3,pp.314-335,2009.】。

目前，基于微波光子的射频收发技术已在通信、雷达等方面得到越来越多的应用。在雷达方面，意大利的A.Bogoni课题组，利用锁模激光器产生雷达发射信号和采集雷达接收信号【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 507(7492),341–345(2014).】；中国潘时龙和张方正课题组等借助微波光子倍频技术产生发射的宽带线性调频信号，并借助微波光子下变频技术来实现雷达发射信号与接收信号的混频【F.Zhang,Q.Guo,Z.Wang,P.Zhou,G.Zhang,J.Sun,and S.Pan,“Photonics-based broadband radarfor high-resolution and real-time inverse synthetic aperture imaging,”Opt.Express 25(14),16274-16281(2017).】。在通信方面，主要利用到的是微波光子混频技术，在发射端，利用微波光子上变频技术来实现调制，在接收端，利用微波光子下变频技术实现解调。然而，目前各类微波光子系统的射频收发部分往往不具有通用性，例如，微波光子通信系统的射频收发部分不能用于微波光子雷达系统中，反之亦然。此外，现有的微波光子系统的射频收发部分无法进行跳频，这也使得系统的安全可靠性被一定程度地限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子宽带射频收发方法及装置，在具有通用性的同时还可以方便地实现跳频。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子宽带射频收发方法，

在发射端，将单频光载波分为三路；利用第一路单频光载波生成与所述单频光载波具有一定频率差的一根光梳齿，同时将基带信号调制在第二路单频光载波上，生成电光调制信号，并将第三路单频光载波送至接收端；用光电探测器对所述光梳齿和电光调制信号进行拍频，并将拍频得到的调制微波信号通过发射天线发射；

在接收端，用接收天线所接收到的调制微波信号对第三路单频光载波进行光单边带调制，然后以所述光梳齿作为参考信号，对所得到的光单边带调制信号进行相干解调；所述光单边带调制信号与所述光梳齿的阶数符号相同。

进一步地，所述装置还包括：通过改变所述光梳齿与单频光载波之间的频率差来实现调制微波信号的跳频。

优选地，所述光梳齿通过以下方法生成：用光频梳调制器将单频微波信号调制于第一路单频光载波，生成光频梳，然后用光带通滤波器从中选择一根光梳齿。

优选地，用双平行马赫曾德尔调制器将基带信号调制在第二路单频光载波上。

优选地，所述相干解调的实现方法具体如下：将参考信号和光单边带调制信号分别输入光90度耦合器的两个输入端口，然后对光90度耦合器的两对正交输出分别进行平衡光电探测，最后通过对平衡光电探测的输出数据进行处理，得到所接收调制微波信号中有用信息的幅度和相位。

一种微波光子宽带射频收发装置，包括发射端和接收端，

所述发射端包括：

光载波单元，用于生成单频光载波并将其分为三路，其中第三路单频光载波送至接收端；光频梳产生与选择单元，用于利用第一路单频光载波生成与所述单频光载波具有一定频率差的一根光梳齿；

光载波调制单元，用于将基带信号调制在第二路单频光载波上，生成电光调制信号；拍频单元，用于用光电探测器对所述光梳齿和电光调制信号进行拍频，得到调制微波信号；

发射天线，用于发射所述调制微波信号；

所述接收端包括：

接收天线，用于接收所述调制微波信号；

单边带调制单元，用于用接收天线所接收到的调制微波信号对第三路单频光载波进行光单边带调制，得到与所述光梳齿的阶数符号相同的光单边带调制信号；

相干解调单元，用于以所述光梳齿作为参考信号，对所述光单边带调制信号进行相干解调。

进一步地，所述装置还包括：

跳频单元，用于通过改变所述光梳齿与单频光载波之间的频率差来实现调制微波信号的跳频。

优选地，所述光频梳产生与选择单元包括：

单频微波源，用于生成单频微波信号；

光频梳调制器，用于将所述单频微波信号调制于第一路单频光载波，生成光频梳；

光带通滤波器，用于从光频梳中选择一根光梳齿。

优选地，所述光载波调制单元为双平行马赫曾德尔调制器。

优选地，所述相干解调单元包括：

光90度耦合器，其两个输入端口分别连接参考信号和光单边带调制信号；

两个平衡光电探测器，用于对光90度耦合器的两对正交输出分别进行平衡光电探测；数据处理单元，用于对两个平衡光电探测器的输出数据进行处理，得到所接收调制微波信号中有用信息的幅度和相位。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明微波光子宽带射频收发装置具有良好的通用性，可广泛应用于微波光子通信系统、微波光子雷达系统等诸多微波光子系统中，具有很好的经济性；

本发明微波光子宽带射频收发装置利用与单频光载波具有一定频率差的单根光梳齿和单频光载波的基带调制信号进行拍频来得到载波频率等于所述频率差的调制微波信号，从而可方便地通过改变所述频率差来实现调制微波信号的基带跳频，这对于微波光子通信系统、微波光子雷达系统等诸多微波光子系统具有重要意义，可大幅提高系统的安全性、可靠性等性能。

附图说明

图1为本发明微波光子宽带射频收发装置的结构框图；

图2为本发明微波光子宽带射频收发装置一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术所存在的射频收发部分不具有通用性且难以实现跳频的不足，本发明提出了一种具有通用性且可方便地实现基带跳频的微波光子宽带射频收发装置，其基本原理为：在信号发射端，光载波由单波长激光器产生，一路光载波输入到光频梳产生与选择单元，得到和光载波具有一定频率差的一根光梳齿，一路光载波输入到光载波调制单元，用基带信号调制光载波，得到调制有基带信号的光载波；用光梳齿与调制有基带信号的光载波拍频，便可以得到调制微波信号，光梳齿与光载波的频率差即为该调制微波信号的载波频率，通过发射天线将该调制微波信号发射出去；在信号发射端，用所接收的调制微波信号单边带调制光载波信号，得到单边带调制光信号，将该光信号和光梳齿共同输入到相干解调单元，就可以得到接收信号所携带的信息。

具体而言，本发明微波光子宽带射频收发方法，

本发明微波光子宽带射频收发装置，包括发射端和接收端，

所述发射端包括：

发射天线，用于发射所述调制微波信号；

所述接收端包括：

接收天线，用于接收所述调制微波信号；

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明微波光子宽带射频收发装置包括激光器、第一光分束器、光频梳产生与边带选择单元、第二光分束器、光载波调制单元、光合束器、光电探测器、发射天线、接收天线、单边带调制单元、相干解调单元。其中，激光器用来产生单波长的光载波信号；第一光分束器用于将激光器产生的光载波信号分成三路，一路进入光频梳产生与边带选择单元，一路进入光载波调制单元，一路进入接收端的单边带调制单元；光频梳产生与边带选择单元用于产生光频梳并选择所产生光频梳的一个梳齿；第二光分束器将选择的光频梳的梳齿分成两路，一路进入光合束器，一路进入接收端的相干解调单元；光载波调制单元用于将基带信号调制到光载波上；光合束器用于将所述基带调制的光载波和选择的光频梳的梳齿合成一路；光电探测器用于将所述基带调制的光载波和选择的光频梳的梳齿拍频，产生微波调制信号；发射天线用于发射产生的微波调制信号；接收天线用于接收其它发射机发射的信号(通信)或本发射机发射信号的回波信号(雷达)；单边带调制单元用于将接收信号单边带调制到光载波上；相干解调单元用于解调接收信号，得到有用信息。

为了便于公众理解，下面以一个优选实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明：

如图2所示，本实施例微波光子宽带射频收发装置包括：激光器、第一光分束器、微波源、光频梳调制器、第一光带通滤波器、第二光分束器、双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)、光合束器、光电探测器、发射天线、接收天线、电光调制器、第二光带通滤波器、光90度耦合器、第一和第二平衡光电探测器、数据采集设备、计算机。

激光器产生连续的单波长光载波信号，设信号电场为：

其中，f_c为光载波信号的频率。

光载波信号被第一光分束器分为三路，其中一路进入光频梳调制器，在微波源的调制作用下，得到光频梳信号，即

其中，f_m为微波源输出微波信号的频率。光频梳调制器之后，用第一光带通滤波器选择其中的第m阶边带，即得到频率为f_c+mf_m的单频光信号，即

接着，第一光带通滤波器的输出经第二光分束器分为相同两路。

第一光分束器分出的第二路光载波输入到DPMZM，用基带信号(设为x(t))调制光载波【K.P.Ho and H.W.Cuei,“Generation of arbitrary quadrature signals usingone dual-drive modulator,”J.Lightw.Technol.,vol.23,no.2,pp.764–770,Feb.2005.】。则DPMZM的输出为：

DPMZM的输出与第二光分束器的其中一路输出在光合束器中相结合，并经过光电探测器拍频，得到：

从式(5)可以看出，待发射信号被调制到高频mf_m上，得到了已调制信号，该信号可以通过发射天线发射出去。

在接收端，假设接收到的信号为

接收信号在MZM中调制第一光分束器分出的第三路光载波，若MZM偏置在最小传输点，则MZM的输出为

接着，利用第二光带通滤波器选择其中一个边带，正负一阶边带的选择需要根据选择的光梳齿的阶数的正负确定，若光梳齿的阶数为正，则选择正一阶边带，若光梳齿的阶数为负，则选择负一阶边带。在此，我们以选择正一阶边带为例，则第二光带通滤波器的输出为

将第二光带通滤波器的输出信号与第二光分束器的输出共同输入到光90度耦合器，光90度耦合器的四路输出分别为

接着，将光90度耦合器的第一和第二路的输出输入到第一平衡光电探测器，得到

v₁(t)∝|E₆₁(t)|²-|E₆₂(t)|²＝4|r(t)|cos[arg(r(t))] (10)

同理，将光90度耦合器的第三和第四路的输出输入到第二平衡光电探测器，得到

v₂(t)∝|E₆₃(t)|²-|E₆₄(t)|²＝4|r(t)|sin[arg(r(t))] (11)

接着，利用数据采集设备采集第一和第二平衡光电探测器的输出，并在计算机中做以下处理：

上式表明，经过本发明所述接收端，得到了接收信号中有用信息的幅度和相位，即完成了对接收信号的解调。