CN110061781B - 使用光频梳的射频光子光谱仪的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用光频梳的射频(RF)光子光谱仪的方法和设备。一种射频(RF)光子光谱仪可包含激光器和接收器分支，所述接收器分支包含光学联接到所述激光器且配置成基于射频(RF)输入信号而调制激光的光调制器和光学联接到所述光调制器的光带通滤波器。所述光谱仪还可包含光梳分支，所述光梳分支光学联接到所述激光器且各自包含联接到相应RF参考信号的频率梳发生器，其中所述RF参考信号具有与其相关联的不同频率。此外，输出级可配置成基于所述接收器分支和所述光梳分支的输出而确定所述RF输入信号的频率。

Description

使用光频梳的射频光子光谱仪的方法和设备
技术领域
本发明涉及通信系统，且更具体地说，涉及电光通信装置和相关方法。
背景技术
模拟信号处理是例如卫星系统的许多现代通信系统的重要部分。从天线接收到的信号可包含数字或模拟信息，并且它最终可以数字方式进行处理，但是除非信号可以直接数字化(随着信号频率的增加，这一前景愈发具有挑战性)，否则可能需要处理一定量的模拟信号。这可包含放大、滤波、在一定距离上传输、到多个接收器/传输器的分布及上变频或下变频的变频。RF和微波组件极其成熟，且已经针对这些处理功能展示基线性能水平。对于容量的要求以及电磁波谱的更广泛用途和拥塞增加了模拟系统的复杂度、成本和性能要求。因为希望具有更高性能水平和更高载波频率，特别是在频谱的毫米波部分中，所以可能需要新方法来迎接挑战。光子在这方面提供了某些优点：带宽；大小、重量和功率(SWaP)；线性度；频率捷变；以及为模拟信号处理提供可重新配置的基础设施。
光子系统可以覆盖宽频率范围和瞬时带宽(IBW)，其中频率范围扩展到毫米波，且IBW大至4GHz或更多。光纤提供耗损极低的传输介质，不管它携载的模拟频率是多少，耗损都约为0.2dB/km。波分复用还可通过允许多个信号共享相同路径来扩展带宽。
在宽频率范围内快速调谐系统的能力开放了可用频谱，从而实现频率捷变系统。光子系统的频率范围通常由电光调制器或光电检测器设定。对于这些组件中的每一个，存在商用现货(COTS)装置，从而很好地扩展到频谱的毫米波区域。调谐激光器或光带通滤波器的波长可以在这些组件的范围内提供对频谱的任何部分的快速接入。
光子系统的宽带宽和大频率范围可提供灵活的高频骨干，这种骨干可以适用于不断变化的任务。此类可重新配置的系统可以实现灵活的架构，降低拥有成本，并且能够适应不断变化的环境。关于光子变频系统的其它背景细节可以查询Middleton等人的《用于管理模拟信号的可重新配置的自适应捷变光子系统(An Adaptive,Agile,ReconfigurablePhotonic System for Managing Analog Signals)》，Harris Corporation白皮书，2014年9月10日，其特此以全文引用的方式并入本文中。
尽管此类光子系统具有这些优点，但是下一代数字接收器可能会在越来越宽的频率范围内操作，并且需要相对较高的截取机率。因此，可能需要进一步改进与数字接收器一起使用的信号识别系统，这种系统可以使用此类宽带操作，同时还具有期望的速度、精确度、成本和SWaP。
发明内容
射频(RF)光子光谱仪可包含激光器和接收器分支，所述接收器分支包含光学联接到激光器且配置成基于射频(RF)输入信号而调制激光的光调制器和光学联接到光调制器的光带通滤波器。光谱仪还可包含多个光梳分支，所述多个光梳分支光学联接到激光器且各自包含联接到相应RF参考信号的频率梳发生器，其中RF参考信号具有与其相关联的不同频率。此外，输出级可配置成基于接收器分支和多个光梳分支的输出而确定RF输入信号的频率。
更具体地说，多个光梳分支可包含三个光梳分支。接收器分支还可包含联接到光带通滤波器的声光调制器和具有与其它RF参考信号频率不同的频率的相应RF参考信号。另外，RF光子光谱仪还可包含联接在输出级和接收器分支与多个光梳分支的输出之间的相应光电检测器。根据一个实例实施方案，输出级可包含联接到接收器分支和多个光梳分支的输出的模/数转换器(ADC)，和联接到ADC的数字信号处理器(DSP)。
举例来说，光调制器可为马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator)。还举例来说，光带通滤波器可包含光纤布拉格光栅。另外，在一个实例实施方案中，激光器可为持续波激光器。并且，光子光谱仪还可包含光子芯片基板，并且接收器分支、多个光梳分支和输出级可在所述光子芯片基板上。
相关RF接收器可包含：RF光子光谱仪，例如上文简单描述的那个，其联接到RF天线；以及编码器，其联接到输出级以基于所确定的RF输入信号的频率和时间特性而生成脉冲描述字(PDW)。相关方法是用于确定RF信号的频率，并且可包含使用光调制器基于射频(RF)输入信号调制来自激光器的光，以及使用光学联接到光调制器的光带通滤波器对所调制的光进行滤波。方法还可包含使用多个频率梳发生器基于激光器和相应RF参考信号来生成输出，其中RF参考信号具有与其相关联的不同频率，以及基于光带通滤波器和频率梳发生器的输出而确定和输出RF输入信号的频率。
附图说明
图1是根据实例实施例的通信系统的示意性框图，其包含具有RF光子光谱仪的射频(RF)接收器。
图2是可用于图1的接收器的实例RF光子光谱仪的示意性框图。
图3A和3B是与图2的RF光子光谱仪系统相关联的光学和电学光谱图。
图4-5是外差拍频与信号频率的对比图，其说明利用图2的RF光子光谱仪确定输入信号频率的方法。
图6是根据另一实例实施例的可用于图1的接收器的RF光子光谱仪的示意性框图。
图7A和7B是与图6的RF光子光谱仪系统相关联的光学和电学光谱图。
图8是外差拍频与信号频率的对比图，其说明利用图6的RF光子光谱仪确定输入信号频率的方法。
图9是说明与图1的系统相关联的方法方面的流程图。
具体实施方式
参考附图进行当前描述，在附图中展示示范性实施例。但是，可使用许多不同实施例，且因此描述不应被解释为限于在本文中阐述的特定实施例。实际上，提供这些实施例以使得本公开将是彻底且完整的。贯穿附图相同数字指代相同元件，且在不同实施例中加撇标号用于指示类似元件。
借助于背景知识，如上文所提到，随着技术的进步，数字接收器的任务可为覆盖越来越宽的带宽。但是，在许多应用中，这可能需要快速识别传入信号的频率，这在如此宽广的频谱中可能特别具有挑战性。更具体地说，如果没有在竖直分辨率方面做出显著牺牲，典型的模/数转换器(ADC)不会具有扩展超过数吉兆赫的操作范围。由于SWaP和噪声指数增加，所以例如使输入信道化的其它方法可能也是有问题的。本公开大体上涉及RF光子光谱仪配置，其可有利地用于提供快速RF信号辨识，同时具有期望的分辨率和SWaP。
现在转向图1，实例通信系统30说明性地包含配置成接收RF输入信号的宽带射频(RF)天线31和联接到天线的数字RF接收器32。举例来说，RF输入信号可为语音信号、雷达信号、毫米波(mmW)信号等。数字RF接收器32说明性地包含具有可以有利地确定RF输入信号的频率的光梳分支的RF光子光谱仪33，以及编码器34。编码器34可以脉冲描述字(PDW)格式输出所确定的频率以及其它关于RF输入信号的信息，如下文将进一步论述的。
另外参考图2，现在描述第一实例RF光子光谱仪33的实施例。在所说明实例中，光谱仪33包含激光器35，例如持续波(CW)激光器。根据一个实例实施方案，CW激光器可具有1550nm波长，但是在不同实施例中可以使用其它波长。
光谱仪33还说明性地包含接收器分支36，所述接收器分支36包含光学联接到激光器35且配置成基于来自天线31的RF输入信号而调制激光的光调制器37和光学联接到光调制器的光带通滤波器(OBPF)38。举例来说，光调制器37可为马赫曾德尔调制器(MZM)，而光带通滤波器38可包含具有相关联的环行器的光纤布拉格光栅(FBG)，但是在不同实施例中可以使用其它合适的组件。接收器分支36还说明性地包含联接到光带通滤波器38的输出的声光调制器(AOM)39和具有频率f0的相应RF参考信号。
光谱仪33还说明性地包含光学联接到激光器35的多个光梳分支40a、40b。更具体地说，每一光梳分支40a、40b说明性地包含相应的频率梳发生器41a、41b，所述频率梳发生器41a、41b联接到激光器35的输出以及具有频率f1、f2的相应RF参考信号。RF参考信号频率f0、f1、f2彼此不同。此外，输出级42说明性地分别通过光电检测器43a、43b联接到接收器分支36和光梳分支40a、40b。一般来说，输出级42可包含模/数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)，所述模/数转换器和数字信号处理器配置成基于接收器分支36和光梳分支40a、40b的输出来确定RF输入信号的频率，以及执行例如包络检测的其它功能，这将在下文进行进一步论述。
光谱仪33的操作还将参考图3A、3B的光谱图50、51来理解。宽带(例如，1-40千兆赫)天线31接收具有未知频率(fsig)的信号。此信号通过单个频率激光器35的电光调制而上变频到光频率，从而使得光学边带从激光载波(νcw)偏移信号频率fsig。OBPF 38抑制一个调制边带，且AOM 39添加其余边带的频移副本以便促进后端数字信号处理期间的频率消歧。来自激光器35的相同光被发送到FCG 41a、41b，它们分别产生围绕激光载波vcw的等间隔光学或电学模式52、53的格栅。
光梳分支40a、40b的模式间距(f1和f2)略微失谐，使得模式彼此“离散”，从而有效地形成光学游标卡尺。例如，模式间距可以由RF振荡器控制。接着，上变频信号分别与FCG41a、41b的输出单独组合(如光学和电学光谱图50、51中所示)，并进行光电检测。在光电检测器43a、43b处，信号边带与最接近的梳状线(以及其它梳状线，但是在本文中为简单起见将其忽略)混合，以在它们的差频(fb1和fb2)下产生电学外差差拍，如图51中所见。这些低频差拍可以利用现成的ADC进行数字化，并进行测量和比较，以便清楚地识别输入信号频率。
基于光谱仪33的频率消歧还将参考图4的图式60A、60B和图5的图式70来理解。在图式60A中，由每个梳(fb1和fb2)产生的外差拍频被说明为信号频率(fsig)的函数。出于清楚起见，在图式60B中突出显示并扩展了这一图案的一个周期(由框61表示)。此处可以看出，将考虑两个不同的区域，在这两个区域中，曲线要么具有相同的斜率符号(均为正或均为负)，要么具有不同的斜率符号(一个为正，一个为负)。外差差频在斜率符号相同的区域内将具有恒定差，且在斜率符号不同的区域内将具有恒定总和。在图3A的光学光谱中，具有恒定差的区域对应于信号边带在两个梳的最接近梳状线的相同侧面上。具有恒定总和的区域对应于信号边带在一个梳的最接近梳状线上方且在第二梳的最接近梳状线下方。
可以利用对信号频率所处区域的了解来确定信号频率。为了识别各个外差差拍是处于正斜率还是处于负斜率，可以在观察外差频率中频率改变的对应符号时抖动梳状参数，但是此方法可能会增加光谱仪的时延。替代地，信号的频移副本，例如由图2中的AOM生成的信号的频移副本，将在外差光谱(图3B中紧靠着fb1和fb2的边带)中产生导频音，其相对于主要外差差拍fb1和fb2的位置将指示斜率符号。这在图5的图70中可以清楚地观察到，其中主要外差差频fb1和fb2由圆形标记，且由三角形指示的导频音在较高频率下出现，从而表示fb1和fb2均处于正斜率上，且信号处于具有恒定差的区域中。
一旦确定信号位于具有恒定差或恒定总和的区域中，就通过计算产生外差差拍的光梳线的索引号N来执行频率检索。在具有恒定差的区域中，这由下式定义：
Figure BDA0001925765780000071
接着，如下计算信号频率：
fsig＝N·f2±fb2
其中fb2是加上还是减去取决于如上文所描述的斜率的符号。在具有恒定总和的区域中，信号频率被计算为：
Figure BDA0001925765780000072
fsig＝N·f1±fb1
可以利用此系统测量的最大信号频率由上变频转换MZM 37的操作带宽确定，所述操作带宽在本实例中是40GHz，但是还可使用其它更快速度的调制器。测量频率分辨率由记录长度(测量较长时间内的信号以便进行更好的分辨)设定。低时延数字信号处理使得能够在整个40GHz(或其它)测量带宽上进行实时频谱监测。此外，此方法能够同时测量多个输入频率。
转向图6，现在描述RF光子光谱仪33'的另一实例实施例。类似于上文所描述的光谱仪33，光谱仪33'说明性地包含接收器分支36'，所述接收器分支36'包含光学联接到激光器35(例如，CW激光器)的输出的光调制器37'(例如，MZM)和光学联接到光调制器的OBPF38'。然而，在此配置中，接收器分支36'不包含AOM。相反地，除了分别包含FCG 41a'、41b'的光梳分支40a'、40b'之外，光谱仪33'还说明性地包含第三光梳分支40c'FCG 41c'，其中所有FCG都联接到激光器35的输出和具有不同频率f1、f2、f3的相应RF参考信号。此外，输出级42'通过光电检测器43a'联接到接收器分支36和光梳分支40a'，通过光电检测器43b'联接到接收器分支和光梳分支40b'，并且通过光电检测器43c'联接到接收器分支和光梳分支40c'。
这一“三梳”光谱仪33'通过外差下变频利用失谐的光频梳分支40a'-40c'以及对数字化的结果基带信号进行分析来表征所关注的RF信号。更具体地说，第三梳状分支40c'的引入消除了用于上文关于图2所描述的实施例的AOM 39的需要，从而使得系统更适合在芯片上进行光子集成。也就是说，所属领域的技术人员应理解，激光器35'、接收器分支36'、多个光梳分支40a'-40c'和输出级42'可以全部集成在光子芯片基板45'上，如所说明实例中所见。
此外，接收器信道36'有效实施脉冲包络检测器，使得输出级42'可以识别RF信号的时间特性并实现简化的PDW提取以供编码器34(图1)输出。举例来说，除了所确定的RF输入信号的频率之外，由编码器34输出的PDW信息还可包含：到达时间(TOA)；出发时间(TOD)；脉宽(PW)；脉冲幅度(PA)；以及脉冲重复间隔(PRI)。关于PDW的其它信息可查询Lakshmi等人的《雷达警告接收器中的射频和脉冲参数的检测和提取(Detection and Extraction ofRadio Frequency and Pulse Parameters in Radar Warning Receivers)》，计算、信息、通信和应用新兴研究国际会议记录，2013年，其特此以全文引用的方式并入本文中。
光谱仪33'的其它优点在于相对于在图3B中的那些，它可以简化如图7B中的电学光谱图式51中所见的外差光谱，从而使得后端DSP可以极其容易地识别主要外差差频。此外，它还可以扩展不模糊范围，并增加对不方便信号频率(例如，梳的频率间距的整数和半整数谐波)的鲁棒性。另外，它还能够使傅里叶分析与特定脉冲时间同步。
图8的图式70'描绘随信号频率而变的每个梳的外差差频。与图5中不同，不需要导频音确定斜率符号。相反地，通过利用两对梳执行消歧并比较结果以找到共享的正确值来解决模糊性。确切地说，使用来自梳1和2的外差频率来计算具有恒定差的区域和具有恒定总和的区域的可能梳状线索引，如下：
Figure BDA0001925765780000091
Figure BDA0001925765780000092
接着，使用来自梳2和3的外差频率来计算可能梳状线索引，如下：
Figure BDA0001925765780000093
Figure BDA0001925765780000094
然后，因为这两对梳必须产生相同的检索信号频率，所以梳状线索引N的正确值由下式给出：
N＝mode{Np，21，Nm，21，Np，32，Nm，32}
最后，信号频率被计算为：
fsig＝N·f2+signum(fb1-fb3)·fb2
其中比较fb1和fb3的相对量值以确定是加上还是减去fb2。
现在参考图9的流程图100描述相关方法方面。开始于框101处，方法可包含在框102处，使用光调制器37、37'基于RF输入信号(例如，来自天线31、31')调制来自激光器35、35'的光，并使用光学联接到光调制器的光带通滤波器38、38'对所调制的光进行滤波。方法还可包含在框103处，使用分别联接到相应RF参考信号的多个频率梳发生器41a-41b、41a'-41c'从激光器35、35'生成信号输出，其中RF参考信号具有与其相关联的不同频率f1-f3。方法还可包含在框104处，基于光带通滤波器38、38'和频率梳发生器41a-41b、41a'-41c'的输出，确定并输出在输出级42、42'处的RF输入信号的频率，框104说明性地结束图9的方法(框105)。基于以上描述应了解其它方法方面。
上文描述的光谱仪33、33'可有利地用于为数字接收器提供模拟前端，其共同实施用于进行准确、宽带且和高速的下变频、频率估计和PDW提取的功能性。更具体地说，这可实现相对较宽的测量带宽(例如，>40GHz)；与模拟前端相关联的超低时延(例如，<10ns)及受数字后端获取时间和简单DSP限制的总体系统时延(约1μs)；时间带宽有限的频率分辨率(例如，1μs记录的1MHz分辨率)；不同于常规瞬时频率测量系统(IFM)的独立于信号频率的频率敏感度；不同于常规IFM的独立于信号功率水平的频率敏感度；能够表征多个同时输入信号；与低SWaP的芯片级集成兼容；使用光学希尔伯特变换的简化PDW提取；以及能够使用低速(约500MHz)检测和数字化电子器件。
RF光子光谱仪33、33'还可有利地用于频谱检测，如应用于5G和物联网(IoT)应用。一般来说，未来5G移动和无线通信可能需要集成新的无线电概念，例如大规模MIMO、超密集网络、移动网络、直接装置到装置通信、超可靠通信、大规模机器通信等。新频谱频带的利用将支持预期的移动数据量的大幅增长，同时拓宽移动通信未来可以支持的应用领域范围。
此外，IoT网络的远程、大规模部署可能对频谱的影响最大，其中5G是用于未来高数据速率、高频光纤/无线网络汇聚的实际技术。在更广泛的范围内，监测是一种提供关于频谱相对于它的预期使用的总体健康状况的信息的工具。在更局部的水平上，监测可用作一种对局部问题进行故障检修或(通过对各个位置进行采样)获得关于频谱健康状况的更详细信息的工具。此外，出于带宽和避免拥塞的目的，5G需要前进到更高的载波频率。
实施本文中阐述的RF光子光谱仪的接收器可有利地提供在高频下操作的超密集网络部署所需的动态频谱接入。此外，它们还可为用于支持此类高移动性应用的自主和网络辅助的装置到装置通信提供频谱管理工具。
在受益于在前述描述和相关联图式中呈现的教示内容的情况下，所属领域的技术人员可以想到许多修改和其它实施例。因此应理解，本公开不限于所公开的具体实施例，且其它修改和实施例意图包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种射频RF光子光谱仪，包括：
激光器；
接收器分支，其包括光学联接到所述激光器且配置成基于射频RF输入信号而调制激光的光调制器和光学联接到所述光调制器的光带通滤波器；
多个光梳分支，其光学联接到所述激光器且各自包括联接到相应RF参考信号的频率梳发生器，所述相应RF参考信号具有与其它RF参考信号相关联的不同频率；以及
输出级，其配置成基于将所述接收器分支的输出分别与所述多个光梳分支的输出进行混合而确定所述RF输入信号的频率；
其中所述接收器分支还包括联接到所述光带通滤波器的声光调制器AOM，且所述AOM联接到具有与其它RF参考信号频率不同的频率的相应RF参考信号，
其中所述多个光梳分支包括两个光梳分支；
其特征在于：
所述RF光子光谱仪包括联接在所述输出级与所述接收器分支和所述多个光梳分支的输出之间的、在将所述接收器分支的输出分别与所述多个光梳分支的输出进行混合后接入的相应光电检测器。
2.一种射频RF光子光谱仪，包括：
激光器；
接收器分支，其包括光学联接到所述激光器且配置成基于射频RF输入信号而调制激光的光调制器和光学联接到所述光调制器的光带通滤波器；
多个光梳分支，其光学联接到所述激光器，且各自包括联接到相应RF参考信号的频率梳发生器，所述相应RF参考信号具有与其它RF参考信号相关联的不同频率；以及
输出级，其配置成基于将所述接收器分支的输出分别与所述多个光梳分支的输出进行混合而确定所述RF输入信号的频率；
其中所述多个光梳分支包括三个光梳分支，
其特征在于：
所述RF光子光谱仪包括联接在所述输出级与所述接收器分支和所述多个光梳分支的输出之间的、在将所述接收器分支的输出分别与所述多个光梳分支的输出进行混合后接入的相应光电检测器。
3.根据权利要求1或2所述的RF光子光谱仪，其中所述输出级包括联接到所述接收器分支和所述多个光梳分支的所述输出的模/数转换器ADC，和联接到所述ADC的数字信号处理器DSP。
4.一种确定射频RF信号的频率的方法，包括：
使用光调制器基于射频RF输入信号调制来自激光器的光，并使用光学联接到所述光调制器的光带通滤波器对所调制的光进行滤波；
使用多个频率梳发生器以基于来自所述激光器的光和相应RF参考信号来生成输出，所述相应RF参考信号具有与其它RF参考信号相关联的不同频率，其中所述多个频率梳发生器生成两个光梳分支；
基于具有与其它RF参考信号频率不同的频率的相应RF参考信号，使用声光调制器调制所述光带通滤波器的输出；以及
基于将所述声光调制器的输出分别与所述频率梳发生器的输出进行混合，确定并输出所述RF输入信号的频率；
其中所述方法的特征在于：
在将所述声光调制器的输出分别与所述两个光梳分支的输出进行混合后，接入相应光电检测器。
5.一种确定射频RF信号的频率的方法，包括：
使用光调制器基于射频RF输入信号调制来自激光器的光，并使用光学联接到所述光调制器的光带通滤波器对所调制的光进行滤波；
使用多个频率梳发生器以基于来自所述激光器的光和相应RF参考信号来生成输出，所述相应RF参考信号具有与其它RF参考信号相关联的不同频率，其中所述多个频率梳发生器生成三个光梳分支；以及
基于将所述光带通滤波器的输出分别与所述频率梳发生器的输出进行混合，确定并输出所述RF输入信号的频率；
其中所述方法的特征在于：
在将所述光带通滤波器的输出分别与所述三个光梳分支的输出进行混合后，接入相应光电检测器。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括使用编码器以基于所确定的所述RF输入信号的频率而生成脉冲描述字PDW。
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