CN110149151B - 一种微波信号的二次变频光正交解调方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波信号的二次变频光正交解调方法及系统，属于微波信号处理领域，包括以下步骤：S1：输入高频本振信号，利用调制器将本振信号加载到光载波上；S2：产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；S3：将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，实现微波信号的零中频光正交解调。本发明利用二次变频的思想，将低频段的微波信号处理也搬移到高频段，即通过两级调制器进行光混频来产生覆盖低频段与高频段的宽带本振光信号，以此来实现微波信号的零中频光正交解调，可以很方便的覆盖全频段微波信号的正交解调，而且可以减小宽带信号光正交解调方案中对光信号处理的要求。

Description

一种微波信号的二次变频光正交解调方法及系统
技术领域
本发明涉及微波信号处理领域，具体涉及一种微波信号的二次变频光正交解调方法及系统。
背景技术
随着电子信息技术的发展，信号频带越来越宽。同时，为简化系统设计，希望对各频段信号进行统一的中频数字信号处理。宽带接收机作为获取信息的前端设备，其需求越来越强烈，对其技术指标和环境适应性要求也越来越高，可以说接收机的性能对信息获取起着非常重要作用。
传统的基于纯微波的方式实现超宽带的射频信号收发，受限于变频器、ADC、DAC等器件性能的限制，需要采用分段多次变频或分段模拟正交调制解调的方式实现，其缺点是模拟收发通道比较复杂，频带内指标不易保证。
结合微波光子技术，采用光变频正交调制解调，将微波的模拟调制解调通过光子技术实现，可利用光信息处理带宽较大的优势实现超宽带的正交调制解调，对于雷达等涉及宽带微波信号处理的系统具有重要意义。
目前，微波光子学方向，关于微波信号光正交解调的研究，主流的解决方案是利用90°光混频器实现信号的正交解调，其原理为：加载射频信号的信号光场与加载本振信号的本振光场从两个输入端口进入90°光混频器；通过两个耦合器，将信号光和本振光分别分为两路，在其中一路信号光场上额外引入90°的相移；将得到的两路正交的信号光与两路本振光分别通过两个耦合器进行混频，耦合器输出的光信号通过光电探测器并转为两路正交的射频信号输出。
除90°光混频器外，还可通过光延迟线实现微波信号的正交解调，其实现原理如下：
本振信号与射频信号通过电光调制器依次加载到光载波上进行混频；PD将混频后的光信号转为电信号，当本振信号频率与射频信号中心频率相等时，可实现零中频输出；在Q路上通过光延迟线，实现光载波上的本振信号90°相移，与射频信号混频，实现与I路正交的零中频输出。
上面介绍的两种宽带射频信号光正交解调方案：基于90°光混频器的单边带载波抑制方案，以及基于光延迟线的正交光子下变频方案，两种实现方式在面对宽带射频信号处理时均存在困难。两种方案的难点均在于要求光正交解调系统同时具有处理高频与低频信号的能力。
对于基于90°光混频器的正交解调方案，一般需通过单边带调制抑制混频杂散信号。如果通过滤波器实现单边带载波抑制调制，则处理的信号频段受限于光滤波器的带宽，由于激光器的中心波长漂移以及滤波器中心波长的精度通常在5GHz以上，因而难以通过光滤波的方式实现低频段的单边带载波抑制调制。如通过IQ调制器实现单边带载波抑制调制，由于IQ调制器要求输入的两路射频信号具有90°相位差，通过射频电路实现宽带信号精确的90°相位差难度很大，而当IQ调制器输入的两路射频信号正交度下降时，调制器的单边带载波抑制效果也相应降低，杂散干扰增大。
对于基于光延迟线的正交光子下变频方案，需要通过光延迟线实现本振信号的90°移相。如本振信号覆盖频率从0.8GHz到40GHz，则要求光延迟线具有6.25～312.5ps的延迟范围，同时欲实现<±1.8°的相位平衡度，则需要延迟线具有0.125ps的步进精度，这种光延迟线指标的技术实现非常困难。通过步进电机以机械方式实现会导致延迟调节速度极慢，通过光开关的方式实现则导致光插损极大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何更方便地实现宽带微波信号的光正交解调，提供了一种微波信号的二次变频光正交解调方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：输入高频本振信号，利用调制器将本振信号加载到光载波上；
S2：产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
S3：将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，实现微波信号的零中频光正交解调。
优选的，所述步骤S2包括以下步骤：
S211：输入高频本振信号后，在第一级调制器之后分为两路，一路高频本振光信号通过光延迟线引入光载微波信号的90°相移，另外一路高频本振光信号暂不做处理；
S212：S211中的两路高频本振光信号再分别通过第二级调制器进行光混频，产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号。
优选的，所述步骤S3包括以下步骤：
S311：将S212中所得的两路正交的本振光信号通过第三级调制器与第三级调制器上加载的射频信号进行光混频；
S312：输出的光场经光电探测器转换为电信号，即可获得两路正交的零中频电信号，即实现了微波信号的零中频光正交解调工作。
优选的，所述步骤312中，光电探测器为双平衡探测器，用于抑制直流分量和共模噪声。
优选的，所述步骤S2包括以下步骤：
S221：输入激光光源信号，激光光源信号在耦合器的作用下被分成两条支路；
S222：在上支路中的光信号经过第一级与第二级调制器之后，加入光滤波器产生能覆盖低频段与高频段的单边带调制的本振光信号，下支路的光信号通过调制器加载射频信号。
优选的，所述步骤S3包括以下步骤：
S321：将S222中所得的单边带调制的本振光信号与射频信号调制所得的光信号通过90°光混频器进行混频；
S322：混频后即可获得两路正交的零中频光信号，实现了微波信号的光正交解调。
一种微波信号的二次变频光正交解调系统，包括：
分路模块，用于将输入的高频本振信号分为两路；
第一本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第一本振上，产生第一本振光信号；
第二本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第二本振上，产生第二本振光信号；
拍频本振光模块，用于产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
混频模块，用于将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，从而实现微波信号的零中频光正交解调；
所述分路模块、第一本振光模块、第二本振光模块、拍频本振光模块均与混频模块电连接。
本发明相比现有技术具有以下优点：该微波信号的二次变频光正交解调方法，利用了二次变频的思想，将低频段的微波信号处理也搬移到高频段，即通过两级调制器进行光混频来产生覆盖低频段与高频段的宽带本振光信号，以此来实现微波信号的零中频光正交解调，可以很方便的覆盖全频段微波信号的正交解调，而且可以减小宽带信号光正交解调方案中对光信号处理的要求。
附图说明
图1是本发明的流程示意框图；
图2是本发明的实施例一的流程示意图；
图3是本发明的实施例二的流程示意图；
图4是本发明的实施例一中采用双波长光源波分复用方式优化的流程示意图。
图中：1、第一级调制器；2、耦合器；3、光延迟线；4、第二级调制器；5、第三级调制器；6、光电探测器；7、90°光混频器；8、第一光滤波器；9、第二光滤波器；10、激光器；11、波分复用器；12、第一级马赫增德尔调制器；13、第二级马赫增德尔调制器；14、第三级马赫增德尔调制器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种微波信号的二次变频光正交解调方法，包括以下步骤：
S1：输入高频本振信号，利用调制器将本振信号加载到光载波上；
S2：产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
S3：将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，实现微波信号的零中频光正交解调。
如图2所示，更进一步地，一种微波信号的二次变频光正交解调方法具体为基于光延迟线的二次变频光正交调制解调方法。
在基于光延迟线的二次变频光正交调制解调方法中，光正交解调系统输入光场为：E＝E0exp(jω0t)，第一级调制器1与第二级调制器4用于拍频本振光信号产生，耦合器2用于将光信号分成两路，其中一路加入光延迟线3，使得所产生的本振光信号与另外一路存在90°的相位差。所得的两路正交的本振光再通过第三级调制器5与其上加载的射频信号进行光混频，输出的光场经光电探测器6转换为电信号，即可获得两路正交的零中频电信号。其中，光电探测器6可选择使用双平衡探测器以抑制直流分量和共模噪声。
对于拍频本振光信号产生过程，第一级调制器1与第二级调制器4可采用正交偏置点模式工作也可采用零偏置点模式工作。
以正交偏置点工作模式为例：
I路两级调制后产生的两路本振信号的差频分量为：
Figure BDA0002023373090000041
Q路相比于I路，对加载LO1本振信号的光场引入传输延迟，经两级本振调制后所得的差频分量为：
Figure BDA0002023373090000042
上式中，P0为光场强度，Vπ为调制器的半波电压(方便起见，假设加载本振信号的两个调制器半波电压相同)。VLO1为输入的一本振信号幅度，ωLO1为一本振信号角频率。VLO2为输入的二本振信号幅度，ωLO2为二本振信号角频率。一本振信号表达式为：vLO1＝VLO1sin(ωLO1t)，二本振信号表达式为：vLO2＝VLO2sin(ωLO2t)。T为Q路光链路中光延迟线引入的额外的传输延迟。
当ωLO1T＝π/2时，Q路与I路的本振信号相互正交。两路正交的本振信号再分别通过第三级调制器5与射频信号相混频，即可解调出两路正交的零中频信号。
以L01＝20GHz为例，基于光延迟线的二次变频光正交解调方法仅需控制Q路相比于I路的光传输延迟差固定为12.5ps，而不必如现有基于光延迟线的正交解调方案中随信号中心频率的变化而频繁调节。所得正交信号的相位不平衡取决于传输延迟差相对于12.5ps的漂移量，其实现难度远小于基于光延迟线直接下变频的正交解调方法。
对于拍频本振光信号产生过程，第一级调制器1与第二级调制器4也可采用零偏置点模式工作。此时，第一级调制器1与第二级调制器4输出的信号频率为加载的微波信号频率的两倍，第一级调制器1与第二级调制器4上输入的本振信号满足LO2＝LO1+fLO/2，LO1、LO2、fLO分别指代一本阵、二本振及最终实际需要的本振信号的频率。采用零偏置点模式工作，可获得较高的一本振频率，从而降低调制所产生的高阶杂散信号的干扰；同时也可抑制直流光载波的强度，通过引入光放可获得更高的变频效率。
上述基于光延迟线的二次变频光正交解调方法，其光路结构也同样可用于实现光正交调制。只需将方法中输入的两路射频信号替换为两路正交的零中频信号，将光电探测器6转换出的电信号合为一束输出，即可实现正交调制。正交调制方法同样可选择将第三级调制器5输出的光信号合为一束后通过一个光电探测器6转换为电信号输出。
如图4所示，上述基于光延迟线的二次变频光正交解调方法，其光路结构也可通过双波长光源波分复用的方式进行优化，减少所需使用的调制器数量。
两种波长的激光器10通过波分复用器11合为一路后，通过第一级马赫增德尔调制器12加载一本振信号L01；以第一级马赫增德尔调制器12将加载L01信号的两种波长的光场分开，通过光延迟线3调节两路光场中的一本振信号L01的相位差，使其相差90°；加载存在90°相位差的一本振信号的两路光场再通过波分复用器11合为一路后进入第二级马赫增德尔调制器13，与输入的二本振信号混频LO2，形成所需要的拍频本振光信号。第二级马赫增德尔调制器13输出的拍频本振光信号再进入第三级马赫增德尔调制器14与射频信号RF混频，得到中频信号。两路不同波长的光信号再通过波分复用器11分离后，通过光电探测器6转为电信号，得到正交的I路与Q路信号。
该方案通过使用双波长光波分复用，使得二本振与射频信号均只需通过一个马赫增德尔调制器实现同时对I、Q两路信号的调制，结构更简单成本更低。
本实施例还提供了一种微波信号的二次变频光正交解调系统，包括：
分路模块，用于将输入的高频本振信号分为两路；
第一本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第一本振上，产生第一本振光信号；
第二本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第二本振上，产生第二本振光信号；
拍频本振光模块，用于产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
混频模块，用于将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，从而实现微波信号的零中频光正交解调；
所述分路模块、第一本振光模块、第二本振光模块、拍频本振光模块均与混频模块电连接。
实施例二
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种微波信号的二次变频光正交解调方法，包括以下步骤：
S1：输入高频本振信号，利用调制器将本振信号加载到光载波上；
S2：产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
S3：将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，实现微波信号的零中频光正交解调。
如图3所示，更进一步地，一种微波信号的二次变频光正交解调方法具体为基于90°光混频器的二次变频光正交解调方法。
在基于90°光混频器的二次变频光正交解调方法中，以20GHz为一本振频率为例，以90°光混频器7为正交解调器件，通过两个光滤波器实现单边带调制的光正交解调过程如下：
激光光源经3dB耦合器2分为两路，上支路经20GHz调制产生一本振光信号；
通过第一光滤波器8滤出负一阶调制边带(ω0-20GHz)后(此处以负一阶边带为例，实际也可选择滤出正一阶边带)，作为光源输入第二调制器4，ω0为光载波频率；
经20GHz+LO调制产生拍频本振光信号；
通过第二光滤波器9滤出正一阶调制边带(ω0+LO)；
上支路得到的本振光与射频信号调制所得光信号一起进入90°光混频器7。
通过电滤波器滤去高阶干扰项，得到的零中频电信号为：
I路：
Figure BDA0002023373090000071
Q路：
Figure BDA0002023373090000072
上式中，η为光电探测器的光电转换效率，Esig与ELO分别指输入90°光混频器的射频信号光场与本振信号光场，
Figure BDA0002023373090000073
指本振信号光场的复共轭，
Figure BDA0002023373090000074
指取光场Esig与
Figure BDA0002023373090000075
乘积的实部，
Figure BDA0002023373090000076
指取光场Esig与
Figure BDA0002023373090000077
乘积的虚部。E0与E1分别指上述射频信号光场与本振信号光场的幅度，Vπ为调制器的半波电压，Vrf为调制器上加载的射频信号的幅度调制，
Figure BDA0002023373090000078
为调制器上加载的射频信号的相位调制。
Figure BDA0002023373090000079
为调制器上加载的射频信号的表达式，ωrf为信号的角频率，vLO＝VLOsin(ωLOt)为二次光变频得到的本振信号的表达式，VLO为信号的幅度，ωLO为信号的相角频率，零中频解调时，两路信号的中心频率相同。
此拍频本振光的单边带调制方法，要求光滤波器能滤去相差20GHz(0.16nm)的载波及相对于载波对称的正一阶边带。对于第二级调制器4，则要求光滤波器能滤去相差20GHz+LO的载波及相对于载波对称的负一阶边带。该实现方法对窄带光滤波器的要求远低于直接的本振光调制处理低频微波信号的场景。
本实施例还提供了一种微波信号的二次变频光正交解调系统，包括：
分路模块，用于将输入的高频本振信号分为两路；
第一本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第一本振上，产生第一本振光信号；
第二本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第二本振上，产生第二本振光信号；
拍频本振光模块，用于产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
混频模块，用于将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，从而实现微波信号的零中频光正交解调；
所述分路模块、第一本振光模块、第二本振光模块、拍频本振光模块均与混频模块电连接。
综上所述，两组实施例中微波信号的二次变频光正交解调方法，均利用了二次变频的思想，将低频段的微波信号处理也搬移到高频段，即通过两级调制器进行光混频来产生覆盖低频段与高频段的宽带本振光信号，以此来实现微波信号的零中频光正交解调，可以很方便的覆盖全频段微波信号的正交解调，其工作频率仅受限于调制器、探测器等器件的频率响应范围。此方法可减小宽带信号光正交解调方法中对光信号处理的要求，如基于光延迟线方法中对光延迟线的延迟量与步进精度的要求以及基于90°光混频方法中对窄带光滤波器带宽的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微波信号的二次变频光正交解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：输入高频本振信号，利用调制器将本振信号加载到光载波上；
S2：通过两种方式产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号
第一种方式为：
S211：输入高频本振信号后，在第一级调制器之后分为两路，一路高频本振光信号通过光延迟线引入光载微波信号的90°相移，另外一路高频本振光信号暂不做处理；
S212：S211中的两路高频本振光信号再分别通过第二级调制器进行光混频，产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
第二种方式为：
S221：输入激光光源信号，激光光源信号在耦合器的作用下被分成两条支路；
S222：在上支路中的光信号经过第一级与第二级调制器之后，加入光滤波器产生能覆盖低频段与高频段的单边带调制的本振光信号，下支路的光信号通过调制器加载射频信号；
S3：将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，实现微波信号的零中频光正交解调。
2.根据权利要求1所述的一种微波信号的二次变频光正交解调方法，其特征在于，在第一种方式下，所述步骤S3包括以下步骤：
S311：将S212中所得的两路正交的本振光信号通过第三级调制器与第三级调制器上加载的射频信号进行光混频；
S312：输出的光场经光电探测器转换为电信号，即可获得两路正交的零中频电信号，即实现了微波信号的零中频光正交解调工作。
3.根据权利要求2所述的一种微波信号的二次变频光正交解调方法，其特征在于，所述步骤S312中，光电探测器为双平衡探测器，用于抑制直流分量和共模噪声。
4.根据权利要求1所述的一种微波信号的二次变频光正交解调方法，其特征在于：在第二种方式下，所述步骤S3包括以下步骤：
S321：将S222中所得的单边带调制的本振光信号与射频信号调制所得的光信号通过90°光混频器进行混频；
S322：混频后即可获得两路正交的零中频光信号，通过光电转换实现微波信号的光正交解调。
5.一种微波信号的二次变频光正交解调系统，其特征在于，利用如权利要求1～4任一项所述的解调方法，进行微波信号的二次变频光正交解调工作，包括：
分路模块，用于将输入的高频本振信号分为两路；
第一本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第一本振上，产生第一本振光信号；
第二本振光模块，用于利用调制器将本振光信号加载到第二本振上，产生第二本振光信号；
拍频本振光模块，用于利用两种方式产生能覆盖低频段与高频段的本振光信号；
混频模块，用于将本振光信号与加载射频信号的信号光混频，从而实现微波信号的零中频光正交解调；
所述分路模块、第一本振光模块、第二本振光模块、拍频本振光模块均与混频模块电连接。
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