CN110166133B - 一种低本振频率的微波光子下变频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低本振频率的微波光子下变频系统，包括窄线宽半导体激光器、两个马赫‑曾德尔(MZ)调制器、电放大器、光探测器以及电滤波器。在第一马赫‑曾德尔调制器中采用频率为fLO的本振信号对中心频率为f0的光波信号进行抑制载波双边带调制，频率为fRF的微波信号经过电放大器放大后，在第二马赫‑曾德尔调制器中对第一马赫‑曾德尔调制器的输出进行常规双边带调制，输出到光探测器中进行混频，最后在电滤波器中滤除除中频电信号以外的电信号，得到中频电信号，这样本振频率为微波信号频率fRF与中频频率fIF差的一半，即fLO＝(fRF－fIF)/2，降低了本振频率，同时相对于现有技术，本发明的微波光子下变频系统结构相对简单。

Description

一种低本振频率的微波光子下变频系统
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，更为具体地讲，涉及一种低本振频率的微波光子下变频系统。
背景技术
微波下变频是微波通信、探测和遥感中信号处理的重要环节之一。电子混频器受到电子响应速率慢的影响，限制了可支持下变频的频率和带宽。微波光子技术采用光子技术进行微波信号处理，通过微波光子下变频可支持几十甚至上百GHz频率的下变频。
微波光子下变频一般采用级联调制或并联调制两种调制方法(Comparison ofseries and parallel optical modulators for microwave down-conversion，J.T.Gallo等，IEEE Photonics Technology Letters，1998，vol.10(11)，1623-1625，)。级联调制采用本振信号和微波信号先后对同一光载波调制，并联调制采用本振信号和微波信号分别对同一光载波的两个分支同时调制后进行合路，经过光探测器光电转换，实现微波信号和本振信号的混频，提取差频信号，显现微波信号下边频。
其中，级联调制微波光子下变频具有结构简单，易于实现的特点。目前已经提出了多种级联调制的方案，如两级强度调制级联(如2009年9月2日授权公告、公告号CN100536371C、名称为《基于电光调制器和光纤光栅的微波光子下变频方法及装置》的中国发明专利)；采用强度调制和相位调制的级联调制方法(如基于强度-相位级联调制的微波光子下变频法，光学精密工程，2017，vol.25(4)：827-834)；采用相位调制和偏振调制的级联调制方法(Microwave Photonic Down-Conversion with Large Image RejectionRatio Utilizing Digital Signal Processing，Peixuan Li等，2016AsiaCommunications and Photonics Conference(ACP))等。但以上方法产生的中频频率均为微波频率与本振频率之差，fIF＝fRF－fLO，微波频率与本振频率接近。微波频率高，则要求本振频率也相应很高，提高了本振实现的难度。
为了降低本振频率的，现有技术中采用双平行马赫-曾德尔调制器产生二阶本振边带的方法进行微波光子下变频，(如2018年10月16日公布、公布号CN108667517A、名称为《一种基于本振倍频的微波光子混频方法及系统》，中国发明专利申请)，将本振频率降低了一半，但该微波光子下变频系统结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低本振频率的微波光子下变频系统，在降低本振频率的同时，降低系统的复杂性。
为实现上述目的，本发明低本振频率的微波光子下变频系统，其特征在于，包括：
窄线宽半导体激光器，用于产生中心频率为f0的光波信号(光载波)，并输出到第一马赫-曾德尔(MZ)调制器中；
第一马赫-曾德尔(MZ)调制器，用于频率为fLO的本振信号对中心频率为f0的光波信号(光载波)进行抑制载波双边带调制，从而产生两个频率分别为f0+fLO和f0－fLO的光波信号并输出到第二马赫-曾德尔(MZ)调制器中；
电放大器，用于对输入的中心频率为fRF的微波信号进行放大并输入到第二马赫-曾德尔(MZ)调制器中；
第二马赫-曾德尔(MZ)调制器，用于中心频率为fRF的微波信号对频率为f0+fLO和f0－fLO的光波信号(光载波)进行保留光载波的常规双边带调制，得到的光波信号输出到光探测器，在保留被调制光波(光载波)频率f0+fLO和f0－fLO成分的同时，得到频率为f0+fLO的光波信号调制微波信号后的频率为f0+fLO－fRF的下边带光波信号，该下边带光波信号出现在频率f0－fLO附近，以及频率为f0－fLO的光波信号调制微波信号后的频率为f0－fLO+fRF的上边带光波信号，该上边带光波信号出现在f0+fLO附近；
光探测器，用于对输入的光波信号进行光电转换，频率为f0－fLO的光波信号和其附近的频率为f0+fLO－fRF的下边带光波信号、频率为f0+fLO的光波信号和其附近的频率为f0－fLO+fRF的上边带光波信号分别混频后输出中频为fIF＝fRF－2fLO的电信号并输出到电滤波器；
电滤波器，用于对中频为fIF＝fRF－2fLO的电信号进行滤波，滤除其他光波信号进行混频后的电信号。
本发明的目的是这样实现的。
本发明低本振频率的微波光子下变频系统，包括窄线宽半导体激光器、两个马赫-曾德尔(MZ)调制器、电放大器、光探测器以及电滤波器。在第一马赫-曾德尔调制器中采用频率为fLO的本振信号对中心频率为f0的光波信号进行抑制载波双边带调制，频率为fRF的微波信号经过电放大器放大后，在第二马赫-曾德尔调制器中对第一马赫-曾德尔调制器的输出进行常规双边带调制，输出到光探测器中进行混频，最后在电滤波器中滤除除中频电信号以外的电信号，得到中频电信号，其频率为fIF＝fRF－2fLO，这样本振频率为微波信号频率fRF与中频频率fIF差的一半，即fLO＝(fRF－fIF)/2，降低了本振频率，同时相对于现有技术，本发明的微波光子下变频系统结构相对简单。
附图说明
图1是本发明低本振频率的微波光子下变频系统一种具体实施方式结构示意图；
图2是本发明微波光子下变频过程中的频谱变化示意图；
图3是第二马赫-曾德尔(MZ)调制器输出光波信号的光谱图；
图4是输出中频电信号解调后的星座图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明低本振频率的微波光子下变频系统一种具体实施方式结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明低本振频率的微波光子下变频系统包括窄线宽半导体激光器1、第一马赫-曾德尔(MZ)调制器2、电放大器3、第二马赫-曾德尔(MZ)调制器4、光探测器5、电滤波器6。
窄线宽半导体激光器1产生中心频率为f0的光波信号即光载波，如图2(a)所示，并输出到第一马赫-曾德尔(MZ)调制器2中。在本实施例中，中心频率f0＝193.1THz的窄线宽半导体激光器输出光波信号输出到第一马赫-曾德尔(MZ)调制器2中。
第一马赫-曾德尔(MZ)调制器2中，频率为fLO的本振信号对中心频率为f0的光波信号进行抑制载波双边带调制，抑制载波即抑制被调制的中心频率为f0的光波信号，从而产生两个频率分别为f0+fLO和f0－fLO的光波信号并输出到第二马赫-曾德尔(MZ)调制器4中，如图2(b)所示。
在本实施例中，以fRF＝28GHz载波(微波信号)频率、10Gbps 16QAM调制的微波信号下变频到中频信号fIF＝2.5GHz为例。这样，本振信号频率fLO＝(fRF－fIF)/2＝(28－2.5)/2＝12.75GHz。将第一马赫-曾德尔(MZ)调制器2的直流偏置点设置在调制曲线的谷底，调制幅度小于半波电压。在具体实施过程中，为了抑制高次谐波的产生，可在第一马赫-曾德尔(MZ)调制器2后增加光滤波器，滤除一阶以外的高次谐波。
电放大器对输入的中心频率为fRF的微波信号(载波)进行放大并输入到第二马赫-曾德尔(MZ)调制器4中。
第二马赫-曾德尔(MZ)调制器4中，中心频率为fRF的微波信号对频率为f0+fLO和f0－fLO的光波信号进行常规双边带调制，得到的光波信号输出到光探测器5，在保留被调制光波即光载波频率f0+fLO和f0－fLO成分的同时，得到频率为f0+fLO的光波信号调制微波信号后的频率为f0+fLO－fRF的下边带光波信号以及频率为f0+fLO+fRF的上边带光波信号，下边带光波信号出现在频率f0－fLO附近，上边带光波信号是不需要的，如图2(c)所示。还得到频率为f0－fLO的光波信号调制微波信号后的频率为f0－fLO+fRF的上边带光波信号以及频率为f0-fLO-fRF的下边带光波信号，上边带光波信号出现在f0+fLO附近，下边带光波信号是不需要的，如图2(c)所示。
第二马赫-曾德尔(MZ)调制器4采用保留光载波的常规双边带调制，其工作在线性调制区，其直流偏置点设置在调制曲线的中点。经过第二马赫-曾德尔(MZ)调制器4输出的光信号光谱如图3所示，第二马赫-曾德尔调制器4在193.1THz(f0)-12.75GHz(fLO)附近产生193.1THz(f0)+12.75GHz(fLO)的下边带光波信号，其中心频率为193.1THz(f0)+12.75GHz(fLO)-28GHz(fRF)，在193.1THz(f0)+12.75GHz(fLO)附近产生193.1THz(f0)-12.75GHz(fLO)的上边带光波信号，其中心频率为193.1THz(f0)-12.75GHz(fLO)+28GHz(fRF)。
而193.1THz(f0)+12.75GHz(fLO)的上边带光波信号以及193.1THz(f0)-12.75GHz(fLO)的下边带光波信号是不需要的(图3未画出)。
光探测器5对输入的光波信号进行光电转换，频率为f0－fL0的光波信号和其附近的频率为f0+fLO－fRF的下边带光波信号、频率为f0+fLO的光波信号和其附近的频率为f0－fLO+fRF的上边带光波信号分别混频后输出中频为fIF＝fRF－2fLO的电信号并输出到电滤波器6中，如图2(d)所示。
在本实施例中，通过光探测器5实现193.1THz±12.75GHz光波信号(光载波)及其附近下边带信号、上边带信号的混频，产生中频电信号(简称中频信号)输出。
电滤波器6对中频为fIF＝fRF－2fLO的电信号进行滤波，滤除其他光波信号进行混频后的电信号。在本实施例中，fIF＝fRF－2fLO＝28GHz-2×12.75GHz＝2.5GHz。
电滤波器6以中频频率2.5GHz为中心，带宽大于微波信号带宽，可选择低通或者带通滤波器，滤除光电转换过程中产生的其他高频信号即其他光波信号进行混频后的电信号，保证下变频信号的完整输出。输出中频电信号经过16QAM解调，输出的星座图如图4所示，EVM＝0.056，验证了方案下变频的可行性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种低本振频率的微波光子下变频系统，其特征在于，包括：
窄线宽半导体激光器，用于产生中心频率为f0的光波信号，并输出到第一马赫-曾德尔调制器中；
第一马赫-曾德尔调制器，用于频率为fLO的本振信号对中心频率为f0的光波信号进行抑制载波双边带调制，从而产生两个频率分别为f0+fLO和f0－fLO的光波信号并输出到第二马赫-曾德尔调制器中；
电放大器，用于对输入的中心频率为fRF的微波信号进行放大并输入到第二马赫-曾德尔调制器中；
第二马赫-曾德尔调制器，用于中心频率为fRF的微波信号对频率为f0+fLO和f0－fLO的光波信号进行保留光载波的常规双边带调制，得到的光波信号输出到光探测器，在保留被调制光波频率f0+fLO和f0－fLO成分的同时，得到频率为f0+fLO的光波信号调制微波信号后的频率为f0+fLO－fRF的下边带光波信号，该下边带光波信号出现在频率f0－fLO附近，以及频率为f0－fLO的光波信号调制微波信号后的频率为f0－fLO+fRF的上边带光波信号，该上边带光波信号出现在f0+fLO附近；
光探测器，用于对输入的光波信号进行光电转换，频率为f0－fLO的光波信号和其附近的频率为f0+fLO－fRF的下边带光波信号、频率为f0+fLO的光波信号和其附近的频率为f0－fLO+fRF的上边带光波信号分别混频后输出中频为fIF＝fRF－2fLO的电信号并输出到电滤波器；
电滤波器，用于对中频为fIF＝fRF－2fLO的电信号进行滤波，滤除其他光波信号进行混频后的电信号。
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