CN110278035B - 一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置和方法，属于微波信号处理技术领域。其装置包括激光器、偏振复用马赫‑曾德尔调制器即DP‑BPSK调制器、接收信号模拟器、干扰信号模拟器、第一90°电混合器、第二90°电混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器及光接收机；利用DP‑BPSK调制器其中一个双驱动马赫‑曾德尔调制器（DD‑MZM）对接收信号进行单边带调制，另一个DD‑MZM对干扰信号进行单边带调制，两路光信号耦合后实现干扰信号在光域被抑制，同时对有用信号进行抑制载波单边带调制。因干扰在光域消除，信号光纤传输中的色散不会使干扰信号重新出现，另外对有用信号的抑制载波单边带调制提高了系统频谱效率，同时使色散对有用信号传输的影响大大降低。

Description

一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置和方法
技术领域
本发明属于微波信号处理技术领域，涉及一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置和方法。
背景技术
带内全双工无线系统是为了进一步提供无线系统的频谱效率而出现的一种新的无线通信体制。与传统的全双工无线通信系统在上下行链路采用不同的载波频率不同，带内全双工无线系统在无线链路的上下行使用相同的载波频率，从而大大提供系统的频率利用率。
带内全双工无线系统所面临的最主要问题是上下行链路的同频干扰问题。由于上下行链路采用了相同的载波频率，发射天线发射大功率下行信号会串扰至接收天线，影响低功率上行信号的接收性能，甚至使上行链路不可用。因为上下行链路使用了相同的载波频率，无法采用传统无线通信系统中的滤波的方法来进行上下行链路的隔离。为了解决这一问题，人们提出了多种基于传统电子技术的微波同频干扰抑制方法，这些方法也可以在一定程度上解决带内全双工无线系统中的同频干扰问题。然而，由于电子瓶颈的限制，基于传统电子技术的微波同频干扰抑制方法在工作带宽、工作频段等诸多指标上受到限制，为了实现大带宽、高频端、频率可调谐的微波同频干扰抑制，亟需研究新的微波同频干扰抑制方法。
近年来，基于微波光子技术的微波同频干扰抑制方法被广泛的研究，它为人们提供了一种全新的高频段、大带宽、频率可调谐的微波同频干扰抑制思路。另外，基于微波光子技术的系统可以与无线-光纤网络无缝融合，这也为该技术应用于光载无线通信系统提供了便利。J.Suarez等人较早的提出了基于并联马赫-曾德尔调制器的微波同频干扰抑制方法(J.Suarez,and P.Prucnal,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.21(9):507-509,2011)，通过两个偏置在相邻正交传输点的马赫-曾德尔调制器实现了干扰信号的抑制。Q.Zhou等人提出了基于电吸收调制激光器的微波同频干扰抑制方法(Q.Zhou,H.Feng,G.Scott,and M.Fok,Opt.Lett.39(22):6537-6540,2014)，该方法采用在电域对干扰信号进行翻转的思路实现了在光电探测器处干扰信号的消除。上述方法均基于两个并行独立的光路耦合后进行光电探测，这样的方法的主要缺点在于两个并行独立光路会使得系统的稳定性不高，因此人们也研究了基于单个调制器结构的微波同频干扰抑制方法(Y.Zhang,S.Xiao,H.Feng,L.Zhang,Z.Zhou,and W.Hu,Opt.Exp.23(26):33205-33213,2015)。
上述方法虽然都实现了干扰信号的抑制，但干扰信号的抵消均是在光电探测后实现的，即上述方法的光信号中干扰信号未被消除。在光载无线通信系统中，基站接收到的上行有用信号仍然需要通过光纤传输回中心站。如果采用上述系统，在光电探测前增加一段光纤，光纤色散会破坏光边带间的相位关系，致使干扰信号在光电探测后重新出现。当无线载波频率较低时，在光载无线系统典型的光纤传输长度内(30km以内)，光纤色散的影响相对较小；但当无线载波频率较高时(十GHz以上)，光纤色散对干扰抑制水平的影响较大。为了克服无法光纤传输的问题，可以先进行干扰抑制再进行光纤传输，使用上述方法生成无干扰信号的有用电信号后再进行光调制和光纤传输，但是这样会使得系统十分复杂，多次电光、光电转换会给系统带来额外的巨大损耗。为了解决这一问题，提出了光域干扰抵消的方法(Y.Chen,S.Pan,Opt.Lett.,43(13):3124-3127,2018)，使同频干扰抑制系统同时具备了长距离光纤传输的能力。
在光载无线通信系统中，不同基站的信号需要通过复用传输回中心站，因此频谱效率也是一个重要的问题。在提出的上述光域干扰抵消方法中，虽然实现了干扰信号的光域消除，但是由于采用了抑制载波双边带的调制方法，系统频谱效率较低。因此，在实现同频干扰光域消除的同时实现更高频谱效率的微波同频干扰抑制是一个亟待研究和解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提出了一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置和方法，使用单个光调制器结构，同时实现在光域对同频干扰信号的抑制以及对有用信号的抑制载波单边带调制，在解决了大多数现有技术中光纤色散影响干扰信号抑制水平问题的基础上，同时大大提高了系统的频谱效率。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置，特点是：该装置包括激光器、偏振复用马赫-曾德尔调制器即DP-BPSK调制器、接收信号模拟器、干扰信号模拟器、第一90°电混合器、第二90°电混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器及光接收机；所述DP-BPSK调制器内集成了两个双驱动马赫-曾德尔调制器即DD-MZM，两个DD-MZM输出的光信号经过正交偏振复用耦合后在DP-BPSK调制器的输出端输出；所述DP-BPSK调制器设置在激光器的出射光路上；接收信号模拟器的输出端与第一90°电混合器的输入端口连接，第一90°电混合器的两个输出端口分别与DP-BPSK调制器的第一DD-MZM的两个射频输入端口连接；干扰信号模拟器的输出端与第二90°电混合器的输入端口连接，第二90°电混合器的两个输出端口分别与DP-BPSK调制器的第二DD-MZM的两个射频输入端口连接；DP-BPSK调制器的直流偏置输入端口与直流电源连接；DP-BPSK调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与光接收机的输入端连接；所述起偏器输出的光信号为经过干扰抑制及抑制载波单边带调制的有用接收光信号；所述光接收机的输出端输出经干扰抑制的有用接收电信号。
所述DD-MZM具有相同的结构和性能。
所述DD-MZM具有独立的射频信号输入端口和直流偏置输入端口。
所述接收信号模拟器输出的接收信号包括有用接收信号和干扰信号。
所述干扰信号模拟器输出的干扰信号与接收信号模拟器输出信号中的干扰信号相同。
所述干扰信号模拟器输出的干扰信号与接收信号模拟器输出的接收信号对DP-BPSK调制器有相同的到达时间。
所述DP-BPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°。
一种微波同频信号干扰抑制及下变频接收方法，包括如下步骤：
1)激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-BPSK调制器的光学输入端口，DP-BPSK调制器的两个DD-MZM输出的光信号分别在DP-BPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
2)包括有用信号和干扰信号的接收信号经第一90°电混合器分为两路输入DP-BPSK调制器的第一DD-MZM的两个射频输入端口；干扰信号经第二90°电混合器分为两路输入DP-BPSK调制器的第二DD-MZM的两个射频输入端口；输入两个DD-MZM的干扰信号具有相同的到达时间；
3)调节直流偏置电压，使输入两个DD-MZM均偏置在正交传输点，分别实现单边带调制；
4)调节偏振控制器使DP-BPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°；
5)根据输入接收信号中有用信号的幅度和干扰信号的幅度调节干扰信号模拟器输出的干扰信号的幅度；
6)起偏器输出的光信号为经过干扰抑制及抑制载波单边带调制的有用接收光信号，该光信号在光接收机处检测生成经干扰抑制后的有用接收电信号。
本发明利用DP-BPSK调制器其中一个DD-MZM对接收信号进行单边带调制，另一个DD-MZM对干扰信号进行单边带调制，两路光信号耦合后实现干扰信号在光域被抑制，同时对有用信号进行抑制载波单边带调制。因干扰在光域消除，信号光纤传输中的色散不会使干扰信号重新出现，另外对有用信号的抑制载波单边带调制提高了系统频谱效率，同时使色散对有用信号传输的影响大大降低。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明可以实现工作频段的大范围可调谐，工作频段主要仅受到光调制器带宽、光电探测器带宽和90°光混合器带宽的限制，通过合理的选用器件，工作频段可达到20GHz以上；
2.通过本发明可以在光域实现对干扰信号的抑制，且该系统可以与光纤传输相融合，干扰抑制水平不受光纤色散影响；
3.通过本发明可以同时实现对有用信号的抑制载波单边带调制，使得系统的频谱效率大大提高，色散对有用信号传输的影响被大大降低。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明实施例1在输入单频干扰信号时装置不同位置的光谱图；
图3为本发明实施例1在单频干扰抑制情况下生成的电信号频谱图；
图4为本发明实施例1的单频干扰抑制深度随信号中心频率变化图；
图5为本发明实施例2在输入宽带干扰信号时装置不同位置的光谱图；
图6为本发明实施例2在宽带干扰抑制情况下生成的电信号频谱图；
图7为本发明实施例2的宽带干扰抑制深度随信号中心频率变化图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。其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。
参见图1，本发明装置包括：激光器1、DP-BPSK调制器2、接收信号模拟器3、第一90°电混合器4、干扰信号模拟器5、第二90°电混合器6、直流电源7、偏振控制器8、起偏器9、光接收机10。激光器1的输出端口与DP-BPSK调制器2的光学输入端相连，接收信号模拟器3的输出端口与第一90°电混合器4的输入端口连接，第一90°电混合器4的两个输出端口分别与DP-BPSK调制器的第一DD-MZM的两个射频输入端口连接，干扰信号模拟器5的输出端口与第二90°电混合器6的输入端口连接，第二90°电混合器6的两个输出端口分别与DP-BPSK调制器的第二DD-MZM的两个射频输入端口连接，直流电源7的输出端口与DP-BPSK调制器2的直流偏置输入端口连接；DP-BPSK调制器2的光学输出端口与偏振控制器8的输入端口连接，偏振控制器8的输出端口与起偏器9的输入端口连接，起偏器9的输出端口与光接收机10的输入端口连接。光接收机10的输出端口输出经干扰抑制的有用接收电信号。
本发明实现高谱效率微波同频信号干扰抑制，具体步骤是：
步骤一、激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-BPSK调制器的光学输入端口，DP-BPSK调制器的两个DD-MZM输出的光信号分别在DP-BPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
步骤二、包括有用信号和干扰信号的接收信号经第一90°电混合器分为两路输入DP-BPSK调制器的第一DD-MZM的两个射频输入端口；干扰信号经第二90°电混合器分为两路输入DP-BPSK调制器的第二DD-MZM的两个射频输入端口；输入两个DD-MZM的干扰信号具有相同的到达时间；
步骤三、调节直流偏置电压，使输入两个DD-MZM均偏置在正交传输点，分别实现单边带调制；
步骤四、调节偏振控制器使DP-BPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°；
步骤五、根据输入接收信号中有用信号的幅度和干扰信号的幅度调节干扰信号模拟器输出的干扰信号的幅度；
步骤六、起偏器输出的光信号为经过干扰抑制及抑制载波单边带调制的有用接收光信号，该光信号在光接收机处检测生成经干扰抑制后的有用接收电信号。
具体原理说明如下：
根据上述偏置点设置，设输入接收信号中有用信号为
Figure BDA0002080412410000051
干扰信号为
Figure BDA0002080412410000052
其中V1,V2为信号幅度，ωs为信号的角频率，
Figure BDA0002080412410000053
和
Figure BDA0002080412410000054
分别为有用信号的相位信息和干扰信号的相位信息，则射频输入端口输入接收信号的DD-MZM的输出可以表达为：
Figure BDA0002080412410000055
其中，Ein(t)是输入该DP-MZM的光信号，mi＝πVi/Vπ(i＝1,2)是调制指数，Vπ是DP-BPSK调制器的半波电压。上式通过Jacobi-Anger展开到一阶光边带，可以化简为
Figure BDA0002080412410000056
设输入干扰信号为
Figure BDA0002080412410000057
则射频输入端口输入干扰信号的DD-MZM的输出可以表达为
Figure BDA0002080412410000061
其中m3＝πV3/Vπ是调制指数。上式通过Jacobi-Anger展开到一阶光边带，可以化简为
Figure BDA0002080412410000062
两个DD-MZM输出的光信号在起偏器处耦合输出光信号为：
Figure BDA0002080412410000063
在小信号调制条件下(m1,m2,m3<<1)，上式可以化简为：
Figure BDA0002080412410000064
由上式可知，当J1(m3)＝J0(m1)J1(m2)满足时，干扰信号的信息
Figure BDA0002080412410000065
被完全消除，上式可进一步化简为：
Figure BDA0002080412410000066
该式中只包含有用信号的信息
Figure BDA0002080412410000067
因此，同频干扰在光域被完全抵消，另外，由上式可以看到，经干扰抑制后的光信号仅含有一个被有用信号调制的光边带，不含有其它光学频率成分，实现了抑制载波单边带调制，该调制方式相比于双边带或单边带调制，具有更好的频谱效率。
实施例1
本实施例中激光器输出光信号波长为1553.275nm。调节直流偏置电压，使DP-BPSK调制器的两个子MZM均偏置在正交传输点。在本实施例中，实现并验证了单频同频干扰信号的抑制，其中接收信号中有用信号被设置为0，即接收信号中只含有干扰信号。图2为输入单频干扰信号时装置中不同位置的光谱图，(a)干扰信号频率为8GHz，(b)干扰信号频率为10.2GHz，(c)干扰信号频率为12.4GHz。可以看到两个DD-MZM的输出均为单边带调制信号，当未使用干扰抑制时，起偏器输出的光信号仍然包含由干扰信号调制产生的一个一阶光边带；当使用干扰抑制时，可以观察到该干扰光边带被很好的抑制，抑制深度超过40dB。图3为在单频干扰抑制情况下生成的电信号频谱图。图3(a)(b)分别为输入干扰信号为8GHz时未采用干扰抑制和采用干扰抑制产生的信号频谱图，可以看到当采用干扰抑制时，干扰信号被很好的抑制，抑制比达到40.7dB。图3(c)(d)分别为输入干扰信号为10.2GHz时未采用干扰抑制和采用干扰抑制产生的信号频谱图，可以看到当采用干扰抑制时，干扰信号被很好的抑制，抑制比达到41.8dB。图3(e)(f)分别为输入干扰信号为12.4GHz时未采用干扰抑制和采用干扰抑制产生的信号频谱图，可以看到当采用干扰抑制时，干扰信号被很好的抑制，抑制比达到40.5dB。图4为本实施例中单频干扰抑制深度随信号中心频率变化图，可以看到，单频干扰的抑制比在整个8到12.4GHz频带范围内保持在41dB左右，具有良好的单频干扰抑制性能。
实施例2
本实施例中激光器输出光信号波长为1553.275nm。调节直流偏置电压，使DP-BPSK调制器的两个子MZM均偏置在正交传输点。在本实施例中，实现并验证了宽带同频干扰信号的抑制性能，这时，接收信号中干扰信号被设置为宽带QPSK调制信号，有用信号为同频纯净微波信号。图5为输入宽带干扰信号时装置中不同位置的光谱图，(a)干扰信号频率为10.2GHz，(b)干扰信号频率为12.4GHz。由于光谱仪分辨率的限制，为了观测宽带信号的干扰抑制，宽带干扰信号被设置为波特率为5Gbaud的QPSK信号，由图5可以看到两个DD-MZM的输出均为单边带调制信号，当未使用干扰抑制时，起偏器输出的光信号仍然包含由干扰信号调制产生的一个一阶光边带；当使用干扰抑制时，可以观察到该干扰光边带被很好的抑制，抑制深度超过19dB。图6在宽带干扰抑制情况下生成的电信号频谱图，宽带干扰信号被设置为波特率为100Mbaud的QPSK信号。图6(a)(b)分别为输入干扰信号为8.1GHz时未采用干扰抑制和采用干扰抑制产生的信号频谱图，可以看到当采用干扰抑制时，干扰信号被很好的抑制，抑制比达到23.9dB。图6(c)(d)分别为输入干扰信号为10GHz时未采用干扰抑制和采用干扰抑制产生的信号频谱图，可以看到当采用干扰抑制时，干扰信号被很好的抑制，抑制比达到22.1dB。图6(e)(f)分别为输入干扰信号为12.3GHz时未采用干扰抑制和采用干扰抑制产生的信号频谱图，可以看到当采用干扰抑制时，干扰信号被很好的抑制，抑制比达到24dB。图7为本实施例中宽带干扰抑制深度随信号中心频率变化图，可以看到，宽带干扰的抑制比在整个8.1到12.3GHz频带范围内保持在22dB左右，具有良好的宽带干扰抑制性能。
综上，本发明提供的高谱效率微波同频信号干扰抑制装置和方法，第一次利用DP-BPSK调制器同时实现了同频干扰信号的光域抑制以及对有用信号的抑制载波单边带调制。由于采用了干扰信号光域抑制的方法，系统可以更好的与光纤传输相结合，同时光纤色散不会使系统的干扰抑制性能下降；另外由于同时实现了对有用信号的抑制载波单边带调制，有用信号被直接下边频道基带，这样光纤色散效应对有用信号的影响也被大大降低，且光谱效率得到了极大的提升。本发明提出的装置具有大的工作频带范围，工作频段主要仅受到光调制器带宽、光电探测器带宽和90°光混合器带宽的限制，通过合理的选用器件，工作频段可达到20GHz以上。

Claims (4)

1.一种高谱效率微波同频信号干扰抑制装置，其特征在于：该装置包括激光器、偏振复用马赫-曾德尔调制器即DP-BPSK调制器、接收信号模拟器、干扰信号模拟器、第一90°电混合器、第二90°电混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器及光接收机；所述DP-BPSK调制器内集成了两个双驱动马赫-曾德尔调制器即DD-MZM，两个DD-MZM输出的光信号经过正交偏振复用耦合后在DP-BPSK调制器的输出端输出；所述DP-BPSK调制器设置在激光器的出射光路上；接收信号模拟器的输出端与第一90°电混合器的输入端口连接，第一90°电混合器的两个输出端口分别与DP-BPSK调制器的第一DD-MZM的两个射频输入端口连接；干扰信号模拟器的输出端与第二90°电混合器的输入端口连接，第二90°电混合器的两个输出端口分别与DP-BPSK调制器的第二DD-MZM的两个射频输入端口连接；DP-BPSK调制器的直流偏置输入端口与直流电源连接；DP-BPSK调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与光接收机的输入端连接；所述起偏器输出的光信号为经过干扰抑制及抑制载波单边带调制的有用接收光信号；所述光接收机的输出端输出经干扰抑制的有用接收电信号；其中，所述干扰信号模拟器输出的干扰信号与接收信号模拟器输出的接收信号对DP-BPSK调制器有相同的到达时间；通过偏振控制器控制，DP-BPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的高谱效率微波同频信号干扰抑制装置，其特征在于：所述接收信号模拟器输出的接收信号包括有用接收信号和干扰信号。
3.根据权利要求1所述的高谱效率微波同频信号干扰抑制装置，其特征在于：所述干扰信号模拟器输出的干扰信号与接收信号模拟器输出信号中的干扰信号相同。
4.一种高谱效率微波同频信号干扰抑制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-BPSK调制器的光学输入端口，DP-BPSK调制器的两个DD-MZM输出的光信号分别在DP-BPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
2）包括有用信号和干扰信号的接收信号经第一90°电混合器分为两路输入DP-BPSK调制器的第一DD-MZM的两个射频输入端口；干扰信号经第二90°电混合器分为两路输入DP-BPSK调制器的第二DD-MZM的两个射频输入端口；输入两个DD-MZM的干扰信号具有相同的到达时间；
3）调节直流偏置电压，使输入两个DD-MZM均偏置在正交传输点，分别实现单边带调制；
4）调节偏振控制器使DP-BPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°；
5）根据输入接收信号中有用信号的幅度和干扰信号的幅度调节干扰信号模拟器输出的干扰信号的幅度；
6）起偏器输出的光信号为经过干扰抑制及抑制载波单边带调制的有用接收光信号，该光信号在光接收机处检测生成经干扰抑制后的有用接收电信号。
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