CN110601769B - 基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统和方法，包括电光转换模块、光交换矩阵和光电转换模块；信号经过电光转换模块，由光交换矩阵完成交换；通过光电转换模块完成输出；电光转换模块包括合路器和抑制载波的调制器，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；光交换矩阵光交换矩阵包括依次设置的多波长激光输入、第一波分复用器、光放大器、第二波分复用器和光开关矩阵；光电转换模块包括光电探测器，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。本发明实现了高性能、高可靠的微波信号变频和低功耗、高隔离度的大规模交换。

Description

基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统及实现方法

技术领域

本发明属于微波信号处理技术领域，特别涉及一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统及实现方法。

背景技术

卫星通信是地面通信网络的有效补充和必要备份，尤其在大都市外非人口稠密地区、海洋/高原等用户动态变化地区是最经济、最有效的通信手段。近年来，随着海洋经济、数字经济等新经济形态的迅速崛起，对卫星通信提出了更高通信容量、更强交换能力、支持信号多样性等越来越高的要求，卫星上实现大容量、多频段、多尺度信号的透明转发成为宽带通信卫星的重要发展趋势。

传统通信卫星的透明转发器主要有微波透明转发、数字透明转发等技术手段。其中，微波透明转发利用传统微波技术实现接收和发射波束之间的微波变频与交换，但是宽带微波变频的非线性失真导致动态范围受限、接收处理能力有限，微波交换要保证电磁兼容、隔离度等性能需要付出较大的体积重量功耗代价，导致微波透明转发技术难以适应通信卫星向更大通信带宽、更大交换规模、更高通信容量发展的要求；数字透明转发利用传统微波技术实现微波上下变频，并在中频完成模/数转换后利用数字技术实现接收和发射波束之间的信号交换，较微波透明转发技术具有更大的交换规模和更高的交换灵活度，但是受限于模/数转换器件的带宽和采用率性能以及数字处理器件的数字处理能力，单波束通信带宽仍处于百MHz量级，整星通信带宽仍处于GHz量级，且付出了较大的功耗代价，难以解决卫星通信需求与有效载荷能力之间的矛盾。

发明内容

本发明提供了一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统及实现方法，利用微波光子技术实现超宽带、高线性的微波变频和超宽带、大规模、低功耗的微波交换，以满足卫星通信更大带宽、更高阶调制、更大交换容量等性能要求。本发明可广泛应用于宽带大容量通信卫星的微波变频与交换产品。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统，包括电光转换模块、光交换矩阵和光电转换模块；

信号经过电光转换模块完成电光转换与光学混频，由光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过光电转换模块完成微波信号变频输出中频信号；

电光转换模块包括合路器和抑制载波的调制器，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；

光交换矩阵光交换矩阵包括依次设置的多波长激光输入、第一波分复用器、光放大器、第二波分复用器和光开关矩阵；利用光学波分复用技术，通过对激光载波进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，实现多通道信号进行统一的功率补偿；同时，光学波分复用于分离不同通道的信号时对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换；

光电转换模块包括光电探测器，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

作为优选方式，激光源发射的激光频率为fo，调制器调制上合路信号后光载波增加了频率为fo±fr和fo±fl的频率分量，在光电转换模块处各个频率分量完成拍频，利用光电探测器的响应曲线完成杂散抑制，实现高性能变频输出。

作为优选方式，光交换矩阵交换通道之间的隔离度至80dB以上，且交换规模能够适应16×16、32×32、48×48或者256×256。

一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统的实现方法，信号经过电光转换模块完成电光转换与光学混频，由光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过光电转换模块完成微波信号变频输出中频信号；

其中，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；

利用光学波分复用技术，通过对激光载波进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，实现多通道信号进行统一的功率补偿；同时，光学波分复用于分离不同通道的信号时对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换；

微波信号变频输出中频信号涉及到光电转换，光电转换采用光电探测器实现，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

作为优选方式，包括如下步骤：

步骤一：输入的微波信号和本振信号进行合路，注入调制器，完成电光转换和光学混频；

步骤二：对激光载波进行波长编码，采用波分放大结构完成多通道的功率补偿与通道隔离；

步骤三：通过基于波长的通道分离，可以实现通道间在光域上20-25dB的隔离度；而通过基于路径的通道切换，可以在光域上实现20-25dB的隔离度，两者叠加可实现高隔离度的大规模微波信号交换。

步骤四：经过交换后的光信号注入光电探测器，利用探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

作为优选方式，光交换矩阵交换通道之间的隔离度至80dB以上，且交换规模能够适应16×16、32×32、48×48或者256×256。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于微波光子的星载阵列微波变频交换技术与传统的星载微波透明转发和数字透明转发相比，以更小的体积重量代价，实现了高性能、高可靠的微波信号变频和低功耗、高隔离度的大规模交换；同时，优化设计的光子变频交换体制规模易于拓展，并可与其他体制兼容，以应对不同的需求场景。本发明能够以更小的体积和功耗代价下实现接收波束和发射波束之间的超宽带大规模微波变频与交换，可广泛应用于宽带大容量通信卫星的微波变频与交换产品。

附图说明

图1为基于微波光子的星载阵列微波变频交换原理框图；

图2为基于载波抑制调制的光学变频及其在频域的对应信号图；

图3为基于光学波长编码的高隔离度光交换矩阵。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

针对不断增长的卫星通信需求与有效载荷能力之间的矛盾，本文提出了一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统及其实现方法，利用微波光子技术实现超宽带、高线性的微波变频以满足卫星通信链路更大带宽、更高阶调制等性能要求，并采用基于载波抑制调制的微波光子变频结构大幅降低微波光子变频复杂度，提高变频可靠性；利用光学波长区分不同接收波束以实现波束间的高隔离度，并结合光学路径交换实现接收波束和发射波束之间的宽带大规模微波交换，有效提高了微波交换带宽和规模，并具有更高的隔离度和更小的体积功耗代价。

如图1-图3所示，基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统，包括电光转换模块、光交换矩阵和光电转换模块；

输入的射频信号经过阵列电光转换模块完成电光转换与光学混频，由光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过阵列光电转换模块完成微波信号变频输出中频信号；

阵列电光转换模块包括合路器和抑制载波的调制器，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器(MZM调制器)中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；

光交换矩阵光交换矩阵包括依次设置的多波长激光输入(频率间隔＞200GHz)、第一波分复用器、光放大器、第二波分复用器和光开关矩阵；利用光学波分复用技术，通过对激光载波进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，实现多通道信号进行统一的功率补偿，降低功耗并改善通道一致性；同时，光学波分复用于分离不同通道的信号时对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换；

光电转换模块包括光电探测器，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

在一个优选实施例中，如图2所示，载波抑制调制实现了光载波的大幅抑制，有效降低杂散和提升功率补偿效率，同时抑制了三阶信号的产生，提升变频链路性能。激光源发射的激光频率为fo，调制器调制上合路信号后光载波增加了频率为fo±fr和fo±fl的频率分量，在光电转换模块处各个频率分量完成拍频，利用光电探测器的响应曲线完成杂散抑制，实现高性能变频输出。

在一个优选实施例中，光交换矩阵交换通道之间的隔离度至80dB以上，且交换规模能够适应16×16、32×32、48×48或者256×256。

一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统的实现方法，信号经过阵列电光转换模块完成电光转换与光学混频，由光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过阵列光电转换模块完成微波信号变频输出中频信号；

其中，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器(MZM调制器)中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；

利用光学波分复用技术，通过对激光载波进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，实现多通道信号进行统一的功率补偿，降低功耗并改善通道一致性；同时，光学波分复用于分离不同通道的信号时对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换；

微波信号变频输出中频信号涉及到光电转换，光电转换采用光电探测器实现，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

在一个优选实施例中，包括如下步骤：

步骤一：输入的微波信号和本振信号进行合路，注入调制器，完成电光转换和光学混频；

步骤二：对激光载波进行波长编码，采用波分放大结构完成多通道的功率补偿与通道隔离；

步骤三：通过基于波长的通道分离，可以实现通道间在光域上20-25dB的隔离度(映射到射频域隔离度为40-50dB)；而通过基于路径的通道切换，可以在光域上实现20-25dB的隔离度(映射到射频域隔离度为40-50dB)，两者叠加可实现高隔离度的大规模微波信号交换。

步骤四：经过交换后的光信号注入光电探测器，利用探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

在一个优选实施例中，光交换矩阵交换通道之间的隔离度至80dB以上，且交换规模能够适应16×16、32×32、48×48或者256×256。本发明提供了一种基于光学波长编码与光学路径交换的大规模、高隔离度微波交换方法。首先，利用光子器件体积小、重量轻的优势，实现了大规模的无阻塞光学矩阵交换；其次，利用光学波分复用技术，通过对载波激光进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，同时对波分复用信号进行光学功率补偿；信号传输关系如图3所示，至少包含多波长激光输入一套(频率间隔＞200GHz)，波分复用器两个、光放大器一个和光开关矩阵一套。综合上述两种技术手段，以更小的体积重量代价。

为了更清楚的介绍本发明的技术方案，现对图1-图3进行详细说明：

图1：基于微波光子的星载阵列微波变频交换原理框图。系统主要由3个部分组成：阵列电光转换、大规模光交换矩阵和阵列光电转换。输入的射频信号经过阵列电光转换完成电光转换与光学混频，由大规模光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过阵列光电转换完成微波信号变频输出中频信号。此外，针对不同需求，其既支持更大端口带宽、更大交换规模的微波透明转发，也支持更加灵活、更高资源利用率的数字透明转发。

图2：基于载波抑制调制的光学变频及其在频域的对应信号图。射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合。载波抑制调制实现了光载波的大幅抑制，有效降低杂散和提升功率补偿效率，同时抑制了三阶信号的产生，提升变频链路性能。激光源发射的激光频率为fo，调制上合路信号后光载波增加了频率为fo±fr和fo±fl的频率分量，在光电转换处个频率分量完成拍频，利用光电探测器的响应曲线完成杂散抑制，实现高性能变频输出。

图3基于光学波长编码的高隔离度光交换矩阵。通过对激光载波进行波长编码，可实现多通道信号进行统一的功率补偿，降低功耗并改善通道一致性。同时，光学波分复用在分离不同通道的信号时，会对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换。

本发明提供了一种基于微波光子的超宽带、大规模变频交换系统，通过在光域进行信号处理的方式，以更小的体积重量功耗代价提高超宽带高线性变频能力，实现高技术性能、低载荷代价的星载阵列微波变频交换。其中，通过光学载波抑制调制、光学波长编码交换等技术手段来提升系统可靠性，以8通道为基础单元实现系统规模灵活扩展，并且可以与传统的微波透明转发、数字透明转发等变频交换技术体制相结合。系统原理框图如图1所示,其关键技术为基于载波抑制调制的高可靠微波光子变频方法和基于光学波长编码与光学路径交换的大规模、高隔离度微波交换方法(图3所示)，针对不同的应用需求，设置合适的器件参数完以成关键技术之间的匹配，最终实现多尺度混合的超宽带大规模射频变频与交换。

综上所述，本发明提供了一种基于载波抑制调制的高可靠微波光子变频方法。与传统的微波变频结构相比，光子变频的动态范围、杂散抑制等性能更好；而与串联光变频结构、并联光变频结构等微波光子变频结构相比，基于光学载波抑制调制的微波光子变频结构利用一套电光转换组件同时完成电光转换与射频混频功能，信号传输关系如图2所示，至少包含激光源、MZM调制器、光放大器和光电探测器各一个，结构更加简单，产品可靠性更高。采用基于载波抑制调制的微波光子变频结构大幅降低宽带变频复杂度，提高变频可靠性；采用光学波长区分不同接收波束以实现波束间的高隔离度；采用光学路径交换，利用光学交换器件更小的尺度，在更小的体积和功耗代价下实现接收波束和发射波束之间的宽带大规模微波交换。

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，应当指出的是，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 (4)

1.基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统，其特征在于：包括电光转换模块、光交换矩阵和光电转换模块；

信号经过电光转换模块完成电光转换与光学混频，由光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过光电转换模块完成微波信号变频输出中频信号；

电光转换模块包括合路器和抑制载波的调制器，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；

光交换矩阵光交换矩阵包括依次设置的多波长激光输入、第一波分复用器、光放大器、第二波分复用器和光开关矩阵；利用光学波分复用技术，通过对激光载波进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，实现多通道信号进行统一的功率补偿；同时，光学波分复用于分离不同通道的信号时对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换；

光电转换模块包括光电探测器，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出；

光交换矩阵交换通道之间的隔离度至80dB以上，且交换规模能够适应16×16、32×32、48×48或者256×256。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统，其特征在于：激光源发射的激光频率为fo，调制器调制上合路信号后光载波增加了频率为fo±fr和fo±fl的频率分量，在光电转换模块处各个频率分量完成拍频，利用光电探测器的响应曲线完成杂散抑制，实现高性能变频输出。

3.一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统的实现方法，其特征在于：信号经过电光转换模块完成电光转换与光学混频，由光交换矩阵完成通道之间的无阻塞交换；最后通过光电转换模块完成微波信号变频输出中频信号；

其中，射频信号和本振信号通过合路器合路并注入到抑制载波的调制器中完成电光转换，同时完成在光学域中的频率混合；

利用光学波分复用技术，通过对激光载波进行波长编码，利用光学波长实现不同通道间的信号隔离，实现多通道信号进行统一的功率补偿；同时，光学波分复用于分离不同通道的信号时对各通道进行滤波，提升通道之间的隔离度，完成高隔离度的信号交换；

微波信号变频输出中频信号涉及到光电转换，光电转换采用光电探测器实现，利用光电探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出；

光交换矩阵交换通道之间的隔离度至80dB以上，且交换规模能够适应16×16、32×32、48×48或者256×256。

4.根据权利要求3所述的基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：输入的微波信号和本振信号进行合路，注入调制器，完成电光转换和光学混频；

步骤二：对激光载波进行波长编码，采用波分放大结构完成多通道的功率补偿与通道隔离；

步骤三：通过基于波长的通道分离，可以实现通道间在光域上20-25dB的隔离度；而通过基于路径的通道切换，可以在光域上实现20-25dB的隔离度，两者叠加可实现高隔离度的大规模微波信号交换；

步骤四：经过交换后的光信号注入光电探测器，利用探测器的低通特性抑制杂散信号，提高变频性能，完成变频信号输出。

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