CN110808787B - 一种全光镜频抑制混频装置及方法 - Google Patents

一种全光镜频抑制混频装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全光镜频抑制混频装置及方法，其装置包括连续波激光器、第一、第二抑制载波单边带调制器、第一、第二光功分器、光环形器、相移光纤布拉格光栅、光移相器、可调谐光衰减器、第一、第二光耦合器、光电探测器；其方法是将包括有用信号和镜频信号的接收信号调制产生的抑制载波单边带调制信号输入一个特殊设计的相移光纤布拉格光栅和光移相器，实现光域希尔伯特变换，再与未经光域希尔伯特变换的光信号耦合，实现镜频干扰信号的光域抑制；抑制了镜频干扰的光信号与本振信号产生的光边带信号耦合后拍频，即可实现镜频抑制混频。本发明第一次在光域实现了镜频干扰的抑制，采用的器件易于集成，具有较好的应用前景。

Description

一种全光镜频抑制混频装置及方法
技术领域
本发明属于微波信号处理技术领域，具体涉及一种全光镜频抑制混频装置及方法。
背景技术
频率变换，即混频，是无线通信系统、雷达系统、遥测遥控系统等系统中必需的功能模块。通过混频，可以实现将高频信号变频为中低频信号，便于信号的后续采样、处理与传输。混频器的作用非常重要，其性能直接影响到整个系统的性能。
现代通信系统广泛采用超外差接收机，若本振信号频率为fLO，频率为fRF的有用射频(RF)信号与另一个频率为fIM的镜频信号满足fRF-fLO＝fLO-fIM，则频率为fRF和fIM的信号与本振信号混频后会产生相同的中频频率fIF＝|fRF-fLO|＝|fLO-fIM|。这时，有用信号的下变频信号与镜频信号的下变频信号会在fIF处混叠在一起，从而影响有用信号的正常接收。早期的电子学接收机架构中，常常采用在信号混频前先经过镜频抑制滤波器对镜频干扰滤波的方法来实现对镜频信号的抑制，但镜频抑制滤波器在某些情况下设计困难。采用多次混频结合镜频抑制滤波的方法也可以实现对镜频干扰的深度抑制，但它需要多个本振源，且多次混频会使系统复杂度高、体积大、成本高。现代电子学接收机更多使用正交混频方式，运用希尔伯特变换消除镜频干扰，它无需镜频抑制滤波器，也不需要多次混频，就可以解决前述方法的问题，但是通过电子学技术实现的正交混频镜频抑制受电子器件带宽和调谐性的限制，难以工作在很大的带宽，且工作频率难以调谐。
基于微波光子技术的正交混频镜频抑制可以利用电子技术大带宽、易调谐等优势，克服电子瓶颈的限制，实现大带宽范围内的镜频抑制混频。现有的基于微波光子技术的镜频抑制混频方法均通过光子技术产生两路中频信号，且两路中频信号相位差为90°，这样，当所需信号fRF和镜频信号fIM同时输入时，只需将两路中频信号输入一个90°电混合器即可以实现对镜频干扰信号的抑制(Photonic mixers and image-rejection mixers foroptical SCM systems,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.45(8):1478-1480,1997；Image-reject mixer with large suppression of mixing spurs based on a photonicmicrowave phase shifter,J.Lightw.Technol.34(20):4729-4735,2016；All-optical,ultra-wideband microwave I/Q mixer and image-reject frequency down-converter,Opt.Lett.42(6):1105-1108,2017)。
上述基于微波光子技术的镜频抑制混频技术的主要问题在于镜频干扰的抑制实际上还是在电域通过90°电混合器实现的，本质只是将传统的电子技术中相位差为90°的中频电信号的产生在光域实现，光子技术仅仅用作实现产生两路相位差为90°的中频电信号。这样做的缺点是系统较为复杂，需要一对光电探测器产生两路中频信号；更重要的是，系统中需要90°电混合器，该器件难以与其它光电器件一体化集成，使得现有的基于微波光子技术的镜频抑制混频技术难以集成实现。因此，如何将镜频干扰在光域抑制，减少镜频抑制混频对电子器件的使用以便于系统进行一体化集成是一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有微波光子技术的镜频抑制混频技术的不足而提供的一种全光镜频抑制混频装置及方法，利用特殊设计的相移光纤布拉格光栅在光域实现希尔伯特变换，从而将镜频干扰的抑制在光域实现，系统仅需一个光电探测器且无需使用90°电混合器，易于集成。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种全光镜频抑制混频装置，特点是该装置包括连续波激光器、第一光功分器、第一抑制载波单边带调制器、第二抑制载波单边带调制器、第二光功分器、光环形器、相移光纤布拉格光栅、光移相器、可调谐光衰减器、第一光耦合器、第二光耦合器以及光电探测器；所述连续波激光器与第一光功分器的输入端口连接，第一光功分器的一个输出端口与第一抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接，第一光功分器的另一个输出端口与第二抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接；第一抑制载波单边带调制器的电学输入端口输入接收信号，第二抑制载波单边带调制器的电学输入端口输入本振信号；第一抑制载波单边带调制器的光学输出端口与第二光功分器的输入端口连接，第二光功分器的一个输出端口与光环形器的1口连接，光环形器的2口与相移光纤布拉格光栅的输入端口连接，光环形器的3口与光移相器的输入端口连接，第二光功分器的另一个输出端口与可调谐光衰减器的输入端口连接；光移相器的输出端口和可调谐光衰减器的输出端口分别与第一光耦合器的输入端口连接；第一光耦合器的输出端口和第二抑制载波单边带调制器的输出端口分别与第二光耦合器的输入端口连接；第二光耦合器的输出端口与光电探测器的输入端口连接。
所述接收信号包含中心频率为f1的有用信号和中心频率为f2的镜频信号，接收信号与频率为f3的本振信号分别被连续波激光器调制，产生抑制载波单边带信号。
接收信号调制产生的抑制载波单边带调制信号经相移光纤布拉格光栅和光移相器处理，以本振信号产生的光边带为中心，进行了近似的光域希尔伯特变换。
一种采用上述装置的全光镜频抑制混频方法，包括如下步骤：
1)连续波激光器输出的光信号分为两路，分别被接收信号和本振信号进行抑制载波单边带调制；
2)调制产生的接收信号的光边带分为两路，其中一路经相移光纤布拉格光栅和光移相器对其中的镜频边带和有用信号边带引入180度相位差，实现光域希尔伯特变换；
3)经光域希尔伯特变换的光信号与未经光域希尔伯特变换的接收信号的光边带在功率匹配后耦合，实现对镜频信号的抑制；
4)经镜频抑制后的接收信号的光边带与本振信号经抑制载波单边带调制产生的光边带耦合拍频，即可以产生镜频抑制的有用信号的下变频信号，实现镜频抑制混频。
本发明的有益效果在于，通过光域希尔伯特变换，将镜频干扰抑制完全在光域实现，简化了系统结构，避免了90°电混合器的使用，从而使系统更易于一体化集成实现。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明实施例中所用相移光纤布拉格光栅7的反射功率谱和相位谱；
图3为本发明实施例接收信号经镜频抑制前、后的光谱图；
图4为本发明实施例镜频抑制比与以有用边带中心频率为参考的频率偏移量的关系曲线图；
图5为本发明实施例在不同镜频信号与有用RF功率比的条件下，镜频抑制混频器最终输出IF信号的EVM与接收信号带宽的关系图。
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。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。
参见图1，本发明装置包括：连续波激光器1、第一光功分器2、第一抑制载波单边带调制器3、第二抑制载波单边带调制器4、第二光功分器5、光环形器6、相移光纤布拉格光栅7、光移相器8、可调谐光衰减器9、第一光耦合器10、第二光耦合器11和光电探测器12。
所述连续波激光器1的输出端口与第一光功分器2的输入端口连接，第一光功分器2的一个输出端口与第一抑制载波单边带调制器3的光学输入端口连接，第一光功分器2的另一个输出端口与第二抑制载波单边带调制器4的光学输入端口连接；第一抑制载波单边带调制器3的电学输入端口输入接收信号，第二抑制载波单边带调制器4的电学输入端口输入本振信号；第一抑制载波单边带调制器3的光学输出端口与第二光功分器5的输入端口连接，第二光功分器5的一个输出端口与光环形器6的第一口Ⅰ连接，光环形器6的第二口Ⅱ与相移光纤布拉格光栅7的输入端口连接，光环形器6的第三口III与光移相器8的输入端口连接，第二光功分器5的另一个输出端口与可调谐光衰减器9的输入端口连接；光移相器8的输出端口和可调谐光衰减器9的输出端口分别与第一光耦合器10的输入端口连接；第一光耦合器10的输出端口和第二抑制载波单边带调制器4的光学输出端口分别与第二光耦合器11的输入端口连接；第二光耦合器11的输出端口与光电探测器12的输入端口连接。
本发明进行全光镜频抑制混频，具体步骤是：
步骤一、连续波激光器输出的光信号分为两路，分别被接收信号和本振信号进行抑制载波单边带调制；
步骤二、调制产生的接收信号的光边带分为两路，其中一路经相移光纤布拉格光栅和光移相器对其中的镜频边带和有用信号边带引入180度相位差，实现光域希尔伯特变换；
步骤三、经光域希尔伯特变换的光信号与未经光域希尔伯特变换的接收信号的光边带在功率匹配后耦合，实现对镜频信号的抑制；
步骤四、经镜频抑制后的接收信号的光边带与本振信号经抑制载波单边带调制产生的光边带耦合拍频，即可以产生镜频抑制的有用信号的下变频信号，实现镜频抑制混频。
实施例
本实施例的具体实现过程是：
步骤一、设计相移光纤布拉格光栅7，取其有效折射率neff＝1.45,折射率变化值△n＝4×10-4,对应的布拉格波长为1550nm，总长为9cm，且相移位置前后两段子光纤光栅的长度比为3:2。其反射功率谱和相位谱如图2所示，可以看到，功率谱中有一个小的凹陷，该凹陷中心频率对应的相位响应为-90度，且在距该点2.056GHz处的相位响应为90度。若有用信号和镜频信号产生的边带分别对应于这两个位置，则可使两者得到180度的相位差，实现光域希尔伯特变换，将两者进行分离。
步骤二、光源产生一个工作波长约为1550.008nm的连续光波，连续光源被分为两路，分别注入到第一抑制载波单边带调制器3和第二抑制载波单边带调制器4中。
步骤三、RF信号源输出两个功率等大，带宽均为20MHz，且中心频率分别为10GHz和12.056GHz的QPSK信号，分别作为被接收信号中的有用信号和镜频信号。另一RF源输出一个频率11.028GHz的正弦波信号为作为用于下变频的本振信号。并将接收到的信号和本振信号分别注入第一抑制载波单边带调制器3和第二抑制载波单边带调制器4中。
步骤四、图3中(a)所示为接收信号经调制后的光谱图，其中包含了两个等大的边带，左边的为有用信号产生的边带，右边的为镜频信号产生的边带，且两者频率间隔为2.056GHz。将接收信号产生的光信号等功率地分为两路。一路经光环形器6进入相移光纤布拉格光栅7。此时有用信号产生的边带对准相移光纤布拉格光栅7幅度谱的凹陷，此时该边带引入了-90度的相移，而镜频信号产生的边带引入了90度的相移。经相移光纤布拉格光栅7反射后，镜频边带和有用信号边带引入了180度相位差，实现了光域希尔伯特变换。并利用光移相器8对相移布拉格光栅7反射后的信号引入90度相移。此时，较于希尔伯特变换前的原信号，有用边带相位未发生变化，而镜频边带引入了180度相移。
步骤五、由于光环形器6和相移光纤布拉格光栅7等器件存在一定的插入损耗，故需调节可调谐光衰减器9，使得经过希尔伯特变换和未经过希尔伯特变换处理的两个光信号中的镜频边带功率相等。并将这两个光信号耦合，使得镜频信号在光域得到了抑制。此时的光谱如图3中(b)所示(为接收信号经镜频抑制后的光谱图)，对比图3中(a)(为接收信号经镜频抑制前的光谱图)可以看出，镜频边带被抑制了约70dB。同时可以看到，原镜频信号产生的边带为平顶边带，经镜频抑制后，该边带产生了一个凹陷。该凹陷的存在限制了该结构对宽带信号的镜频抑制能力。图4描绘了镜频抑制比IRR与频率的关系，其中横坐标是频率相对于有用信号光边带中心频率的偏移量。此时，有用信号产生的光边带处的功率输出最大，而镜频信号产生的光边带处的输出功率最小。以最大功率，即有用信号产生的光边带处的输出功率为参考，各个频率处的功率与最大功率的差值即为镜频抑制比。从中可知，该接收信号可达到的镜频抑制比约为68dB，与根据图3中(a)和图3中(b)得出的结果一致。而且，图4中的曲线在偏移频率为2.056GHz附近有一个凹陷，该凹陷与图3中(b)镜频边带中凹陷的形状一致。表明该镜频抑制混频器对窄带镜频信号的抑制能力较强，随着镜频信号带宽的增加，该混频器对其的抑制会明显减弱。
步骤六、经镜频抑制后的接收信号的光边带与本振信号经抑制载波单边带调制产生的光边带耦合拍频，即可以产生镜频抑制的有用信号的下变频信号，实现镜频抑制混频。当接收到的信号中有用RF信号和镜频信号的功率相等且带宽均为20MHz时(图5虚线圈所标注位置处)，其经过镜频抑制后有用信号经下变频得到的中频信号的星座图如图5中的插图所示，此时的EVM约为2.5％，表明该镜频抑制混频器能较好的抑制镜频信号，得到失真较小的有用信号。图5描述了该镜频抑制混频器镜频抑制能力与信号带宽的关系。在此过程中，镜频信号的带宽和有用RF信号的带宽始终保持相等。由图5可知，在其他条件不变的情况下，接收到的信号带宽越大，该混频器的最终输出IF信号的EVM也越大。此外，从图中还可以看到，当镜频信号功率与有用RF信号的功率比变化时，EVM也会随之变化。在其他条件保持不变的情况下，原镜频信号与有用RF信号的功率比越小，对应输出中频信号的EVM也越小。
综上，本发明利用相移光纤布拉格光栅实现了光域希尔伯特变换，使得镜频信号在光域得到抑制。避开了电子方法易受电磁干扰等固有缺陷，且有利于系统的一体化集成，有较好的应用前景。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，接收信号中有用信号的中心频率不限于10GHz，如果选用的有用信号频率为22GHz，则对应的镜频信号中心频率和本振频率应调整为24.056GHz和23.028GHz，激光源波长也应调节至1550.160nm。且如果调整相移光纤布拉格光栅7的部分参数，使其总长为1cm，相移前后两段子光纤光栅长度比为7:3，则对应的中频信号变为1.687GHz，即若有用信号为10GHz，对应镜频信号和本振信号频率应分别调整为13.374GHz和11.687GHz。这些等同变形和替换以及频率范围和相移光纤布拉格光栅参数的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种全光镜频抑制混频装置，其特征在于，该装置包括连续波激光器、第一光功分器、第一抑制载波单边带调制器、第二抑制载波单边带调制器、第二光功分器、光环形器、相移光纤布拉格光栅、光移相器、可调谐光衰减器、第一光耦合器、第二光耦合器以及光电探测器；所述连续波激光器与第一光功分器的输入端口连接，第一光功分器的一个输出端口与第一抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接，第一光功分器的另一个输出端口与第二抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接；第一抑制载波单边带调制器的电学输入端口输入接收信号，第二抑制载波单边带调制器的电学输入端口输入本振信号；第一抑制载波单边带调制器的光学输出端口与第二光功分器的输入端口连接，第二光功分器的一个输出端口与光环形器的第一口连接，光环形器的第二口与相移光纤布拉格光栅的输入端口连接，光环形器的第三口与光移相器的输入端口连接，第二光功分器的另一个输出端口与可调谐光衰减器的输入端口连接；光移相器的输出端口和可调谐光衰减器的输出端口分别与第一光耦合器的输入端口连接；第一光耦合器的输出端口和第二抑制载波单边带调制器的输出端口分别与第二光耦合器的输入端口连接；第二光耦合器的输出端口与光电探测器的输入端口连接；将接收信号调制产生的抑制载波单边带调制信号经相移光纤布拉格光栅和光移相器处理引入180度相位差，实现光域希尔伯特变换。
2.根据权利要求1所述的全光镜频抑制混频装置，其特征在于，所述接收信号包括中心频率为 f1的有用信号和中心频率为f2的镜频信号，接收信号与频率为f3的本振信号分别被连续波激光器调制，产生抑制载波单边带信号。
3.根据权利要求1所述的全光镜频抑制混频装置，其特征在于，接收信号调制产生的抑制载波单边带调制信号经相移光纤布拉格光栅和光移相器处理，以本振信号产生的光边带为中心，进行了光域希尔伯特变换。
4.一种采用如权利要求1所述装置的全光镜频抑制混频方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）连续波激光器输出的光信号分为两路，分别被接收信号和本振信号进行抑制载波单边带调制；
2）调制产生的接收信号的光边带分为两路，其中一路经相移光纤布拉格光栅和光移相器对其中的镜频边带和有用信号边带引入180度相位差，实现光域希尔伯特变换；
3）经光域希尔伯特变换的光信号与未经光域希尔伯特变换的接收信号的光边带在功率匹配后耦合，实现对镜频信号的抑制；
4）经镜频抑制后的接收信号的光边带与本振信号经抑制载波单边带调制产生的光边带耦合拍频，即能够产生镜频抑制的有用信号的下变频信号，实现镜频抑制混频。
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