CN111641461B - 一种无滤波的基于级联调制器的镜像抑制下变频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无滤波的基于级联调制器的镜像抑制下变频方法，该发明涉及微波技术以及光通信技术领域，主要涉及利用光子学技术实现射频信号的下变频接收以及对镜像干扰的抑制。所述方法如说明书图1所示，包括光源、信号源、马赫增德尔调制器MZM、偏振分路复用马赫增德尔调制器PDM‑MZM、掺铒光纤放大器、偏振控制器、偏振分束器、光电探测器以及电90°耦合器。MZM对有用射频信号、镜像信号进行调制，PDM‑MZM对正交本振信号进行调制和偏振复用。偏振复用光经偏振分束器分成两路分别拍频得到I、Q两路中频信号，通过90°耦合器耦合两路IF信号，从而实现镜像抑制下变频。本发明结构简单、无需使用滤波器、频率调谐范围和工作带宽大、镜像抑制比高。

Description

一种无滤波的基于级联调制器的镜像抑制下变频方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域、微波技术领域以及雷达技术领域，主要涉及利用光子学技术实现射频信号的下变频接收以及对镜像干扰的抑制。
背景技术
混频器是雷达接收机系统的重要组成部分。然而，在电子战环境中存在着许多不可避免的镜像信号。由于下转换后的镜像信号与有用的中频信号频率相同，可能造成错误接收。为了解决这一问题，接收机必须提供镜像抑制的下变频能力。
传统的镜像抑制下变频技术一般在电域进行，采用镜像抑制滤波器或者镜像抑制混频器。镜像抑制滤波用高Q值滤波器滤除镜像信号，系统造价高、结构复杂、带宽小。镜像抑制混频器虽然不需要使用滤波器，但随着接收信号频率的升高，器件的性能会大大降低，因此系统带宽受限于电域器件、电磁干扰严重、镜像抑制比低。
与传统的电域技术相比，微波光子技术兼具光子技术和微波技术的优点，损耗低，带宽高，抗电磁干扰、简单轻便，可以弥补电子器件的不足。
目前已报道的镜像抑制下变频方案主要分为两大类。第一类方案通过使用电滤波器或者光滤波器在下变频前滤除镜像信号，但是，实现大带宽的电子滤波器和高滚降系数的光学滤波器比较困难，因此限制了系统的工作带宽和灵活性。第二类方案通过使用相位抵消技术，其基于Hartley结构，将接收的信号与互相正交的两路本振信号相混频，把其中一路信号移相90°后与另一路信号叠加，产生镜像频率得到抵消的中频信号，实现镜像抑制下变频。在先前提出的相位抵消技术的方案中，大多数方法都依靠滤波器来选择调制信号的上、下边带，这限制了系统的工作带宽。通过使用一个大带宽90°光耦合器可以不使用滤波器，但耦合器在不同工作频率下存在幅值和相位不平衡的问题，会造成系统的不稳定。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种基于级联调制器的无滤波器镜像抑制下变频方法。该方法无需滤波器，因此系统的频率调谐范围和工作带宽不受滤波器的限制。而且由于利用了上边带和下边带，实现了高效的频谱利用。该方法将射频信号和本振信号分别调制到两个调制器，从而实现了高的射频本振隔离度。结构相对简单且容易实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述方法包括光源(LD)、信号源、马赫增德尔调制器(MZM)、偏振分路复用马赫增德尔调制器(PDM-MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)、光电探测器(PD)以及电90°耦合器(90°HC)。LD输出端连接MZM，MZM的输出端依次连接PC和PDM-MZM，PDM-MZM的输出端依次连接EDFA、PC和PBS，PBS的输出端分别连接PD，两个PD的输出分别连接90°HC的两个输入端。90°HC的一个输出端输出镜像抑制后的中频信号。
所述的PDM-MZM由X-pol MZM和Y-pol MZM两个子MZM以及偏振合束器(PBC)集成。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从LD发出波长为λ的光波作为载波注入到MZM中。
(2)信号源产生的射频(RF)信号输入到MZM的射频输入端口，MZM偏置在正交传输点，输出双边带信号，MZM输出的信号输入到PC用来减少偏振相关的损耗，PC输出的信号输入到PDM-MZM。
(3)在PDM-MZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-pol MZM和Y-pol MZM中，信号源产生的本振(LO)信号通过90°HC分别输入到X-pol MZM和Y-pol MZM的射频输入端口，X-pol MZM和Y-pol MZM均偏置在正交传输点，输出双边带信号，X-pol MZM和Y-pol MZM输出的两路信号输入到PBC实现偏振态正交化，在PDM-MZM的输出端得到偏振复用光。
(4)PDM-MZM输出的光信号接入EDFA进行放大。
(5)EDFA输出的光信号接入PC和PBS，PBS的两路输出分别接入PD，PD对输入信号进行拍频即可得到I、Q两路中频(IF)电信号。
(6)IF信号接入低频90°HC，90°HC对Q路引入90°相移后将两路信号耦合，输出端得到镜像抑制后的IF信号。
本发明提出了一种新型的镜像抑制下变频的方法，接收到的射频(RF)信号输入到MZM，正交本振(LO)信号输入到包含两个并联子调制器的PDM-MZM，利用PDM-MZM得到偏振复用光。经EDFA后与PC和PBS相连，通过PBS分离为两个偏振态，再分别接入两个PD，得到I、Q两路IF信号。通过90°HC耦合两路IF信号，从而实现镜像抑制下变频。本发明设备简单，镜像抑制比高，具有很强的实际可操作性。
本发明不使用滤波器选择上下光边带，因此系统的频率调谐范围和工作带宽不受滤波器的限制。
本发明调制信号的上下边带都得到了利用，实现了高效的频谱利用。
本发明射频信号和本振信号分别输入到两个调制器，从而实现了高的射频本振隔离。
附图说明
图1为本发明利用MZM级联PDM-MZM实现镜像抑制下变频的原理图。
图2为实施例中PDM-MZM输出光信号的频谱。
图3为实施例中两个PD分别输出的I,Q两路信号的频谱。
图4为有用中频(IF)信号与镜像中频(IF)信号的频谱。
图5为有用中频(IF)信号与镜像中频(IF)信号的波形。
图6(a)为实施例中镜像抑制比(IRR)随射频(RF)频率变化的实验测试结果。
图6(b)为实施例中镜像抑制比(IRR)随中频(IF)频率变化的实验测试结果。
图7为实施例中变频效率随射频(RF)频率变化的实验测试结果。
图8为实施例中下变频基频项和三阶交调项随射频(RF)功率变化的实验测试结果。以及测得的噪声底和无杂散动态范围(SFDR)。
具体实施方式：
下面结合附图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流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例：
图1为本发明利用MZM级联PDM-MZM实现镜像抑制下变频的原理图。该方案利用MZM对RF信号进行双边带调制，然后输入到PDM-MZM，在PDM-MZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-pol MZM和Y-pol MZM中，PDM-MZM的两个MZM均对LO信号和经过90°移相的LO信号进行双边带调制。然后通过PDM-MZM后端的PBC对两束光进行偏振复用。经EDFA放大之后与PC和PBS相连，通过PBS分离为两个偏振态，再分别接入两个PD，PD拍频之后可以得到I、Q两路IF信号。通过90°HC耦合两路IF信号，从而实现镜像抑制下变频。
如图1所示，本实施例中，方法包括：光源(LD)、两个信号源、马赫增德尔调制器(MZM)、偏振分路复用马赫增德尔调制器(PDM-MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、两个偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)、两个光电探测器(PD)以及两个电90°耦合器(90°HC)。LD的输出口与MZM的光输入口相连，MZM的光输出口与PDM-MZM光输入口相连，在PDM-MZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-pol MZM和Y-pol MZM中。RF信号源的输出端接MZM的射频输入端，LO信号源的输出端接90°HC的输入端，90°HC相移为0°的输出端口接X-pol MZM的射频输入端，90°HC相移为90°的输出端口接Y-pol MZM的射频输入端，PDM-MZM调制器的输出端依次连接EDFA、PC后与PBS的输入端相连，PBS两个输出端分别连接一个PD，PD输出的电信号通过90°HC耦合。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：光源产生中心波长在1552nm附近、功率14dBm的连续光波输入到MZM，MZM半波电压约3.5V，插入损耗约7dB。然后输入到PDM-MZM，在PDM-MZM内，光载波被分为两路，分别输入到X-pol MZM和Y-pol MZM中。一个信号源产生中心频率7.5GHz功率9dBm的有用射频(RF)信号以及中心频率7GHz的镜像(IM)信号，加载在MZM调制器的射频端口，另一个射频源产生中心频率8GHz功率9dBm的本振信号连接到90°HC的输入端，90°HC相移为0°的输出端口接X-pol MZM的射频输入端，90°HC相移为90°的输出端口接Y-pol MZM的射频输入端。
步骤二：通过调节MZM的直流偏压使偏置在正交传输点，MZM输出的调制信号可以表示为：
Figure GDA0003095147420000041
其中ωRF为射频信号的角频率，m为调制指数，Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
步骤三：调制后的信号被送入PDM-MZM，X-Pol MZM工作在正交工作点上，输出光信号可以表示为：
Figure GDA0003095147420000042
Figure GDA0003095147420000043
Y-Pol MZM也工作在正交工作点上，输出光信号可以表示为：
Figure GDA0003095147420000044
X-pol MZM和Y-pol MZM的输出信号进入PBC实现偏振态正交化，利用光学频谱分析仪对PDM-MZM输出信号进行光谱观测，如图2所示。PDM-MZM输出的偏振复用光可表示为：
Figure GDA0003095147420000051
步骤四：EDFA对光边带进行放大，光信号被放大后依次连接PC和PBS。
步骤五：PBS输出的两路光信号分别接入PD进行拍频实现下变频，忽略直流，得到I、Q两路IF信号如下：
Figure GDA0003095147420000052
Figure GDA0003095147420000053
式中η为PD的响应度。可以看出有用信号与镜像信号下变频后得到了相同频率的IF信号。其中ωIF＝ωRF-ωLO为有用信号下变频得到的IF信号的角频率，有用IF信号I、Q两路相差为
Figure GDA0003095147420000054
ωIF＝ωLO-ωIM为镜像信号下变频得到的IF信号的角频率，镜像IF信号I、Q两路相差为
Figure GDA0003095147420000055
采用数字示波器采集I和Q路波形，结果如图3所示。
步骤六：I、Q两路IF信号通过90°HC耦合，90°HC对Q路IF信号引入90°相移后将I、Q两路IF信号耦合，实现镜像抑制。90°HC输出的电信号为。
Figure GDA0003095147420000056
式中两个有用IF信号幅度符号相同，最终耦合的结果是两个有用IF信号的叠加。两个镜像IF信号幅度符号相反，最后镜像IF信号被抵消，实现了镜像抑制下变频。
步骤七：将90°HC输出的信号送入频谱仪和示波器观察。图4为有用IF信号与镜像IF信号的频谱，有用IF信号的功率减去镜像IF信号的功率为镜像抑制比(IRR)，可以测得该方法的IRR可达53.7dB。图5为有用IF信号和镜像IF信号的波形，可以看出有用IF信号可以保持有较大的幅度，而镜像IF信号的幅度几乎为0。
步骤八：为了观察方法在不同RF频率下的IRR，将IF固定为0.5GHz，RF频率从3GHz变到8GHz，对应设置LO的频率和IM频率，分别测量90°HC输出的IF功率，即为不同RF频率下对应有用IF信号和镜像IF信号的功率。图6(a)为镜像抑制比随RF频率变化的曲线，可以看出在频率范围内IRR皆大于50dB。
步骤九：为了观察方法在不同IF频率下的IRR，IF频率从500MHz变化到900MHz。保持LO的频率为6GHz不变，RF频率从6.5GHz变化到6.9GHz，对应设置IM的频率，分别测量90°HC输出的IF功率，图6(b)为镜像抑制比随IF频率变化的曲线。IF频率从500MHz变化到900MHz，相应的IRR保持在50dB以上，显著好于传统电域IRR为30dB的镜像抑制下变频接收机。
步骤十：为了观察方法在不同RF频率下的变频效率，将IF固定为0.5GHz，RF频率从3GHz变到8GHz，对应设置LO的频率和IM频率，测量90°HC输出的IF功率。IF功率减去RF功率即为变频效率。图7为变频效率随RF变化的曲线。转换增益在-28dB左右，波动在2dB以下。
步骤十一：利用另一个信号发生器产生另一个射频信号，测量无杂散动态范围(SFDR)。实验中输入LO信号频率为7GHz，射频双音信号设置为7.5GHz和7.51GHz。三个信号的输入功率都是9dbm。在不同的射频输入功率水平下，下转换基频项和三阶互调失真(IMD3)的输出功率如图8所示。测量的噪声底为-78dBm/MHz。因此，噪声底计算为-138dBm/Hz，实测SFDR为94.3dB·Hz2/3。
综上，本发明基于级联调制器的无滤波器镜像抑制下变频方法，无需使用滤波器，频率调谐范围和工作带宽大，调节简单，易于实现，镜像抑制比高，不受电磁干扰。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，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的变形和替换，射频信号和本振信号的中心频率、中频频率、光载波波长等都可以改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也相应视为本发明的保护的范围。

Claims (1)

1.一种无滤波的基于级联调制器的镜像抑制下变频方法，包括光源、信号源、马赫增德尔调制器MZM、偏振分路复用马赫增德尔调制器PDM-MZM、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、偏振分束器PBS、光电探测器PD以及电90°耦合器90°HC，其中PDM-MZM由两个子调制器X-Pol MZM和Y-Pol MZM以及偏振合束器PBC集成，其特征在于，光源的输出口与MZM的光输入口相连，将接收到的射频信号和镜像干扰信号输入到MZM的射频输入端口，MZM偏置在正交传输点QTP，输出双边带信号，MZM输出的信号输入到第一偏振控制器PC1用来减少偏振相关的损耗，PC1输出的信号输入到PDM-MZM，在PDM-MZM内，光载波被分成两路，分别输入到X-pol MZM和Y-pol MZM中，LO信号源的输出端接90°HC的输入端，90°HC相移为0°的输出端口接X-pol MZM的射频输入端，90°HC相移为90°的输出端口接Y-pol MZM的射频输入端，X-polMZM和Y-pol MZM均偏置在正交传输点QTP，输出双边带信号，X-pol MZM和Y-pol MZM输出的两路信号输入到PBC实现偏振态正交化，在PDM-MZM的输出端得到偏振复用光，经EDFA放大后接入第二偏振控制器PC2和PBS，PBS的两路输出分别接入PD，PD对输入信号进行拍频得到I、Q两路中频IF电信号，IF信号接入低频90°HC，90°HC对Q路引入90°相移后将两路信号耦合，输出端得到镜像抑制后的IF信号，该方法不使用滤波器选择调制信号的上下光边带，调制信号的上下边带都得到了利用，工作带宽不受滤波器的限制，工作频率可大范围调谐，本振隔离度高。
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