CN111953425A - 高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机，属于微波光子学领域，在无本振微波光子下变频结构中引入光信号环路，对电光调制后的信号进行滤波和分选，选择承载大部分光功率的中心载波，并将其反馈回相位调制器输入端，构成光信号环路，此外为了补偿环路衰减、匹配光信号相位变化，在环路中加入光放大器和光延时器，通过光信号的反馈和重复调制，可提升射频信号电光调制的调制深度，从而提高无本振微波光子下变频结构中信号所在的1阶光边带波长的载噪比。然后对基于光信号环路的无本振微波光子下变频输出的光信号进行相干探测，将本振光源波长与1阶光边带波长或‑1阶边带波长保持一致，实现对微弱光信号的检测。

Description

高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机
技术领域
本发明属于微波光子学领域，更具体地，涉及一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机。
背景技术
频谱资源紧张推动了通信频率向更高频段演进，毫米波段具有数个GHz的可用频谱资源，是未来无线通信的发展方向。受到基带信号处理速率和模数/数模转换器件瓶颈制约，直接对数个GHz带宽的毫米波射频信号进行直接检测，涉及电域混频、滤波，器件成本高，难度大。基于微波光子下变频技术可将毫米波射频信号直接变换到基带，充分利用光学器件带宽宽、损耗低等特点，能降低高频射频信号混频、滤波的代价。典型微波光子下变频方法首先对接收到的射频信号进行电光调制，然后选择合适频率的射频本振驱动级联的电光调制器，再利用可调谐光滤波器选择射频信号调制的光波长和射频本振调制的光波长进行光外差，实现射频信号下变频。对于毫米波信号下变频，高频射频本振成本高，使用两个或以上的宽带调制器或特殊定制调制器也会进一步增加系统成本。此外，通常带有射频本振驱动的微波光子下变频方法输出的信号通常为中频信号，无法与相干探测技术联合起来，不能发挥相干探测对微弱光信号检测的性能优势。
无本振微波光子下变频方法可以避免毫米波射频本振源，能降低系统复杂度，但毫米波无线通信接收端收到的信号弱，进行电光转换时，承载信号的光边带载噪比低，导致毫米波无线通信经远距离传输后系统误码性能差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机，实现对超宽带毫米波信号的高灵敏度接收，解决了毫米波无线通信中超宽带解调和高灵敏度探测问题，支撑毫米波无线通信实现大容量、远距离传输。
为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机，包括：无本振微波光子下变频结构、光信号环路及相干检测单元；
所述光信号环路，用于对通过所述无本振微波光子下变频结构中电光调制后的信号进行滤波和分选，选择出中心载波，并将所述中心载波反馈回所述无本振微波光子下变频结构中的调制器输入端，构成光信号环路；
所述相干检测单元，用于对基于所述光信号环路的无本振微波光子下变频输出的光信号进行相干探测。
优选地，所述无本振微波光子下变频结构包括依次连接的外腔激光器、光隔离器、调制器及光滤波器件。
优选地，所述光信号环路包括：环形器及保偏光耦合器；
所述环形器的第一端及第二端分别与所述调制器及所述光滤波器件连接，所述保偏光耦合器位于所述光隔离器及所述调制器之间；
由所述外腔激光器产生的连续光波经过所述光隔离器和所述保偏光耦合器后，注入到所述调制器中，然后通过所述环形器进入所述光滤波器件后，中心载波通过所述光滤波器件的反射口反射后经过所述环形器进入所述保偏光耦合器后进入所述调制器，信号载波从所述光滤波器件中透射输出进入所述相干检测单元。
优选地，所述光信号环路还包括：光放大器及光延时器；
所述光放大器的一端与所述环形器的第三端连接，所述光放大器的另一端与所述光延时器的一端连接，所述光延时器的另一端与所述保偏光耦合器连接。
优选地，所述光放大器的增益设定为能补偿所述光信号环路的损耗。
优选地，通过调整所述光延时器的延时使得
Figure BDA0002616823660000031
p＝0,1,2...，其中，
Figure BDA0002616823660000032
为由所述光延时器和所述光放大器补偿的光相移，
Figure BDA0002616823660000033
为由所述光信号环路引入的光相移。
优选地，所述相干检测单元，用于将本振光源波长与1阶光边带波长或-1阶边带波长保持一致，以实现对微弱光信号的检测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明采用基于信号放大光环路的无本振微波光子下变频结构提高接收机中电光转换效率，采用相干探测方法提高对微弱光信号的探测能力，最终实现对超宽带毫米波信号的高灵敏接收，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。解决了毫米波无线通信中超宽带解调和高灵敏度探测问题，可应用于超宽带毫米波无线通信系统中。本发明原理简洁，方案简单高效，具有较强的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机的结构示意图，其中，ECL表示外腔激光器，ISO表示光隔离器，PM-OC表示保偏光耦合器，PM表示光相位调制器，EDFA表示掺铒光纤放大器，TD表示光延时器，FBG表示光纤布拉格光栅；
图2是本发明实施例提供的一种基于信号放大光环路信号光输出功率改善因子；
图3是本发明实施例提供的一种基于传统无本振微波光子下变频结构的毫米波接收机，其中，ECL表示外腔激光器，ISO表示光隔离器，PM表示光相位调制器，FBG表示光纤布拉格光栅；
图4是本发明实施例提供的一种两种方法FBG输出的光谱图；
图5是本发明实施例提供的一种两种方法的误码性能比较。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明提出了一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机，采用基于信号放大光环路的无本振微波光子下变频结构，通过光信号的反馈和重复调制，提升射频信号电光调制的调制深度，从而提高无本振微波光子下变频中信号的电光转换效率，采用相干探测方法提高对微弱光信号的探测能力，最终实现对超宽带毫米波信号的高灵敏接收，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。
本发明实施例中的超宽带指：毫米波射频载波承载的信号带宽较宽，通常在GHz到数十GHz范围。
高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机结构原理图如图1所示。考虑到相位调制器相对于强度调制具有更低的插入损耗，且不会受到偏振电压漂移的影响，本发明实施例中选用相位调制进行电光转换，若选用强度调制器也具有一样的下变频功能。
首先，由外腔激光器(External Cavity Laser，ECL)产生的连续光波经过光隔离器(Optical Isolator，ISO)和保偏光耦合器(PM fiber optic coupler，PM-OC)后，注入到相位调制器(Phase Modulation，PM)中，PM调制器受到毫米波射频信号驱动，于是PM输出的光信号如下：
Figure BDA0002616823660000041
其中，Ein＝Aexp(jwct)，A为光源的输出电场强度，wc为中心载波频率，Vd＝RVπsin(wst)，ws＝2πfs，fs为毫米波射频载波频率，Vπ为相位调制器半波电压，R为射频信号幅度对半波电压幅值比值，因此公式(1)可表示如下：
Eout＝Aexp(jwct)exp(jπRsinwst) (2)
对上式进行Bessel函数展开为：
Figure BDA0002616823660000051
其中，Jn(πR)为n阶第一类贝塞尔函数，通常毫米波无线通信信号接收端功率较小，导致R较小，因此通常只会产生1阶边带，因此公式(3)可表示如下：
Figure BDA0002616823660000052
经过光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)后，中心载波通过反射口输出，信号载波透射输出，信号载波光场表示如下：
Esig_out1＝A(J1(πR)exp[j(wc+ws)t]+J-1(πR)exp[j(wc-ws)t]) (5)
通过反射口输出的中心载波信号经过光环形器、光纤放大器EDFA和光延时器TD后表示如下：
Figure BDA0002616823660000053
其中，
Figure BDA0002616823660000054
Figure BDA0002616823660000055
为光延时器和光放大器补偿的光相移，α为光延时器和光放大器补偿的信号增益，
Figure BDA0002616823660000056
为光信号环路引入的光相移，αloop为光信号环路引入的信号衰减。
由于光信号环路的存在，经过1次循环后，输出信号光为：
Esig_out2＝F·Esig_out1 (7)
假设循环为M次，则输出的信号光为：
Figure BDA0002616823660000061
为了保证光信号环路能实现谐振，光放大器增益需设定为能补偿光信号环路损耗，且通过调整光延时，使得
Figure BDA0002616823660000062
p＝0,1,2...。
经过多次循环后，输出的信号光功率相对于单次输出的功率改善变化如图2所示。可以看到，随着循环次数增加，功率改善因子逐渐趋于平缓，即光信号环路达到谐振输出，功率改善程度与F大小有关。
图2所示为本发明实施的典型案例结果，搭建了毫米波无线通信系统，毫米波射频频率为80GHz，调制格式采用16阶正交幅度调制(QAM)，系统波特率为5Gbaud。光信号环路功率衰减设为8dB，光放大器增益为8dB，噪声系数为5dB，链路光相位经补偿后相位变换为0。
采用如图1所示的光子辅助超宽带毫米波接收机结构，并与图3所示的传统无本振微波光子下变频结构的毫米波接收机进行性能比较，图4所示为两种方案经过FBG透射输出后的光谱，可以看到采用本发明提出的光信号环路方法后，信号功率明显提高，两种方法的误码特性如图5所示，可以看到当误码率为1e-3时，基于光信号环路的相干探测接收机比传统方法的检测性能提高3.5dB。
上述实施方案仅为本发明的典型应用，不同阶数的基带信号调制方式(如QPSK、8PSK调制等)，调制器可以用强度调制器替换相位调制器，光滤波器件可以采用光波分解复用器替换FBG等均为本发明的具体实现。
本发明在无本振微波光子下变频结构中引入光信号环路，对电光调制后的信号进行滤波和分选，选择承载大部分光功率的中心载波，并将其反馈回相位调制器输入端，构成光信号环路，此外为了补偿环路衰减、匹配光信号相位变化，在环路中加入光放大器和光延时器，通过光信号的反馈和重复调制，可提升射频信号电光调制的调制深度，从而提高无本振微波光子下变频结构中信号所在的1阶光边带波长的载噪比。然后对基于光信号环路的无本振微波光子下变频输出的光信号进行相干探测，将本振光源波长与1阶光边带波长或-1阶边带波长保持一致，实现对微弱光信号的检测。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，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，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 (7)

1.一种高灵敏度光子辅助超宽带毫米波接收机，其特征在于，包括：无本振微波光子下变频结构、光信号环路及相干检测单元；
所述光信号环路，用于对通过所述无本振微波光子下变频结构中电光调制后的信号进行滤波和分选，选择出中心载波，并将所述中心载波反馈回所述无本振微波光子下变频结构中的调制器输入端，构成光信号环路；
所述相干检测单元，用于对基于所述光信号环路的无本振微波光子下变频输出的光信号进行相干探测。
2.根据权利要求1所述的毫米波接收机，其特征在于，所述无本振微波光子下变频结构包括依次连接的外腔激光器、光隔离器、调制器及光滤波器件。
3.根据权利要求2所述的毫米波接收机，其特征在于，所述光信号环路包括：环形器及保偏光耦合器；
所述环形器的第一端及第二端分别与所述调制器及所述光滤波器件连接，所述保偏光耦合器位于所述光隔离器及所述调制器之间；
由所述外腔激光器产生的连续光波经过所述光隔离器和所述保偏光耦合器后，注入到所述调制器中，然后通过所述环形器进入所述光滤波器件后，中心载波通过所述光滤波器件的反射口反射后经过所述环形器进入所述保偏光耦合器后进入所述调制器，信号载波从所述光滤波器件中透射输出进入所述相干检测单元。
4.根据权利要求3所述的毫米波接收机，其特征在于，所述光信号环路还包括：光放大器及光延时器；
所述光放大器的一端与所述环形器的第三端连接，所述光放大器的另一端与所述光延时器的一端连接，所述光延时器的另一端与所述保偏光耦合器连接。
5.根据权利要求4所述的毫米波接收机，其特征在于，所述光放大器的增益设定为能补偿所述光信号环路的损耗。
6.根据权利要求4或5所述的毫米波接收机，其特征在于，通过调整所述光延时器的延时使得
Figure FDA0002616823650000021
其中，
Figure FDA0002616823650000022
为由所述光延时器和所述光放大器补偿的光相移，
Figure FDA0002616823650000023
为由所述光信号环路引入的光相移。
7.根据权利要求6所述的毫米波接收机，其特征在于，所述相干检测单元，用于对基于所述光信号环路的无本振微波光子下变频输出的光信号进行相干探测，将本振光源波长与1阶光边带波长或-1阶边带波长保持一致，以实现对微弱光信号的检测。
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