CN112311469B - 一种基于dpmzm的微波光子下变频器和微波接收系统 - Google Patents

一种基于dpmzm的微波光子下变频器和微波接收系统 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种基于DPMZM的微波光子下变频器，包括：激光器、光功分器、射频信号源、本振信号源、偏置控制模块，第一电功分器、第二电功分器、第一电衰减器、第二电衰减器、第一双平行马赫曾德尔调制器DPMZM1、第二双平行马赫曾德尔调制器DPMZM2和平衡光电探测器BPD；光功分器接收激光器输出的光载波，将光载波等分为两路，一路光载波与DPMZM1的光输入端口连接，另一路光载波与DPMZM2的光输入端口连接；第一电功分器将射频信号等分为两路，一路与MZM1的射频输入端口连接，另一路经第一电衰减器后与MZM4的射频输入端口连接。本申请提供的微波光子下变频器具有变频效率高、大动态范围的优点。

Description

一种基于DPMZM的微波光子下变频器和微波接收系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于双平行马赫-曾德尔调制器(DualParallel Mach-Zehnder Modulator，DPMZM)的微波光子下变频器和微波接收系统。
背景技术
目前，通信领域正朝着高频段，大带宽和高速率方向发展，微波以及毫米波技术成为下一代宽带无线通信的选择，微波接收系统作为通信系统中不可或缺的组成部分，也因此面临着更高性能的挑战。
微波光子学融合了微波和光纤通信的众多优势，解决了宽带无线通信系统中信号频率、带宽受限以及传输距离远和损耗较大的问题。因此，微波光子技术以其低损耗、高频段、大带宽和抗电磁干扰等特有优势，成为当前的研究热点。
微波光子下变频器是微波接收系统常用的微波器件之一，在雷达、电子战、通信等领域中具有广泛的应用。但是现有的微波光子下变频器往往存在使用频率低、端口隔离度差和工作带宽窄等缺点，难以满足高频段使用需求。请参见图1，图1是现有技术中提供的一种基于DPMZM的微波光子下变频器，该微波光子下变频器包括：激光器101、射频信号源102、本振信号源103、DPMZM 104、和光电探测器(Photo Detector，PD)105，该技术方案中，激光器101输出的激光作为光载波输入DPMZM 104的两个子调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)MZM1和MZM2，射频信号源102输出的射频(Radio Frequency，RF)信号和本振信号源103输出的本振(Local Oscillator，LO)信号分别调制MZM1和MZM2。在DPMZM的输出端，MZM1和MZM2的两路输出合并为一路，实现光信号的干涉，产生光载波和一系列调制边带的叠加，最终在PD中进行拍频得到中频(Intermediate Frequency，IF)信号。通过调节直流偏置VDCi'(i＝1、2和3)使DPMZM 104工作在载波抑制双边带调制状态，进而抑制三阶互调失真(ThirdOrder Intermodulation Distortion，IMD3),这个方案的变频效率相对其他现有技术有所提高，但是动态范围提高仍不理想。
因此，如何提升微波光子下变频器的性能是目前急需解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于DPMZM的微波光子下变频器和微波接收系统，具有变频效率高以及大幅度提高系统动态范围等优点。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于DPMZM的微波光子下变频器，包括：
激光器、光功分器、射频信号源(Radio Frequency，RF)、本振信号源(LocalOscillator，LO)、偏置控制模块，第一电功分器、第二电功分器、第一电衰减器、第二电衰减器、第一双平行马赫曾德尔调制器DPMZM1、第二双平行马赫曾德尔调制器DPMZM2和平衡光电探测器(Balanced Photo Detector，BPD)；
所述光功分器用于接收所述激光器输出的光载波，并将所述光载波等分为两路，其中一路光载波与所述DPMZM1的光输入端口连接，另一路光载波与所述DPMZM2的光输入端口连接；
所述DPMZM1包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM1和MZM2、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM3；
所述DPMZM2包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM4和MZM5、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM6；
所述偏置控制模块用于对所述MZM1、所述MZM2、所述MZM3、所述MZM4、所述MZM5、以及所述MZM6的偏置点进行调节；
所述第一电功分器用于接收所述RF输出的射频信号，并将所述射频信号等分为两路，其中一路射频信号与所述DPMZM1的一个子马赫曾德尔调制器MZM1的射频输入端口连接，另一路射频信号经所述第一电衰减器后与所述MZM4的射频输入端口连接；
所述第二电功分器用于接收所述LO输出的本振信号，并将所述本振信号等分为两路，其中一路本振信号经所述第二电衰减器后与所述MZM2的射频输入端口连接，另一路本振信号与所述MZM5的射频输入端口连接；
所述DPMZM1和所述DPMZM2的光输出端口分别输入所述BPD的两个光输入端口，所述BPD输出下变频后的中频信号。
本申请实施例提供的微波光子下变频器利用并联DPMZM实现射频信号和本振信号的双边带调制，抑制了光载波，借助电衰减器调节两路射频信号和本振信号幅度满足特定比例关系，实现了高效率、大动态范围的微波光子下变频。
在一些可能的实施方式中，所述RF包括：天线、低噪声放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)、带通滤波器(Bandpass Filter，BPF)、和驱动放大器Driver，所述天线接收到的射频信号经所述LNA、BPF、Driver后输入到所述第一电功分器。
在一些可能的实施方式中，所述MZM1和所述MZM2分别位于所述MZM3的两臂上，所述MZM1和所述MZM2具有相同的性能和结构、并且分别有独立的射频输入端口和直流偏置电压输入端口，所述MZM3具有直流偏置电压输入端口，所述MZM3用于在所述MZM1和所述MZM2输出的信号之间引入相位差并将两路信号耦合在一起。
在一些可能的实施方式中，所述MZM4和所述MZM5分别位于所述MZM6的两臂上，所述MZM3和所述MZM4具有相同的性能和结构、并且分别有独立的射频输入端口和直流偏置电压输入端口，所述MZM6具有直流偏置电压输入端口，所述MZM6用于在所述MZM4和所述MZM5输出的信号之间引入相位差并将两路信号耦合在一起。
在一些可能的实施方式中，所述BPD包括两个光电探测器PD1和PD2；
所述DPMZM1的光输出端口输出的信号连接到所述PD1的输入端，所述DPMZM2的光输出端口输出的信号连接到所述PD2的输入端；所述BPD对进入所述PD1和所述PD2的两路光信号进行拍频，得到所述BPD输出的下变频后的中频信号。
在一些可能的实施方式中，
Figure BDA0002149591950000021
其中，所述a1是所述第一电衰减器的功率衰减系数，所述a2是所述第二电衰减器的功率衰减系数。
在一些可能的实施方式中，所述偏置控制模块具体用于，使所述MZM1、所述MZM2、所述MZM3、所述MZM4、所述MZM5、以及所述MZM6均工作在最小偏置点。
第二方面，本申请实施例还提供了一种微波接收系统，包括如第一方面或者第一方面任一可能的实施例中所述的基于DPMZM的微波光子下变频器。
在一些可能的实施方式中，微波接收系统还包括模数转换器和数字信号处理器，所述模数转换器用于对所述中频信号进行模数转换得到所述数字信号处理器进行处理的数字基带信号。
在一些可能的实施方式中，所述微波接收系统可以包括如下任一系统：相控阵雷达系统、微波光子雷达系统、电子战系统、深空探测系统、或者卫星通信系统等。
本申请实施例中包括的微波光子下变频器利用并联DPMZM实现射频信号和本振信号的双边带调制，抑制了光载波，借助电衰减器调节两路射频信号和本振信号幅度满足特定比例关系，实现了高效率、大动态范围的微波光子下变频。
附图说明
图1为现有技术中的一种基于DPMZM的微波光子下变频器的结构示意图。
图2A为本申请的一个实施例提供的基于DPMZM的微波光子下变频器的结构示意图。
图2B为本申请的一个实施例提供的一种微波接收系统的结构示意图。
图3为对本申请一个实施例进行仿真得到的一个频谱图。
图4为对图1所示微波光子下变频器进行仿真得到的一个频谱图。
图5为对本申请和图1所示现有技术进行仿真得到的动态范围测试结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供的基于DPMZM的微波光子下变频器，包括：激光器、光功分器、射频信号源RF、本振信号源LO、偏置控制模块，第一电功分器、第二电功分器、第一电衰减器、第二电衰减器、第一双平行马赫曾德尔调制器DPMZM1、第二双平行马赫曾德尔调制器DPMZM2和平衡光电探测器BPD；光功分器用于接收激光器输出的光载波，并将光载波等分为两路，其中一路光载波与DPMZM1的光输入端口连接，另一路光载波与DPMZM2的光输入端口连接；DPMZM1包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM1和MZM2、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM3；DPMZM2包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM4和MZM5、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM6；偏置控制模块用于对MZM1、MZM2、MZM3、MZM4、MZM5、以及MZM6的偏置点进行调节；第一电功分器用于接收RF输出的射频信号，并将射频信号等分为两路，其中一路射频信号与DPMZM1的一个子马赫曾德尔调制器MZM1的射频输入端口连接，另一路射频信号经第一电衰减器后与MZM4的射频输入端口连接；第二电功分器用于接收LO输出的本振信号，并将本振信号等分为两路，其中一路本振信号经第二电衰减器后与MZM2的射频输入端口连接，另一路本振信号与MZM5的射频输入端口连接；DPMZM1和DPMZM2的光输出端口分别输入BPD的两个光输入端口，BPD输出下变频后的中频信号。
本申请实施例提供的微波光子下变频器利用并联DPMZM实现射频信号和本振信号的双边带调制，抑制了光载波，借助电衰减器调节两路射频信号和本振信号幅度满足特定比例关系，实现了高效率、大动态范围的微波光子下变频。
请参阅图2A，图2A为本申请的一个实施例提供的一种基于DPMZM的微波光子下变频器的结构示意图，在该实施例中，基于DPMZM的微波光子下变频器，包括：激光器201、光功分器202、射频信号源RF 203、本振信号源LO 204、偏置控制模块，第一电功分器205、第二电功分器206、第一电衰减器207、第二电衰减器208、第一双平行马赫曾德尔调制器DPMZM1209、第二双平行马赫曾德尔调制器DPMZM2210和平衡光电探测器BPD 211。光功分器202用于接收激光器201输出的光载波，并将光载波等分为两路，其中一路光载波与DPMZM1209的光输入端口连接，另一路光载波与DPMZM2210的光输入端口连接；DPMZM1209包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM1和MZM2、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM3；DPMZM2210包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM4和MZM5、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM6；偏置控制模块用于对MZM1、MZM2、MZM3、MZM4、MZM5、以及MZM6的偏置点进行调节。第一电功分器205用于接收RF 203输出的射频信号，并将射频信号等分为两路，其中一路射频信号与DPMZM1209的一个子马赫曾德尔调制器MZM1的射频输入端口连接，另一路射频信号经第一电衰减器207后与MZM4的射频输入端口连接。第二电功分器206用于接收LO 204输出的本振信号，并将本振信号等分为两路，其中一路本振信号经第二电衰减器208后与MZM2的射频输入端口连接，另一路本振信号与MZM5的射频输入端口连接。DPMZM1209和DPMZM2210的光输出端口分别输入BPD 211的两个光输入端口，DPD包括两个PD，分别是PD1和PD2，BPD输出下变频后的中频信号IF。需要说明的是，第一电衰减器207的功率衰减系数与第二电衰减器208的功率衰减系数之间满足如下关系：
Figure BDA0002149591950000041
其中，a1是第一电衰减器207的功率衰减系数，a2是第二电衰减器208的功率衰减系数。
需要说明的是，RF 203可以包括：天线、低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF和驱动放大器Driver，天线接收到的射频信号经LNA、BPF、Driver后输入到第一电功分器205。
MZM1和MZM2分别位于MZM3的两臂上，MZM1和MZM2具有相同的性能和结构、并且分别有独立的射频输入端口和直流偏置电压输入端口，MZM3具有直流偏置电压输入端口，MZM3用于在MZM1和MZM2输出的信号之间引入相位差并将两路信号耦合在一起。
MZM4和MZM5分别位于MZM6的两臂上，MZM3和MZM4具有相同的性能和结构、并且分别有独立的射频输入端口和直流偏置电压输入端口，MZM6具有直流偏置电压输入端口，MZM6用于在MZM4和MZM5输出的信号之间引入相位差并将两路信号耦合在一起。
BPD 211包括两个光电探测器PD1和PD2；DPMZM1209的光输出端口输出的信号连接到PD1的输入端，DPMZM2210的光输出端口输出的信号连接到PD2的输入端；BPD 211对进入到PD1和PD2的两路光信号进行拍频，得到BPD 211输出的下变频后的中频信号。
偏置控制模块具体用于，使MZM1、MZM2、MZM3、MZM4、MZM5、以及MZM6均工作在最小偏置点。
基于DPMZM的微波光子下变频器工作时包括步骤S1至S7。
S1、从激光器201输出幅度为Ec、频率为fc的光信号经过光功分器202后分别注入到两个DPMZM中。
S2、射频信号源203输出频率为fRF、幅度为VRF的射频信号，经过第一电功分器205后，一路输入MZM1，另一路经过第一电衰减器207后输入MZM4。
S3、本振信号源204输出频率为fLO、幅度为VLO的本振信号，经过第二电功分器206后，一路经过第二电衰减器208输入MZM2，另一路直接输入MZM5。
S4、偏置控制模块将幅度为VDC1和VDC2的直流偏置分别接入DPMZM1及DPMZM2中的各子马赫曾德尔调制器的直流输入端。偏置控制模块将幅度为VDC3的直流偏置分别接入DPMZM1及DPMZM2中的主调制器的直流输入端。
单个DPMZM的输出信号表达式为：
Figure BDA0002149591950000051
其中，β表示DPMZM的损耗；Φi(t)(i＝1,2)表示子调制器MZM1和MZM2加载射频信号和本振信号后产生的相位变化；mRF和mLO表示射频信号和本振信号的调制指数；
Figure BDA00021495919500000510
Figure BDA00021495919500000511
表示子调制器MZM1、MZM2和主调制器MZM3的直流偏置角。具体表达式如式(2)-(4)所示。
Figure BDA0002149591950000052
Figure BDA0002149591950000053
Figure BDA0002149591950000054
S5、设置第一电衰减器207和第二电衰减器208的功率衰减系数分别为α1和α2，此时上下两路射频信号的调制指数分别为
Figure BDA0002149591950000055
和
Figure BDA0002149591950000056
上下两路本振信号的调制指数分别为
Figure BDA0002149591950000057
和
Figure BDA0002149591950000058
S6、并联DPMZM的输出信号在BPD的两个PD中进行拍频，即可得到下变频信号。
经过PD光电探测之后，单个DPMZM输出的光电流表示为：
Figure BDA0002149591950000059
其中，η表示PD的响应度。
对式(5)采用贝塞尔函数展开，忽略直流项和高阶小项，取变频信号的一阶和三次谐波项，可得：
Figure BDA0002149591950000061
因此，在使用双音信号时有：
Figure BDA0002149591950000062
此时，BPD中的两路光电流分别为：
Figure BDA0002149591950000063
Figure BDA0002149591950000064
两路光电流在BPD中相减，最终输出中频信号的表达式为：
IBPD(t)＝IPD1(t)-IPD2(t)
Figure BDA0002149591950000065
S7、调整第一电衰减器207和第二电衰减器208的功率衰减系数，使其满足
Figure BDA0002149591950000066
时，本下变频系统中的三阶交调失真(Third OrderIntermodulation Distortion，IMD3)分量被抵消，此时式(10)可以表示为：
Figure BDA0002149591950000067
根据三次函数的极值理论，最终输出的中频信号在：
Figure BDA0002149591950000068
且
Figure BDA0002149591950000069
(k1，k2,k3均表示整数)时取得最大值
则射频和本振信号两路的最佳衰减应分别为4.77dB和14.3dB,实际中可用5dB和15dB代替。
为了验证本申请的有益效果，对图1和图2A对应的微波光子下变频器进行了仿真测试。具体测试数据和过程如下：
S11、激光器产生工作波长为1550nm、光功率为20mW的光载波；射频信号源产生频率分别为6.5GHz、6.51GHz的双音信号，本振信号源产生频率为6GHz、功率为10dBm的本振信号；每个DPMZM的半波电压为3.5V，消光比为30dB；BPD的响应度为0.6A/W。
S12、第一电衰减器的功率衰减值为5dB，第二电衰减器的功率衰减值为15dB。
S13、调节DPMZM1和DPMZM2的直流偏置，使得所有子调制器和主调制器均工作在最小点。
S14、图3为并联DPMZM结构输出的频谱图，基波功率为-30.8dBm，三阶交调较小，约为-98.65dBm。作为对照，采用单个DPMZM和单个PD进行微波光子变频(电路结构如图1所示)时输出的中频信号频谱如图4所示，基波功率为-30.4dBm，三阶交调功率为-76.6dBm。根据仿真结果对比可知，本申请实施例提供的基于并联DPMZM结构的大动态范围微波光子下变频器具有较低的非线性失真。
S15、改变输入射频双音信号的功率，测量BPD输出的基波信号、三阶交调失真和噪声功率，得到单个DPMZM和并联DPMZM系统的动态范围，结果如图5所示。单个DPMZM系统的三阶无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range，SFDR)SFDR3为105.1dB*Hz(2/3)；而并联DPMZM系统的SFDR3为126.4.24dB*Hz(2/3)，根据仿真结果对比可知，基于并联DPMZM结构的大动态范围微波光子下变频器具有较大动态范围。
本申请实施例还提供了包括前面任一实施例所述的微波光子下变频器的微波接收系统，微波接收系统还可以包括：模数转换器和数字信号处理器。模数转换器用于对中频信号进行模数转换得到数字信号处理器进行处理的数字基带信号。
微波技术系统可以是相控阵雷达系统、微波光子雷达系统、电子战系统、深空探测系统、或者卫星通信系统。
本申请提供的技术方案潜在应用功能多，通过设置两个DPMZM工作在不同偏置点(如正交点、最大偏置点)，施加不同衰减，可以实现其它待探索的应用功能。
本申请实施例提供的技术方案实用性很强，可以应用在各种微波领域的电子接收系统中，如相控阵雷达、微波光子雷达、电子战系统、深空探测以及卫星通信等，具有潜在的应用价值。这里不再以赘述。
应理解本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于DPMZM的微波光子下变频器，其特征在于，包括：
激光器、光功分器、射频信号源RF、本振信号源LO、偏置控制模块，第一电功分器、第二电功分器、第一电衰减器、第二电衰减器、第一双平行马赫曾德尔调制器DPMZM1、第二双平行马赫曾德尔调制器DPMZM2和平衡光电探测器BPD；
所述光功分器用于接收所述激光器输出的光载波，并将所述光载波等分为两路，其中一路光载波与所述DPMZM1的光输入端口连接，另一路光载波与所述DPMZM2的光输入端口连接；
所述DPMZM1包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM1和MZM2、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM3；
所述DPMZM2包括：两个子马赫曾德尔调制器MZM4和MZM5、以及一个主马赫曾德尔调制器MZM6；
所述偏置控制模块用于对所述MZM1、所述MZM2、所述MZM3、所述MZM4、所述MZM5、以及所述MZM6的偏置点进行调节；
所述第一电功分器用于接收所述RF输出的射频信号，并将所述射频信号等分为两路，其中一路射频信号与所述DPMZM1的一个子马赫曾德尔调制器MZM1的射频输入端口连接，另一路射频信号经所述第一电衰减器后与所述MZM4的射频输入端口连接；
所述第二电功分器用于接收所述LO输出的本振信号，并将所述本振信号等分为两路，其中一路本振信号经所述第二电衰减器后与所述MZM2的射频输入端口连接，另一路本振信号与所述MZM5的射频输入端口连接；
所述DPMZM1和所述DPMZM2的光输出端口分别输入所述BPD的两个光输入端口，所述BPD输出下变频后的中频信号。
2.根据权利要求1所述的微波光子下变频器，其特征在于，所述RF包括：天线、低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF、和驱动放大器Driver，所述天线接收到的射频信号经所述LNA、BPF、Driver后输入到所述第一电功分器。
3.根据权利要求1所述的微波光子下变频器，其特征在于，
所述MZM1和所述MZM2分别位于所述MZM3的两臂上，所述MZM1和所述MZM2具有相同的性能和结构、并且分别有独立的射频输入端口和直流偏置电压输入端口，所述MZM3具有直流偏置电压输入端口，所述MZM3用于在所述MZM1和所述MZM2输出的信号之间引入相位差并将两路信号耦合在一起。
4.根据权利要求1至3任一项所述的微波光子下变频器，其特征在于，
所述MZM4和所述MZM5分别位于所述MZM6的两臂上，所述MZM3和所述MZM4具有相同的性能和结构、并且分别有独立的射频输入端口和直流偏置电压输入端口，所述MZM6具有直流偏置电压输入端口，所述MZM6用于在所述MZM4和所述MZM5输出的信号之间引入相位差并将两路信号耦合在一起。
5.根据权利要求1至3任一项所述的微波光子下变频器，其特征在于，
所述BPD包括两个光电探测器PD1和PD2；
所述DPMZM1的光输出端口输出的信号连接到所述PD1的输入端，所述DPMZM2的光输出端口输出的信号连接到所述PD2的输入端；所述BPD对进入所述PD1和所述PD2的两路光信号进行拍频，得到所述BPD输出的下变频后的中频信号。
6.根据权利要求1至3任一项所述的微波光子下变频器，其特征在于，
Figure FDA0003239079980000021
其中，所述a1是所述第一电衰减器的功率衰减系数，所述a2是所述第二电衰减器的功率衰减系数。
7.根据权利要求1至3任一项所述的微波光子下变频器，其特征在于，
所述偏置控制模块具体用于，使所述MZM1、所述MZM2、所述MZM3、所述MZM4、所述MZM5、以及所述MZM6均工作在最小偏置点。
8.一种微波接收系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的微波光子下变频器。
9.根据权利要求8所述的微波接收系统，其特征在于，还包括模数转换器和数字信号处理器，所述模数转换器用于对所述中频信号进行模数转换得到所述数字信号处理器进行处理的数字基带信号。
10.根据权利要求8或9所述的微波接收系统，其特征在于，所述微波技术系统包括如下任一系统：相控阵雷达系统、微波光子雷达系统、电子战系统、深空探测系统、或者卫星通信系统。
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