CN112448771B - 一种微波光子宽带接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波光子宽带接收机，激光器输出光载波经过第一光电调制器进行2n倍频调制，调制信号频率为微波本振信号ωL的1/2n，再经过光陷波器滤波处理得到一对频差为ωL的光本振；天线接收到的射频信号ωRF经过低噪声放大器后，通过第二光电调制器调制到光本振上，再经过光滤波器处理后，进入光电探测器转化为中频电信号ωIF；利用中频带通滤波器进一步滤波，进入采集处理模块进行数字信号处理。本发明可以实现跨波段的超宽带微波信号的下变频接收处理，同时满足了大带宽、超灵活和软可编程控制等要求，在未来高速通信及雷达电子对抗领域具有广阔应用前景。

Description

一种微波光子宽带接收机
技术领域
本发明涉及一种微波光子宽带接收机。
背景技术
随着现代电子技术的飞速发展，在雷达、高速通信等领域，电子系统对多频段融合探测、超大带宽感知与对抗等的应用需求逐渐迫切，传统电子接收机技术的瓶颈显现出来，受电子器件带宽限制难以采用统一的系统实现超宽带信号接收处理，其构建的系统结构往往较为复杂，且性能随着频率的增加而恶化。微波光子技术在光域上实现跨波段的微波信号的统一处理，从而能有效克服传统电子器件发展水平受限所带来的技术瓶颈，微波光子变频技术在光域上经过一次变频即可实现微波信号上下行频率转换，可使电子系统具有更强的灵活性、更大带宽、更高灵敏度以及更强抗干扰等能力。
目前，基于微波光子技术的下变频接收方法有光频梳外差法、光电振荡法、并联光电调制法、串联光电调制法。光频梳外差法以光频梳作为本振，将射频信号调制到光频梳上进行外差下变频，但较多的本振频率梳成分对滤波要求较高，系统较为复杂；光电振荡法利用光电振荡回路实现高质量本振的产生，但受回路中的微波器件带宽的限制，无法实现超宽带信号接收；并联光电调制法利用两路并行光信号，分别经过光电调制器后的耦合拍频，可以灵活的实现超宽带信号的下变频接收，但两路拍频会引入环境温度振动对相位的扰动，使得接收信号相位发生漂移；串联光电调制法可以克服环境扰动，但通常对于高频的接收信号需要高频的电本振信号，而越高频的电本振信号相噪越差，因此系统的带宽和相噪等性能容易受制于电本振信号。
发明内容
针对串联光电调制法存在系统带宽以及相噪等性能容易受制于电本振信号的问题，本发明提出了一种微波光子宽带接收机，降低变频过程中对高频电本振信号的需求，消除了相位漂移，系统达到更大的带宽和更高性能。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
包括光本振模块、微波光子下变频接收链路、天线部分；
所述光本振模块包括激光器、第一光电调制器、光陷波器和微波本振信号；激光器输出光载波经过第一光电调制器进行2n倍频调制，n为正整数，调制信号频率为微波本振信号ωL的1/2n，再经过光陷波器滤波处理得到一对频差为ωL的光本振；
所述微波光子下变频链路，包括第二光电调制器、光滤波器和光电探测器；所述天线部分包括天线和低噪声放大器；
将天线接收到的射频信号ωRF经过低噪声放大器后，通过第二光电调制器调制到光本振上，再经过光滤波器处理后，进入光电探测器转化为中频电信号ωIF；利用中频带通滤波器进一步滤波，进入采集处理模块进行数字信号处理。
进一步，所述激光器为窄线宽低相对强度噪声激光器。
进一步，所述的微波本振信号由频点可调谐的微波信号源产生。
进一步，所述的第一光电调制器、第二光电调制器为宽带光电调制器。
进一步，所述的第一光电调制器为马赫增德尔调制器或双平行马赫增德尔调制器，通过设置加载在调制器上的偏置电压，控制调制器工作在2n倍频调制状态。
进一步，所述的第二光电调制器为宽带马赫增德尔调制器或宽带相位调制器。
进一步，所述的光陷波器中心频点置于光载波频点ω0。
进一步，所述的光滤波器为宽带可调谐光滤波器，其中心频点置于ω0-ωL/2+ωRF，滤波带宽覆盖中频信号带宽。
根据上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.采用微波技术和光子技术相结合设计完成射频信号的下变频处理，结合了光子器件的宽带特性和电本振信号的灵活响应特性，可实现跨波段的超宽带微波信号的快速接收处理；
2.采用倍频调制产生光本振信号，降低变频过程中对高频电本振信号的需求，以便使系统达到较大的带宽的同时获得较好的相噪特性。
3.将一对光本振经过射频信号调制后，通过光电探测器直接进行拍频探测，整个过程的两路光信号所经过的路径一致，消除了环境扰动引起的相位漂移问题，结构设计相对简单，便于光路的集成设计。
附图说明
图1本发明原理框图；
图2本发明中光本振模块原理图；
图3本发明中光本振制备过程光谱图；
图4本发明中微波光子下变频接收链路原理图；
图5本发明中微波光子下变频过程光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明总系统原理框图如图1所示，主要包括光本振模块、微波光子下变频接收链路、天线部分以及采集处理模块等部分。在光本振模块中，激光器输出光载波经过第一光电调制器进行2n(n为正整数)倍频调制，调制信号频率为微波本振信号ωL的1/2n，再经过一窄带光陷波器滤波处理后得到一对频差为ωL的光本振，如图3 b；在微波光子下变频接收链路中，将天线接收到的射频信号ωRF经过低噪声放大器后，通过第二光电调制器调制到光本振上，再经过光滤波处理后，进入光电探测器转化为中频电信号ωIF；对得到的中频电信号ωIF利用中频带通滤波器进一步滤波，最终进入采集处理模块进行数字信号处理，实现跨波段的超宽带微波信号的下变频接收处理。
一、光本振模块
光本振模块原理图如图2所示，包括窄线宽低相对强度噪声(RIN)激光器、第一光电调制器、光陷波器和微波本振信号。
激光器输出频点为ω0的光载波信号，如图3a。
所述的微波本振信号由微波信号源产生，频点为ωL/2n，可以快速调谐。
所述的第一光电调制器为宽带光电调制器，可选用目前商用的马赫增德尔调制器(MZM)或双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)，通过设置加载在调制器上的偏置电压，可控制调制器工作在2n(n为正整数)倍频调制状态，产生一对光本振频率分别为ω0+ωL/2n和ω0-ωL/2n，载波抑制比达到30dBc以上，如图3b所示。
所述的光陷波器选用窄带光纤光栅陷波器，中心频点置于光载波频点ω0，对倍频调制输出的光本振进一步滤波，滤除残留载波，使得光本振谐波抑制比达到60dBc 以上，如图3c所示。
当选用马赫增德尔调制器(MZM)时，设Vπ为MZM的半波电压，偏置电压 VDC，微波本振信号频点为ωL/2，调制后输出光场EMZM,out(t)可表示为
Figure BDA0002192176620000041
其中，Jn(β)是n阶第一类贝塞尔函数，β＝πVL/2/2Vπ为调制深度,VL为调制幅度， t为时间。设置偏置电压VDC＝0时，商用调制器消光比可达30～40dB，此时载波和偶数阶边带都被消除，得到一对光本振近似可表示为
Figure BDA0002192176620000042
当选用双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)时，DPMZM由两个子MZM调制器(MZM-a和MZM-b)嵌入到主MZM-c调制器组成，通过配置三个MZM的偏置电压来实现相应阶数边带的消除，实现相应倍数的倍频调制。设加载到两个子MZM 调制器微波本振信号相位差为
Figure BDA0002192176620000045
具体配置参数详情见下表所示。
Figure BDA0002192176620000043
通常对于高频的接收信号需要高频的电本振信号，而越高频的电本振信号相噪越差，在光域上选用高倍频调制可以有效解决这一问题，但太高的阶数(n)会造成系统复杂度的提升，因此，实际情况下，需要综合选用合适的倍频数2n。当选用8倍频时，微波本振信号在0.05～5GHz变化的时候，可以得到0.4～40GHz的光本振信号。
二、微波光子下变频链路
微波光子下变频链路如图4所示，包括宽带光电调制器、光滤波器和光电探测器。
将天线接收到的一定带宽的射频信号ωRF经过低噪声放大器后，通过光电调制器调制到光本振上，其中，宽带光电调制器可选目前商用的宽带马赫增德尔调制器 (MZM)或宽带相位调制器(PM)。以宽带相位调制器(PM)为例，设调制深度为β’＝πVRF/2Vπ，光本振调制后输出结果EPM,out(t)可以表示为
Figure BDA0002192176620000044
Figure BDA0002192176620000051
其中，Jm(β′)是m阶第一类贝塞尔函数，VRF为射频调制幅度，t为时间。
光滤波器为宽带可调谐光滤波器，对光本振调制输出的光场如图5a，进行滤波处理，其中心频点置于ω0-ωL/2+ωRF附近，滤波带宽覆盖中频信号带宽，滤波后得到频率为ω0+ωL/2和ω0-ωL/2+ωRF的光信号，如图5b所示，可以表示为
Figure BDA0002192176620000052
以上输出光信号进入光电探测器，二者拍频可以得到频率为ωIF＝ωL-ωRF的中频信号，即实现射频信号的下变频接收处理。
采集处理模块，可以对中频信号进行AD采集，并进行数字信号处理。
通过调节微波本振信号及光滤波器中心频点可以实现跨波段的在大带宽范围内的射频快速侦搜，同时满足了大带宽、超灵活和软可编程控制等要求，在未来高速通信及雷达电子对抗领域具有广阔应用前景。
上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的权利要求，并不能构成对权利要求的限定。所应理解的是，在本发明的技术方案的基础上进行的任何简单的修改、变形或替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种微波光子宽带接收机，其特征在于，包括光本振模块、微波光子下变频接收链路、天线部分；
所述光本振模块包括激光器、第一光电调制器、光陷波器和微波本振信号；激光器输出光载波经过第一光电调制器进行2n倍频调制， n为正整数，调制信号频率为微波本振信号ωL的1/2n，再经过光陷波器滤波处理得到一对频差为ωL的光本振；
所述微波光子下变频链路，包括第二光电调制器、光滤波器和光电探测器；所述天线部分包括天线和低噪声放大器；
将天线接收到的射频信号ωRF经过低噪声放大器后，通过第二光电调制器调制到光本振上，再经过光滤波器处理后，进入光电探测器转化为中频电信号ωIF；利用中频带通滤波器进一步滤波，进入采集处理模块进行数字信号处理；
所述激光器为窄线宽低相对强度噪声激光器；
所述的微波本振信号由频点可调谐的微波信号源产生；
所述的第一光电调制器、第二光电调制器为宽带光电调制器；
所述的第一光电调制器为马赫增德尔调制器或双平行马赫增德尔调制器，通过设置加载在调制器上的偏置电压，控制调制器工作在2n倍频调制状态；
所述的第二光电调制器为宽带马赫增德尔调制器或宽带相位调制器；
所述的光陷波器中心频点置于光载波频点ω0；
所述的光滤波器为宽带可调谐光滤波器，其中心频点置于ω0-ωL/2+ωRF，滤波带宽覆盖中频信号带宽。
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