CN112929091A - 基于双偏振光iq调制器的多功能微波光子射频前端系统 - Google Patents

基于双偏振光iq调制器的多功能微波光子射频前端系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，属于微波光子学技术领域，包括上行链路与下行链路两个部分，上行链路由自干扰消除模块与微波光子下变频模块构成，在上行链路中，利用双偏振光IQ调制器中X偏振态光IQ调制器实现了自干扰消除以及信号下变频的功能；下行链路由微波光子本地振荡生成模块与微波光子上变频模块构成，在下行链路中，通过Y偏振态光IQ调制器实现了信号的上变频以及自生LO信号的功能。本发明的射频前端系统具有多功能、高集成度的特点，基本覆盖了射频前端的所有功能，既增大了系统的带宽，也有利于整个系统的集成化，并且简化了结构，同时具有自干扰消除功能，即使收发同时同频进行也不会相互影响。

Description

基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，更具体地，涉及一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统。
背景技术
射频前端在移动通信系统中具有广泛的应用。传统的射频前端的方案主要基于电学器件，即低噪声放大器，电混频器以及电滤波器等器件组成。电学器件由于工作带宽的限制，已无法满足高带宽的需求。由于光子器件大带宽、低损耗的特性，结合了传统微波技术与光子技术的微波光子技术成为了这一困境的解决方案。微波光子技术的核心思路是以光作为载体，以光器件作为硬件基础，利用光学器件和系统来实现射频电信号的产生、传输和处理。与传统电子器件相比，光子器件具有高带宽、低损耗、高响应平坦度的特点。因此研究微波光子射频前端是移动通信领域的一个重要方向。
目前世界上很多国家的研究小组都对微波光子射频前端技术进行专门的研究。然而现有方案实现的功能有限，有的方案虽实现的双下变频以及自生LO信号，但是未实现自干扰消除，无法实现全双工；有的方案同时实现了自干扰消除与下变频，却需要外输LO信号。
综上所述，目前现有的关于微波光子射频前端的研究成果主要局限在于一体化程度有限，多是利用光调制器实现单一或者部分功能。现有方案如需同时实现上下变频、自干扰消除以及自生LO信号的功能需要使用较多的光调制器，难以实现集成。考虑到整个移动通信链路包含上行链路与下行链路两个部分，而双偏振光IQ调制器包含X偏振光IQ调制器和Y偏振光IQ调制器两个独立的调制器，因此利用双偏振光IQ调制器实现上下链路射频前端的一体化是有可行性的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其目的在于将上下变频、自干扰消除以及自生LO信号的功能一体化集成，由此解决现有技术中射频前端功能单一的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，所述射频前端系统包括：上行链路和下行链路；
所述下行链路包括微波光子本地振荡生成模块和微波光子上变频模块；
所述微波光子本地振荡生成模块用于产生LO信号；
所述微波光子上变频模块用于接收中心局发出的中频信号与所述微波光子本地振荡生成模块所产生的LO信号偶尔后的信号，并以LO信号作为变频进准信号对中频信号进行上变频，并将上变频后的中频信号分为两路，其中一路作为反馈信号输入至所述微波光子本地振荡生成模块以实现LO信号自生成；另一路再次被分为两路，其中第一路作为发射信号经放大后由发射天线发射出去，第二路作为参考信号传输至所述上行链路；
所述上行链路包括自干扰消除模块和微波光子下变频模块；
所述自干扰消除模块用于接收经由接收天线所接收的接收信号以及下行链路传输的参考信号，以消除发射信号对接收信号的干扰；
所述微波光子下变频模块用于接收干扰消除后的接收信号，并以下行链路自生成的LO信号作为变频基准信号对干扰消除后的接收信号进行下变频，将所述下变频后的信号输入至中心局中。
优选地，所述微波光子下变频模块包括X偏振态光IQ调制器和第一电耦合器；所述X偏振态光IQ调制器由三个马赫曾德尔调制器组成，分别为MZM_XI调制器、MZM_XQ调制器和MZM_XP调制器；
所述MZM_XI调制器通过所述第一电耦合器连接所述接收天线，所述接收信号与所述LO信号经过所述第一电耦合器进行耦合并进入所述MZM_XI调制器的射频输入端，所述接收信号对所述X偏振态光IQ调制器内的信号光进行幅度调制，从而完成对所述接收信号的下变频；所述X偏振态光IQ调制器输出的经下变频的接收信号依次通过偏振合束器、偏振分束器和光滤波器后被中心局接收。
优选地，所述X偏振态光IQ调制器的偏置点设定在(π,2arcsin(A0),π)，其中A0为空间信道损耗。
优选地，所述微波光子上变频模块包括Y偏振态光IQ调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二电耦合器；
所述Y偏振态光IQ调制器由三个马赫曾德尔调制器组成，分别为MZM_YI调制器、MZM_YQ调制器和MZM_YP调制器；所述MZM_YI调制器的射频输入端连接所述第一光电探测器，用于接收中心局发射的中频信号；所述中频信号经所述Y偏振态光IQ调制器上变频后的信号作为发射信号依次通过所述偏振合束器、所述偏振分束器、所述光电振荡模块光纤和所述第二光电探测器后进入所述第二电耦合器；所述第二电耦合器将所述发射信号分为两路，其中第一路发射信号经滤波、放大后输入至所述发射天线；第二路发射信号经放大、滤波后作为LO信号分别进入所述MZM_YQ调制器和MZM_XI调制器。
优选地，所述光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二功率放大器与所述Y偏振态光IQ调制器构成OEO环路，通过调节所述光电振荡模块光纤的长度以及所述Y偏振态光IQ调制器的偏置点以满足OEO环路闭环起振条件，从而实现自生LO信号。
优选地，所述Y偏振态光IQ调制器的偏置点设定为
Figure BDA0002905079140000041
优选地，所述OEO环路为单环OEO结构环路或双环OEO结构环路。
优选地，还包括激光器和第二偏振分束器；所述第二偏振分束器的输出端分别连接所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器，所述激光器用于产生信号光，所述信号光经所述第二偏振分束器偏振分束后分别进入所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器中。
优选地，所述射频前端系统应用于移动通信领域。
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，由于同时集成了自干扰消除模块、微波光子下变频模块、微波光子本地振荡生成模块和微波光子下变频模块四个子模块，可以通过本发明的射频前端系统同时实现信号的上下变频、自生LO信号以及自干扰消除功能，发射天线与接收天线之间不会相互产生影响，大大提升系统性能；由于采用双偏振光IQ调制器，将传统结构中分离的上行链路射频前端与下行链路射频前端整合在一起，利用一个调制器同时实现了多个功能，结构更加紧凑，易于后续结构的集成，也大大降低了成本。
附图说明
图1是本发明基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统的结构示意图；
图2是本发明基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统的具体结构示意图；
图3是本发明基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统的一个实施例的结构示意图；
图4是本发明基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统实施例中产生的LO信号的频谱图；
图5是本发明基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统实施例中调制格式为16QAM时自干扰消除频谱对比图；
图6是本发明基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统实施例中上变频支路输出信号的电谱图。
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。
请参阅图1，本发明提出了一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，包括由自干扰消除模块和微波光子下变频模块构成的上行链路和由微波光子上变频模块和微波光子本地振荡生成模块构成的下行链路。
所述下行链路包括微波光子本地振荡生成模块和微波光子上变频模块；所述微波光子本地振荡生成模块用于产生LO信号；所述微波光子上变频模块用于接收中心局发出的中频信号与所述微波光子本地振荡生成模块所产生的LO信号偶尔后的信号，并以LO信号作为变频进准信号对中频信号进行上变频，并将上变频后的中频信号分为两路，其中一路作为反馈信号输入至所述微波光子本地振荡生成模块以实现LO信号自生成；另一路再次被分为两路，其中第一路作为发射信号经放大后由发射天线发射出去，第二路作为参考信号传输至所述上行链路。
所述上行链路包括自干扰消除模块和微波光子下变频模块；所述自干扰消除模块用于接收经由接收天线所接收的接收信号以及下行链路传输的参考信号，以消除发射信号对接收信号的干扰；所述微波光子下变频模块用于接收干扰消除后的接收信号，并以下行链路自生成的LO信号作为变频基准信号对干扰消除后的接收信号进行下变频，将所述下变频后的信号输入至中心局中。
本发明所述的射频前端系统利用了微波光子系统同时实现了上下变频、自干扰消除以及自生LO信号的功能，既利用了微波光子系统高带宽、低损耗的优势，也提高了射频前端的集成度。将上行链路与下行链路的射频前端整合在一起，并结合自干扰消除技术，实现了移动通信射频前端的全双工一体化。
请参阅图2，在本发明的射频前端系统中，上行链路主要是基于双偏振光IQ调制器的X偏振态光IQ调制器，实现了接收信号的下变频以及自干扰消除功能。下行链路主要是基于双偏振光IQ调制器的Y偏振光IQ调制器，实现了中频信号的上变频以及自生高稳定度的LO信号功能。
具体的，所述射频前端系统具体包括第一电耦合器、MZM_XI调制器、MZM_XQ调制器、MZM_XP调制器、MZM_YI调制器、MZM_YQ调制器、MZM_YP调制器、激光器、第二偏振分束器、偏振合束器、偏振分束器、第一光滤波器、光环形器、拉远光纤、光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二电耦合器、第一功率放大器、第一电滤波器、第三电耦合器、第二光电探测器、第二电滤波器、第四电耦合器、电延时器和第二功率放大器。各器件具体连接关系如下：
所述第一电耦合器的输入端分别连接接收天线和所述第三电耦合器的输出端，所述第一电耦合器的输出端连接所述MZM_XI调制器，所述X偏振态光IQ调制器的输出端连接所述偏振合束器，所述偏振合束器连接所述偏振分束器，所述偏振分束器的输出端分别连接所述光滤波器的输入端和所述光电振荡模块光纤的一端，所述光滤波器的输出端通过所述光环行器连接所述拉远光纤；所述光电振荡模块光纤的另一端连接所述第二光电探测器的输入端，所述第二光电探测器的输出端连接所述第二电耦合器的输入端，所述第二电耦合器的输出端分别连接所述第一功率放大器和所述第二电滤波器；所述第一功率放大器依次连接所述第一光滤波器和所述第三电耦合器的输入端，所述第三电耦合器的输出端分别连接所述第一电耦合器的输入端和所述MZM_YQ调制器的输入端；所述第二电滤波器的输出端连接所述第四电耦合器的输入端，所述第四电耦合器的输出端分别连接所述电延时器和所述第二功率放大器，所述电延时器连接所述MZM_XQ调制器，所述第二功率放大器连接发射天线；所述第一光电探测器的输入端连接所述光环行器，其输出端连接所述MZM_YI调制器；所述激光器连接所述第二偏振分束器，所述第二偏振分束器分别连接所述Y偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器的输入端，所述Y偏振态光IQ调制器的输出端连接所述偏振合束器。
进一步地说明本发明的工作原理：假定双偏振光IQ调制器为理想的调制器，各个子MZM结构的半波电压均为Vπ。
本发明所述微波光子射频前端系统上行链路中的X偏振态光IQ调制器有三个MZM结构，分别为MZM_XI调制器、MZM_XQ调制器和MZM_XP调制器。MZM_XI调制器的射频端口输入接收天线接收到的射频信号与下行链路OEO环路分束而来的LO信号的混合信号，MZM_XQ调制器的射频端口输入参考信号Ref(t)，参考信号分束于下行链路中经过上变频的信号，并在输入到MZM_XQ调制器的射频端口之前经过了一个电延时器。自干扰信号Si(t)与发射信号Tx(t)满足Si(t)＝A0·Tx(t-τ)的关系，其中A0表示空间信道损耗，τ表示自干扰信号与发射信号的延时差。为方便描述，假定接收天线接收到的信号R(t)与参考信号Ref(t)均为单频信号，R(t)角频率为ωe，幅值为A1，Ref(t)角频率为ωi，幅值为A3。LO信号的角频率为ωLO，幅值为A2。当
Figure BDA0002905079140000081
即该MZM偏置在NULL点时，X偏振态光IQ调制器的输出光场可以写作：
Figure BDA0002905079140000082
输出光经过光滤波器滤波与光纤传输后，经过光探测器转换的信号满足
Figure BDA0002905079140000083
当其他两个偏置点
Figure BDA0002905079140000084
偏置在(2arcsin(A0),π)点时，光探测器转换后的信号满足
Figure BDA0002905079140000085
可以看出探测信号中包含有接收信号以及LO信号的差频分量，并且不包含有自干扰信号，即实现了接收信号的下变频以及自干扰消除功能。
下行链路中的Y偏振态光IQ调制器同样有三个MZM结构，分别为MZM_YI调制器、MZM_YQ调制器和MZM_YP调制器。MZM_YI调制器的射频端口输入光探测器转换后的中心局发射过来的中频信号，Y偏振态光IQ调制器的输出光由光探测器转换为电信号后，经过耦合、放大、滤波以及耦合后输入至MZM_YQ调制器的射频端口中，构成OEO环路。对于本发明中的OEO环路，先考虑开环结构，当MZM_YQ调制器射频端口输入的信号为Vin＝Asin(ωt)时，整个环路的开环增益为：
Figure BDA0002905079140000091
其中α1表示调制器的光插损，α1表示光纤损耗，GPD表示光探测器及其封装的TIA的等效总功率增益，GA表示电放大器增益，αe表示电子元件插损，Iin表示输入MZM_YQ调制器中的光功率。若光纤长度为L，折射率为n，光纤以外部分的系统时延为τ0，则调制器偏置点设置在Q点，即
Figure BDA0002905079140000092
时，可以通过调节输入信号幅度A使得Goc＞1。同时若有
Figure BDA0002905079140000093
则满足起振条件。当光电振荡器闭环后随着输入信号幅度A的增大，环路增益会减小，直至恒定为1，即输出稳定的信号。
OEO环路输出信号的频率有许多，相邻两个频率的间隔满足
Figure BDA0002905079140000094
因此通过调节光纤长度L可以控制OEO环路的输出信号频率，产生所需的LO信号。对于整个Y偏振态光IQ调制器，当偏置点设定为
Figure BDA0002905079140000095
时，输出光功率满足：
Figure BDA0002905079140000096
利用贝塞尔函数展开上式有：
Figure BDA0002905079140000097
可以看出此时Y偏振态光IQ调制器输出光中包含有中频信号以及LO信号的和频分量，即实现了上变频功能。
依据上述方式，本发明包含的微波光子射频前端结构通过双偏振光IQ调制器以及各种光学以及电学器件在一个一体化的结构中同时实现了信号上变频、信号下变频、自干扰消除以及自生LO信号四个功能。
更进一步的说明，本发明实施例中，在上行链路中，接收信号经由接收天线接收之后，与下行链路中OEO环路产生的LO信号经过电耦合器进行耦合，并进入到MZM_XI调制器的射频输入端中。输入到MZM调制器中的射频信号会对经过MZM调制器的信号光进行幅度调制，将两种频率的射频信号输入到MZM调制器中时，在输出光中会包含两种频率的射频信号的差频项。因此可以通过MZM_XI调制器实现了接收射频信号下变频。此外，如果将X偏振态光IQ调制器的偏置点设定在(π,2arcsin(A0),π)，X偏振态光IQ调制器可以同时实现减法器以及衰减器的功能，其中A0表示空间信道损耗。此时若将下行链路待发射的发射信号经过第四电耦合器分出一部分作为参考信号，经过电延时器后输入到MZM_XQ调制器的射频输入端，经过光IQ调制器的衰减后可以重构处自干扰效应产生的干扰信号，进而通过X偏振态光IQ调制器的减法器功能，实现了自干扰消除的功能。
在下行链路中，从中心局发射过来的中频信号经过第一光电探测器PD1探测后转换为电信号，进入到MZM_YI调制器中。由OEO环路生成的LO信号进入到MZM_YQ调制器。输出Y偏振态的光经光电振荡模块光纤后，由所述第二光电探测器PD2进行探测后转换为电信号。第二光电探测器PD2输出的电信号经过第二电耦合器分成两路，其中一路作为发射信号，经过宽带电带通的第二电滤波器进行滤波，第二功率放大器放大后与发射天线连接，由发射天线发射出去；另一路经过第一功率放大器放大以及第一电滤波器滤波之后，经过第三电耦合器再次被分为两路，一路作为OEO环路的反馈电信号输入至MZM_YQ调制器中，另一路作为OEO环路的输出LO信号传输至上行链路。当在Y偏振态光IQ调制器两个支路的射频输入端输入两个不同频率的信号且偏置点设置为
Figure BDA0002905079140000111
时，Y偏振态光IQ调制器的输出光中会含有两个信号的和频项与差频项，并且OEO环路闭环满足起振条件，从实现了自生LO信号的功能以及中频信号的上变频功能。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图3，本实施例中使用电发生器产生发射天线的发射信号以及接收天线的接收信号，其中电信号发生器包括矢量信号发生器和任意波形发生器两种。高速矢量信号发生器用于生成真实接收信号R(t)，为中心频率12.6GHz带宽5×20MHz，调制格式为OFDM-16QAM和OFDM-64QAM的LTE-A信号。低速矢量信号发生器用于产生上变频之前的发射信号，信号为LTE-A信号，中心频率为2.6GHz，带宽为3×20MHz，调制格式为OFDM-16QAM和OFDM-64QAM。任意波形发生器用于产生宽带的未上变频的发射信号，便于模拟宽带自干扰的情形，产生信号为普通OFDM信号，调制格式为16QAM，带宽为150MHz。
在本实施例中，测得的LO信号频谱图如图4所示，测得的16QAM信号的自干扰消除频谱图如图5所示，测得的上变频支路输出信号的电谱图如图6所示。从图4可以看出，LO信号的功率为14.64dBm，实际中心频率约为9.995GHz，边模抑制比达到了51.58dB，信号性能较为理想。从图5可以看出，本发明所述结构中的自干扰消除子模块可以实现30.3dB的自干扰抑制比。此外接收到的信号中心频率为2.6GHz，即成功地实现了信号的下变频。从图6可以看出，上变频支路输出信号中心频率为12.6GHz，信噪比达到了31.3dB，成功实现了上变频功能。综合上述测试结果可以看出，本发明所述结构中的信号上变频，信号下变频，收发信号的自干扰消除以及自生LO信号的功能均可以实现。
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 (9)

1.一种基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述射频前端系统包括：上行链路和下行链路；
所述下行链路包括微波光子本地振荡生成模块和微波光子上变频模块；
所述微波光子本地振荡生成模块用于产生LO信号；
所述微波光子上变频模块用于接收中频信号与所述微波光子本地振荡生成模块所产生的LO信号偶尔后的信号，并以LO信号作为变频进准信号对中频信号进行上变频，并将上变频后的中频信号分为两路，其中一路作为反馈信号输入至所述微波光子本地振荡生成模块以实现LO信号自生成；另一路再次被分为两路，其中第一路作为发射信号发射出去，第二路作为参考信号传输至所述上行链路；
所述上行链路包括自干扰消除模块和微波光子下变频模块；
所述自干扰消除模块用于接收接收信号以及下行链路传输的参考信号，以消除发射信号对接收信号的干扰；
所述微波光子下变频模块用于接收干扰消除后的接收信号，并以下行链路自生成的LO信号作为变频基准信号对干扰消除后的接收信号进行下变频并输出。
2.根据权利要求1所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述微波光子下变频模块包括X偏振态光IQ调制器和第一电耦合器；所述X偏振态光IQ调制器由三个马赫曾德尔调制器组成，分别为MZM_XI调制器、MZM_XQ调制器和MZM_XP调制器；
所述MZM_XI调制器通过所述第一电耦合器连接所述接收天线，所述接收信号与所述LO信号经过所述第一电耦合器进行耦合并进入所述MZM_XI调制器的射频输入端，所述接收信号对所述X偏振态光IQ调制器内的信号光进行幅度调制，从而完成对所述接收信号的下变频；所述X偏振态光IQ调制器输出的经下变频的接收信号依次通过偏振合束器、偏振分束器和光滤波器后被中心局接收。
3.根据权利要求2所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述X偏振态光IQ调制器的偏置点设定在(π,2arcsin(A0),π)，其中A0为空间信道损耗。
4.根据权利要求2或3所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述微波光子上变频模块包括Y偏振态光IQ调制器、第一光电探测器、第二光电探测器、光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二电耦合器；
所述Y偏振态光IQ调制器由三个马赫曾德尔调制器组成，分别为MZM_YI调制器、MZM_YQ调制器和MZM_YP调制器；所述MZM_YI调制器的射频输入端连接所述第一光电探测器，用于接收中心局发射的中频信号；所述中频信号经所述Y偏振态光IQ调制器上变频后的信号作为发射信号依次通过所述偏振合束器、所述偏振分束器、所述光电振荡模块光纤和所述第二光电探测器后进入所述第二电耦合器；所述第二电耦合器将所述发射信号分为两路，其中第一路发射信号经滤波、放大后输入至所述发射天线；第二路发射信号经放大、滤波后作为LO信号分别进入所述MZM_YQ调制器和MZM_XI调制器。
5.据权利要求4所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述光电振荡模块光纤、第二光电探测器、第二功率放大器与所述Y偏振态光IQ调制器构成OEO环路，通过调节所述光电振荡模块光纤的长度以及所述Y偏振态光IQ调制器的偏置点以满足OEO环路闭环起振条件，从而实现自生LO信号。
6.根据权利要求5所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述Y偏振态光IQ调制器的偏置点设定为
Figure FDA0002905079130000031
7.根据权利要求5或6所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述OEO环路为单环OEO结构环路或双环OEO结构环路。
8.根据权利要求4所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，还包括激光器和第二偏振分束器；所述第二偏振分束器的输出端分别连接所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器，所述激光器用于产生信号光，所述信号光经所述第二偏振分束器偏振分束后分别进入所述X偏振态光IQ调制器和所述Y偏振态光IQ调制器中。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于双偏振光IQ调制器的多功能微波光子射频前端系统，其特征在于，所述射频前端系统应用于移动通信领域。
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