CN113055120A - 一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法，具体为：在信号相位预啁啾步骤中，将发射的宽带射频信号分出一部分作为参考信号，在频域上进行一个附加的相位预啁啾处理；将相位预啁啾的参考信号、接收的宽带射频信号分别加载到不同光载波上，生成参考微波光子信号、接收微波光子信号；通过调节可调谐光延迟线的时延量，使得参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的时延相等，并调节光载波光功率实施两者幅度匹配；然后两者一同输入到光电探测器中，恢复出参考信号和接收的宽带射频信号，两者相加实现宽带射频对消。本发明提供了一种大带宽、高对消抑制比的射频对消方法，对于同时同频全双工通信、自干扰抑制等具有重要意义。

Description

一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法
技术领域
本发明属于微波光子学领域，涉及射频通信、全双工通信、干扰抑制等领域，尤其涉及一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法。
背景技术
当前，以射频信号(包括低频无线电、微波、毫米波等)为载波的无线通信和探测在生产、生活、国防、科研等领域发挥着重要作用，例如5G/B5G、电子对抗、航天测控等。然而，随着各类应用和场景对传输速率和频段带宽需求越来迫切，频谱利用率成为关键挑战之一。为此，同时同频全双工通信(孟涛.5G同频同时全双工射频技术研究[J]，通信技术，2020；Y.S.Choi,et al.Simultaneous transmission and reception:algorithm,designand system level performance[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2013)作为一种非常有效的手段：发射和接收都采用相同频段同时工作，能够在给定的频段带宽下将频谱效率提升一倍。然而在同时同频全双工通信系统，一个极为严峻的问题就是“自干扰”(王俊，等.同时同频全双工宽带射频自干扰抵消性能分析[J]，通信学报，2016；S.Hong,et al.Applications of self-interference cancellation in 5G and beyond[J],IEEE Communications Magazine,2014)：发射端(或发射天线)的同频信号泄漏到接收端(或接收天线)形成干扰，而且无法通过频域滤波的方式来隔离或抑制。
为此，针对同时同频全双工通信，射频干扰对消(或简称射频对消)成为其性能优劣的关键所在。国内外研究人员纷纷提出了一系列方法和方案来实现射频干扰对消，其中基于光子学的射频干扰对消具有大带宽优势，例如:1)Matthew P.Chang,etal.Integrated microwave photonic circuit for self-interference cancellation[J],IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2017；2)Xiuyou Han,etal.Optical RF self-interference cancellation by using an integrated dual-parallel MZM[J],IEEE Photonics Journal,2017；3)Zhaoyang Tu,et al.A photonicpre-distortion technique for RF self-interference cancellation[J],IEEEPhotonics Technology Letters,2018；4)Dan Zhu,et al.Photonics-enabledsimultaneous self-interference cancellation and image-reject mixing[J],OpticsLetters,2019.
但是通过对现有光子学、电子学射频对消方法和方案的分析，其存在一个明显的缺陷：大带宽与高对消抑制比互相制约，难以同时实现；高对消抑制比(例如50dB及以上)下射频干扰对消的带宽小，大带宽下对消抑制比低。
发明内容
为同时实现大带宽、高对消抑制比，本发明提供一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法。
本发明的一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法，包括以下步骤：
步骤1：信号相位预啁啾：
全频全时全双工通信中，将发射的宽带射频信号分出一部分作为参考射频信号，对该参考射频信号在频域上进行一个附加的相位预啁啾处理，其中采用相位预啁啾函数为未加相位预啁啾时射频对消方法的残留相位分布。
步骤2：基于可调光延迟线的射频对消：
将相位预啁啾的参考射频信号经过第一电光调制器调制到第一光载波上，生成参考微波光子信号，然后输入到可调谐光延迟线中；同时，接收的宽带射频信号通过第二光电调制器调制到第二光载波上，生成接收微波光子信号；通过调节可调谐光延迟线的时延量，使得参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的时延相等，并通过调节第一光载波和第二光载波的光功率，使得参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的幅度相等；然后参考微波光子信号与接收微波光子信号一同输入到光电探测器中(这里可以是常规的单端口光电探测器或者双端口光电平衡探测器)，恢复出相位预啁啾的参考射频信号和接收的宽带射频信号，两者相加实现宽带射频对消。
对于不同的射频载波、射频带宽(同时同频全双工通信中发射的射频信号(也相对参考射频信号)与接收的射频信号具有相同的载频和带宽)，调节相位预啁啾函数，同样可以实现大射频带宽、高对消抑制比的射频对消功能。
本发明的有益技术效果为：
本发明基于相位预啁啾处理、光子学时延匹配补偿、光子学幅度匹配补偿，能够在大带宽范围内实现精细幅度、时延、相位匹配，从而实现宽带、高对消抑制比的射频干扰对消功能，对于同时同频全双工通信、自干扰抑制等具有重要意义。
附图说明
图1为本发明方法的系统框图。
图2为残留相位分布及其对对消抑制比的影响示意图(残留相位分布中：坐标轴的原点表示频率为载频(或者中心频率)、相位值为0；对消抑制比分布中：坐标轴的原点表示频率为载频(或者中心频率)、对消抑制比为0dB)。
图3为引入相位预啁啾处理后的残留相位分布与对消抑制比的提升示意图(相位预啁啾函数与残留相位分布中：坐标轴的原点表示频率为载频(或者中心频率)、相位值为0；对消抑制比分布中：坐标轴的原点表示频率为载频(或者中心频率)、对消抑制比为0dB)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
同时同频全双工通信系统中，由于发射天线和接收天线距离很近，同频的发射射频信号一部分会泄漏并耦合进接收天线，混杂在接收信号中，形成严重的同频干扰。
本发明的一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法，包括参考信号支路和接收信号支路，如图1所示。在参考支路，将发射的宽带射频信号T(t)分出一部分作为参考射频信号(参考射频信号与发射的射频信号一致，只是幅度上存在差异，这里也用T(t)来表示参考射频信号)，输入到相位预啁啾模块10中进行处理。在相位预啁啾模块10中，对参考射频信号进行相位预处理，其相位预啁啾函数为θ(f)。相位预啁啾后的参考射频信号输入到第一电光调制器11中，对第一光载波进行调制，生成参考微波光子信号；该参考微波光子信号输入到可调谐光延迟线12中。在接收信号支路，接收的射频信号R(t)输入到第二光电调制器20中，对第二光载波进行调制，生成接收微波光子信号。这里通过调节可调谐光延迟线12的延时量，实现参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的时延匹配补偿；通过调节第一光载波的光功率、第二光载波的光功率实现参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的幅度匹配补偿。
相位预啁啾处理中可以灵活设置θ(f)这一相位预啁啾函数，从而实现在大带宽内对不同频率分量有针对性地进行独立的、任意的相位值匹配补偿。这就克服了在传统光子学射频对消方案中，对所有接收射频信号的所有频率分量进行相同的相位值匹配补偿的缺点，高对消抑制比严重受限于小带宽范围内。因此，本发明中结合相位、时延、幅度三个维度上的精细匹配补偿，能够实现大带宽、高对消抑制比的射频对消功能。
经过相位、时延、幅度三个维度上的精细匹配补偿后，参考微波光子信号与接收微波光子信号一同输入到光电探测器中，恢复出相位预啁啾的参考信号和接收宽带射频信号，两者相加实现宽带射频对消功能；即得到的射频信号为R(t)-S(t)，由发射天线泄漏的部分发射射频信号中包含的同频干扰信号通过减去参考射频信号而得到抑制，这里参考射频信号等效视为泄漏过来的同频干扰信号。
此外，同时同频全双工通信系统会根据不同场景、应用而需要调整载频、带宽。在这些情形下，本发明专利提出的方法同样有效：即对于不同的射频载波、射频带宽的通信方案，调节相位预啁啾函数θ(f)，灵活调整不同频率分量的相位值来匹配补偿，同样可以实现大射频带宽、高对消抑制比的射频对消功能。
在时延、幅度精细匹配的条件下，对消抑制比可以简化表示为：
ER＝-20log10|{1-expj[θR(f)-θT(f)}| (1)
θ′(f)＝θR(f)-θT(f) (2)
其中：ER为对消抑制比(单位为dB)，θ′(f)为残留相位函数，θR(f)为接收的射频信号的相位分布函数，θT为参考射频信号的相位分布函数，f表示射频频率，|·|表示取绝对值运算符。
可见当θ′(f)＝0时，ER趋向于无穷大，对应超高对消抑制比。但实际的对消抑制方案中残留相位函数θ′(f)不恒为0，而是随着频率变化在整个带宽内有所起伏，例如图2所示。这样以来，如果在载频处(或者信号中心频率处)达到高精度相位匹配时(残留相位值为0)，载频附近可以达到高对消抑制比；而在远离载频处，尤其是大信号带宽下，在信号带宽两侧残留相位值偏离0，从而只能获得低对消抑制比。
本发明中相位预啁啾模块中，对参考射频信号引入一个附加的相位预啁啾函数θ(f)，并设置使得相位预啁啾函数等于残留相位，即有：
θ(f)＝θ′(f) (3)
进而，结合公式(2)和(3)可以将公式(1)推导为：
Figure BDA0002977703400000041
由此可见，通过引入相位预啁啾函数，在整个信号带宽范围内对不同频率分量实现了高精度的相位值匹配补偿，即在整个带宽内将残留相位降低到了0或者接近0，如图3所示；进而在大带宽内实现了高对消抑制比(理论上可以达到无穷大，即+∞)，如图3所示。
综合以上陈述，本发明具有如下特征。1)结合相位预啁啾处理，在大带宽范围内实现参考射频信号和接收的射频信号的相位的高精度匹配，进而将对消过程中残留相位在整个带宽范围内降为0或接近0；并且结合可调谐光延迟线、光载波功率控制实现参考射频信号和接收的射频信号的时延和幅度匹配；两个步骤一起实现大带宽、高对消抑制比的射频干扰对消功能。2)并且，灵活调整和动态调节相位预啁啾处理过程中的相位预啁啾函数，可以在不同射频载频、不同信号带宽的情形下实现高对消抑制比的射频干扰对消功能。

Claims (2)

1.一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：信号相位预啁啾：
全频全时全双工通信中，将发射的宽带射频信号分出一部分作为参考射频信号，对该参考射频信号在频域上进行一个附加的相位预啁啾处理，其中采用相位预啁啾函数为未加相位预啁啾时射频对消方法的残留相位分布；
步骤2：基于可调光延迟线的射频对消：
将相位预啁啾的参考射频信号经过第一电光调制器调制到第一光载波上，生成参考微波光子信号，然后输入到可调谐光延迟线中；同时，接收的宽带射频信号通过第二光电调制器调制到第二光载波上，生成接收微波光子信号；通过调节可调谐光延迟线的时延量，使得参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的时延相等，并通过调节第一光载波和第二光载波的光功率，使得参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的幅度相等；然后参考微波光子信号与接收微波光子信号一同输入到光电探测器中，恢复出相位预啁啾的参考射频信号和接收的宽带射频信号，两者相加实现宽带射频对消。
2.根据权利要求1所述的一种结合相位预啁啾的光子学宽带射频干扰对消方法，其特征在于，对于参考信号和接收信号的载频同步改变、参考信号和接收信号的带宽同步改变的情况，对应调节相位预啁啾函数实现射频对消。
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