CN113055121B - 一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法，包括可调谐光延迟线的时延补偿和基于光子信道化的精细相位补偿；将宽带参考射频信号生成参考微波光子信号，再输入到可调谐光延迟线中；接收的宽带射频信号生成接收微波光子信号；通过调节可调谐光延迟线和光频梳的光功率，使得时延和幅度匹配相等；采用光梳状滤波器对可调谐光延迟线输出的参考微波光子信号在频域上分割成带宽相等的子信号；然后采用光子相位整形模块对信道化的子信号分量独立设置精细相位补偿值，实现对参考射频信号精细相位匹配补偿。本发明在大带宽范围内实现高对消抑制比的射频干扰对消方式，对于全双工射频通信、抗干扰射频通信与探测具有重要意义。

Description

一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法

技术领域

本发明属于全双工射频通信技术领域，涉及微波光子学、干扰抑制等领域，尤其是一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法。

背景技术

当前，同时同频全双工射频通信的研究受到广泛关注(Ashutosh Sabharwal,etal.In-Band Full-Duplex Wireless:Challenges and Opportunities[J],IEEE Journalon Selected Areas in Communications,2014)，因其发射、接收能够同时工作在同一频段而将频谱效率提升了一倍。与此同时，正由于发射信号、接收信号工作在同一频道，发射端(或发射天线)不可避免地会将部分发射信号泄漏到接收端(或接收天线)，因而造成严重的同频干扰，导致通信容量和性能严重下降，例如(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)。这一同频干扰不能用常规的频率滤波方法来消除或抑制，但可以通过有源对消的方式来加以消除。

为此，国内研究人员提出了一系列基于光子学的射频干扰对消方法或方案，基于光子学优势显著提升了干扰对消方案工作的频段范围。然而为了实现高对消抑制比(例如50dB及以上)，目前这些光子学方法或方案基本上集中在窄带信号的对消抑制上，一般在百MHz量级及以下，例如1)Matthew P.Chang,et al.Integrated microwave photoniccircuit for self-interference cancellation[J],IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,2017；2)Xiuyou Han,et al.Optical RF self-interferencecancellation by using an integrated dual-parallel MZM[J],IEEE PhotonicsJournal,2017；3)Zhaoyang Tu,et al.A photonic pre-distortion technique for RFself-interference cancellation[J],IEEE Photonics Technology Letters,2018；4)Dan Zhu,et al.Photonics-enabled simultaneous self-interference cancellationand image-reject mixing[J],Optics Letters,2019。而随着5G/B5G、4K/8K高清视频、移动计算等应用的兴起，GHz量级、甚至几十GHz量级带宽的射频通信和信号处理需求不断涌现。而利用已有的光子学射频干扰对消方法或方案处理这些宽带射频信号时，仅仅能够在射频载频(或中心频点)附近能够获得高对消抑制比，而在其他带宽内(尤其是信道带宽两侧)对消抑制比严重下降。也就是说，在保障高对消抑制比的前提下，光子学射频干扰对消方法的工作带宽受到严重限制。

发明内容

为了提供一种大带宽的射频干扰对消方法，这射频包括低频无线电、微波、毫米波等频段。本发明提供一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法。

本发明的一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法，包括可调谐光延迟线的时延补偿和基于光子信道化的精细相位补偿。

可调谐光延迟线的时延补偿：

将宽带参考射频信号经过第一电光调制器调制到光频梳的N个频率的间隔为F₁的光载波上，生成波分复用模式下的N个参考微波光子信号，然后共同输入到可调谐光延迟线中，其中N为大于1的正整数，参考射频信号和参考微波光子信号的带宽都为B；同时，接收的宽带射频信号通过第二光电调制器调制到另外一个光载波上，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N个参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的时延匹配相等；通过调节光频梳的N个光载波的光功率，使得N个参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的幅度匹配相等。

基于光子信道化的精细相位补偿：

采用光梳状滤波器对可调谐光延迟线输出的N个参考微波光子信号进行信道化处理；光梳状滤波器具有频率间隔为F₂、带宽相等且为|F₁-F₂|的N个滤波通带，分别对N个参考微波光子信号进行信道化分割，其中F₁≠F₂；基于Vernier效应(又称游标效应或游标卡尺效应)，带宽为B的参考微波光子信号在频域上被分割成N个带宽为|F1-F₂|的子信号(即存在B/N＝|F1-F₂|的关系，|·|表示取绝对值的运算符)：在第k个信道处，存在且仅存在对应参考微波光子信号的第k个|F₁-F₂|频域分量的子信号分量，1≤k≤N；采用光子相位整形模块对N个信道化的子信号分量以F₁为频率步长独立进行相位补偿，每个信道的精细相位补偿值独立任意设定为θ_k，等效实现对带宽为B的参考射频信号整体实施以|F₁-F₂|为频率步长的任意相位值补偿。由于F₁远大于|F₁-F₂|，基于光子相位整形模块能够在大带宽内对宽带参考射频信号实现精细相位补偿。

然后将经过幅度、时延和相位补偿后的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；恢复出相位整形后的宽带参考射频信号和接收的宽带射频信号，两者相加在大带宽内实现高对消抑制比的射频干扰对消。

对于在宽带参考射频信号与接收的宽带信号的载频和带宽发生改变时，调节可调谐光延迟线的时延补偿量和光子信道化中每个信道的精细相位补偿量θ_k，实现大带宽高对消抑制比的射频干扰对消。

本发明的有益技术效果为：

本发明基于光子学信道化实施精细、灵活、高分辨率的相位匹配补偿，能够在高对消抑制比下大幅度提升工作带宽范围，对于宽带同时同频全双工通信、宽带信号的干扰抑制等军民领域的通信应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法实现的系统框图。

图2为光频梳与光梳状滤波器的频谱示意图。

图3为宽带参考射频信号(等效为参考微波光子信号)的信道化分割与多个子信号分量的相位匹配补偿示意图。

图4为射频干扰对消实施过程中的0或近0残留相位分布和整个带宽范围内的高对消抑制比示意图。(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)。

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，同频的发射宽带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。

为此，本发明的一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法，实现的系统框图如图1所示，将发射的宽带射频信号T(t)分出一部分作为宽带参考射频信号(宽带参考射频信号与发射的宽带射频信号一致，只是幅度上存在差异，这里也用T(t)来表示宽带参考射频信号)，输入到第一电光调制器11中，对光频梳10的N个光载波进行调制，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。同时，在接收天线端，接收的射频信号R(t)输入到第二光电调制器20中，对一个光载波进行调制，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；通过调节光频梳的N个光载波的光功率，使得N个参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的幅度匹配相等或匹配补偿。

经过可调谐光延迟线处理输出的参考微波光子信号依次输入到光梳状滤波器13和光子相位整形模块14中，分别进行信道化分割和以信道带宽为步长的相位匹配补偿。如图2所示，光频梳(又称为光学频率梳、光梳、optical frequency comb)10的N个光载波具有相等的幅度、相等的频率间隔F₁；光梳状滤波器13具有N个相等频率间隔F₂、相等带宽且为|F1-F₂|的滤波通带，这里|·|表示取绝对值的运算符。由于F₁≠F₂，采用光梳状滤波器13对N个参考微波光子信号进行滤波后，参考微波光子信号(等效宽带参考信号)就从频域上被分割、并分配到N个波分复用的信道化中，得到N个信号分量；第k个信道处对应参考微波光子信号(等效宽带参考信号)的第k个子信号分量(1≤k≤N)，如图3所示：其信号带宽为|F1-F₂|或者B/N(这里存在|F1-F₂|＝B/N的关系)，其带内起始频点为(k-1)×|F1-F₂|，如图2和图3所示。然后采用光子相位整形模块14以波分复用形式对每一个信道中的子信号分量进行灵活、独立、按需的相位补偿：1，2，3，……N个信道(或者子信号分量)对应的相位补偿值为θ₁，θ₂，θ₃，……θ_N。

经过信道化高精度相位匹配补充、时延和幅度匹配补偿后，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(这里的可以选用常规的单端口光电探测器，也可以选用双端口光电平衡探测器)，恢复出信道化处理后的宽带参考射频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宽带发射射频信号中包含的同频干扰信号通过减去宽带参考射频信号的方式而得到抑制，这里参考射频信号等效视为泄漏过来的同频干扰信号。

根据上述原理和过程，在相位、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-expjθ(f)]| (1)

其中：ER为对消抑制比(单位为dB)，θ(f)为残留相位函数，f表示射频频率。可见当θ(f)＝0时，ER趋向于无穷大(+∞)，对应超高对消抑制比。

传统方案中在整个射频信号带宽内采用一个恒定的相位匹配补偿值，因而无法在整个带宽范围实现值为0或者接近于0的残留相位分布。本发明中光子信道化的精细、灵活相位匹配补偿，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，使得在整个信号带宽可以实现值为0或者接近于0的残留相位分布，进而在大带宽内实现了高对消抑制比，如图4所示。其工作原理的实质，就是将大带宽下射频对消操作分解为一系列窄带宽的射频对消操作；在每一个窄带宽射频对消操作中实施独立、灵活的高精度相位匹配补偿，最后合成等效的大带宽范围的高精度相位匹配补偿，实现大带宽范围内的高对消抑制比。

此外，本发明专利提出的方法对于不同的射频载波、射频带宽的通信方案同样有效：通过编程调节N个信道的相位补偿值(即θ₁，θ₂，θ₃，……θ_N)，在大带宽范围内实现值为0或接近于0的残留相位分布，同样可以实现大射频带宽下高对消抑制比的射频对消功能。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1)基于光频梳、光梳状滤波器把宽带参考射频信号(或者参考微波光子信号)信道化分割成N个窄带的子信号分量，然后利用光子相位调控模块对每一个窄带的子信号分量进行精细、灵活的相位匹配补偿，从而大带宽范围内实现了0或近0的残留相位分布；2)结合灵活、高精度的相位匹配补偿，以及光子时延、幅度匹配补偿，共同在高对消抑制比下实现大带宽射频干扰对消功能。3)并且，通过编程灵活调整和动态调节光子相位调控模块对于每个信道(或自行分量)相位匹配补偿值，可以在不同射频载频、不同信号带宽的情形下实现大带宽的高性能射频干扰对消功能。

Claims (2)

1.一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法，其特征在于，包括可调谐光延迟线的时延补偿和基于光子信道化的精细相位补偿；

可调谐光延迟线的时延补偿：

将宽带参考射频信号经过第一电光调制器调制到光频梳的N个频率的间隔为F₁的光载波上，生成波分复用模式下的N个参考微波光子信号，然后共同输入到可调谐光延迟线中，其中N为大于1的正整数，参考射频信号和参考微波光子信号的带宽都为B；同时，接收的宽带射频信号通过第二光电调制器调制到另外一个光载波上，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N个参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的时延匹配相等；通过调节光频梳的N个光载波的光功率，使得N个参考微波光子信号与接收微波光子信号之间的幅度匹配相等；

基于光子信道化的精细相位补偿：

采用光梳状滤波器对可调谐光延迟线输出的N个参考微波光子信号进行信道化处理；光梳状滤波器具有频率间隔为F₂、带宽相等且为|F₁-F₂|的N个滤波通带，分别对N个参考微波光子信号进行信道化分割，其中F₁≠F₂；基于Vernier效应，带宽为B的参考微波光子信号在频域上被分割成N个带宽为|F₁-F₂|的子信号：在第k个信道处，存在且仅存在对应参考微波光子信号的第k个|F₁-F₂|频域分量的子信号分量，1≤k≤N；采用光子相位整形模块对N个信道化的子信号分量以F₁为频率步长独立进行相位补偿，每个信道的精细相位补偿值独立任意设定为θ_k，等效实现对带宽为B的参考射频信号整体实施以|F₁-F₂|为频率步长的任意相位值补偿；

然后将经过幅度、时延和相位补偿后的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；恢复出相位整形后的宽带参考射频信号和接收的宽带射频信号，两者相加在大带宽内实现高对消抑制比的射频干扰对消。

2.根据权利要求1所述的一种基于光子信道化的大宽带射频干扰对消方法，其特征在于，在宽带参考射频信号与接收的宽带信号的载频和带宽发生改变时，调节可调谐光延迟线的时延补偿量和光子信道化中每个信道的精细相位补偿量θ_k，实现大带宽、高对消抑制比的射频干扰对消。

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