CN113452452A - 一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，其中：基于载波抑制双波长生成结构包括：微波源产生的单音信号直接驱动强度调制器，强度调制器工作在载波抑制点，产生两条相干的波束；基于强度调制器的微波光子下变频结构包括：将射频载波信号利用强度调制器调制到载波抑制双波长生成结构中的一束光波上，利用布拉格光纤光栅滤波保留‑1阶边带；零差相干探测单元包括：利用载波抑制双波长生成结构产生的另一束光波和微波光子下变频输出的‑1阶边带进行零差相干探测，实现光电转化，完成毫米波射频信号到基带信号的解调。本发明实现对任意毫米波射频信号下变频，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输，原理简洁，具有较强的应用价值。

Description

一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统

技术领域

本发明涉及片上微波光子学技术领域，尤其涉及一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统。

背景技术

为了实现更高速率更大带宽的无线通信，通信频率向更高频段演进，毫米波段由于其数个GHz的可用频谱资源，是未来无线通信的发展方向。受到基带信号处理速率和模数/数模转换器件瓶颈制约，直接对数GHz带宽的毫米波射频信号进行直接检测，涉及电域混频、滤波，器件成本高，难度大。基于微波光子下变频技术可将毫米波射频信号直接变换到基带，充分利用光学器件带宽大、损耗低等特点，能降低高频射频信号混频、滤波的代价。典型微波光子下变频方法首先对接收到的射频信号进行电光调制，然后选择合适频率的射频本振驱动级联的电光调制器，再利用可调谐光滤波器选择射频信号调制的光波长和射频本振调制的光波长进行光外差，实现射频信号下变频。对于毫米波信号下变频，使用两个或以上的激光器不仅会增加系统成本，而且不同激光器的线宽和相干性问题会导致信号的漂移。此外，通常的微波光子下变频方法输出的信号通常为中频信号，无法与相干探测技术联合起来，不能发挥相干探测对微弱光信号检测的性能优势。

传统的微波光子下变频方法利用光滤波器提取承载信号的1阶边带波长，然后利用直接探测或相干探测方法实现光电转化，该方法中光滤波器中心波长需要根据1阶边带光波长而调整，如果毫米波射频载波频率变化范围过大，导致1阶边带光波长超出光滤波器通带范围，则信号功率损耗增大，直至无法正确解调，即接收机带宽有限。此外，通常的光滤波器通带并不平坦，导致不同光波长通过后损耗不同，也使得接收机对不同载波频率的毫米波信号的解调性能存在差异，不利于毫米波实现超宽带跳频传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，采用载波抑制方式生成双波长，结合微波光子下变频，再联合零差相干探测技术，实现超宽带、高灵敏度毫米波射频信号接收和解调，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，该系统包括：基于载波抑制双波长生成结构、基于强度调制器的微波光子下变频结构、零差相干探测单元；其中：

基于载波抑制双波长生成结构包括：微波源产生的单音信号直接驱动强度调制器，强度调制器工作在载波抑制点，产生两条相干的波束；

基于强度调制器的微波光子下变频结构包括：将射频载波信号利用强度调制器调制到载波抑制双波长生成结构中的一束光波上，再利用布拉格光纤光栅滤波保留-1阶边带；

零差相干探测单元包括：利用载波抑制双波长生成结构产生的另一束光波和微波光子下变频输出的-1阶边带进行零差相干探测，实现光电转化，最终完成毫米波射频信号到基带信号的解调。

进一步地，本发明的所述基于载波抑制双波长生成结构中：

基于载波抑制双波长生成结构包括依次连接的外腔激光器、强度调制器、微波信号源、环形器和布拉格光纤光栅；强度调制器工作在载波抑制点，微波信号源产生频率为f_s的单音信号驱动光载波频率为f_c强度调制器，生成两束频率为f_c+f_s和f_c-f_s的光束，作为微波光子下变频和零差相干探测所需的本振光。

进一步地，本发明的所述基于强度调制器的微波光子下变频结构中：

微波光子下变频结构包括依次连接的强度调制器、隔离器、布拉格光纤光栅；光载波为载波抑制生成的f_c+f_s，利用强度调制器将中心频率为2f_s毫米波射频信号调制到强度调制器输出的1阶和-1阶边带，f_c+3f_s和f_c-f_s，利用隔离器和布拉格光纤光栅获取-1阶边带。

进一步地，本发明的所述零差相干探测单元中：

零差相干探测单元包含相干接收机，其一端与载波抑制的双波长生成结构的环形器输出端连接，另一端与所述微波光子下变频结构中的布拉格光纤光栅输出端连接，对微波光子下变频输出的-1阶边带f_c-f_s和载波抑制生成另一束光f_c-f_s的进行零差相干探测，实现光电转化，最终完成毫米波射频信号到基带信号的解调。

进一步地，本发明的实现信号解调的方法具体为：

首先，由外腔激光器产生的连续光波f_c注入强度调制器，强度调制器工作在载波抑制点，将微波信号源产生的频率为f_s的单音射频信号经过强度调制器载波抑制调制后生成双波长f_c±f_s，注入到光环形器端口1，光环形器端口1和布拉格光纤光栅连接，则布拉格光纤光栅和光环形器端口3输出的光信号分别表示为：

E₁＝E_c{J₁(β_AM1)cos[2π(f_c+f_s)t]

E₂＝E_c{J₁(β_AM1)cos[2π(f_c-f_s)t]

其中，E_c为光源的输出电场强度，f_c为光载波频率，f_s为单音信号频率，这里β_AM1＝π(V_s/V_π)，V_π是强度调制器的半波电压,V_s是单音信号的平均电压，用来表征第一个强度调制器的调制指数；J₁表征阶数为1的第一类贝塞尔函数；第一个强度调制器的输出经过布拉格光纤光栅和光环形器分离后理论上为两束频率为f_c±f_s的相干光；

布拉格光纤光栅端口输出信号E₁耦合到强度调制器调制后，受到带基带信号的毫米波射频信号驱动后，输出的光信号如下：

E_out＝E₁cos[β_AM2s(t)cos(2π(2f_s)t)]

其中，s(t)为传送的基带信号，2f_s为毫米波射频载波频率，β_AM2＝π(V_rf/V_π)，用来表征第二个AM的调制指数，将E₁带入输出的光信号的公式并进行Bessel函数展开：

其中，J_2n+1(β_AM2)为n阶第一类贝塞尔函数，通常毫米波无线通信信号接收端功率较小，导致J_2n+1(β_AM2)较小，因此只会产生1阶边带；即：

E_out＝E_cJ₁(β_AM1)s(t){J₁(β_AM2)cos[2π(f_c-f_s)t]+J₁(β_AM2)cos[2π(f_c+3f_s)t]}

经过隔离器和布拉格光纤光栅滤波后取下边带，则信号光输出如下：

E_sig-out＝E_cs(t)J₁(β_AM1)J₁(β_AM2)cos[2π(f_c-f_s)t]exp[j(w_c+nw_s)t]

其中，布拉格光纤光栅端口输出的信号与E₂中心频率相同，且由于由同一束光波产生，光的相干性极好，能直接接入相干接收机进行零差探测，即可实现信号的解调。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，利用载波抑制生成的双波长分别作为毫米波射频信号的光载波和相干接收机的本振光，提高了微波光子下变频的灵敏度和转换效率，实现对任意毫米波射频信号下变频，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。本发明解决了毫米波无线通信中对于任意毫米波载波频率的宽带解调问题，可应用于超宽带毫米波无线通信系统中。本发明原理简洁，方案简单高效，具有较强的应用价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的一种基于载波抑制双波长生成的宽带高灵敏度毫米波接收系统原理图，其中，ECL表示外腔激光器，AM表示光强度调制器，CIR表示光环形器，FBG表示布拉格光纤光栅，ISO表示光隔离器；

图2是本发明实施例提供的一种基于载波抑制双波长生成的微波光子下变频方法与传统方法输出信号强度的对比；

图3是本发明实施例提供的一种基于传统微波光子下变频结构的毫米波接收系统方案，ECL表示外腔激光器，ISO表示光隔离器，AM表示光强度调制器，FBG表示光纤布拉格光栅；

图4是本发明实施例提供的基于载波抑制双波长生成的宽带高灵敏度毫米波接收系统方案的噪声性能。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，包括基于载波抑制双波长生成结构、基于强度调制器的微波光子下变频结构及零差相干探测单元。其中：

基于载波抑制双波长生成结构包括：微波源产生的单音信号直接驱动强度调制器，强度调制器工作在载波抑制点，产生两条相干的波束；

基于强度调制器的微波光子下变频结构包括：将射频载波信号利用强度调制器调制到载波抑制双波长生成结构中的一束光波上，再利用布拉格光纤光栅滤波保留-1阶边带；

零差相干探测单元包括：利用载波抑制双波长生成结构产生的另一束光波和微波光子下变频输出的-1阶边带进行零差相干探测，实现光电转化，最终完成毫米波射频信号到基带信号的解调。

基于载波抑制双波长生成结构中：

基于载波抑制双波长生成结构包括依次连接的外腔激光器、强度调制器、微波信号源、环形器和布拉格光纤光栅；强度调制器工作在载波抑制点，微波信号源产生频率为f_s的单音信号驱动光载波频率为f_c强度调制器，生成两束频率为f_c+f_s和f_c-f_s的光束，作为微波光子下变频和零差相干探测所需的本振光。

基于强度调制器的微波光子下变频结构中：

微波光子下变频结构包括依次连接的强度调制器、隔离器、布拉格光纤光栅；光载波为载波抑制生成的f_c+f_s，利用强度调制器将中心频率为2f_s毫米波射频信号调制到强度调制器输出的1阶和-1阶边带，f_c+3f_s和f_c-f_s，利用隔离器和布拉格光纤光栅获取-1阶边带。

零差相干探测单元中：

零差相干探测单元包含相干接收机，其一端与载波抑制的双波长生成结构的环形器输出端连接，另一端与所述微波光子下变频结构中的布拉格光纤光栅输出端连接，对微波光子下变频输出的-1阶边带f_c-f_s和载波抑制生成另一束光f_c-f_s的进行零差相干探测，实现光电转化，最终完成毫米波射频信号到基带信号的解调。

在本发明的另一个具体实施例中：

基于载波抑制双波长生成的宽带高灵敏度毫米波接收系统，采用载波抑制生成相干的双波长，双波长分别作为毫米波射频信号的载波和相干接收的本振，联合零差相干探测技术，实现超宽带毫米波射频信号接收和解调，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。

本发明实施例中的超宽带指：毫米波射频载波承载的信号带宽较宽，通常在GHz到数十GHz范围。

本发明实施例中的高灵敏度指：毫米波射频载波承载的信号强度较弱，通常在-10dBm到-50dBm范围。

基于载波抑制双波长生成的宽带高灵敏度毫米波接收技术原理图如图1所示，首先，由外腔激光器(External Cavity Laser，ECL)产生的连续光波f_c注入光强度调制器AM，强度调制器工作在载波抑制点，将微波信号源产生的频率为f_s的单音射频信号经过AM载波抑制调制后生成双波长f_c±f_s，注入到光环形器(Circulator，CIR)端口1，CIR端口1和布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)连接，则FBG和CIR端口3输出的光信号分别由公式(1)和(2)表示：

E₁＝E_c{J₁(β_AM1)cos[2π(f_c+f_s)t] (1)

E₂＝E_c{J₁(β_AM1)cos[2π(f_c-f_s)t] (2)

其中，E_c为光源的输出电场强度，f_c为光载波频率，f_s为单音信号频率，这里β_AM1＝π(V_s/V_π)(V_π是AM的半波电压,V_s是单音信号的平均电压)，用来表征第一个AM的调制指数；J₁表征阶数为1的第一类贝塞尔函数。可以看出第一个AM的输出经过CIR和FBG分离后理论上为两束频率为f_c±f_s的相干光。

FBG端口输出信号E₁耦合到AM调制后，受到带基带信号的毫米波射频信号驱动后，输出的光信号如下：

E_out＝E₁cos[β_AM2s(t)cos(2π(2f_s)t)] (3)

其中，s(t)为传送的基带信号，2f_s为毫米波射频载波频率，β_AM2＝π(V_rf/V_π)，用来表征第二个AM的调制指数，将公式(2)中的E₁带入公式(3)并进行Bessel函数展开：

(4)

其中，J_2n+1(β_AM2)为n阶第一类贝塞尔函数，通常毫米波无线通信信号接收端功率较小，导致J_2n+1(β_AM2)较小，因此通常只会产生1阶边带，因此公式(4)可表示如下：

E_out＝E_cJ₁(β_AM1)s(t){J₁(β_AM2)cos[2π(f_c-f_s)t]+J₁(β_AM2)cos[2π(f_c+3f_s)t]} (5)

经过隔离器(ISO，Isolator)和FBG滤波后取下边带，则信号光输出如下：

E_sig-out＝E_cs(t)J₁(β_AM1)J₁(β_AM2)cos[2π(f_c-f_s)t]exp[j(w_c+nw_s)t] (6)

FBG端口输出的信号与E2中心频率相同，且由于由同一束光波产生，光的相干性极好，可以直接接入相干接收机进行零差探测，即可实现信号的解调。

图2所示为本发明实施的典型案例结果，搭建了毫米波无线通信系统，毫米波射频频率为35GHz，调制格式采用16阶正交幅度调制(16QAM)，系统波特率为2Gbaud，接收机探测方式为零差相干探测。

采用图1所示的基于载波抑制双波长生成的宽带高灵敏度毫米波接收技术方案，并与图3所示的传统微波光子下变频结构的毫米波接收方案进行性能比较，图2所示为两种基于强度调制器的微波光子下变频后输出信号的强度对比，可以看到采用本发明提出的基于载波抑制的超宽带高灵敏度毫米波后，对小信号的输出响应得到明显增强，插入损耗较小，图4所示为系统的噪声系数性能，可以看出，系统整体噪声系数较小。

上述实施方案仅为本发明的典型应用，不同阶数的基带信号调制方式(如QPSK、8PSK调制等)、使用零差相干探测代替直接探测等均为本发明的具体实现。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

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 (5)

1.一种基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，其特征在于，该系统包括：基于载波抑制双波长生成结构、基于强度调制器的微波光子下变频结构、零差相干探测单元；其中：

基于载波抑制双波长生成结构包括：微波源产生的单音信号直接驱动强度调制器，强度调制器工作在载波抑制点，产生两条相干的波束；

基于强度调制器的微波光子下变频结构包括：将射频载波信号利用强度调制器调制到载波抑制双波长生成结构中的一束光波上，再利用布拉格光纤光栅滤波保留-1阶边带；

零差相干探测单元包括：利用载波抑制双波长生成结构产生的另一束光波和微波光子下变频输出的-1阶边带进行零差相干探测，实现光电转化，最终完成毫米波射频信号到基带信号的解调。

2.根据权利要求1所述的基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，其特征在于，所述基于载波抑制双波长生成结构中：

基于载波抑制双波长生成结构包括依次连接的外腔激光器、强度调制器、微波信号源、环形器和布拉格光纤光栅；强度调制器工作在载波抑制点，微波信号源产生频率为f_s的单音信号驱动光载波频率为f_c强度调制器，生成两束频率为f_c+f_s和f_c-f_s的光束，作为微波光子下变频和零差相干探测所需的本振光。

3.根据权利要求2所述的基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，其特征在于，所述基于强度调制器的微波光子下变频结构中：

微波光子下变频结构包括依次连接的强度调制器、隔离器、布拉格光纤光栅；光载波为载波抑制生成的f_c+f_s，利用强度调制器将中心频率为2f_s毫米波射频信号调制到强度调制器输出的1阶和-1阶边带，f_c+3f_s和f_c-f_s，利用隔离器和布拉格光纤光栅获取-1阶边带。

4.根据权利要求3所述的基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，其特征在于，所述零差相干探测单元中：

零差相干探测单元包含相干接收机，其一端与载波抑制的双波长生成结构的环形器输出端连接，另一端与所述微波光子下变频结构中的布拉格光纤光栅输出端连接，对微波光子下变频输出的-1阶边带f_c-f_s和载波抑制生成另一束光f_c-f_s的进行零差相干探测，实现光电转化，最终完成毫米波射频信号到基带信号的解调。

5.根据权利要求4所述的基于载波抑制的宽带高灵敏度毫米波接收系统，其特征在于，实现信号解调的方法具体为：

首先，由外腔激光器产生的连续光波f_c注入强度调制器，强度调制器工作在载波抑制点，将微波信号源产生的频率为f_s的单音射频信号经过强度调制器载波抑制调制后生成双波长f_c±f_s，注入到光环形器端口1，光环形器端口1和布拉格光纤光栅连接，则布拉格光纤光栅和光环形器端口3输出的光信号分别表示为：

E₁＝E_c{J₁(β_AM1)cos[2π(f_c+f_s)t]

E₂＝E_c{J₁(β_AM1)cos[2π(f_c-f_s)t]

其中，E_c为光源的输出电场强度，f_c为光载波频率，f_s为单音信号频率，这里β_AM1＝π(V_s/V_π)，V_π是强度调制器的半波电压,V_s是单音信号的平均电压，用来表征第一个强度调制器的调制指数；J₁表征阶数为1的第一类贝塞尔函数；第一个强度调制器的输出经过布拉格光纤光栅和光环形器分离后理论上为两束频率为f_c±f_s的相干光；

布拉格光纤光栅端口输出信号E₁耦合到强度调制器调制后，受到带基带信号的毫米波射频信号驱动后，输出的光信号如下：

E_out＝E₁cos[β_AM2s(t)cos(2π(2f_s)t)]

其中，s(t)为传送的基带信号，2f_s为毫米波射频载波频率，β_AM2＝π(V_rf/V_π)，用来表征第二个AM的调制指数，将E₁带入输出的光信号的公式并进行Bessel函数展开：

其中，J_2n+1(β_AM2)为n阶第一类贝塞尔函数，通常毫米波无线通信信号接收端功率较小，导致J_2n+1(β_AM2)较小，因此只会产生1阶边带；即：

E_out＝E_cJ₁(β_AM1)s(t){J₁(β_AM2)cos[2π(f_c-f_s)t]+J₁(β_AM2)cos[2π(f_c+3f_s)t]}

经过隔离器和布拉格光纤光栅滤波后取下边带，则信号光输出如下：

E_sig-out＝E_cs(t)J₁(β_AM1)J₁(β_AM2)cos[2π(f_c-f_s)t]exp[j(w_c+nw_s)t]

其中，布拉格光纤光栅端口输出的信号与E₂中心频率相同，且由于由同一束光波产生，光的相干性极好，能直接接入相干接收机进行零差探测，即可实现信号的解调。

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