CN113691314B - 一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法 - Google Patents

一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法，该方法涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如说明书附图1所示，包括激光器、双偏振正交相移键控调制器、电功分器、电衰减器、偏振控制器、起偏器、单模光纤、掺饵光纤光放大器、光电探测器。射频信号和本振信号以最小点的调制方式调制到光载波上，提升了变频效率；调制器主调偏压用来补偿光纤色散引起的功率衰落；偏振控制器用来实现线性优化。本发明在光子变频系统中同时实现了色散补偿和线性优化，更大程度的提升了系统增益和动态范围等，在多基站雷达、无线通信等领域均有重要的应用价值。

Description

一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域以及微波、毫米波技术领域，主要涉及微波、毫米波信号的光子混频以及链路中的线性优化和色散补偿。
背景技术
近些年来，电子战、雷达、卫星通信等军用电子与民用通信系统正在向多频段、大带宽方向发展，为了应对微波甚至毫米波段信号的发射和接收，传统收发信机的混频模块往往需要多级混频结构，每一级都需要变频、滤波、放大等信号处理单元，使得整个混频模块十分庞大、复杂。与此同时，雷达系统中分布式结构的提出以及移动通信系统中微蜂窝结构的发展使得基站的数目成倍增加，如何实现中心站和各个基站之间信号的高效、低成本传输，以及如何简化基站是目前所关注的问题。同轴电缆的体积重量大、损耗高、成本高以及易受电磁干扰影响等问题使得人们开始寻找一种更优的传输链路来取代模拟电子传输链路。
得益于微波光子大带宽、多频段、抗电磁干扰等优势，采用光学技术实现微波以及毫米波信号的发射、传输和接收逐渐成为了研究的热点。得益于微波光子的多频段、大带宽特性，可以实现微波、毫米波信号的一次性上下变频，极大的简化了收发信机的变频模块。同时，得益于光纤的低损耗、造价低，抗电磁干扰等特性，采用光纤链路实现信号在中心站和基站之间的传输具有得天独厚的优势。但是光子混频器以及传输链路中信号的质量受非线性，色散等因素的影响，如何设计出高性能的光子混频器及传输链路是目前研究的热点。
目前已报道的微波、毫米波信号的光子混频主要考虑系统的混频增益、本振隔离度以及动态范围，因此结合光纤传输链路，系统需要对非线性，色散等不利因素进行优化。三阶交调失真是窄带通信背景下非线性的主要来源。它主要有两种产生途径，一是由光载波和三阶交调光边带拍频产生，二是由二阶交调和一阶光边带拍频产生。目前绝大多数线性优化方案就是使这两种三阶交调来源相互抵消。对于色散而言，它会不同的光频率成分引入不同的相移，因此，对于双边带调制信号而言，会最终影响输出射频信号的功率，随着光纤长度和信号频率的改变，输出功率呈周期性衰落趋势。目前抑制色散导致的功率衰落有两种解决方案：一是利用单边带的调制方式，但是调制方式相对复杂，且边带抑制效果差。二是对光载波(或光边带)引入可调节的相移，用来补偿色散引入相移。但是，目前很少有方案能在光子混频结构中同时优化非线性失真和补偿链路色散，且现有的同时优化方案色散补偿和线性优化相互制约，使得系统的性能提升有限。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法。相对于微波、毫米波光子混频器而言，我们还考虑了光纤传输的情况，并对非线性，色散同时进行优化。抑制了三阶交调失真，补偿了色散引起的功率周期性衰落问题。其中三阶交调失真通过调节偏振控制器PC来实现。光纤色散引入的相移通过调制器的主调偏压来动态补偿。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括1激光器LD、2双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器、3电功分器PS、4电衰减器ATT、5偏振控制器PC、6起偏器 Pol、7单模光纤SMF、8掺饵光纤光放大器EDFA、9光电探测器PD。光源的输出端与DP-QPSK 调制器的输入端相连，射频信号功分两路，一路加载到DP-QPSK调制器上双平行马赫增德尔调制器DPMZM的一个子调制器射频输入口，另一路经过电衰减，加载到DP-QPSK调制器下DPMZM的一个子调制器射频输入口。本振信号功分两路，一路加载到DP-QPSK调制器上DPMZM的另一个子调制器射频输入口，另一路加载到DP-QPSK调制器下DPMZM的另一个子调制器射频输入口，所有子调制器均工作在最小点，主调制器的偏压用来动态补偿光纤色散对信号引入的相移。上下DPMZM的输出信号偏振复用，随后DP-QPSK调制器的输出端与PC相连，然后连接Pol，Pol的输出端连接SMF，随后连接EDFA和PD，PD的输出端可连接频谱分析仪。
其中DP-QPSK调制器由两个平行的DPMZM，一个90度法拉第旋转镜和一个偏振合束器构成。
其中EDFA工作在自动功率控制模式下，输出功率一定。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从光源发出波长为λ的光载波输入DP-QPSK调制器中。
(2)射频信号功分两路，一路加载到DP-QPSK调制器上双平行马赫增德尔调制器DPMZM的一个子调制器射频输入口，另一路经过电衰减，加载到DP-QPSK调制器下DPMZM的一个子调制器射频输入口。本振信号功分两路，一路加载到DP-QPSK 调制器上DPMZM的另一个子调制器射频输入口，另一路加载到DP-QPSK调制器下 DPMZM的另一个子调制器射频输入口，所有子调制器均工作在最小点，产生抑制载波的双边带调制信号，随后上下DPMZM的输出信号偏振复用后从DP-QPSK调制器输出。
(3)输出信号经过PC和Pol后经过SMF进行长距离传输。
(4)根据不同的射频信号频率、以及SMF的长度。调节两个DPMZM主调制器的偏置电压，来补偿光纤色散引起的功率周期性衰落，并通过调节PC调整偏振复用信号之间的相位差为180度，并调整信号的偏振方向，使信号与Pol主轴的夹角为80.1度，优化载边比。
(5)工作在自动功率控制模式下的EDFA对长距离传输的光信号进行功率补偿。
(6)PD光电转换，将处理后的光信号重新转换为电信号输出。
本发明提出了一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法，射频和本振信号同时通过DP-QPSK调制器调制到光载波上，通过PD拍频实现信号混频。三阶交调抑制通过PC调节信号的偏振角度，与Pol主轴夹角80.1度，并使偏振复用信号的两个偏振态相差180度来实现。色散的补偿通过调节两个DPMZM的主调制器偏压来实现。
本发明射频和本振信号采用抑制载波的双边带调制方式，保证良好的本振隔离度。色散补偿和线性优化相互独立，可分别达到最优值，保证系统达到最佳性能。
附图说明
图1为微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法原理图。
图2为原理图中DP-QPSK的内部结构和设置图。
图3为实验组(实线)和对照组MZ1、MZM2、MZM3、MZM4均工作在正交点(虚线)的 DP-QPSK输出光谱图。
图4为实验组(a)和对照组MZ1、MZM2、MZM3、MZM4均工作在正交点(b)的DP-QPSK 输出电谱图。
图5为对照组方案背靠背和50Km单模光纤传输后输出功率随输出中频信号频率的变化曲线 (虚线)以及本方案背50Km单模光纤传输后输出功率随输出中频信号频率的变化曲线(实线)。
图6为对照组MZ1、MZM2、MZM3、MZM4均工作在最小点时，输出双音信号频谱。
图7为对照组MZ1、MZM2、MZM3、MZM4均工作在最小点时，绘制的无杂散动态范围图。
图8为本方案输出双音信号频谱。
图9本方案绘制的无杂散动态范围图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
图1为微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法原理图。装置包括1激光器 LD、2双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器、3电功分器PS、4电衰减器ATT、5偏振控制器PC、6起偏器Pol、7单模光纤SMF、8掺饵光纤光放大器EDFA、9光电探测器PD。激光器输出光载波进入DP-QPSK调制器功分两路，上路进入DP-QPSK的X-DPMZM，下路进入 DP-QPSK的Y-DPMZM。射频信号功分两路，一路加载到MZM1的射频输入口，另一路经过2.5dB电衰减，加载到MZM3的射频输入口。本振信号功分两路，一路加载到MZM2的射频输入口，一路加载到MZM4的射频输入口。调整MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的直流偏置使其工作在最小点，产生抑制载波的双边带调制信号。X-DPMZM与Y-DPMZM输出的信号偏振复用，由DP-QPSK输出。随后输出信号经过PC和Pol，调节PC使偏振复用信号的偏振角度与Pol的主轴成80.1度，并使偏振复用的两个偏振态的信号相位差180度。 Pol的输出信号经由光纤传输，根据不同的射频输入频率，光纤传输长度，调节X-DPMZM 和Y-DPMZM主调制器的偏置电压，用来补偿光纤色散。偏振复用的信号通过Pol使正交偏振态的光合并，通过SMF传输后，由工作在自动功率控制模式下的EDFA补偿功率，由PD 拍频得到射频输出。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：光源产生工作波长为1552nm，功率为14dBm的连续光波，输入到DP-QPSK调制器的输入端。
步骤二：光载波在DP-QPSK调制器中首先被功分两路。从信号源产生的功率2dBm，频率5GHz 的射频信号，功分两路后，一路加载到MZM1的射频输入口，另一路经过2.5dB的衰减，加载到MZM3的射频输入口；产生频率为30GHz，功率为6dBm的本振信号，功分两路后，一路加载到MZM2的射频输入口，另一路加载到MZM4的射频输入口。调节MZM1、MZM2、 MZM3、MZM4的偏置电压，使其工作在最小点，产生射频信号和本振信号的的抑制载波双边带调制信号。随后Y-DPMZM经过一个法拉第偏振旋转镜(PR)将下路偏振方向旋转90 度。最后经过DP-QPSK调制器末端的PBC将X-DPMZM和Y-DPMZM的信号偏振复用并输出。
步骤三：信号随后经过PC和Pol，我们需要调节PC使得偏振复用信号的偏振角度与Pol主轴相差80.1度，并使偏振复用的两个偏振态的信号相位差180度，以此来抑制三阶交调。
步骤四：随后信号经过分别经过背靠背，50km SMF传输，工作在自动功率控制模式下的EDFA 放大，输出功率为7dBm，由PD光电转换，输出射频信号。首先在频谱仪中测量输出频谱，观测变频增益和本振隔离度。
步骤五：改变输入射频信号的频率，根据信号频率和单模光纤的长度，调节X-DPMZM和 Y-DPMZM主调制器的偏置电压，消除输出信号功率周期性衰落现象。记录输出信号的功率。步骤六：加入双音信号，频率为5GHz和5.01GHz，本振信号频率设置为14.3GHz，记录输出频谱。改变输入射频信号的功率，记录输出噪声功率，信号功率和三阶交调功率，绘制动态范围图。
步骤七：在本施例中，我们引入了对照组。不对射频信号引入电衰减，首先MZ1、MZM2、 MZM3、MZM4均工作在正交点，DPMZM的主调制器偏置电压保持在最大点不变，同时PC调节偏振角度与Pol成45度，正交偏振态信号的相位差为0度，观测输出光谱并在频谱仪中测量输出频谱，观测变频增益和本振隔离度
步骤八：在对照组中，不对射频信号引入电衰减，MZ1、MZM2、MZM3、MZM4均工作在最小点，DPMZM的主调制器偏置电压保持在最大点不变，同时PC调节偏振角度与Pol成 45度，正交偏振态信号的相位差为0度，改变输入本振频率，测量输出信号功率随输出中频频率的改变。并加入双音信号，频率为5GHz和5.01GHz，本振信号频率设置为14.3GHz，记录输出频谱。改变输入射频信号的功率，记录输出噪声功率，信号功率和三阶交调功率，绘制动态范围图。
在本方案中，同时解决了三个问题。首先射频和本振信号均为抑制载波双边带调制，既增大了变频增益，又提高了本振隔离度。其次，根据不同的射频频率和光纤长度，调节DPMZM主调制器的偏置电压，补偿色散引入的相移，消除功率周期性衰落现象。最后通过 PC调节信号偏振角和相位差，抑制了三阶交调失真。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，例如使用分离的器件来实现DP-QPSK调制器的功能，利用偏振分束器(或偏振合束器)的一个输出端代替Pol。此外，改变输入光载波波长、功率，改变射频频率和功率，改变光纤的长度等为本发明的保护的范围。

Claims (3)

1.一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法，包括激光器LD、电功分器PS、电衰减器ATT、双偏振正交相移键控DP-QPSK调制器、偏振控制器PC、起偏器Pol、单模光纤SMF、掺饵光纤光放大器EDFA和光电探测器PD，其特征在于，激光器输出的连续光载波首先进入DP-QPSK调制器，射频信号功分两路，一路加载到DP-QPSK调制器上双平行马赫增德尔调制器DPMZM的一个子调制器射频输入口，另一路经过电衰减，加载到DP-QPSK调制器下DPMZM的一个子调制器射频输入口，本振信号功分两路，一路加载到DP-QPSK调制器上DPMZM的另一个子调制器射频输入口，另一路加载到DP-QPSK调制器下DPMZM的另一个子调制器射频输入口，所有子调制器均工作在最小点，主调制器的偏压用来动态补偿光纤色散对信号引入的相移，上下DPMZM的输出信号偏振复用，随后连接PC，通过PC调整偏振复用信号间的相位差，并调节其偏振角，经过Pol后，抑制调制器引入的三阶交调失真，随后经过SMF传输，并通过EDFA补偿功率损耗，由PD光电转换后，得到优化后的中频输出。
2.根据权利要求1所述的一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法，其特征在于，在光子混频的过程中，同时实现链路的非线性优化和色散补偿，且色散补偿和非线性优化相互独立，色散补偿通过主调制器偏压控制，非线性优化通过偏振控制器控制。
3.根据权利要求1所述的一种微波、毫米波信号的光子线性变频及光纤传输方法，其特征在于，通过对非线性，光纤色散的优化，补偿色散引入的功率周期性衰落，提升信号干扰比以及系统的无杂散动态范围。
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