CN113726444B - 一种阵列微波信号光域下变频方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波光子学领域，具体涉及一种阵列微波信号光域下变频方法及装置，所述装置包括产生光信号的激光器、获取光载微波信号的第一级电光相位调制器、将多路信号合为一路的密集波分复用器、获取光域混频信号的第二级电光相位调制器、对信号进行放大的光放大器、对载波信号进行抑制的光滤波器、对信号进行分离的波分解复用器以及将光信号转换为电信号的光电探测器；本发明采用具有周期响应光滤波器进行光载波抑制，将相位调制转换为强度调制实现中频信号的光电解调，一方面可以降低光载波带来的噪声恶化，另一方面通过抑制光载波可以有效降低射频与本振信号到中频信号的泄露，降低变频杂散。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学领域，具体涉及一种阵列微波信号光域下变频方法及装置。
背景技术
微波光子技术是一门结合了光子技术宽带、低损耗与微波技术灵活泛在优势并进行深度融合的新技术，该技术在国内外得到了广泛研究。微波光子技术具有工作频段宽、瞬时带宽大、线性度好、可并行处理及抗电磁干扰能力强等优点，因此微波光子技术在传感、雷达、电子对抗及测控等领域具有广泛的应用潜力。
基于微波光子技术的光域微波信号频率变换，可解决传统微波变频过程中存在的高杂散问题；得益于微波光子技术的宽带并行信号处理优势，微波光变频技术应用到阵列系统中采用一个变频器即可同时实现多路信号的变频处理，不仅可以极大的简化射频前端架构，而且可以有效的解决多通道微波变频存在的通道间不一致的问题，实现多通道变频性能的进一步改善。
发明内容
为了解决简化通道架构，提高系统的稳定性与可靠性，同时降低变频产生的杂散信号，本发明提出一种阵列微波信号光域下变频方法及装置，所述装置包括多路激光器、多路第一级电光相位调制器、密集波分复用器、第二级电光相位调制器、光放大器、光滤波器、波分解复用器以及多路光电探测器，多路激光器中每一个激光器对应一个通道，该通道激光器产生的光信号作为载波输入对应通道的第一级电光相位调制器中，进行微波信号到光信号的调制，得到光载微波信号；多路光载微波信号通过密集波分复用器合为一路，送入第二级电光相位调制器；第二级电光相位调制器完成对本征信号的电光调制，获得射频信号与本振信号的光域混频；光域混频后的信号经过光放大器进行放大后输入光滤波器中，利用光滤波器的周期响应特性对各通道的光载波同时进行抑制，采用波分解复用器将载波抑制后的信号按不同通道进行分离，每个通道信号分别采用一个光电探测器进行探测，在探测器平方率响应的作用下实现光载中频信号到电信号的转换。
进一步的，激光器不同通道采用不同波长，且每一通道的波长满足ITU-T规定的密集波分复用的标准波长。
进一步的，光滤波器为具有周期响应的光滤波器。
进一步的，通过激光器产生的光信号作为载波输入级联的两个电光相位调制器中，进行微波信号到光信号的调制以及本振信号与射频信号的光域混频，得到光域混频信号表示为：
其中，
与
分别为射频信号与本振信号的调制系数，VRF为射频信号幅度，VπRF为调制射频半波电压，VLO为本振信号幅度；Popt为激光器出光功率，LPM1为第一级相位调制器光插损，LPM2分别为第二级相位调制器光插损，Lopt为光路其它器件带来的损耗，Gopt为光放大器增益；ωc为光载波信号角频率；j表示虚数单位，t为变量；ωRF为射频信号角频率；ωLO为本振信号角频率。
进一步的，利用具有周期响应特性的光滤波器对各通道的光载波同时进行抑制，将各通道由相位调制转换为强度调制，以实现光电解调。
本发明还提出一种阵列微波信号光域下变频的建模方法，采用前述一种微波信号光域下变频装置，构建变频效率模型，计算最大化变频效率时的链路光功率、本振信号功率及载波抑制度，以这些参数作为变频过程中的参数。
进一步的，变频效率模型表示为：
其中，GIF为变频效率模型；
为光电探测器响应度；Popt为激光器出光功率；LPM1与LPM2分别为相位调制器光插损，Lopt为光路其它器件带来的损耗，Gopt为光放大器增益；α为光滤波器对载波的抑制度；J0(m1)为调制系数m1时对应的零阶第一类贝塞尔函数，J0(m2)为调制系数m2时对应的零阶第一类贝塞尔函数，J1(m1)为调制系数m1时对应的零阶第一类贝塞尔函数，J1(m2)为调制系数m2时对应的零阶第一类贝塞尔函数；Zout为探测器输出阻抗，VRF为射频信号幅度，Zin为调制器输入阻抗。
本发明提出一种基于波分复用器与级联相位调制器相结合，并利用周期性载波抑制光滤波器实现多路微波信号同时下变频的系统架构，其优点包括：
第一，采用级联相位调制器，消除了常规强度调制器需要电路板控制偏置点的问题，不仅降低了阵列系统的复杂度，避免了外围驱动电路带来的额外杂散，还极大地提高了系统的稳定性与可靠性，具有广泛的应用前景；
第二，采用具有周期响应光滤波器进行光载波抑制，将相位调制转换为强度调制实现中频信号的光电解调，一方面可以降低光载波带来的噪声恶化，另一方面通过抑制光载波可以有效降低射频与本振信号到中频信号的泄露，降低变频杂散；
第三，采用波分复用架构，只需要使用一个变频器即能实现多路光载微波信号的同时下变频，可极大的简化前端架构，提高多路一致性。
附图说明
图1为本发明一种微波信号光域下变频装置结构示意图；
图2为本发明变频通道中各节点位置处的频谱变化过程；
图3为本发明中采用的具有周期特性的滤波器幅频响应曲线图；
图4(a)为本发明归一化输出中频信号强度与本振信号调制系数之间的关系，(b)为本发明变频效率与衰减系数之间的关系；
图5本发明谐波抑制度与输入射频功率之间的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种微波信号光域下变频装置，包括多路激光器、多路第一级电光相位调制器、密集波分复用器、第二级电光相位调制器、光放大器、光滤波器、波分解复用器以及多路光电探测器，多路激光器中每一个激光器对应一个通道，该通道激光器产生的光信号作为载波输入对应通道的第一级电光相位调制器中，进行微波信号到光信号的调制，得到光载微波信号；多路光载微波信号通过密集波分复用器合为一路，送入第二级电光相位调制器；第二级电光相位调制器完成对本征信号的电光调制，获得射频信号与本振信号的光域混频；光域混频后的信号经过光放大器进行放大后输入光滤波器中，利用光滤波器的周期响应特性对各通道的光载波同时进行抑制，采用波分解复用器将载波抑制后的信号按不同通道进行分离，每个通道信号分别采用一个光电探测器进行探测，在探测器平方率响应的作用下实现光载中频信号到电信号的转换。
实施例1
本实施例中一种微波信号光域下变频装置的总体架构如图1所示，激光器(LD)产生大功率低噪声连续光输出，不同通道激光器采用不同波长，且均为满足ITU-T规定的密集波分复用的标准波长；激光器产生的光信号作为载波送入到第一级电光相位调制器(EOPM)中，完成微波信号到光信号的调制，得到光载微波信号；多路光载微波信号通过密集波分复用器合为一路，然后送入第二级电光相位调制器；第二级电光相位调制器完成对本征信号的电光调制，从而实现射频信号与本振信号的光域混频；光域混频后的信号经过光放大后送入光滤波器中，利用光滤波器的周期响应特性对各通道的光载波同时进行抑制，实现相位调制向强度调制的转换，然后采用波分解复用器将各个通道分离开来，并在光电探测器平方率响应特性的作用下实现光载中频信号到电信号的转换。其频谱处理过程如图2所示，不同通道的信号经过调制后均匀分布在各个频率位置，两次调制后采用如图3所示的具有周期响应滤波器对各通道的载波进行抑制同时保留其它调制边带，实现相位调制到强度调制的转换，这样可以使得中频信号被光电探测器探测输出，通过这种方式即可支持多个通道信号同时实现宽带低杂散频率变换的功能。
如图1，本实施例中采用八个激光器、八个电光相位调制器、一个光放大器、一个光滤波器、一个波分复用器一个波分解复用器和八个光电探测器，其中激光器波长为满足ITU-T规定的密集波分系统的标准波长，并与波分复用与解复用器的中心波长匹配，激光器作为光载波输入到电光相位调制器调制射频信号，调制后的输出光场可表示为：
其中，
与
分别为射频信号与本振信号的调制系数，Popt为激光器出光功率，LPM1与LPM2分别为相位调制器光插损，Lopt为光路其它器件带来的损耗(包括波分复用器与解复用器光插损、滤波器光插损)，Gopt为光放大器增益。
设定光滤波器对载波的抑制度为α，则经过光电探测后中频输出光电流为：
式中
为探测器响应度，则变频效率的表达形式：
根据上式，变频效率与链路光功率水平、本振信号功率及载波抑制度有关。通常采用光放大器将链路光功率提高到光电探测器能承受的最大值(一般为10dBm)以提高变频效率。同时优化本振功率来进一步提高变频效率，图4(a)为计算的归一化输出中频信号强度与本振信号调制系数之间的关系，从图中可知，当m2＝1.082时具有最佳的变频效率。图4(b)计算了变频效率与载波抑制度之间的关系，从图中可知当载波抑制达到20dB时，变频效率逐渐达到最大。
对于变频杂散，其主要来源是本振与射频信号交叉调制产生的组合干扰，杂散的存在会影响系统的性能。通常产生的杂散信号频率组成非常复杂，它是本振与射频信号任意阶数的组合为：fspur＝pωRF+qωLO(p，q＝1,2,3……)。
本发明中由于采用了相位调制方式实现射频信号与本振信号的电光转换，产生的光谱之间具有90度整数倍的相位差，同时由于光滤波器滤除了载波分量，因此最后产生的杂散分量满足：p+q＝2*N(其中N为1,2,3…等整数)。随着边带阶数的增加，信号强度越小，所以强度较高的杂散信号为四阶杂散即|ωRF+3ωLO|、|3ωRF+ωLO|和谐波|2ωRF+2ωLO|。考虑到杂散分量|ωRF+3ωLO|与|3ωRF+ωLO|一般在带外，影响可以忽略，因此主要的杂散为中频的二次谐波，其抑制度可以表示为：
根据上式，分析了谐波抑制度随输入射频功率之间的对应关系，如图5所示。从图中可知当射频输入功率为0dBm时，谐波抑制度约40dB。
综上，本发明提出了基于波分复用器、级联相位调制器与光滤波器相结合的多通道光域微波信号同时下变频架构，具有系统简单、稳定，噪声性能好、泄漏低、杂散抑制度高等优点。同时需要说明的是，上述实施方案仅为本发明的一个实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，例如改变所用器件类型及改变器件参数也应视为本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种微波信号光域下变频装置，其特征在于，包括多路激光器、多路第一级电光相位调制器、密集波分复用器、第二级电光相位调制器、光放大器、光滤波器、波分解复用器以及多路光电探测器，多路激光器中每一个激光器对应一个通道，该通道激光器产生的光信号作为载波输入对应通道的第一级电光相位调制器中，进行微波信号到光信号的调制，得到光载微波信号；多路光载微波信号通过密集波分复用器合为一路，送入第二级电光相位调制器；第二级电光相位调制器完成对本征信号的电光调制，获得射频信号与本振信号的光域混频；光域混频后的信号经过光放大器进行放大后输入光滤波器中，利用具有周期响应特性的光滤波器对各通道的光载波同时进行抑制，将各通道由相位调制转换为强度调制，以实现光电解调，不同通道的信号经过调制后均匀分布在各个频率位置，两次调制后不同通道的信号经过调制后均匀分布在各个频率位置；采用波分解复用器将载波抑制后的信号按不同通道进行分离，每个通道信号分别采用一个光电探测器进行探测，在探测器平方率响应的作用下实现光载中频信号到电信号的转换。
2.根据权利要求1所述的一种微波信号光域下变频装置，其特征在于，激光器不同通道采用不同波长，且每一通道的波长满足ITU-T规定的密集波分复用的标准波长。
3.根据权利要求1所述的一种微波信号光域下变频装置，其特征在于，光滤波器为具有周期响应的光滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种微波信号光域下变频装置，其特征在于，通过激光器产生的光信号作为载波输入级联的两个电光相位调制器中，进行微波信号到光信号的调制以及本振信号与射频信号的光域混频，得到光域混频信号表示为：
其中，
与
分别为射频信号与本振信号的调制系数，VRF为射频信号幅度，VπRF为调制射频半波电压，VLO为本振信号幅度；Popt为激光器出光功率，LPM1为第一级相位调制器光插损，LPM2分别为第二级相位调制器光插损，Lopt为光路其它器件带来的损耗，Gopt为光放大器增益；ωc为光载波信号角频率；j表示虚数单位，t为变量；ωRF为射频信号角频率；ωLO为本振信号角频率。
5.一种阵列微波信号光域下变频方法，其特征在于，采用权利要求1～4所述的任一一种微波信号光域下变频装置，构建变频效率模型，计算最大化变频效率时的链路光功率、本振信号功率及载波抑制度，以最大化变频效率时的链路光功率、本振信号功率及载波抑制度作为变频过程中的参数；变频效率模型表示为：
其中，GIF为变频效率模型；
为光电探测器响应度；Popt为激光器出光功率；LPM1为第一级相位调制器光插损，LPM2分别为第二级相位调制器光插损，Lopt为光路其它器件带来的损耗，Gopt为光放大器增益；α为光滤波器对载波的抑制度；J0(m1)为调制系数为m1时对应的零阶第一类贝塞尔函数，J0(m2)为调制系数为m2时对应的零阶第一类贝塞尔函数，J1(m1)为调制系数为m1时对应的一阶第一类贝塞尔函数，J1(m2)为调制系数为m2时对应的一阶第一类贝塞尔函数；Zout为探测器输出阻抗，VRF为射频信号幅度，Zin为调制器输入阻抗。
6.根据权利要求5所述的一种微波信号光域下变频方法，其特征在于，光放大器对各个通道同时进行功率放大，将链路光功率提高到光电探测器能承受的最大值。
7.根据权利要求5所述的一种微波信号光域下变频方法，其特征在于，计算归一化输出中频信号强度与本振信号调制系数之间的关系，令本振信号的调制系数m2＝1.082时获得最佳变频效率。
8.根据权利要求5所述的一种微波信号光域下变频方法，其特征在于，载波抑制度设置为20dB获得最大变频效率。
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