CN114095087B - 一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统及方法，主要涉及光通信领域和微波光子技术领域。系统包括光电振荡器环路和下变频振荡环路，其中光电振荡器环路包括激光器、第一相位调制器、光放大器、第一光环形器、第一相移布拉格光栅、第一光电探测器、电耦合器，实现对射频输入信号的选择性放大接收；下变频振荡环路包括第二相位调制器、第二光环形器、第二相移布拉格光栅、第二光电探测器、电放大器、电分束器，实现对射频输入信号的下变频输出。本发明的有益效果：该系统不需要外部本振信号源输入，通过光电振荡器选频特性来滤除输入的IM信号，可避免相位相消技术中的“失配问题”，并且可通过调谐激光器的频率来调谐适用频率的范围。

Description

一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统及方法

技术领域

本发明涉及光通信领域和微波光子技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统及方法。

背景技术

现有雷达和通信应用中，射频前端主要基于微波电子技术来实现信号的变频和传输。随着处理频率的升高，传统射频前端面临着传输损耗大、高频处理困难、带宽受限、隔离度差、易受电磁干扰等“电子瓶颈”，也不能解决多频段、多功能等需求所导致的电子器件繁复、重量大、功耗大、成本高的问题。

基于微波光子技术的频率下变换是将射频信号(RF)和本振信号(LO)调制到光载波上，再通过光电转换得到射频信号与本振信号的差频。然而，本振信号的频率决定了混频输出的频率，为了实现多频段的频率变换，产生可调谐、高质量的本振信号是个挑战。其次，由于电光调制的作用，最后的拍频输出除了有用信号之外，还存在各种无用的杂散信号，造成干扰，影响系统的性能。在信号接收端，接收的射频信号(f_RF)需要下变频到一个中频信号(f_IM＝f_RF–f_LO)，但存在镜像信号(2f_LO–f_RF)时，它与本振信号拍频后得到的信号与中频信号频率相同，造成有用无用信号之间的重叠，恶化接收机的性能。

为了实现光下变频的镜像抑制，常规的方法有预滤波和相位相消技术。一方面，预滤波技术通过预置的光域滤波或电域滤波来实现IM频率滤除，因此滤波器的性能决定了IM抑制的效果。由于常规的滤波器工作频率固定，该方法缺乏频率可配置的灵活性。另一方面，典型的相位相消技术基于两路正交混频最终实现IM抑制。虽然这类方法具备适用频率不受限的优点，但是也存在相位和幅度失配造成的IM抑制性能降低的问题，并且需要输入特定的本振信号来实现变频。

发明内容

为此，本发明提出一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统及方法，用以解决常规微波光子下变频中需要外部本振信号输入的问题和镜像抑制问题，并可避免相位相消镜像抑技术中的“失配问题”，该系统可用于雷达和通信的射频前端中。

为实现上述目的，本发明提供一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统，包括光电振荡器环路和下变频振荡环路，其中，光电振荡器环路包括激光器、第一相位调制器、光放大器、第一光环形器、第一相移布拉格光栅、第一光电探测器和电耦合器，其中：所述激光器的输出端与所述第一相位调制器的光输入端相连，用以实现光相位调制并形成光相位调制信号；所述第一相位调制器的光输出端与所述光放大器的光输入端相连，用以放大光相位调制信号；所述光放大器的输出端与所述第一光环形器的第一端口相连，第一光环形器的第二端口与所述第一相移布拉格光栅的光输入端相连，第一光环形器和第一相移布拉格光栅构成一个陷波滤波器，用以滤除光相位调制信号中的+1阶边带；所述第一光环形器的第三端口与所述第一光电探测器的光输入端相连，用以解调滤波后的光相位调制信号；所述第一光电探测器的输出端与所述电耦合器中的一个端口相连，电耦合器的输出端与第一相位调制器的射频输入端相连，构成光电振荡回路的闭环结构以使该环路在光延时的作用下产生光电振荡；所述电耦合器的另一个端口用以输入射频信号。

进一步地，所述下变频振荡环路包括第二相位调制器、第二光环形器、第二相移布拉格光栅、第二光电探测器、电放大器、电分束器，其中：所述第一相移布拉格光栅的透射端口获得+1阶射频光边带信号，第一相移布拉格光栅的光输出端与第二相位调制器的光输入端相连，用以将+1阶射频光边带信号作为光载波传输至第二相位调制器中实现相位调制；所述第二相位调制器的光输出端与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与第二相移布拉格光栅的输入端相连，构成一个陷波滤波器，用以实现光相位调制信号的相位-强度转换；所述第二光环形器的第三端口与第二光电探测器的光输入端相连，用以解调滤波后的光相位调制信号；所述第二光电探测器的输出端与电放大器的输入端相连，用以放大解调后的电信号；所述电放大器的输出端与电分束器的输入端相连，电分束器的一个输出端与第二相位调制器的输入端相连，用以构成下变频振荡环路，电分束器的另外一个输出端输出下变频信号。

进一步地，所述第一相移布拉格光栅的光反射谱经由所述第一光环形器的第三端口输出至所述第一光电探测器；所述第二相移布拉格光栅的光反射谱经由所述第二光环形器的第三端口输出至所述第二光电探测器。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，包括：步骤s1，获取激光器输出频率ω₀，将第一相移布拉格光栅的透射凹口位置频率设置为ω₁，光电振荡器环路产生射频信号且射频信号的频率为ω₁-ω₀，调节光放大器的增益以使光电振荡环路处于振荡阈值状态；步骤s2，当输入射频信号频率ω_RF＝ω₁-ω₀时，光电振荡环路振荡输出，所述第一相移布拉格光栅的反射端口输出的光信号包括光载波和-1阶射频光边带，其中，光载波的频率为ω₀，-1阶射频光边带的频率为ω₀-ω_RF；第一相移布拉格光栅的透射端口输出的光信号包括频率为ω₀+ω_RF的+1阶射频光边带；当输入射频信号的频率ω_RF≠ω₁-ω₀时，光电振荡环路无法振荡输出；步骤s3，频率为ω₀+ω_RF的+1阶射频光边带作为光载波输入至第二相位调制器中以实现相位调制；所述第二相移布拉格光栅的透射凹口位置频率为ω₂，下变频振荡环路输出，拍频解调后电分束器的一个端口输出频率为ω_RF-ω₂的下变频信号，其中，ω_RF≠ω₂；对于输出频率为ω_RF-ω₂的下变频输出信号，其镜像干扰的输入信号频率为2ω₂-ω_RF，其中，2ω₂-ω_RF≠ω_RF，输入频率为2ω₂-ω_RF的镜像干扰信号时无法下变频输出以完成下变频的镜像抑制。

进一步地，在所述步骤s2中，控制所述光放大器的增益使输出振荡模式处于临界状态，当输入的射频信号频率与光电振荡器输出信号频率相同时，射频信号输入可使光电振荡器起振输出，用以使第一相移布拉格光栅透射出光相位调制信号的+1阶边带。

进一步地，当镜像频率的信号输入至所述光电振荡器环路时，所述光电振荡器无法起振输出，所述第一相移布拉格光栅无法透射出+1阶镜像频率边带，镜像频率信号输入不产生下变频输出，实现下变频的镜像抑制。

进一步地，调谐所述激光器的输出频率，用以实现对单一射频输入频率的选择性下变频处理。

进一步地，在所述步骤s3中，选定所述第一相移布拉格光栅和所述第二相移布拉格光栅的透射凹口位置频率，用以选定最终下变频输出信号的频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，该系统不需要外部本振信号源输入，通过光电振荡器选频特性来滤除输入的IM信号，可避免相位相消技术中的“失配问题”，并且可通过调谐激光器的频率来调谐适用频率的范围；

进一步地，系统克服了光变频信号中的杂散干扰，对射频输入信号选择性放大接收并确保信号的保真度，可实现高性能光下变频输出；

进一步地，系统所需电子器件数量少、重量小，功耗小，成本低。

附图说明

图1为本发明所述基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统的原理图；

图2为本发明所述基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统原理图中标记点处的光谱示意图(PS-FBG1的光谱表示第一相移布拉格光栅的反射谱，PS-FBG2的光谱表示第二相移布拉格光栅的反射谱)；

图3为本发明所述基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统，系统包括光电振荡器环路和下变频振荡环路。光电振荡器环路包括激光器、第一相位调制器、光放大器、第一光环形器、第一相移布拉格光栅、第一光电探测器和电耦合器；其中，激光器的输出端与第一相位调制器的光输入端相连，第一相位调制器的光输出端与光放大器的光输入端相连，光放大器的输出端与第一光环形器的第一端口相连，第一光环形器的第二端口与所述第一相移布拉格光栅的光输入端相连，第一光环形器的第三端口与第一光电探测器的光输入端相连，第一光电探测器的输出端与电耦合器中的一个端口相连，电耦合器的输出端与第一相位调制器的射频输入端相连，电耦合器的另一个端口用以输入射频信号。下变频振荡环路包括第二相位调制器、第二光环形器、第二相移布拉格光栅、第二光电探测器、电放大器、电分束器；其中，第一相移布拉格光栅的光输出端与第二相位调制器的光输入端相连，第二相位调制器的光输出端与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与第二相移布拉格光栅的输入端相连，第二光环形器的第三端口与第二光电探测器的光输入端相连，第二光电探测器的输出端与电放大器的输入端相连，电放大器的输出端与电分束器的输入端相连，电分束器的一个输出端与第二相位调制器的输入端相连，电分束器的另外一个输出端输出下变频信号。

本发明所述一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统的原理图，请参阅图1所示。系统的工作原理为：激光器产生光载波经第一相位调制器将射频信号调制到光载波上，从而形成光相位调制信号。第一光环形器和第一相移布拉格光栅构成一个陷波滤波器，实现对光相位调制信号的+1阶边带滤除，即第一相移布拉格光栅的光反射谱经由第一光环形器的第三端口输出。第一光环形器的第三端口输出单边带相位调制器经第一光电探测器后实现解调输出。第一光电探测器输出的射频信号经所述电耦合器输入至第一相位调制器中形成光信号传输环路，从而可实现光电振荡。控制所述光放大器的增益使输出振荡模式处于临界状态，当输入的射频信号频率与光电振荡器输出信号频率相同时，微弱的射频信号输入可使光电振荡器起振输出，从而使第一相移布拉格光栅透射出光相位调制信号的+1阶边带。第一相移布拉格光栅透射出的+1阶边带输至第二相位调制器中作为光载波。第二光环形器和第二相移布拉格光栅构成一个陷波滤波器，通过滤波实现对光相位调制信号的相位-强度转换。第二光环形器的第三端口输出第二相移布拉格光栅的光反射谱，最终传输至第二光电探测器中可实现解调。电放大器放大解调信号。电分束器将放大后的解调信号分为两路，一路传输至第二相位调制器中构成振荡环路，另外一路即实现下变频信号输出。

本发明提供一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，请参阅图3所示，可以按如下步骤予以实施：

步骤1：激光器的输出频率表示为ω₀，则激光器输出的光信号如图2中的A点光谱示意图所示；第一相移布拉格光栅的透射凹口位置频率表示为ω₁，则由激光器、第一相位调制器、光放大器、第一光环形器、第一相移布拉格光栅、第一光电探测器、电耦合器构成的光电振荡器环路可产生频率为ω₁-ω₀的射频信号，调节光放大器的增益使光电振荡环路处于振荡阈值状态；

步骤2：当输入射频信号的频率ω_RF＝ω₁-ω₀时，可以使光电振荡环路振荡输出，第一相移布拉格光栅的反射端口输出的光信号如图2中的B点光谱示意图所示，包含频率为ω的光载波和频率为的-1阶射频光边带；第一相移布拉格光栅的透射端口输出的光信号如图2中的C点光谱示意图所示，只包含频率为ω₀+ω_RF的+1阶射频光边带；当输入射频信号的频率ω_RF≠ω₁-ω₀时，无法使光电振荡环路振荡输出。

步骤3：频率为的+1阶射频光边带作为光载波输入到第二相位调制器中实现相位调制；第二相移布拉格光栅的透射凹口位置频率表示为ω₂，则由第二相位调制器、第二光环形器、第二相移布拉格光栅、第二光电探测器、电放大器、电分束器构成的下变频振荡环路在光延时的作用下实现振荡输出，最终输入第二光电探测器的光信号如图2中的D点光谱示意图所示，拍频解调后电分束器的一个端口输出频率为ω_RF-ω₂(ω_RF≠ω₂)的下变频信号；对于输出频率为ω_RF-ω₂的下变频输出信号，其镜像干扰的输入信号频率为2ω₂-ω_RF，但是2ω₂-ω_RF≠ω_RF，输入频率为2ω₂-ω_RF的镜像干扰信号时无法实现下变频输出，因此实现了下变频中的镜像抑制。

本实施例中，当镜像频率的信号输入时，系统不能使光电振荡器起振输出，第一相移布拉格光栅也无法透射出+1阶镜像频率边带，因此镜像频率信号输入最终不会产生下变频输出，从而实现了镜像抑制。

具体地，通过调谐激光器的输出频率，可实现对某单一射频输入频率的选择性下变频处理；通过选定第一相移布拉格光栅和第二相移布拉格光栅的透射凹口频率位置，可以选定最终下变频输出信号的频率。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统，其特征在于，包括光电振荡器环路和下变频振荡环路，其中，光电振荡器环路包括激光器、第一相位调制器、光放大器、第一光环形器、第一相移布拉格光栅、第一光电探测器和电耦合器，其中：

所述激光器的输出端与所述第一相位调制器的光输入端相连，用以实现光相位调制并形成光相位调制信号；

所述第一相位调制器的光输出端与所述光放大器的光输入端相连，用以放大光相位调制信号；

所述光放大器的输出端与所述第一光环形器的第一端口相连，第一光环形器的第二端口与所述第一相移布拉格光栅的光输入端相连，第一光环形器和第一相移布拉格光栅构成一个陷波滤波器，用以滤除光相位调制信号中的+1阶边带；

所述第一光环形器的第三端口与所述第一光电探测器的光输入端相连，用以解调滤波后的光相位调制信号；

所述第一光电探测器的输出端与所述电耦合器中的一个端口相连，电耦合器的输出端与第一相位调制器的射频输入端相连，构成光电振荡回路的闭环结构以使该环路在光延时的作用下产生光电振荡；

所述电耦合器的另一个端口用以输入射频信号；

所述下变频振荡环路包括第二相位调制器、第二光环形器、第二相移布拉格光栅、第二光电探测器、电放大器、电分束器，其中：

所述第一相移布拉格光栅的透射端口获得+1阶射频光边带信号，第一相移布拉格光栅的光输出端与第二相位调制器的光输入端相连，用以将+1阶射频光边带信号作为光载波传输至第二相位调制器中实现相位调制；

所述第二相位调制器的光输出端与第二光环形器的第一端口相连，第二光环形器的第二端口与第二相移布拉格光栅的输入端相连，构成一个陷波滤波器，用以实现光相位调制信号的相位-强度转换；

所述第二光环形器的第三端口与第二光电探测器的光输入端相连，用以解调滤波后的光相位调制信号；

所述第二光电探测器的输出端与电放大器的输入端相连，用以放大解调后的电信号；

所述电放大器的输出端与电分束器的输入端相连，电分束器的一个输出端与第二相位调制器的输入端相连，用以构成下变频振荡环路，电分束器的另外一个输出端输出下变频信号。

2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收系统，其特征在于，所述第一相移布拉格光栅的光反射谱经由所述第一光环形器的第三端口输出至所述第一光电探测器；所述第二相移布拉格光栅的光反射谱经由所述第二光环形器的第三端口输出至所述第二光电探测器。

3.一种基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，其特征在于，包括：

步骤s1，获取激光器输出频率ω₀，将第一相移布拉格光栅的透射凹口位置频率设置为ω₁，光电振荡器环路产生射频信号且射频信号的频率为ω₁-ω₀，调节光放大器的增益以使光电振荡环路处于振荡阈值状态；

步骤s2，当输入射频信号频率ω_RF＝ω₁-ω₀时，光电振荡环路振荡输出，所述第一相移布拉格光栅的反射端口输出的光信号包括光载波和-1阶射频光边带，其中，光载波的频率为ω，-1阶射频光边带的频率为 ω₀-ω_RF；第一相移布拉格光栅的透射端口输出的光信号包括频率为ω₀+ω_RF的+1阶射频光边带；当输入射频信号的频率ω_RF≠ω₁-ω₀时，光电振荡环路无法振荡输出；

步骤s3，频率为ω₀+ω_RF的+1阶射频光边带作为光载波输入至第二相位调制器中以实现相位调制；第二相移布拉格光栅的透射凹口位置频率为ω₂，下变频振荡环路输出，拍频解调后电分束器的一个端口输出频率为ω_RF-ω₂的下变频信号，其中，ω_RF≠ω₂；对于输出频率为ω_RF-ω₂的下变频输出信号，其镜像干扰的输入信号频率为2ω₂-ω_RF，其中，2ω₂-ω_RF≠ω_RF，输入频率为2ω₂-ω_RF的镜像干扰信号时无法下变频输出以完成下变频的镜像抑制。

4.根据权利要求3所述的基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，其特征在于，在所述步骤s2中，控制所述光放大器的增益使输出振荡模式处于临界状态，当输入的射频信号频率与光电振荡器输出信号频率相同时，射频信号输入可使光电振荡器起振输出，用以使第一相移布拉格光栅透射出光相位调制信号的+1阶边带。

5.根据权利要求3所述的基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，其特征在于，当镜像频率的信号输入至所述光电振荡器环路时，所述光电振荡器无法起振输出，所述第一相移布拉格光栅无法透射出+1阶镜像频率边带，镜像频率信号输入不产生下变频输出，实现下变频的镜像抑制。

6.根据权利要求3所述的基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，其特征在于，调谐所述激光器的输出频率，用以实现对单一射频输入频率的选择性下变频处理。

7.根据权利要求3所述的基于光电振荡器的镜像抑制下变频接收方法，其特征在于，在所述步骤s3中，选定所述第一相移布拉格光栅和所述第二相移布拉格光栅的透射凹口位置频率，用以选定最终下变频输出信号的频率。

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