CN114301521A - 一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法 - Google Patents
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Abstract
微波光子技术因其带宽大、远距离传输较电缆小，在雷达中应用日趋广泛。但凡涉及微波放大、电光变换、光电变换等非线性过程，均会恶化信号的杂散、谐波、交调等非线性分量，产生非线性畸变，导致生成的信号质量恶化。本发明针对微波光子信号产生系统中的非线性失真问题，从非线性失真产生的机理出发，提出采用数字预失真的方法，并建立数学模型，设计了数字预失真算法，以最大的灵活度、最低的硬件成本获得了极高的性能改善。通过仿真和实际实验，对典型信号的非线性抑制效果进行了验证。从验证结果可以看出，数字预失真方法可以有效地对微波光子信号产生链路中非线性失真进行抑制。
Description
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法。
背景技术
微波光子技术因其带宽大、远距离传输较电缆小，在雷达中应用日趋广泛。典型微波光子链路在雷达中应用如图1所示，将射频信号放大后调制到光信号上，再经过信号合成、光域变频等处理，最后经由光电变换转回射频信号以供雷达使用。但凡涉及微波放大、电光变换、光电变换等非线性过程，均会恶化信号的杂散、谐波、交调等非线性分量，产生非线性畸变，导致生成的信号质量恶化。
电光调制器是将电信号调制到光纤链路中的关键器件，实现了电信号向光信号之间的转换。马赫曾德尔调制器(MZM)是电光调制器应用的主要类型之一，应用于高速光通信、雷达系统、电子对抗等领域的微波光子链路中。
采用铌酸锂材料的强度调制器是马赫曾德尔调制器(MZM)一种实现方式，其具有线性度好、带宽大、功耗低等特点，从而得到了广泛的应用。但的铌酸锂调制器的其P-V调制曲线为正弦曲线，是一个非线性过程。射频信号转化为光信号后，将产生高次谐波分量和交调分量，表现为光电转换后输出高次谐波分量。
针对这些问题，本发明通过建立微波光子信号产生的系统模型，设计数字域非线性预失真的算法，实现了高效的非线性抑制，大幅改善产生信号的质量。
发明内容
本发明目的在于实现一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法。通过研究微波光子信号产生机理、分析微波光子链路中的非线性来源，建立链路信号模型，通过数字预失真的方式，抑制微波光子信号产生过程中的非线性。该研究创新内容主要为：设计数字预失真算法，对微波光子链路特性进行补偿，通过对信号幅度和相位的调控，实现非线性抑制。在不改变硬件设备的情况下实现非线性抑制，系统简单，复杂度低，节约了大量研发成本，并提供了信号产生极大的数字灵活性。
一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法。具体步骤如下：
步骤1、构建微波光子信号产生链路
在微波光子雷达中，图1是典型的微波光子电-光和光-电转换链路，常用于微波光子信号产生、微波光子射频传输等等链路中。该链路中包括激光器、马赫曾德尔调制器、光处理器件以及光电探测器，实现微波光子信号的电-光和光-电转换，本发明针对在光-电和电-光过程中产生的三次谐波信号进行预失真补偿。
信号产生链路中包括数模转换模块、电光变换模块、光波形合成链路、光电变换模块，射频信号由电光变换模块输入，由光电变换模块输出，电光变换模块采用马赫曾德尔调制器，光电变换模块采用光电探测器。电光变换模块为一个或多个。
步骤2、调整马赫曾德尔调制器的偏置点电压使调制器处于正交状态。
步骤3、获取信号产生链路非线性量：
根据链路中调制器和光电探测器件参数，得到链路中马赫-曾德尔调制器的半波电压Vπ，调制器插损lMZM，光电探测器响应度
采用光功率计或者其他测试手段，测量调制器到光电探测器之间的光增益go，以及到达光电探测器的光功率Po；
对微波光子链路进行数学建模。假设输入马赫曾德尔调制器的单频信号为：
Vin(t)＝Vdc+Vrf sin(Ωt) (1)
其中，Ω为信号的角频率，Vrf为信号的振幅，Vdc为偏置电压。根据马赫曾德尔调制器原理，输出光谱信号功率为：
其中，A为光纤纤芯的横截面，ε为光纤纤芯的介电常数，μ为光纤纤芯的磁导率，Po为平均光功率，E0为电光变换的光强度；
对于常用的双臂驱动的马赫曾德尔调制器(MZM)的电光变换的传输矩阵可以表示为：
其中，lMZM是电光变换的光功率损耗系数，E1(t)、E2(t)分别是双臂马赫曾德尔调制器的两个正交的输出，φ是电光变换两臂之间的相对相移，这个相位变换可以表示为
φ(t)＝φdc+φrfsin(Ωt) (4)
其中
φdc是由加载在调制器上的直流偏置电压所带来的两臂之间的相移，Vπ表示马赫曾德尔调制器的半波电压，φrf表示由输入电光变换的射频信号强度所带来的双臂之间的相移；
联合公式(2)和(4)可得：
其中，ω为光信号的角频率。
公式(5)利用贝塞尔函数展开，得：
其中，Jn为第一类n阶贝塞尔函数；t为时间变量，φrf表示由输入电光变换的射频信号强度所带来的双臂之间的相移。公式(7)和(8)描述了马赫曾德尔调制器的调制输出，它包含无数调制边带，且对称分布在光载波的两旁。而每一个边带的幅度有式中φdc决定。
经光电探测后，设光电探测器响应度为
联合公式(2)和(5)，则光电探测器输出电流为：
其中，go表示电光变换和光电变换之间的光信号增益。
微波光子信号产生链路中，马赫曾德尔调制器的偏置点电压处于正交偏置状态。该正交点时，φdc＝(2n+1)π，此时光电探测输出电流可以使用安格尔级数进行展开，得到：
其中
光电变换时一般采用单一的光电变换二极管，此时具有隔离直流功能，光电变换输出的基频信号为
IΩ,single＝2IdcJ1(φrf)sin(Ωt) (11)
输出信号的非线性量为：
从公式可以看出，在正交偏置点情况下，链路中产生的非线性量为基频信号的奇次谐波。
步骤4、进行微波光子链路非线性量预失真
为保证微波光子信号产生链路输出信号没有失真，需从信号数据生成时对非线性量进行预失真，假设信号的频率为Ω。生成信号时，将信号预失真为
根据需产生的信号频率，按照公式(13)生成数字信号，作为数模转换模块的输入，光电变换后输出需产生的射频信号。
按上述方式，可实现微波光子信号产生链路所因变换产生的非线性调制量。
300M点频信号的补偿仿真效果如附图2所示。
300M中频有带宽信号的补偿仿真如附图3所示。
本发明的有益效果是：
针对微波光子信号产生系统中的非线性失真问题，项目组从非线性失真产生的机理出发，提出采用数字预失真的方法，并建立数学模型，设计了数字预失真算法，以最大的灵活度、最低的硬件成本获得了极高的性能改善。项目组通过仿真和实际实验，对典型信号的非线性抑制效果进行了验证。从验证结果可以看出，项目组提出的数字预失真方法可以有效地对微波光子信号产生链路中非线性失真进行抑制，抑制度达到100倍。
附图说明
图1是系统框图
图2 是300M基频的非线性失真及补偿效果
图3是具有一定带宽的线性调频信号仿真效果
图4 是300M点频信号(补偿前)
图5 是300M点频信号(补偿后)
图6 是300M中频100M带宽线性调频信号(补偿前)
图7 是300M中频200M带宽线性调频信号(补偿后)
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法。具体步骤如下：
步骤1、构建微波光子信号产生链路
在微波光子雷达中，图1是典型的微波光子电-光和光-电转换链路，常用于微波光子信号产生、微波光子射频传输等等链路中。该链路中包括激光器、马赫曾德尔调制器、光处理器件以及光电探测器，实现微波光子信号的电-光和光-电转换，本发明针对在光-电和电-光过程中产生的三次谐波信号进行预失真补偿。
信号产生链路中包括数模转换模块、电光变换模块、光波形合成链路、光电变换模块，射频信号由电光变换模块输入，由光电变换模块输出，电光变换模块采用马赫曾德尔调制器，光电变换模块采用光电探测器。电光变换模块为一个或多个。
步骤2、调整马赫曾德尔调制器的偏置点电压使调制器处于正交状态。
步骤3、获取信号产生链路非线性量：
根据链路中调制器和光电探测器件参数，得到链路中马赫-曾德尔调制器的半波电压Vπ，调制器插损lMZM，光电探测器响应度
采用光功率计或者其他测试手段，测量调制器到光电探测器之间的光增益go，以及到达光电探测器的光功率Po
对微波光子链路进行数学建模。假设输入马赫曾德尔调制器的单频信号为：
Vin(t)＝Vdc+Vrf sin(Ωt) (1)
其中，Ω为信号的角频率，Vrf为信号的振幅，Vdc为偏置电压。根据马赫曾德尔调制器原理，输出光谱信号功率为：
其中，A为光纤纤芯的横截面，ε为光纤纤芯的介电常数，μ为光纤纤芯的磁导率，Po为平均光功率，E0为电光变换的光强度；
对于常用的双臂驱动的马赫曾德尔调制器(MZM)的电光变换的传输矩阵可以表示为：
其中，lMZM是电光变换的光功率损耗系数，E1(t)、E2(t)分别是双臂马赫曾德尔调制器的两个正交的输出，φ是电光变换两臂之间的相对相移，这个相位变换可以表示为
φ(t)＝φdc+φrfsin(Ωt) (4)
其中
φdc是由加载在调制器上的直流偏置电压所带来的两臂之间的相移，Vπ表示马赫曾德尔调制器的半波电压，φrf表示由输入电光变换的射频信号强度所带来的双臂之间的相移；
联合公式(2)和(4)可得：
其中，ω为光信号的角频率。
公式(5)利用贝塞尔函数展开，得：
其中，Jn为第一类n阶贝塞尔函数。公式(7)和(8)描述了马赫曾德尔调制器的调制输出，它包含无数调制边带，且对称分布在光载波的两旁。而每一个边带的幅度有式中φdc决定。
经光电探测后，设光电探测器响应度为
联合公式(2)和(5)，则光电探测器输出电流为：
其中，go表示电光变换和光电变换之间的光信号增益。
微波光子信号产生链路中，马赫曾德尔调制器的偏置点电压处于正交偏置状态。该正交点时，φdc＝(2n+1)π，此时光电探测输出电流可以使用安格尔级数进行展开，得到：
其中
光电变换时一般采用单一的光电变换二极管，此时具有隔离直流功能，光电变换输出的基频信号为
IΩ,single＝2IdcJ1(φrf)sin(Ωt) (11)
输出信号的非线性量为：
从公式可以看出，在正交偏置点情况下，链路中产生的非线性量为基频信号的奇次谐波。
步骤4、进行微波光子链路非线性量预失真
为保证微波光子信号产生链路输出信号没有失真，需从信号数据生成时对非线性量进行预失真，假设信号的频率为Ω。生成信号时，将信号预失真为
其中，Jn为第一类n阶贝塞尔函数；t为时间变量，φrf表示由输入电光变换的射频信号强度所带来的双臂之间的相移；
根据需产生的信号频率，按照公式(13)生成数字信号，作为数模转换模块的输入，光电变换后输出需产生的射频信号。
按上述方式，可实现微波光子信号产生链路所因变换产生的非线性调制量。
实施例2：
一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法，步骤如下：
(10)根据图1的链路示意图构建信号产生链路，光电变换采用马赫曾德尔调制器，电光变换采用光电探测器。
(11)调整马赫曾德尔调制器的偏置点电压使调制器处于正交状态。
(20)根据链路中调制器和光电探测器件参数，得到链路中马赫曾德尔调制器的半波电压Vπ，调制器插损lMZM，光电探测器响应度
(21)采用光功率计或者其他测试手段，测量调制器到光电探测器之间的光增益go，以及到达光电探测器的光功率Po。
(30)根据需产生的信号频率，按照公式(13)生成数字信号，作为数模转换模块的输入，光电变换后输出需产生的射频信号。
(40)比较未采用预失真补偿的结果和采用预失真补偿的结果。
(41)图4是未采用预失真补偿的生成300M点频信号的实测结果。二次谐波和三次谐波的为非线性量。
(42)图5采用预失真补偿的生成300M点频信号的实测结果。二次谐波降低13dB，三次谐波降低21dB。
(43)图6是未采用预失真补偿的100M带宽线性调频信号的实测结果。
(44)图7是采用预失真补偿的100M带宽线性调频信号的实测结果。三次谐波的信号已经完全在噪底以下。
实施例3：
一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法，步骤如下：
1.针对微波光子信号产生链路包含以下部分：
(11)信号产生链路中包含电光变换和光电变换，射频信号由电光变换输入，由光电变换输出。
(12)包含一个或者多个(10)描述的电光部分。
(13)在电光转换前，具备数模转换装置或者具备数模转换功能的设备。
(14)明确MZM的工作状态，偏置电压处于正交状态。
2.信号产生链路非线性量获取和计算方法：
(21)获取链路参数：半波电压Vπ，调制器插损lMZM，光电探测器响应度
光增益go，以及到达光电探测器的光功率Po；
(22)当MZM处在正交状态，链路中的非线性量为
其中：
3.非线性量预失真方法，
(31)当产生点频信号是点频时，输入数模转换的数字信号由以下方式产生
(32)当产生信号频率是时变式时，输入数模转换的数字信号由以下方式产生
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种微波光子信号产生链路非线性预失真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1、构建微波光子信号产生链路
信号产生链路中包括数模转换模块、电光变换模块、光波形合成链路、光电变换模块，射频信号由电光变换模块输入，由光电变换模块输出，电光变换模块采用马赫曾德尔调制器，光电变换模块采用光电探测器；
步骤2、调整马赫曾德尔调制器的偏置点电压使调制器处于正交状态；
步骤3、获取信号产生链路非线性量：
根据链路中调制器和光电探测器件参数，得到链路中马赫曾德尔调制器的半波电压Vπ，调制器插损lMZM，光电探测器响应度
采用光功率计或者其他测试手段，测量调制器到光电探测器之间的光增益go，以及到达光电探测器的光功率Po；
步骤4、进行微波光子链路非线性量预失真
为保证微波光子信号产生链路输出信号没有失真，需从信号数据生成时对非线性量进行预失真，假设信号的频率为Ω；生成信号时，将信号预失真为
其中，Jn为第一类n阶贝塞尔函数；t为时间变量，φrf表示由输入电光变换的射频信号强度所带来的双臂之间的相移；
根据需产生的信号频率，按照公式(13)生成数字信号，作为数模转换模块的输入，光电变换后输出需产生的射频信号；
按上述方式，可实现微波光子信号产生链路所因变换产生的非线性调制量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，
对微波光子链路进行数学建模；假设输入马赫曾德尔调制器的单频信号为：
Vin(t)＝Vdc+Vrfsin(Ωt) (1)
其中，Ω为信号的角频率，Vrf为信号的振幅，Vdc为偏置电压；根据马赫曾德尔调制器原理，输出光谱信号功率为：
其中，A为光纤纤芯的横截面，ε为光纤纤芯的介电常数，μ为光纤纤芯的磁导率，Po为平均光功率，E0为电光变换的光强度；
对于常用的双臂驱动的马赫曾德尔调制器的电光变换的传输矩阵可以表示为：
其中，lMZM是电光变换的光功率损耗系数，E1(t)、E2(t)分别是双臂马赫曾德尔调制器的两个正交的输出，φ是电光变换两臂之间的相对相移，这个相位变换可以表示为
φ(t)＝φdc+φrfsin(Ωt) (4)
其中
φdc是由加载在调制器上的直流偏置电压所带来的两臂之间的相移，Vπ表示马赫曾德尔调制器的半波电压，φrf表示由输入电光变换的射频信号强度所带来的双臂之间的相移；
联合公式(2)和(4)可得：
其中，ω为光信号的角频率；
公式(5)利用贝塞尔函数展开，得：
其中，Jn为第一类n阶贝塞尔函数；公式(7)和(8)描述了马赫曾德尔调制器的调制输出，它包含无数调制边带，且对称分布在光载波的两旁；而每一个边带的幅度有式中φdc决定；
经光电探测后，设光电探测器响应度为
联合公式(2)和(5)，则光电探测器输出电流为：
其中，go表示电光变换和光电变换之间的光信号增益；
微波光子信号产生链路中，马赫曾德尔调制器的偏置点电压处于正交偏置状态；该正交点时，φdc＝(2n+1)π，此时光电探测输出电流可以使用安格尔级数进行展开，得到：
其中
光电变换时一般采用单一的光电变换二极管，此时具有隔离直流功能，光电变换输出的基频信号为
IΩ,single＝2IdcJ1(φrf)sin(Ωt) (11)
输出信号的非线性量为：
在正交偏置点情况下，链路中产生的非线性量为基频信号的奇次谐波。
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