CN114629559B - 基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置及调节方法 - Google Patents

基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置及调节方法，激光器连接OC，OC连接PBS的公共输入端口，PBS的端口Port1连接OTDL，OTDL的输出端连接DDMZM，PBS的端口Port2连接PM的光输入端口，PM的输出端口与DDMZM的输出端口相互连接形成环路，OC的输出端口3连接PC，PC连接Pol，Pol连接WDM，WDM的两个输出端口分别连接PD1和PD2的光输入端口，PD1和PD2的输出端口分别连接EHC的两个输入端口，EHC输出中频信号。本发明通过合理调整DDMZM的偏置电压和OTDL的时延以及偏振复用光信号偏振态，实现自干扰信号的消除以及镜像抑制下变频，本发明结构简单，具有很强的可操作性，广泛地应用于雷达、电子战和无线通信等射频系统，以提高系统频谱效率并实现带内全双工操作。

Description

基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置及调节 方法
技术领域
本发明涉及光通信和微波技术领域，尤其是一种同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置及调节方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，未来射频系统面临的一个全球性挑战就是需要在有限的频谱下开发覆盖宽带的新功能和服务。未来无线通信、调频连续波雷达和电子战等无线电系统迫切地需要提高频谱效率，带内全双工(In-Band Full Duplex，IBFD)通信技术是一种潜在的解决方法。但是，在IBFD系统中，镜像干扰、自干扰等多种干扰因素的存在使得饱和堵塞和检测灵敏度降低等问题有待解决。传统的射频电子自干扰消除(ElectronicSelf-interference Cancellation，ESIC)技术已研究多年，但由于电子技术的瓶颈，传统电子器件存在带宽有限，非线性、对电磁干扰敏感、灵活性差等问题限制了射频自干扰系统的性能和发展。由于ESIC的困难，以及未来IBFD向高频段、大带宽发展的需求，这使得光学方法逐渐走进人们的视线。光子技术具有带宽大、信号并行处理和传输损耗低等优点，因此基于光子技术的镜像干扰抑制和自干扰消除方法得到了广泛的研究。
目前业界已经报道了很多微波光子自干扰消除方案以及镜像干扰抑制方案。基于微波光子的自干扰消除方案均为并行调制抵消结构，采用电延迟、电衰减或者光延迟和光衰减实现信号的幅度和延时匹配。常见的有基于双电吸收调制器和平衡探测结构、双驱动调制器结构、集成双平行调制器结构等方案。另一方面，基于微波光子学的镜像抑制混频通常采用Hartley结构来抑制镜像干扰。然而上述方案都没有全面地考虑二者的共同影响，绝大多数方案并不能同时用光子学方法实现自干扰消除和镜像抑制，故仍旧存在饱和堵塞和检测灵敏度不足等问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置及调节方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Sagnac环的同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置，包括的器件为一个激光器、一个双驱动马赫曾德尔调制器(Dual-drive Mach-Zehnder Modulator，DDMZM)、一个相位调制器(Phase Modulator，PM)、一个光环形器(Optical Circulator，OC)、一个偏振合/分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)、一个可调光延时线(Optical TunableDelay Line，OTDL)、一个偏振控制器(Polarization Controller，PC)、一个起偏器(Polarizer，Pol)、一个波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)、两个光电探测器(Photodiode，PD)和一个电正交耦合器(Electrical Hybrid Couple，EHC)，所述器件除PC外均为保偏器件，输入输出偏振态不发生改变；激光器的输出端口连接OC的输入端口1，OC的输出端口2连接PBS的公共输入端口，PBS的端口Port1连接OTDL的输入端口，OTDL的输出端口连接DDMZM的光输入端口，PBS的端口Port2连接PM的光输入端口，PM的输出端口与DDMZM的输出端口相互连接形成环路，OC的输出端口3连接PC的输入端口，PC的输出端口连接Pol的输入端口，Pol的输出端口连接WDM的输入端口，WDM的两个输出端口分别连接PD1和PD2的光输入端口，PD1和PD2的输出端口分别连接EHC的两个输入端口，EHC输出中频信号。
所述DDMZM由两个并行的子调制器PM，记为PM1和PM2、一个Y型光分路器和一个Y型光合路器组成，输入光经过Y型光分路器功分两路，分别进入两个子调制器，两个子调制器输出的光信号经过Y型光合路器合成一束输出；有用信号S、干扰信号I和镜像信号M连接子调制器PM1的射频端口，本振信号L连接子调制器PM2的射频端口，DDMZM主调制器直流偏置为45°；参考信号R连接调制器PM的射频端口；激光器产生光信号的偏振方向与PBS的主轴呈45°夹角，经过PBS后被等分为两路正交偏振的光信号，从端口Port1输出的一路顺时针(Clockwise，CK)光正向经过OTDL进入DDMZM被S+I+M+L调制；从端口Port2输出的一路逆时针(Counter Clockwise，CCK)光正向进入PM被R调制；由于从输出端进入DDMZM和PM的光信号速率与射频信号的速率不匹配，因此参考信号R不会对顺时针传输的光产生调制，且S+I+M+L不会对逆时针传输的光产生调制；在Sagnac环传输一周后，被调制的CK和CCK两路光信号进入反向的PBS合成为一路偏振复用光信号，并由OC的3端口输出。
本发明还提供一种基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置的调节方法，具体步骤为：
有用信号、干扰信号、镜像信号、本振信号和参考信号的表达式分别为Vssin(ωst)、VIsin[ωs(t-t0)]、Vmsin(ωmt)、VLsin(ωLt)、Vrsin[ωs(t-Δτ)]，其中，Vs、VI、Vm、VL和Vr分别为有用信号、干扰信号、镜像信号、本振信号以及参考信号的幅度，ωs为有用信号和干扰信号以及参考信号的频率，ωm为镜像信号的频率，ωL为本振信号的频率；
PBS合成一路偏振复用光信号的输出表达式为：
其中，Ec(t)为激光器输出信号；μ1、μ2分别为调制器DDMZM和PM的损耗；τ为OTDL的延时；ms、mI、mM、mr和mL分别表示有用信号、干扰信号、镜像信号、参考信号和本振信号对调制器的调制指数；和/>分别表示光场TE模和TM模的单位矢量；Jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数，在小信号调制下，忽略高阶边带。
PBS的输出光信号进入PC和Pol调节偏振态，则Pol的输出表达式为：
其中，α为PC的偏振控制角；δ为两路偏振复用光之间的可调谐相位差，当调节PC的偏振控制角α、可调谐相位差δ和光延迟线满足以下条件：
此时干扰全部得到抵消，由式(3)可知，对于接收到的任意自干扰信号，均可通过调节PC的偏振控制角α可调谐相位差δ和光延迟线，同时利用Pol检偏，实现其幅度和相位的消除。
Pol输出光信号经过WDM分离出上下边带再分别输入PD进行光电探测，则输出光电流的表达式为：
其中，η为光电探测器的响应度；EWDM为WDM的输出光信号；
PD的输出信号经过EHC之后表达式为：
其中∠90°表示相移90度，由式(6)可知发现自干扰消除以后，镜像干扰信号也得到了抑制，输出为有用信号。
本发明的有益效果在于利用一个DDMZM和一个PM完成接收信号、本振信号和本地参考信号的调制，通过合理调整DDMZM的偏置电压和OTDL的时延以及偏振复用光信号偏振态，可以实现自干扰信号的消除以及镜像抑制下变频。本发明结构简单，具有很强的可操作性；本发明实用性很强，可以广泛地应用于雷达、电子战和无线通信等射频系统，以提高系统频谱效率并实现带内全双工操作。
附图说明
图1为本发明基于Sagnac环的大带宽射频干扰对消方法系统装置图；
图2为具体实施方式步骤三观测自干扰消除前频谱的操作装置图
图3(a)为本发明仿真中自干扰消除前单频信号的信号频谱图，图3(b)为本发明仿真中自干扰消除后单频信号的信号频谱图。
图4(a)为本发明仿真中镜像抑制前单频信号的信号频谱图，图4(b)为本发明仿真中镜像抑制后单频信号的信号频谱图。
图5(a)为本发明仿真中自干扰消除前宽带信号的信号频谱图，图5(b)为本发明仿真中自干扰消除后宽带信号的信号频谱图；
图6(a)为本发明仿真中镜像抑制前宽带信号的信号频谱图，图6(b)为本发明仿真中镜像抑制后宽带信号的信号频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Sagnac环的同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置，包括的器件为一个激光器、一个双驱动马赫曾德尔调制器(Dual-drive Mach-Zehnder Modulator，DDMZM)、一个相位调制器(Phase Modulator，PM)、一个光环形器(Optical Circulator，OC)、一个偏振合/分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)、一个可调光延时线(Optical TunableDelay Line，OTDL)、一个偏振控制器(Polarization Controller，PC)、一个起偏器(Polarizer，Pol)、一个波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)、两个光电探测器(Photodiode，PD)和一个电正交耦合器(Electrical Hybrid Couple，EHC)，所述器件除PC外均为保偏器件，输入输出偏振态不发生改变；激光器的输出端口连接OC的输入端口1，OC的输出端口2连接PBS的公共输入端口，PBS的端口Port1连接OTDL的输入端口，OTDL的输出端口连接DDMZM的光输入端口，PBS的端口Port2连接PM的光输入端口，PM的输出端口与DDMZM的输出端口相互连接形成环路，OC的输出端口3连接PC的输入端口，PC的输出端口连接Pol的输入端口，Pol的输出端口连接WDM的输入端口，WDM的两个输出端口分别连接PD1和PD2的光输入端口，PD1和PD2的输出端口分别连接EHC的两个输入端口，EHC输出中频信号。
所述DDMZM由两个并行的子调制器PM，记为PM1和PM2、一个Y型光分路器和一个Y型光合路器组成，输入光经过Y型光分路器功分两路，分别进入两个子调制器，两个子调制器输出的光信号经过Y型光合路器合成一束输出；有用信号S、干扰信号I和镜像信号M连接子调制器PM1的射频端口，本振信号L连接子调制器PM2的射频端口，DDMZM主调制器直流偏置为45°；参考信号R连接调制器PM的射频端口；激光器产生光信号的偏振方向与PBS的主轴呈45°夹角，经过PBS后被等分为两路正交偏振的光信号，从端口Port1输出的一路顺时针(Clockwise，CK)光正向经过OTDL进入DDMZM被S+I+M+L调制；从端口Port2输出的一路逆时针(Counter Clockwise，CCK)光正向进入PM被R调制；由于从输出端进入DDMZM和PM的光信号速率与射频信号的速率不匹配，因此参考信号R不会对顺时针传输的光产生调制，且S+I+M+L不会对逆时针传输的光产生调制；在Sagnac环传输一周后，被调制的CK和CCK两路光信号进入反向的PBS合成为一路偏振复用光信号，并由OC的3端口输出。
本发明还提供一种基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置的调节方法，具体步骤为：
有用信号、干扰信号、镜像信号、本振信号和参考信号的表达式分别为Vssin(ωst)、VIsin[ωs(t-t0)]、Vmsin(ωmt)、VLsin(ωLt)、Vrsin[ωs(t-Δτ)]，其中，Vs、VI、Vm、VL和Vr分别为有用信号、干扰信号、镜像信号、本振信号以及参考信号的幅度，ωs为有用信号和干扰信号以及参考信号的频率，ωm为镜像信号的频率，ωL为本振信号的频率；
PBS合成一路偏振复用光信号的输出表达式为：
其中，Ec(t)为激光器输出信号；μ1、μ2分别为调制器DDMZM和PM的损耗；τ为OTDL的延时；ms、mI、mM、mr和mL分别表示有用信号、干扰信号、镜像信号、参考信号和本振信号对调制器的调制指数；和/>分别表示光场TE模和TM模的单位矢量；Jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数，在小信号调制下，忽略高阶边带。
PBS的输出光信号进入PC和Pol调节偏振态，则Pol的输出表达式为：
其中，α为PC的偏振控制角；δ为两路偏振复用光之间的可调谐相位差，当调节PC的偏振控制角α、可调谐相位差δ和光延迟线满足以下条件：
此时干扰全部得到抵消，由式(3)可知，对于接收到的任意自干扰信号，均可通过调节PC的偏振控制角α可调谐相位差δ和光延迟线，同时利用Pol检偏，实现其幅度和相位的消除。
Pol输出光信号经过WDM分离出上下边带再分别输入PD进行光电探测，则输出光电流的表达式为：
其中，η为光电探测器的响应度；EWDM为WDM的输出光信号；
PD的输出信号经过EHC之后表达式为：
其中∠90°表示相移90度，由式(6)可知发现自干扰消除以后，镜像干扰信号也得到了抑制，输出为有用信号。
本实施例中，装置包括：激光器、射频信号源1、射频信号源2、本振信号源、干扰信号源1、干扰信号源2、DDMZM、PM、OC、PBS、OTDL、PC、Pol、WDM、PD1、PD2、EHC。
步骤一：连接实验装置。激光器的输出端口连接OC的输入端口1，OC的输出端口2连接PBS的公共输入端口。PBS的端口Port1连接OTDL的输入端口，OTDL的输出端口连接DDMZM的输入端口，PBS的端口Port2连接PM的光输入端口，PM的输出端口与DDMZM的输出端口相互连接形成环路。OC的输出端口3连接PC的输入端口，PC的输出端口连接Pol的输入端口，Pol的输出端口连接WDM的输入端口，WDM的两个输出端口分别连接PD1和PD2的光输入端口，PD1和PD2的输出端口分别连接EHC的两个输入端口，EHC的输出端口连接频谱仪。
步骤二：激光器产生工作波长为1550nm、光功率为16dBm的光载波；射频信号源1产生频率为9GHz、功率0dBm的射频信号；射频信号源2产生频率为9.5GHz、功率10dBm的参考信号；干扰信号源1产生频率为9.5GHz、功率10dBm的接收干扰信号；干扰信号源2产生频率11GHz、功率0dBm的镜像干扰信号；本振信号源产生频率为10GHz、功率10dBm的单音信号；DDMZM和PM的半波电压为3.5V，消光比为35dB；DDMZM的直流偏置角为45°；PD1和PD2的响应度均为0.7A/W；
步骤三：为了观察未进行自干扰消除时的频谱情况，去除图1中的PC、OC、PBS、OTDL、Pol及干扰信号源2，只保留单个DDMZM进行调制，如图2所示，保持步骤二中参数不变，输出频谱如图3(a)所示，可以观测到明显的自干扰信号。然后验证本方案对自干扰的抑制效果，去除干扰信号源2，按图1连接好装置，调节PC并观察EHC的输出频谱，图3(b)与图4(a)均为单频干扰情况下，进行自干扰消除后输出信号频谱，如图3所示，干扰信号被消除，干扰抑制达58.6dB；
步骤四：保持步骤三中PC偏振角和可调谐相位差不变，去除射频信号源1，连接干扰信号源2，观察EHC的输出频谱，图4(b)为单频干扰情况下，进行镜像抑制后输出信号频谱，如图4所示，镜像信号被消除，镜像抑制达64.2dB；同时自干扰信号也没有出现在图4频谱中，证明系统同时对两种干扰实现了很好的抑制效果。
步骤五：将中心频率为9GHz、带宽为30MHz的16QAM信号作为自干扰信号，其余参数不变，重复步骤三，图5(a)和(b)为宽带干扰情况下，自干扰消除前后的输出信号频谱，如图5所示，干扰抑制达45.22dB；
步骤六：保持步骤五中PC的偏振角和可调谐相位差不变，重复步骤四，图6(a)和(b)为宽带干扰情况下，镜像抑制前后的输出信号频谱，如图6所示，镜像抑制达56.97dB。同样地，自干扰信号也没有出现在图6频谱中，证明系统同时对两种干扰实现了很好的抑制效果。
综上，本发明利用DDMZM和PM环进行接收信号和本地干扰信号以及本振信号的调制，通过设置DDMZM的偏置电压实现镜像抑制，通过PC控制光偏振态实现自干扰信号的消除功能。除此之外，还利用OTDL在光域实现了宽谱的自干扰消除，避免了发射机泄露或者多径干扰造成的堵塞和灵敏度降低等问题。该方案可以消除接收信号中的自干扰信号与镜像信号，可以得到高性能大带宽的信号传输，易于实现，操作灵活，在当今的雷达、电子战和无线通信等射频系统中具有潜在应用价值。
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变形和替换，有用信号频率、干扰信号频率、本振信号频率、光载波波长、光载波功率、射频信号功率、偏振控制角、可调谐相位差、光延时量和调制器的直流偏置角等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置，包括的器件为一个激光器、一个双驱动马赫曾德尔调制器、一个相位调制器、一个光环形器、一个偏振合/分束器、一个可调光延时线、一个偏振控制器、一个起偏器、一个波分复用器、两个光电探测器和一个电正交耦合器，其特征在于：
所述基于Sagnac环的同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置，激光器的输出端口连接光环形器OC的输入端口1，光环形器OC的输出端口2连接偏振合/分束器PBS的公共输入端口，偏振合/分束器PBS的端口Port1连接可调光延时线OTDL的输入端口，可调光延时线OTDL的输出端口连接双驱动马赫曾德尔调制器DDMZM的光输入端口，偏振合/分束器PBS的端口Port2连接相位调制器PM的光输入端口，相位调制器PM的输出端口与双驱动马赫曾德尔调制器DDMZM的输出端口相互连接形成环路，光环形器OC的输出端口3连接偏振控制器PC的输入端口，偏振控制器PC的输出端口连接起偏器Pol的输入端口，起偏器Pol的输出端口连接波分复用器WDM的输入端口，波分复用器WDM的两个输出端口分别连接光电探测器PD1和光电探测器PD2的光输入端口，光电探测器PD1和光电探测器PD2的输出端口分别连接电正交耦合器EHC的两个输入端口，电正交耦合器EHC输出中频信号；
所述DDMZM由两个并行的子调制器PM1和PM2、一个Y型光分路器和一个Y型光合路器组成，输入光经过Y型光分路器功分两路，分别进入两个子调制器，两个子调制器输出的光信号经过Y型光合路器合成一束输出；有用信号S、干扰信号I和镜像信号M连接子调制器PM1的射频端口，本振信号L连接子调制器PM2的射频端口，DDMZM主调制器直流偏置为45°；参考信号R连接调制器PM的射频端口；激光器产生光信号的偏振方向与PBS的主轴呈45°夹角，经过PBS后被等分为两路正交偏振的光信号，从端口Port1输出的一路顺时针光正向经过OTDL进入DDMZM被S+I+M+L调制；从端口Port2输出的一路逆时针光正向进入PM被R调制；由于从输出端进入DDMZM和PM的光信号速率与射频信号的速率不匹配，因此参考信号R不会对顺时针传输的光产生调制，且S+I+M+L不会对逆时针传输的光产生调制；在Sagnac环传输一周后，被调制的顺时针CK和逆时针CCK两路光信号进入反向的PBS合成为一路偏振复用光信号，并由OC的3端口输出。
2.一种利用权利要求1所述基于Sagnac环同时镜像干扰抑制和自干扰对消装置的调节方法，其特征在于包括下述步骤：
有用信号、干扰信号、镜像信号、本振信号和参考信号的表达式分别为Vssin(ωst)、VIsin[ωs(t-t0)]、Vmsin(ωmt)、VLsin(ωLt)、Vrsin[ωs(t-Δτ)]，其中，Vs、VI、Vm、VL和Vr分别为有用信号、干扰信号、镜像信号、本振信号以及参考信号的幅度，ωs为有用信号和干扰信号以及参考信号的频率，ωm为镜像信号的频率，ωL为本振信号的频率；
PBS合成一路偏振复用光信号的输出表达式为：
其中，Ec(t)为激光器输出信号；μ1、μ2分别为调制器DDMZM和PM的损耗；T为OTDL的延时；ms、mI、mM、mr和mL分别表示有用信号、干扰信号、镜像信号、参考信号和本振信号对调制器的调制指数；和/>分别表示光场TE模和TM模的单位矢量；Jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数，在小信号调制下，忽略高阶边带；
PBS的输出光信号进入PC和Pol调节偏振态，则Pol的输出表达式为：
其中，a为PC的偏振控制角；δ为两路偏振复用光之间的可调谐相位差，当调节PC的偏振控制角a、可调谐相位差δ和光延迟线满足以下条件：
此时干扰全部得到抵消，由式(3)可知，对于接收到的任意自干扰信号，均可通过调节PC的偏振控制角a可调谐相位差δ和光延迟线，同时利用Pol检偏，实现其幅度和相位的消除；
Pol输出光信号经过WDM分离出上下边带再分别输入PD进行光电探测，则输出光电流的表达式为：
其中，η为光电探测器的响应度；EWDM为WDM的输出光信号；
PD的输出信号经过EHC之后表达式为：
其中∠90°表示相移90度，由式(6)可知发现自干扰消除以后，镜像干扰信号也得到了抑制，输出为有用信号。
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