CN114826416A - 一种微波光子信道化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波光子信道化装置,属于通信技术领域。本发明的微波光子信道化装置是面向宽带射频信号接收的微波光子信道化接收方案,其包括两个模块:光频梳发生模块和射频信号接收模块,其中光频梳发生模块用于产生超平坦光频梳,产生的一个超平坦光频梳在射频信号接收模块中被用做本振光梳和信号光载波,仅使用一个光频梳产生模块大大减少了整个系统的复杂度。一个光载波和两个本振光梳可实现四个信道的接收。声光移频器配合两种切割方案增加了器件参数选择的灵活性,实现不同带宽、不同中心频率的宽带射频信号的接收。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,具体涉及一种微波光子信道化装置。
背景技术
随着现代射频(RF)系统信号带宽的增长,雷达、电子战、导航、无线通讯和卫星通讯等系统,对处理更大带宽、更高频率的微波信号接收机迫切需要。但是,由于模数/数模转换器(ADC/DAC)处理电信号的“电子瓶颈”等问题,传统射频接收机对整个射频频谱的实时和高分辨率检测难以实现。因此,具有能实时监测宽带射频信号(BRF)特性的新一代微波信号接收机是下一步研发目标。针对传统射频信号处理过程中带宽受限和电子器件性能问题,研究者们提出了光子辅助的处理宽带射频信号的微波光子信号化技术,即利用光子器件带宽大、速率高的特性,将宽带射频信号调制到光载波上,在光域将其切割为数个窄带射频信号,继而对窄带射频进行接收和电域并行处理。相较于传统的信道化装置只能处理带宽为数GHz的射频信号,采用光子辅助的微波光子信道化装置,可以处理带宽为数十GHz的宽带射频信号。因此,在处理宽带射频信号方面,微波光子信道化技术引起的研究者们的广泛关注。
目前,针对光子辅助的宽带射频信号信道化接收,主要分为三类:第一类,利用具有一系列连续通带的光滤波器对宽带射频信号进行切割获得窄带射频信号;第二类,利用梳状载波产生一系列宽带射频信号副本,再利用间隔和梳状载波不同的梳状滤波器进行宽带射频信号的切割,得到窄带射频信号;第三类,利用相干光频梳进行宽带射频信号的接收,信号光梳和本振光梳分别用做产生宽带射频信号副本和相干接收,利用两光频梳不同的间隔,通过相干接收获得一系列窄带射频信号。
然而,第三类微波光子信道化方案依靠双相干光频梳,而多梳线、大间隔光频梳的发生是一个严峻的问题,因此,有必要提出一种能对宽带射频信号进行切割以及相干接收处理,获得窄带射频信号的微波光子信道化接收方案。
发明内容
本发明提供了微波光子信道化装置,以实现宽带射频信号的微波光子信道化接收。
本发明采用的技术方案为:
一种微波光子信道化装置,所述装置包括光频梳发生模块和射频信号接收模块;
所述光频梳发生模块用于产生一个光梳间隔可调的超平坦光频梳,以用作光载波和本振光梳;
所述光频梳发生模块包括连续波激光器,偏振控制器,强度调制器,相位调制器,相移器,倍频器,可调衰减器,增益控制器和光放大器;
所述连续波激光器输出的激光首先通过偏振控制器,然后输入到第一强度调制器,第一强度调制器上加载有指定频率(用fRF表示)的射频信号;
所述第一强度调制器的输出光信号作为第二强度调制器的输入光信号,且所述射频信号经过相移器后调制到第二强度调制器上;
所述第二强度调制器的输出光信号作为相位调制器的输入光信号,同时射频信号被分为两个支路,一路经过移相器,一路经过倍频器和可调衰减器,然后两路射频信号合为一路,合并后的射频信号再经增益控制器输入相位调制器;
所述相位调制器输出的调制光波经过光放大器后,输出超平坦光频梳,其频率间隔为视频信号的频率;
所述射频信号接收模块基于光频梳发生模块产生的超平坦光频梳完成宽带射频信号的接收,所述射频信号接收模块包括:光分束器,解波分复用器,声光移频器,波分复用器,马赫增德尔调制器,低噪声放大器、相干接收模块和并行电信号处理器;
所述光分束器用于将输入的超平坦光频梳一分为二,得到上路光频梳信号和下路光频梳信号,所述上路光频梳信号经信号处理后作为宽带射频信号载波,下路光频梳信号作为本振光频梳;
所述下路光频梳信号经第一解复用器分离出N/2个本振光梳信号;
所述上路光频梳信号经第二解复用器选出N/4个光梳线,其中N表示宽带射频信号被切割成的信道个数,为4的倍数;所述N/4个光梳线分别经N/4个声光移频器后,得到N/4个信号光载波;所述N/4个信号光载波经波分复用器输入到马赫增德尔调制器中;
将宽带射频信号通过低噪声放大器放大后调制到马赫增德尔调制器上,所述马赫增德尔调制器工作在双边带调制格式下,输出搭载宽带射频信号的信号光,再经第三解复用器分离出N/2个宽带射频信号副本,每个宽带射频信号副本被输入到不同的相干接收模块;将每一个宽带射频信号副本和匹配的本振光梳信号输入到同一个相干接收模块;
所述相干接收模块用于基于配置的匹配方案将宽带射频信号切割为N个窄带射频信号;所述匹配方案指对宽带射频信号进行信号光载波的不同移频量选择;
所述N个窄带射频信号被送进并行电信号处理器进行电域信号处理,以实现微波光子宽带射频信号的信道化接收。
在一种可能实现方式中,所述匹配方案为:
将宽带射频信号分为4个部分,分别记为a,b,c,d,每个部分带宽为B/4,其中,B表示宽带射频信号的带宽;
根据马赫增德尔调制器的双边带调制格式,记2个边带为左边带、右边带,两个边带频谱关于光载波信号对称,所有左边带组成左边带组,所有右边带组成右边带组;用2个本振光梳信号实现宽带射频信号的下变频,记2个本振光梳信号为左、右本振,所有左本振形成左本振组,所有右本振形成右本振组;
左本振用于下变频左边带的d,c部分,左本振组的第一个左本振和左边带组的第一左边带经过相干接收模块切割出dN/4,cN/4两个窄带射频信号;右本振用于下变频右边带的a,b部分,右本振组的第一右本振和右边带组的第一右边带经过相干接收模块切割出a1,b1两个窄带射频信号;由所有的左本振和左边带得到切割后的d,c部分的窄带射频信号(即窄带子信号),一共N/2个窄带射频信号;所有的右本振和右边带可得到切割后的a,b部分的窄带射频信号,一共N/2个窄带射频信号。
在一种可能实现方式中,所述相干接收模块包括光混频器、平衡光电检测器、电正交混频器和带通滤波器;
所述光混频器输入为宽带射频信号副本和匹配的本振光信号,光混频器的混频输出正交、同相两路光信号,两路光信号分别输入到两个平衡光电检测器中,光信号在平衡光电检测器中进行光电转换输出电信号;平衡光电检测器输出的两路电信号作为电正交混频器的两个输入,电正交混频器的两个输出分别输出射频光副本频率相对于本振光信号频率左边和右边的信号部分(即I路和Q路);电正交混频器输出的两路电信号经过带通滤波器,得到切割后的窄带射频信号。
在一种可能实现方式中,所述下路光频梳信号经第一解复用器分离出N/2个本振光梳信号的频率间隔为:δLo=2fRF。
在一种可能实现方式中,所述N/4个信号光载波中,相邻信号光载波的间隔为:δSig=2δLo-δ,其中,δ表示窄带射频信号的带宽。
本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果:
本发明的微波光子信道化装置是面向宽带射频信号接收的微波光子信道化接收方案。其光频梳发生模块用于产生超平坦光频梳,产生的一个超平坦光频梳在射频信号接收模块中被用做本振光梳和信号光载波,仅使用一个光频梳产生模块大大减少了整个系统的复杂度。一个光载波和两个本振光梳可实现四个信道的接收。声光移频器配合两种切割方案增加了器件参数选择的灵活性,实现不同带宽、不同中心频率的宽带射频信号的接收。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中,采用的光频梳发生模块示意图;
图2是本发明实施例中,采用的射频信号接收模块示意图;
图3是本发明实施例中,宽带射频信号的8信道切割方案频谱示意图;
图4是本发明实施例中,多信道切割方案示意图;
图5是本发明实施例中,光频梳模块的仿真输出图;
图6是本发明实施例中,33.2GHz线性调频信号双边带调制频谱;
图7是本发明实施例中,3.2GHz线性调频信号切为8信道射频信号波形图;
图8是本发明实施例中,3.2GHz线性调频信号8个信道时间频谱图。
图1和图2中的符号注释为:
CW:连续波激光器,PC:偏振控制器,IM:强度调制器,PM:相位调制器,RF:射频信号,PS:移相器,X2:倍频器,VA:可调衰减器,GC:增益控制器,OA:光放大器,OFC:光频梳信号,OS:光分束器,DEMUX:解复用器,AOFS:声光移频器件,UFC:超声波控制器,MUX:波分复用器,MZM:马赫增德尔调制器,LNA:低噪声放大器,BRF:宽带射频信号,TOF:可调谐光滤波器,OH:光混频器,BPD:平衡光电检测器,EQH:电正交混频器,LPF:低通滤波器,BPF:带通滤波器,CH:信道,PESP:并行电信号处理器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例的目的在于实现宽带射频信号的微波光子信道化接收,是一种基于超平坦光频梳的可重构、可扩展的宽带射频信号微波光子信道化接收方案。本发明实施例提供的微波光子信道化装置,首先,利用级联的调制器产生一个梳线间隔可调谐的超平坦光频梳,超平坦光频梳一分为二,一路作为本振光梳,一路选取特定梳线,经声光移频器(AOFS)移频后作为宽带射频信号光载波;然后,利用光载波和本振光梳将宽带射频信号切割成窄带射频信号;最后,对接收的多个窄带射频信号进行并行电域信号处理。实现宽带射频信号的信道化接收。
本发明实施例提供的微波光子信道化装置可以分为两个子模块,光频梳发生模块和射频信号接收模块。
光频梳发生模块的目的是产生一个光梳间隔可调的超平坦光频梳用作光载波和本振光梳,本发明实施例中,光梳间隔可调谐的光频梳发生模块原理图如图1所示,该模块包括:连续波激光器(CW),偏振控制器(PC),强度调制器(IM),相位调制器(PM),相移器(PS),倍频器(X2),可调衰减器(VA),增益控制器(GC),光放大器(OA)等,各器件的具体工作为:
1-1)连续波激光器输出的激光首先通过偏振控制器,然后输入到1号强度调制器(IM1),该强度调制器上加载了频率为fRF的射频信号(RF);
1-2)1号强度调制器的输出光信号作为2号强度调制器(IM2)的输入光信号,射频信号(RF)经过相移器后调制到2号强度调制器上;
1-3)2号强度调制器的输出光信号作为相位调制器的输入光信号,同时射频信号被分为两个支路,一路经过移相器,一路经过倍频器和可调衰减器,然后两路射频信号合为一路,经过增益控制器(控制射频信号增益),增益控制器的作用是为了控制光频梳模块输出的平坦光梳线的的数目,然后放大的射频信号被调制在相位调制器上;
1-4)相位调制器输出的调制光波经过光放大器后,输出超平坦光频梳;
通过调节射频信号的频率fRF可以调节输出超平坦光频梳的光梳间隔,调节增益控制器和相移器共同控制了输出的平坦光频梳的梳线个数。
射频信号接收模块利用光频梳发生模块产生的一组频率间隔为fRF的光频梳来完成宽带射频信号的接收。
本发实施例中,基于声光移频器(AOFS)的微波光子信道化接收机是第三类微波光子信道化接收机的改进方案,该方案相对于第三类接收方案仅需要一个光频梳发生模块,大大减少了有源模块的使用和系统的复杂性。本发明实施例中,基于声光移频器的微波光子信道化方案的射频信号接收模块原理图如图2所示,将宽带射频信号(BRF)(带宽为B)切割成为8个窄带射频信号(8个子信道(带宽δ))的例子的频谱图如图3所示。
作为一种可能的实现方式,本发明实施例的射频信号接收模块包括:超平坦光频梳输入(OFC),光分束器(OS),解波分复用器(DEMUX),声光移频器(AOFS),超声波控制器(UFC,也称超声波发生器),波分复用器(MUX),马赫增德尔调制器(MZM),宽带射频信号输入(BRF),低噪声放大器(LNA),光学混频器(OH),平衡光电检测器(BPD),电正交混频器(EQH),带通滤波器(BPF),并行电信号处理器(PESP)等,各器件的具体工作为:
2-1)将光频梳发生模块输出的光频梳线输入到光分束器,一分为二(上路光频梳信号、下路本振光频梳),上路经过后续处理作为宽带射频信号载波,下路作为本振光频梳;
2-2)上路光频梳信号经过解复用器选出N/4个光梳线(N是宽带射频信号被切割成的信道个数,是4的倍数),光梳线的间隔为:4δOFC=4fRF;
其中,每个声光移频器连接一个超声波控制器,用于控制声光移频器的工作频率。
2-3)波分复用器输出的信号光载波被输入到马赫增德尔调制器中,马赫增德尔调制器工作在双边带调制格式下,宽带射频信号经过低噪声放大器放大后调制到马赫增德尔调制器上,解复用器分离出N/2个宽带射频信号副本,每一个副本输入到2*4光混频器的信号端口;
2-4)下路光信号经过解复用器后输出N/2个本振光梳线,即本振光梳信号,即图2中所示的Local_1~Local_N/2,本振疏线间隔:
δLo=2δOFC=2fRF
得到的N/2个本振梳线输入到2*4光混频器的本振光信号端口;
2-5)2*4光混频器的四路输出分别输入到2个平衡光电检测器中,两路平衡光电检测器分别输出I路和Q路信号;
2-6)平衡光电检测器输出的I路和Q路信号作为电正交混频器的输入,两个输出端口输出带有镜频抑制的I路和Q路分量,即镜像被抑制,输出的I路和Q路射频信号经过带通滤波器后得到切割后的窄带射频信号;
2-7)最后,N路窄带射频信号通过信道被送进并行电信号处理器,进行最后的信号处理,即电域信号处理(可采用本领域的任一惯用处理方式,本发明实施例对此不做限定),完成宽带射频信号的信道化接收。
本发明实施例的射频信号接收模块是在前一个光频梳发生模块的基础上进行的宽带射频信号的处理,本发明实施例提供的微波光子信道化装置相对于现有的第三类微波光子信道化方案只需要一组光频梳,大大减少了系统的复杂度,光梳间隔可调谐、使用不同移频量的声光移频器使该系统具有可重构性。
为了和不同带宽宽带射频信号、射频接收模块中的声光移频器、等相关器件的参数相匹配,本发明实施例还提供了一种宽带射频信号的匹配方案,参见图4,该匹配方案是根据不同带宽B、不同中心频率fRF的宽带射频信号进行光载波的不同移频量选择,选择步骤如下:
首先将宽带射频信号(带宽为B,被切割成N个窄带射频信号(N是4的倍数))分为4个部分a,b,c,d,每个部分带宽为B/4(每个部分被切割成N/4个窄带射频信号),根据马赫增德尔调制器的双边带调制格式,记2个边带为左边带、右边带,两个边带频谱关于光载波对称,所有左边带组成左边带组,所有右边带组成右边带组;用2个本振信号实现宽带射频信号的下变频,记2个本振信号为左、右本振,所有左本振形成左本振组,所有右本振形成右本振组。
移频量(1):左本振用于下变频左边带的d,c部分,第一个左本振和左边带经过相干接收切割出dN/4,cN/4两个窄带射频信号;右本振用于下变频右边带的a,b部分,第一右本振和右边带经过相干接收切割出a1,b1两个窄带射频信号。由所有的左本振和左边带可得到切割后的d,c部分窄带子信号,一共N/2个窄带子信号;由所有的右本振和右边带可得到切割后的a,b部分窄带子信号,一共N/2个窄带子信号。最后,宽带射频信号被切割成N个窄带子信号。
移频量(2):左本振用于下变频左边带的d,b部分,第一个左本振和左边带经过相干接收切割出dN/4,bN/4两个窄带射频信号;右本振用于下变频右边带的a,c部分,第一右本振和右边带经过相干接收切割出a1,c1两个窄带射频信号。由所有的左本振和左边带可得到切割后的d,b部分窄带子信号,一共N/2个窄带子信号;由所有的右本振和右边带可得到切割后的a,c部分窄带子信号,一共N/2个窄带子信号。最后宽带射频信号被切割成N个窄带子信号。
为了体现多种移频量选择方法在匹配器件上的作用,做以下说明:
两种移频方法的移频量分别为:
移频量(1):
移频量(2):
根据实际情况选用移频量(1)或移频量(2),以匹配相关器件的参数,是声光移频器件和电正交混频器以及带通滤波器更具有灵活性。
本发明实施例提供的微波光子信道化装置是面向宽带射频信号接收的微波光子信道化接收方案。其包括两个模块:光频梳发生模块和射频信号接收模块,其中光频梳发生模块用于产生超平坦光频梳,产生的一个超平坦光频梳在射频信号接收模块中被用做本振光梳和信号光载波,仅使用一个光频梳产生模块大大减少了整个系统的复杂度。一个光载波和两个本振光梳可实现四个信道的接收。声光移频器配合两种切割方案增加了器件参数选择的灵活性,实现不同带宽、不同中心频率的宽带射频信号的接收。
为了进一步的验证本发明实施例提供的微波光子信道化装置的性能,对其进行仿真模拟验证。
(1)对光频梳发生模块进行验证。
图5是光频梳模块的仿真输出图,射频信号频率为5GHz,幅度为5V,图5展示了超平坦光频梳的细节部分,仿真结果展示了至少能产生40个光梳间隔为5GHz超平坦光频梳线。
(2)对宽带射频信号接收模块进行验证。
需要接收的宽带射频信号为线性调频信号(LFM),带宽:B=3.2GHz,中心频率为:fRF,两个声光移频器的移频量分别为:移频后的两个光载波经过双边带调制,调制后的光信号如图6所示,经过相干接收模块,得到8个子信道带宽为δ=0.4GHz,子信道中心频率为:0.8GHz的窄带射频信号,8个窄带射频信号的波形图如图7所示,其时频图如图8所示,验证了本发明实施例提供的微波光子信道化装置的可行性。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种微波光子信道化装置,其特征在于,所述装置包括光频梳发生模块和射频信号接收模块;
所述光频梳发生模块用于产生一个光梳间隔可调的超平坦光频梳,所述光频梳发生模块包括连续波激光器,偏振控制器,强度调制器,相位调制器,相移器,倍频器,可调衰减器,增益控制器和光放大器;
所述连续波激光器输出的激光首先通过偏振控制器,然后输入到第一强度调制器,第一强度调制器上加载有指定频率的射频信号;
所述第一强度调制器的输出光信号作为第二强度调制器的输入光信号,且所述射频信号经过相移器后调制到第二强度调制器上;
所述第二强度调制器的输出光信号作为相位调制器的输入光信号,同时射频信号被分为两个支路,一路经过移相器,一路经过倍频器和可调衰减器,然后两路射频信号合为一路,合并后的射频信号再经增益控制器输入相位调制器;
所述相位调制器输出的调制光波经过光放大器后,输出超平坦光频梳,其频率间隔为视频信号的频率;
所述射频信号接收模块基于光频梳发生模块产生的超平坦光频梳完成宽带射频信号的接收,所述射频信号接收模块包括:光分束器,解波分复用器,声光移频器,波分复用器,马赫增德尔调制器,低噪声放大器、相干接收模块和并行电信号处理器;
所述光分束器用于将输入的超平坦光频梳一分为二,得到上路光频梳信号和下路光频梳信号,所述上路光频梳信号经信号处理后作为宽带射频信号载波,下路光频梳信号作为本振光频梳;
所述下路光频梳信号经第一解复用器分离出N/2个本振光梳信号;
所述上路光频梳信号经第二解复用器选出N/4个光梳线,其中N表示宽带射频信号被切割成的信道个数,为4的倍数;所述N/4个光梳线分别经N/4个声光移频器后,得到N/4个信号光载波;所述N/4个信号光载波经波分复用器输入到马赫增德尔调制器中;
将宽带射频信号通过低噪声放大器放大后调制到马赫增德尔调制器上,所述马赫增德尔调制器工作在双边带调制格式下,输出搭载宽带射频信号的信号光,再经第三解复用器分离出N/2个宽带射频信号副本,每个宽带射频信号副本被输入到不同的相干接收模块;将每一个宽带射频信号副本和匹配的本振光梳信号输入到同一个相干接收模块;
所述相干接收模块用于基于配置的匹配方案将宽带射频信号切割为N个窄带射频信号;所述匹配方案指对宽带射频信号进行信号光载波的不同移频量选择;
所述N个窄带射频信号被送进并行电信号处理器进行电域信号处理。
2.如权利要求1所述的微波光子信道化装置,其特征在于,所述匹配方案为:
将宽带射频信号分为4个部分,分别记为a,b,c,d,每个部分带宽为B/4,其中,B表示宽带射频信号的带宽;
根据马赫增德尔调制器的双边带调制格式,记2个边带为左边带、右边带,两个边带频谱关于光载波信号对称,所有左边带组成左边带组,所有右边带组成右边带组;用2个本振光梳信号实现宽带射频信号的下变频,记2个本振光梳信号为左、右本振,所有左本振形成左本振组,所有右本振形成右本振组;
左本振用于下变频左边带的d,c部分,左本振组的第一个左本振和左边带组的第一左边带经过相干接收模块切割出dN/4,cN/4两个窄带射频信号;右本振用于下变频右边带的a,b部分,右本振组的第一右本振和右边带组的第一右边带经过相干接收模块切割出a1,b1两个窄带射频信号;由所有的左本振和左边带得到切割后的d,c部分的窄带射频信号,一共N/2个窄带射频信号;所有的右本振和右边带可得到切割后的a,b部分的窄带射频信号,一共N/2个窄带射频信号。
3.如权利要求1所述的微波光子信道化装置,其特征在于,所述相干接收模块包括光混频器、平衡光电检测器、电正交混频器和带通滤波器;
所述光混频器输入为宽带射频信号副本和匹配的本振光信号,光混频器的混频输出正交、同相两路光信号,两路光信号分别输入到两个平衡光电检测器中,光信号在平衡光电检测器中进行光电转换输出电信号;平衡光电检测器输出的两路电信号作为电正交混频器的两个输入,电正交混频器的两个输出分别输出射频光副本频率相对于本振光信号频率左边和右边的信号部分;电正交混频器输出的两路电信号经过带通滤波器,得到切割后的窄带射频信号。
4.如权利要求1所述的微波光子信道化装置,其特征在于,所述下路光频梳信号经第一解复用器分离出N/2个本振光梳信号的频率间隔为:δLo=2fRF,其中fRF表示射频信号的频率。
5.如权利要求1所述的微波光子信道化装置,其特征在于,所述N/4个信号光载波中,相邻信号光载波的间隔为:δSig=4fRF-δ,其中,fRF表示射频信号的频率,δ表示窄带射频信号的带宽。
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