CN114826418B - 光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置及方法 - Google Patents

光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，包括：波长可调谐激光器，偏振控制器，集成双平行马赫曾德尔调制器DP‑MZM，子调制器，单模光纤，光功率放大器，光电探测器，直流源，超宽带天线，电衰减器，电延时线，本振信号发生器，电功分器，电移相器。还提供一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化方法。本发明可在相对简单、紧凑、稳定的结构中实现微波信号混频、自干扰抵消及镜像抑制的多功能一体化演进，大大降低系统的损耗、成本及体积；本发明装置兼容光纤传输场景，可有效缓解长距离光纤传输后的DIPF效应，更好地提高接收信号的质量；本发明装置利用光纤引入的信号群延时获得电域混频信号的可调线性延时量，可作为混频延时器兼容系统的其他模块。

Description

光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置及方法
技术领域
本发明涉及微波光子信号处理领域，具体涉及一种带内全双工ROF系统下基于光纤色散和集成双平行马赫曾德尔调制器相结合的光子辅助镜像抑制变频、自干扰消除及抗色散传输一体化装置及方法。
背景技术
带内全双工(IBFD)光载射频(ROF)链路具有高频谱利用率、大带宽、低传输损耗等优点，近年来受到了广泛关注，是解决有限的频谱资源和不断增长的数据速率之间突出矛盾的有效途径。然而，传统的IBFD-ROF链路若要实现更低损耗和更高质量的有用信号传输及接收，需要解决目前面临的三个主要问题。首先，天线单元接收到来自用户的有用射频信号后，为降低中心站信号解调的带宽要求及对模数转换器的采样率要求，需要对高频射频信号进行下变频处理。然而在下变频处理过程中，与有用射频信号关于本振信号对称的镜像(IM)信号，会与有用信号一同下变频到同一中频。其次，由于IBFD技术在同一时间以相同频率收发信息，自干扰(SI)信号会从发射机泄露到自身的接收机，并且与有用信号(SOI)一同变频至同一中频。因此SI信号与IM信号都会影响SOI信号的接收与恢复，且带内干扰无法通过简单的滤波来消除。此外，当射频频率增大及传输距离不断增加时，下变频SOI信号对高频射频载波和长距离光纤传输会具有严重的色散诱导功率衰落(DIPF)效应，从而导致有用信号变频、传输性能恶化。
近年来，研究领域就IBFD-ROF系统下光子辅助镜像干扰抑制变频、自干扰抵消以及补偿DIPF方面提出诸多方案，但是鲜有方案可以在相对简单紧凑的结构中同时解决上述三个问题，即在一个多功能系统中实现光子辅助镜像干扰抑制变频、自干扰消除及抗色散传输一体化。例如，1)Zhu D，Hu X，Chen W，et al.Photonics-enabled simultaneousself-interference cancellation and image-reject mixing[J].Optics letters，2019，44(22)，5541-5544；2)Weng B，Chen Y，Chen Y.Photonic-assisted widebandfrequency downconverter with self-interference cancellation and imagerejection[J].Applied optics，2019，58(13)：3539-3547.提出光子辅助镜像抑制下变频结合自干扰抵消的方法，但是并未考虑长距离光纤传输后的DIPF补偿，而通过独立的功能叠加实现镜像抑制变频、自干扰抵消和抗色散传输，这会极大增加系统的插入损耗和复杂度，因此上述三个功能的融合演进非常必要，并且将有效提高系统的成本效益、缩小系统的体积重量、提升系统的整体效能，有利于其在未来的有限载荷平台(如空基、天基，海基)上应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，该装置包括：
波长可调谐激光器1，用于提供高质量、低相噪、波长可调的光源；
偏振控制器2，其输入端与波长可调谐激光器1的输出端相连，用于对光载波的偏振态进行调节；
集成双平行马赫曾德尔调制器DP-MZM 3，其输入端3-1端口与偏振控制器2的输出端相连，用于对光载波进行调制；
子调制器a 4，嵌入于集成DP-MZM 3的上臂，用于对上支路的光载波进行调制；
子调制器b 5，嵌入于集成DP-MZM 3的下臂，用于对下支路的光载波进行调制；
单模光纤6，其输入端与集成DP-MZM 3的输出端3-2端口相连，用于为不同波长的光边带引入不同的色散并实现信号远距离传输；
光功率放大器7，其输入端与单模光纤6的输出端相连，用于对光信号的功率进行放大；
光电探测器8，其输入端与光功率放大器7的输出端相连，用于实现光电转换；
直流源a 9，其输出端与集成DP-MZM 3上支路的直流输入端a-3相连，用于对该调制器中的子调制器a进行直流偏置；
直流源b 10，其输出端与集成DP-MZM 3下支路的直流输入端b-3相连，用于对该调制器中的子调制器b进行直流偏置；
直流源c 11，其输出端与集成DP-MZM 3的主调制器直流输入端3-3相连，用于对该调制器中的主调制器进行直流偏置；
第一超宽带天线12，其接收端面向无线信道，输出端与集成DP-MZM 3上支路的射频输入端a-1相连，用于接收SOI信号①、IM信号②和来自全双工系统中第二超宽带天线13发射的SI信号③；
第二超宽带天线13，其发射端面向无线信道，发射出的信号将进入自由空间传播，另一端与电衰减器14的输入端相连，其中泄漏进入第一超宽带天线12的信号为SI信号③，传输至电衰减器14的将作为RI信号④；
电衰减器14，其输出端与电延时线15的输入端相连，用于对RI信号④进行功率调节；
电延时线15，其输出端与集成DP-MZM 3上支路的射频输入端a-2相连，用于对RI信号④进行延时调节；
本振信号发生器16，其输出端与电功分器17的输入端相连，用于产生本振LO信号⑤；
电功分器17，其输出端分别与集成DP-MZM 3下支路的射频输入端b-2及电移相器18的输入端相连，用于将LO信号⑤分为功率相等的两路；
电移相器18，其输出端与集成DP-MZM 3下支路的射频输入端b-1相连，用于对上支路的LO信号⑤实现移相操作。
此外，还提供一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化方法，该方法基于上述光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，包括下列步骤：
(1)光载波由波长可调谐激光器1产生并注入集成DP-MZM 3；
波长可调谐激光器1产生光载波输出给偏振控制器2，通过偏振控制器2将光载波偏振态调整成对准DP-MZM3的主轴并输出；假设波长可调谐激光器1产生的光载波为Ec(t)＝Ecexp j(ωc+nωr)t，其中Ec是载波的振幅，ωc表示该系统的零色散参考中心频率，ωr是TLS光载波的频率调谐步长，n是整数；
(2)偏振控制器2输出的光载波在DP-MZM 3的输入端3-1处被均分为功率相等的上下两路，分别进入上路子调制器a 4和下路子调制器b 5中；
(3)假定由第一超宽带天线12接收到的SOI信号①为IM信号②为/>SI信号③为/>经由第二超宽带天线13传输回系统装置的RI信号④为/>其中VSOI、VIM、VSI、VRI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的电压，ωSOI、ωIM、ωSI、ωRI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的角频率，分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的初始相位；
(4)本振信号发生器16产生的LO信号⑤为其中VLO为LO信号的电压，ωLO为LO信号的角频率，/>为LO信号的初始相位；
(5)进入集成DP-MZM 3并均分为上下两路的光载波分别在上路子调制器a 4中被SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号调制，在下路子调制器b 5中被LO信号调制；具体如下：
上路光载波进入上路子调制器a 4，被第一超宽带天线12接收到的SOI信号①、IM信号②和SI信号③以及经由第二超宽带天线13回传至系统装置的RI信号④调制；其中，SOI信号①、IM信号②和SI信号③由DP-MZM 3上路子调制器a 4的第一射频输入口a-1注入；先通过电衰减器14实现幅度调谐，再通过电延时线15实现延时调谐后的RI信号④由DP-MZM 3上路子调制器a 4的第二射频输入口a-2注入；第一直流源a 9的电压设置为Vπ，Vπ为DP-MZM3的半波电压，Vπ的作用是通过DP-MZM 3上支路的直流输入端口a-3使上路子调制器a 4偏置在最小传输点，从而在子调制器a 4的上下两路引入π的相位；
下路光载波进入下路子调制器b 5，被本振信号发生器16产生的LO信号⑤调制，具体为：本振信号发生器16产生的LO信号⑤输出至电功分器17，并由电功分器17将LO信号均分为功率相等且同向的两路；经电功分器17输出的一路LO信号由DP-MZM 3下路子调制器b5的射频输入口b-2注入；经电功分器17输出的另一路LO信号输出给电移相器18，在电移相器18中给LO信号引入π的相移，将经过相移的LO信号由DP-MZM 3下路子调制器b 5的射频输入口b-1注入；第二直流源b 10的电压设置为Vπ，其作用是通过DP-MZM 3下支路的直流输入端口b-3使下路子调制器b 5偏置在最小传输点，在下路子调制器b 5的上下两路引入π的相位，以实现载波抑制双边带CS-DSB调制；
因此，DP-MZM 3上下两路的子调制器输出端的光载微波信号分别为：
其中βSOI＝πVSOI/Vπ、βIM＝πVIM/Vπ、βSI＝πVSI/Vπ、βRI＝πVRI/Vπ和βLO＝πVLO/Vπ分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号和LO信号的调制系数，j为虚数，Vπ为DP-MZM 3的半波电压；经贝塞尔函数展开，并在小信号调制β《1情况下保留一阶边带，可以得到：
其中J0(βi)、J1(βi)为对应信号的0或1阶第一类贝塞尔函数，其中i表示为SOI、IM、SI、RI或LO；
(6)调节电衰减器14、电延时线15，使上路子调制器a 4输出的光载微波信号中SI信号调制分量与RI信号调制分量满足幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，从而在上路子调制器a 4输出端实现自干扰抵消；
从式(4)看出，调节电衰减器14、电延时线15改变RI信号④的幅度和延时，使其同时满足J0(βSOI)J0(βIM)J1(βSI)＝J1(βRI)这两个条件时，SI信号与RI信号幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，因此在上路子调制器a 4输出端实现光域上的自干扰抵消，此时，上下两路子调制器的输出信号为：
(7)上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM 3的输出端耦合，经过单模光纤6实现远距离传输，同时引入色散相位；具体为：
实现自干扰的光域抵消后，上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM 3的输出端3-2处进行耦合，且由主调制器直流偏置电压在上下两路引入相位差，则DP-MZM 3的输出端信号为：
其中为DP-MZM 3主调制器直流偏置点引入的相位，通过调节与DP-MZM3主调制器直流输入端口3-3相连的直流源c 11的电压Vbias实现相位调谐；
DPMZM输出端的耦合信号经过单模光纤6引入色散相位；单模光纤的传递函数表示为：
H(jω)＝exp[-αL/2+jβ2L(ω-ωc)2/2] (8)
其中，α和L分别是单模光纤的衰减系数和长度，β2为单模光纤的二阶色散系数，ω表示通过单模光纤的信号角频率；经过单模光纤6的输出信号为：
其中为单模光纤6在角频率点ω处引入的色散相位；因此在式(9)中，/>i表示为SOI、IM或LO；
(8)经单模光纤6实现远距离传输后的光载微波信号在功率放大后实现光电转换，同时调节参数实现镜像干扰信号的抑制；具体为：
单模光纤6输出的光载微波信号经光功率放大器7放大后注入光电探测器8，在光电探测器8中实现光电转换；则光电探测器8输出的电信号为：
其中A＝J1(βSOI)J0(βIM)J0(βSOI)J1(βIM)J0(βSI)2，B＝2J1(βLO)J0(βSOI)J1(βIM)J0(βSI)，C＝2J1(βLO)J1(βSOI)J0(βIM)J0(βSI)，G是光功率放大器7所提供的光场增益，R是光电探测器8的响应度；式(10)中频率分量I为SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，可以通过低通滤波器将其滤除，频率分量II为IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，频率分量III为SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，后续将通过调整参数抑制镜像变频干扰信号，且保持较高功率的有用变频信号；
为抑制镜像变频信号，需要满足：
即其中k为任意整数；此时光电探测器8输出信号为：
从式(12)看出IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，也就是频率分量II被消除，输出信号中仅保留SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，也就是频率分量I，以及SOU信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，也就是频率分量III，并且，频率分量I能够通过低通滤波器滤除。
本发明的装置及方法可在相对简单、紧凑、稳定的结构中实现微波信号混频、自干扰抵消及镜像抑制的多功能一体化演进，大大降低系统的损耗、成本及体积；且该装置兼容光纤传输场景，可以有效缓解长距离光纤传输后的DIPF效应，更好地提高接收信号的质量。此外，本发明装置可利用光纤引入的信号群延时获得电域混频信号的可调线性延时量，可作为混频延时器兼容系统的其他模块。本发明的装置及方法可有效降低系统成本、缩小体积质量、提高系统稳定性、提升整体效能及扩展应用范围，可应用于通信、雷达、电子对抗等系统中并部署在体积受限载荷平台上。
附图说明
图1为本发明光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置结构示意图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示为带内全双工ROF系统下光子辅助镜像抑制变频、自干扰消除及抗色散传输一体化系统装置，该装置包括：
波长可调谐激光器1，用于提供高质量、低相噪、波长可调的光源；
偏振控制器2，其输入端与波长可调谐激光器1的输出端相连，用于对光载波的偏振态进行调节；
集成双平行马赫曾德尔调制器3(DP-MZM)，其输入端3-1端口与偏振控制器2的输出端相连，用于对光载波进行调制；
子调制器a 4，嵌入于集成DP-MZM 3的上臂，用于对上支路的光载波进行调制；
子调制器b 5，嵌入于集成DP-MZM 3的下臂，用于对下支路的光载波进行调制；
单模光纤6，其输入端与集成DP-MZM 3的输出端3-2端口相连，用于为不同波长的光边带引入不同的色散并实现信号远距离传输；
光功率放大器7，其输入端与单模光纤6的输出端相连，用于对光信号的功率进行放大；
光电探测器8，其输入端与光功率放大器7的输出端相连，用于实现光电转换；
直流源a 9，其输出端与集成DP-MZM 3上支路的直流输入端a-3相连，用于对该调制器中的子调制器a进行直流偏置；
直流源b 10，其输出端与集成DP-MZM 3下支路的直流输入端b-3相连，用于对该调制器中的子调制器b进行直流偏置；
直流源c 11，其输出端与集成DP-MZM 3的主调制器直流输入端3-3相连，用于对该调制器中的主调制器进行直流偏置；
第一超宽带天线12，其接收端面向无线信道，输出端与集成DP-MZM 3上支路的射频输入端a-1相连，用于接收SOI信号①、IM信号②和来自全双工系统中第二超宽带天线13发射的SI信号③；
第二超宽带天线13，其发射端面向无线信道，发射出的信号将进入自由空间传播，另一端与电衰减器14的输入端相连，其中泄漏进入第一超宽带天线12的信号为SI信号③，传输至电衰减器14的将作为RI信号④；
电衰减器14，其输出端与电延时线15的输入端相连，用于对RI信号④进行功率调节；
电延时线15，其输出端与集成DP-MZM 3上支路的射频输入端a-2相连，用于对RI信号④进行延时调节；
本振信号发生器16，其输出端与电功分器17的输入端相连，用于产生本振(LO)信号⑤；
电功分器17，其输出端分别与集成DP-MZM 3下支路的射频输入端b-2及电移相器18的输入端相连，用于将LO信号⑤分为功率相等的两路；
电移相器18，其输出端与集成DP-MZM 3下支路的射频输入端b-1相连，用于对上支路的LO信号⑤实现移相操作；
该方法具体包括下列步骤：
(1)光载波由波长可调谐激光器1产生并注入集成DP-MZM 3；
波长可调谐激光器1产生光载波输出给偏振控制器2，通过偏振控制器2将光载波偏振态调整成对准DP-MZM 3的主轴并输出。为方便后续说明，假设波长可调谐激光器1产生的光载波为Ec(t)＝Ecexp j(ωc+nωr)t，其中Ec是载波的振幅，ωc表示该系统的零色散参考中心频率，ωr是TLS光载波的频率调谐步长，n是整数。
(2)偏振控制器2输出的光载波在DP-MZM 3的输入端3-1处被均分为功率相等的上下两路，分别进入上路子调制器a 4和下路子调制器b 5中。
(3)为方便后续说明，假定由第一超宽带天线12接收到的SOI信号①为IM信号②为/>SI信号③为/>经由第二超宽带天线13传输回系统装置的RI信号④为/>其中VSOI、VIM、VSI、VRI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的电压，ωSOI、ωIM、ωSI、ωRI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的角频率，/>分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的初始相位。
(4)本振信号发生器16产生的LO信号⑤为其中VLO为LO信号的电压，ωLO为LO信号的角频率，/>为LO信号的初始相位。
(5)进入集成DP-MZM 3并均分为上下两路的光载波分别在上路子调制器a 4中被SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号调制，在下路子调制器b 5中被LO信号调制；具体如下：
上路光载波进入上路子调制器a 4，被第一超宽带天线12接收到的SOI信号①、IM信号②和SI信号③以及经由第二超宽带天线13回传至系统装置的RI信号④调制。其中，SOI信号①、IM信号②和SI信号③由DP-MZM 3上路子调制器a 4的第一射频输入口a-1注入；先通过电衰减器14实现幅度调谐，再通过电延时线15实现延时调谐后的RI信号④由DP-MZM 3上路子调制器a 4的第二射频输入口a-2注入。第一直流源a 9的电压设置为Vπ(Vπ为DP-MZM3的半波电压)，其作用是通过DP-MZM 3上支路的直流输入端口a-3使上路子调制器a 4偏置在最小传输点，从而在子调制器a 4的上下两路引入π的相位。
下路光载波进入下路子调制器b 5，被本振信号发生器16产生的LO信号⑤调制，具体为：本振信号发生器16产生的LO信号⑤输出至电功分器17，并由电功分器17将LO信号均分为功率相等且同向的两路。经电功分器17输出的一路LO信号由DP-MZM 3下路子调制器b5的射频输入口b-2注入；经电功分器17输出的另一路LO信号输出给电移相器18，在电移相器18中给LO信号引入π的相移，将经过相移的LO信号由DP-MZM 3下路子调制器b 5的射频输入口b-1注入。第二直流源b 10的电压设置为Vπ，其作用是通过DP-MZM 3下支路的直流输入端口b-3使下路子调制器b 5偏置在最小传输点，在下路子调制器b 5的上下两路引入π的相位，以实现载波抑制双边带(CS-DSB)调制。
因此，DP-MZM 3上下两路的子调制器输出端的光载微波信号分别为：
其中βSOI＝πVSOI/Vπ、βIM＝πVIM/Vπ、βSI＝πVSI/Vπ、βRI＝πVRI/Vπ和βLO＝πVLO/Vπ分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号和LO信号的调制系数，j为虚数，Vπ为DP-MZM 3的半波电压。经贝塞尔函数展开并在小信号调制下(β＜＜1)保留一阶边带可以得到：
其中J0(βi)、J1(βi)(i可表示为SOI\IM\SI\RI\LO)为对应信号的0或1阶第一类贝塞尔函数。
(6)调节电衰减器14、电延时线15，使上路子调制器a 4输出的光载微波信号中SI信号调制分量与RI信号调制分量满足幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，从而在上路子调制器a 4输出端实现自干扰抵消；
从式(4)可以看出，调节电衰减器14、电延时线15改变RI信号④的幅度和延时，使其同时满足J0(βSOI)J0(βIM)J1(βSI)＝J1(βRI)两个条件时，SI信号与RI信号幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，因此在上路子调制器a 4输出端实现光域上的自干扰抵消，此时，上下两路子调制器的输出信号为：
(7)上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM 3的输出端耦合，经过单模光纤6实现远距离传输，同时引入色散相位；具体为：
实现自干扰的光域抵消后，上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM 3的输出端3-2处进行耦合，且由主调制器直流偏置电压在上下两路引入相位差，则DP-MZM 3的输出端信号为：
其中为DP-MZM 3主调制器直流偏置点引入的相位，通过调节与DP-MZM3主调制器直流输入端口3-3相连的直流源c 11的电压Vbias实现相位调谐。
DPMZM输出端的耦合信号经过单模光纤6引入色散相位。单模光纤的传递函数一般可表示为：
H(jω)＝exp[-αL/2+jβ2L(ω-ωc)2/2] (8)
其中，α和L分别是单模光纤的衰减系数和长度，β2为单模光纤的二阶色散系数，ω表示通过单模光纤的信号角频率。经过单模光纤6的输出信号可以写为：
其中为单模光纤6在角频率点ω处引入的色散相位。因此在式(9)中，/>i可表示为SOI\IM\LO。
(8)经单模光纤6实现远距离传输后的光载微波信号在功率放大后实现光电转换，同时调节参数实现镜像干扰信号的抑制；具体为：
单模光纤6输出的光载微波信号经光功率放大器7放大后注入光电探测器8，在光电探测器8中实现光电转换。则光电探测器8输出的电信号为：
其中A＝J1(βSOI)J0(βIM)J0(βSOI)J1(βIM)J0(βSI)2，B＝2J1(βLO)J0(βSOI)J1(βIM)J0(βSI)，C＝2J1(βLO)J1(βSOI)J0(βIM)J0(βSI)，G是光功率放大器7所提供的光场增益，R是光电探测器8的响应度。式(10)中频率分量I为SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，可以通过低通滤波器将其滤除，频率分量II为IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，频率分量III为SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，后续将通过调整参数抑制镜像变频干扰信号，且保持较高功率的有用变频信号。
为抑制镜像变频信号，需要满足：
即其中k为任意整数。此时光电探测器8输出信号为：/>
从式(12)可以看出IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号(频率分量II)被消除，输出信号中仅保留SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号(频率分量I)，以及SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号(频率分量III)，并且，频率分量I可以通过低通滤波器滤除。
因此输出结果保证了混频的功能，能够实现对输入微波信号的上/下变频，并且能够同时实现自干扰抵消以及镜像抑制，可以在后续的微波域中通过低/带通滤波器进一步拾取上/下变频信号；对于不同的中频频率，继续调整直流源c 11的电压，改变主调制器直流偏置电压引入的相位即可实现镜像抑制；此外单模光纤引入的信号群时延导致的相位响应为β2Lnωr(ωLO±ωSOI)，该相位项与变频后的信号频率ωLO±ωSOI成正比，斜率为β2Lnωr，这表明变频后的微波信号获得了β2Lnωr的可调延时量；且变频信号的幅度项与C·(-1)ksin[2β2L(ωLO-ωSOI)ωLO]成正比，这意味着所需的变频信号功率在特定的SOI频率上可以达到最大值，最大值仅与各项调制系数相关。在其他SOI频率上，如果增加可调谐色散补偿模块实现β2的任意调谐，那么在任何的SOI频率下都可以获得最大的变频功率，表明本装置可补偿DIPF效应，保证接收信号的质量。
本发明提出一种带内全双工ROF系统下光子辅助镜像抑制变频、自干扰消除及抗色散传输一体化方法及其装置，利用简洁的系统结构，在同一硬件配置下，可同时实现带内全双工ROF系统的三个重要功能，解决镜像干扰、自干扰以及DIPF效应对信号传输和接收质量的影响，有利于信号的恢复；调谐机制较为简单，且不涉及偏振调节，系统稳定性较好；自干扰信号在光纤传输前抵消，可以很好地克服群延时色散对自干扰抵消的影响；通过将光纤色散引入的光域非线性相移转换为电域中频可调延时，既可以补偿DIPF效应，避免光纤色散造成信号质量恶化，还可以提供线性可调延时量，便于后续的信号处理。

Claims (2)

1.一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，其特征在于，该装置包括：
波长可调谐激光器(1)，用于提供高质量、低相噪、波长可调的光源；
偏振控制器(2)，其输入端与波长可调谐激光器(1)的输出端相连，用于对光载波的偏振态进行调节；
集成双平行马赫曾德尔调制器DP-MZM(3)，其输入端3-1端口与偏振控制器(2)的输出端相连，用于对光载波进行调制；
子调制器a(4)，嵌入于集成DP-MZM(3)的上臂，用于对上支路的光载波进行调制；
子调制器b(5)，嵌入于集成DP-MZM(3)的下臂，用于对下支路的光载波进行调制；
单模光纤(6)，其输入端与集成DP-MZM(3)的输出端3-2端口相连，用于为不同波长的光边带引入不同的色散并实现信号远距离传输；
光功率放大器(7)，其输入端与单模光纤(6)的输出端相连，用于对光信号的功率进行放大；
光电探测器(8)，其输入端与光功率放大器(7)的输出端相连，用于实现光电转换；
直流源a(9)，其输出端与集成DP-MZM(3)上支路的直流输入端a-3相连，用于对该调制器中的子调制器a进行直流偏置；
直流源b(10)，其输出端与集成DP-MZM(3)下支路的直流输入端b-3相连，用于对该调制器中的子调制器b进行直流偏置；
直流源c(11)，其输出端与集成DP-MZM(3)的主调制器直流输入端3-3相连，用于对该调制器中的主调制器进行直流偏置；
第一超宽带天线(12)，其接收端面向无线信道，输出端与集成DP-MZM(3)上支路的射频输入端a-1相连，用于接收SOI信号①、IM信号②和来自全双工系统中第二超宽带天线(13)发射的SI信号③；
第二超宽带天线(13)，其发射端面向无线信道，发射出的信号将进入自由空间传播，另一端与电衰减器(14)的输入端相连，其中泄漏进入第一超宽带天线(12)的信号为SI信号③，传输至电衰减器(14)的将作为RI信号④；
电衰减器(14)，其输出端与电延时线(15)的输入端相连，用于对RI信号④进行功率调节；
电延时线(15)，其输出端与集成DP-MZM(3)上支路的射频输入端a-2相连，用于对RI信号④进行延时调节；
本振信号发生器(16)，其输出端与电功分器(17)的输入端相连，用于产生本振LO信号⑤；
电功分器(17)，其输出端分别与集成DP-MZM(3)下支路的射频输入端b-2及电移相器(18)的输入端相连，用于将LO信号⑤分为功率相等的两路；
电移相器(18)，其输出端与集成DP-MZM(3)下支路的射频输入端b-1相连，用于对上支路的LO信号⑤实现移相操作。
2.一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化方法，该方法基于权利要求1所述的光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，其特征在于，包括下列步骤：
(1)光载波由波长可调谐激光器(1)产生并注入集成DP-MZM(3)；
波长可调谐激光器(1)产生光载波输出给偏振控制器(2)，通过偏振控制器(2)将光载波偏振态调整成对准DP-MZM(3)的主轴并输出；假设波长可调谐激光器(1)产生的光载波为Ec(t)＝Ecexpj(ωc+nωr)t，其中Ec是载波的振幅，ωc表示该系统的零色散参考中心频率，ωr是TLS光载波的频率调谐步长，n是整数；
(2)偏振控制器(2)输出的光载波在DP-MZM(3)的输入端3-1处被均分为功率相等的上下两路，分别进入上路子调制器a(4)和下路子调制器b(5)中；
(3)假定由第一超宽带天线(12)接收到的SOI信号①为IM信号②为SI信号③为/>经由第二超宽带天线(13)传输回系统装置的RI信号④为/>其中VSOI、VIM、VSI、VRI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的电压，ωSOI、ωIM、ωSI、ωRI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的角频率，分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的初始相位；
(4)本振信号发生器(16)产生的LO信号⑤为其中VLO为LO信号的电压，ωLO为LO信号的角频率，/>为LO信号的初始相位；
(5)进入集成DP-MZM(3)并均分为上下两路的光载波分别在上路子调制器a(4)中被SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号调制，在下路子调制器b(5)中被LO信号调制；具体如下：
上路光载波进入上路子调制器a(4)，被第一超宽带天线(12)接收到的SOI信号①、IM信号②和SI信号③以及经由第二超宽带天线(13)回传至系统装置的RI信号④调制；其中，SOI信号①、IM信号②和SI信号③由DP-MZM(3)上路子调制器a(4)的第一射频输入口a-1注入；先通过电衰减器(14)实现幅度调谐，再通过电延时线(15)实现延时调谐后的RI信号④由DP-MZM(3)上路子调制器a(4)的第二射频输入口a-2注入；第一直流源a(9)的电压设置为Vπ，Vπ为DP-MZM(3)的半波电压，Vπ的作用是通过DP-MZM(3)上支路的直流输入端口a-3使上路子调制器a(4)偏置在最小传输点，从而在子调制器a(4)的上下两路引入π的相位；
下路光载波进入下路子调制器b(5)，被本振信号发生器(16)产生的LO信号⑤调制，具体为：本振信号发生器(16)产生的LO信号⑤输出至电功分器(17)，并由电功分器(17)将LO信号均分为功率相等且同向的两路；经电功分器(17)输出的一路LO信号由DP-MZM(3)下路子调制器b(5)的射频输入口b-2注入；经电功分器(17)输出的另一路LO信号输出给电移相器(18)，在电移相器(18)中给LO信号引入π的相移，将经过相移的LO信号由DP-MZM(3)下路子调制器b(5)的射频输入口b-1注入；第二直流源b(10)的电压设置为Vπ，其作用是通过DP-MZM(3)下支路的直流输入端口b-3使下路子调制器b(5)偏置在最小传输点，在下路子调制器b(5)的上下两路引入π的相位，以实现载波抑制双边带CS-DSB调制；
因此，DP-MZM(3)上下两路的子调制器输出端的光载微波信号分别为：
其中βSOI＝πVSOI/Vπ、βIM＝πVIM/Vπ、βSI＝πVSI/Vπ、βRI＝πVRI/Vπ和βLO＝πVLO/Vπ分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号和LO信号的调制系数，j为虚数，Vπ为DP-MZM(3)的半波电压；经贝塞尔函数展开，并在小信号调制β＜＜1情况下保留一阶边带，能够得到：
其中J0(βi)、J1(βi)为对应信号的0或1阶第一类贝塞尔函数，其中i表示为SOI、IM、SI、RI或LO；
(6)调节电衰减器(14)、电延时线(15)，使上路子调制器a(4)输出的光载微波信号中SI信号调制分量与RI信号调制分量满足幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，从而在上路子调制器a(4)输出端实现自干扰抵消；
从式(4)看出，调节电衰减器(14)、电延时线(15)改变RI信号④的幅度和延时，使其同时满足J0(βSOI)J0(βIM)J1(βSI)＝J1(βRI)这两个条件时，SI信号与RI信号幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，因此在上路子调制器a(4)输出端实现光域上的自干扰抵消，此时，上下两路子调制器的输出信号为：
(7)上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM(3)的输出端耦合，经过单模光纤(6)实现远距离传输，同时引入色散相位；具体为：
实现自干扰的光域抵消后，上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM(3)的输出端3-2处进行耦合，且由主调制器直流偏置电压在上下两路引入相位差，则DP-MZM(3)的输出端信号为：
其中为DP-MZM(3)主调制器直流偏置点引入的相位，通过调节与DP-MZM(3)主调制器直流输入端口3-3相连的直流源c(11)的电压Vbias实现相位调谐；
DPMZM输出端的耦合信号经过单模光纤(6)引入色散相位；单模光纤的传递函数表示为：
H(jω)＝exp[-αL/2+jβ2L(ω-ωc)2/2] (8)
其中，α和L分别是单模光纤的衰减系数和长度，β2为单模光纤的二阶色散系数，ω表示通过单模光纤的信号角频率；经过单模光纤(6)的输出信号为：
其中为单模光纤(6)在角频率点ω处引入的色散相位；因此在式(9)中，/>i表示为SOI、IM或LO；
(8)经单模光纤(6)实现远距离传输后的光载微波信号在功率放大后实现光电转换，同时调节参数实现镜像干扰信号的抑制；具体为：
单模光纤(6)输出的光载微波信号经光功率放大器(7)放大后注入光电探测器(8)，在光电探测器(8)中实现光电转换；则光电探测器(8)输出的电信号为：
其中A＝J1(βSOI)J0(βIM)J0(βSOI)J1(βIM)J0(βSI)2，B＝2J1(βLO)J0(βSOI)J1(βIM)J0(βSI)，C＝2J1(βLO)J1(βSOI)J0(βIM)J0(βSI)，G是光功率放大器(7)所提供的光场增益，R是光电探测器(8)的响应度；式(10)中频率分量I为SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，可以通过低通滤波器将其滤除，频率分量II为IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，频率分量III为SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，后续将通过调整参数抑制镜像变频干扰信号，且保持较高功率的有用变频信号；
为抑制镜像变频信号，需要满足：
即其中k为任意整数；此时光电探测器(8)输出信号为：
从式(12)看出IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，也就是频率分量II被消除，输出信号中仅保留SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，也就是频率分量I，以及SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，也就是频率分量III，并且，频率分量I能够通过低通滤波器滤除。
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